외골격의 실시간 신경근 제어
본 연구의 목적은 인간의 근육 조직에 내장된 신경 정보를 활용하여 외골격의 실시간 컨트롤러를 개발하는 것입니다. 이 컨트롤러는 HD-EMG(고밀도 근전도 검사) 기록을 기반으로 사람의 움직임을 예측하고 이를 기능 지원으로 변환하는 온라인 인터페이스로 구성됩니다. 이 연구는 건강한 참가자와 뇌졸중 후 참가자 모두를 대상으로 수행됩니다.
연구원들은 HD-EMG 기록에서 수백 개의 운동 단위(MU) 스파이크 활동을 추출할 수 있는 현재 기존 외골격의 온라인 알고리즘(디코더)을 개발할 것입니다. MU 스파이킹 활동은 인간 움직임의 신경 코드 중 대표적인 부분에 대한 접근을 제공하는 발생 타이밍에 따라 코드화된 일련의 활동 전위입니다. 또한 연구원들은 신경 정보를 움직임으로 변환하기 위해 MU 스파이킹 활동에서 인간의 의도(다관절 위치 및 힘 명령)를 예측할 수 있는 명령 인코더를 개발할 것입니다. 연구원들은 명령 인코더와 디코더를 통합하여 여러 관절 하지 외골격의 실시간 제어를 선보일 예정입니다.
연구 개요
상태
정황
상세 설명
연구자들은 기능적 작업(예: 단일 관절 운동, 보행) 동안 건강한 참가자와 뇌졸중 후 최대 8개의 하지 근육(가장근, 비복근, 전경골근, 대퇴직근, 외측광근 및 햄스트링)의 근육 활동을 기록합니다. , 쪼그리고 앉기, 사이클링). 이러한 측정은 신경 디코더에 대한 하지 움직임 및 운동에 대한 생리학적 데이터 세트를 제공합니다. 그런 다음 연구원들은 8개 이상의 근육에서 MU 스파이킹 활동 분해를 위한 온라인 딥러닝 방법을 적용하고 실시간 신경 디코더를 개발할 예정입니다. 이는 자연스러운 하지 인간 행동 중에 동시에 활성화되는 수백 개의 MU를 실시간으로 분해하는 기능을 제공합니다. 연구원들은 우리의 결과를 최적 기준인 블라인드 소스 분리 방법과 비교하여 이 접근 방식을 검증할 것입니다. 블라인드 소스 분리 알고리즘은 MU 활동 전위의 복잡한 혼합인 HD-EMG 신호를 개별 MU가 활동 전위를 방전하는 시간으로 분리하거나 분해할 수 있습니다. 분해된 MU 스파이킹 데이터를 사용하여 연구원들은 인간 의도(다관절 위치 및 다중 관절 위치 및 강제 명령) 작업에 필요한 지원 수준을 추정합니다(예: 입각기 동안 무릎 토크 추가).
연구원들은 MU 스파이킹 활동 디코더와 하위 공간 투영 방법을 개인과 운동 증강을 위한 현재 연구 중인 하지 외골격 간의 신경 실시간 인터페이스로 결합할 것입니다. 이는 외골격의 실시간 제어에 사용할 수 있는 통합된 고해상도 인간-기계 인터페이스가 되어 명령이 근육의 전기기계적 지연, 즉 신경 명령과 근육 사이의 경과 시간보다 높은 속도로 전달될 것입니다. 운동의 힘 생성.
실험 A의 경우 연구자는 건강한 지원자(n = 20)와 뇌졸중 후 참가자(n = 20)를 모집하고 단일 관절 운동 및 운동 작업을 완료하여 HD-EMG를 통해 근육 활동 데이터를 수집합니다.
실험 B의 경우, 연구자들은 보조 외골격을 사용하여 건강한 지원자(n = 20)와 뇌졸중 후 참가자(n = 20)를 모집하고 인터페이싱하는 우리의 접근 방식의 일반화를 선보일 것입니다. 피험자는 단일 관절 및 운동 작업을 수행하여 디코더를 보정한 다음 실시간 지원을 제공하는 디코더를 사용하여 단일 관절 및 운동 작업을 반복합니다. 뇌졸중 후 참가자는 최대 10개의 세션을 반복하여 운동 단위를 추출하는 디코더 능력의 안정성을 평가합니다.
연구 유형
등록 (추정된)
단계
- 해당 없음
연락처 및 위치
연구 장소
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Illinois
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Chicago, Illinois, 미국, 60611
- Shirley Ryan AbilityLab
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참여기준
자격 기준
공부할 수 있는 나이
건강한 자원 봉사자를 받아들입니다
설명
건강한 참가자의 포함 기준:
- 18세부터 80세까지
- 뇌 및/또는 두개골 병변의 병력이 없음
- 정상적인 청력과 시력 모두 교정 가능
- 이해하고 사전 동의를 제공할 수 있음
- 신경 장애 없음
- 사지의 비정상적인 움직임을 유발할 수 있는 병리가 없음(예:
- 간질, 뇌졸중, 현저한 관절염, 만성 통증, 근골격계 부상)
- 영어를 이해하고 말할 수 있는 분
- 3피트 6인치(1.1미터)에서 6피트 9인치(2.1미터) 사이의 높이
뇌졸중 후 참가자의 포함 기준:
- 18세부터 80세까지
- 6개월 이상의 편측성, 천막상성, 허혈성 또는 출혈성 뇌졸중의 병력
- 평지에서 독립적으로 걸을 수 있는 능력, 보조 장치 또는 보조기 사용이 허용됨
- 필요에 따라
- 의학적으로 안정됨
- 연구 기간 동안 계획된 수술, 의학적 치료 또는 외래 치료가 없습니다.
- 정상적인 청력과 시력 모두 교정 가능
- 이해하고 사전 동의를 제공할 수 있음
- 영어를 이해하고 말할 수 있는 분
- 3피트 6인치(1.1미터)에서 6피트 9인치(2.1미터) 사이의 높이
건강한 참가자에 대한 제외 기준:
- 무게가 220파운드 이상
- 임신(임신 설문조사에서는 제외)
- 뇌 기능에 영향을 미치는 모든 신경학적 진단이나 약물
- 심각한 두부 외상 병력(예: 장기간의 의식 상실, 신경학적 장애)
- 후유증)
- 알려진 구조적 뇌 병변
- 기타 중대한 질병(심장병, 악성종양, 정신질환)
- 비처방 약물 사용(피험자가 보고한 대로)
- 현재 약물 남용 이력(예외: 현재 니코틴 사용은 허용됨)
- 기분전환용 마리화나
- 백치; 심한 우울증; 또는 이전에 신경외과 수술을 받은 적이 있는 경우
- 행동 또는 이동 작업을 수행하지 못함
- 죄수
뇌졸중 후 참가자 제외 기준:
- 무게가 220파운드 이상
- 임신(임신 설문조사에서는 제외)
- 지난 3개월 이내에 또는 예정된 하지에 보톡스(보툴리눔 독소) 주사
- 연구 기간 동안 주사.
- 현재 약물 남용 이력(예외: 현재 니코틴 사용은 허용됨)
- 인지 기능 저하
- 심한 실어증
- 죄수
- 다른 신경질환의 공존(예: (파킨슨병, 외상성 뇌질환)
- 부상, 다발성 경화증 등)
- 혼합 또는 복합 떨림
- 심한 고관절 또는 무릎 관절염
- 골다공증(피험자가 보고한 대로)
- 다음과 같은 의학적(심장, 신장, 간, 종양) 또는 정신 질환
- HD-EMG에 대한 연구 절차를 방해합니다.
공부 계획
연구는 어떻게 설계됩니까?
디자인 세부사항
- 주 목적: 기초 과학
- 할당: 무작위화되지 않음
- 중재 모델: 병렬 할당
- 마스킹: 없음(오픈 라벨)
무기와 개입
참가자 그룹 / 팔 |
개입 / 치료 |
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실험적: 건강한 참가자
연구자들은 기능적 작업(예:
단일 관절 운동, 걷기, 쪼그리고 앉기, 자전거 타기).
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HD-EMG 그리드는 관심 있는 하지 근육에 적용됩니다.
아이소메트릭 수축은 대상의 최대 자발적 수축(즉, 25%, 60%, 70%, 80%, 90%)을 기반으로 사전 정의된 토크 수준에 도달하기 위해 관절 토크를 적용하는 것으로 구성됩니다.
참가자는 화면에 표시되는 바이오피드백에 반응하여 토크 강도를 제어합니다.
조인트는 참가자의 움직임을 방지하기 위해 비규격 밴드로 고정됩니다.
테스트된 관절(예: 주요 발목, 무릎 또는 고관절)의 순서는 무작위로 지정됩니다.
HD-EMG 그리드는 관심 있는 하지 근육에 적용됩니다.
등척성 수축은 다양한 속도(즉, 초당 10도, 초당 30도, 초당 60도)에서 일련의 수축(10-20 수축)을 완료하기 위해 관절을 움직이는 것으로 구성됩니다.
조인트는 참가자의 움직임을 방지하기 위해 비규격 밴드로 고정됩니다.
테스트된 관절(예: 주요 발목, 무릎 또는 고관절)의 순서는 무작위로 지정됩니다.
HD-EMG 그리드는 관심 있는 하지 근육에 적용됩니다.
다중 관절 작업(예:
걷기, 쪼그리고 앉기, 자전거 타기)는 지정된 빈도로 수행됩니다.
관절 각도와 지면 반력을 동시에 기록하기 위해 모션 캡처 시스템이 사용됩니다.
5초 동안 수축이 유지되지 않을 때까지 근육 토크의 40%를 반복적으로 유지하여 유발된 근육 피로를 추가하여 "등척성 수축"에서 설명한 것과 동일한 실험을 수행합니다.
참가자는 양측 외골격을 측정하고 착용하게 되며, 사용된 외골격에 충분한 운동 범위가 확인됩니다.
HD-EMG 그리드는 관심 있는 하지 근육에 적용됩니다.
참가자는 단일 관절 움직임을 수행하여 디코더 매개변수를 보정합니다.
그런 다음 참가자는 움직임 분석 실험실에서 다중 관절 활동(예: 서기, 쪼그리고 앉기, 지상 걷기 또는 런닝머신에서 걷기, 자전거 타기 또는 계단 오르기)을 수행합니다.
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실험적: 임상 참가자
연구자들은 기능적 작업(예:
단일 관절 운동, 걷기, 쪼그리고 앉기, 자전거 타기).
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HD-EMG 그리드는 관심 있는 하지 근육에 적용됩니다.
아이소메트릭 수축은 대상의 최대 자발적 수축(즉, 25%, 60%, 70%, 80%, 90%)을 기반으로 사전 정의된 토크 수준에 도달하기 위해 관절 토크를 적용하는 것으로 구성됩니다.
참가자는 화면에 표시되는 바이오피드백에 반응하여 토크 강도를 제어합니다.
조인트는 참가자의 움직임을 방지하기 위해 비규격 밴드로 고정됩니다.
테스트된 관절(예: 주요 발목, 무릎 또는 고관절)의 순서는 무작위로 지정됩니다.
HD-EMG 그리드는 관심 있는 하지 근육에 적용됩니다.
등척성 수축은 다양한 속도(즉, 초당 10도, 초당 30도, 초당 60도)에서 일련의 수축(10-20 수축)을 완료하기 위해 관절을 움직이는 것으로 구성됩니다.
조인트는 참가자의 움직임을 방지하기 위해 비규격 밴드로 고정됩니다.
테스트된 관절(예: 주요 발목, 무릎 또는 고관절)의 순서는 무작위로 지정됩니다.
HD-EMG 그리드는 관심 있는 하지 근육에 적용됩니다.
다중 관절 작업(예:
걷기, 쪼그리고 앉기, 자전거 타기)는 지정된 빈도로 수행됩니다.
관절 각도와 지면 반력을 동시에 기록하기 위해 모션 캡처 시스템이 사용됩니다.
참가자는 양측 외골격을 측정하고 착용하게 되며, 사용된 외골격에 충분한 운동 범위가 확인됩니다.
HD-EMG 그리드는 관심 있는 하지 근육에 적용됩니다.
참가자는 단일 관절 움직임을 수행하여 디코더 매개변수를 보정합니다.
그런 다음 참가자는 움직임 분석 실험실에서 다중 관절 활동(예: 서기, 쪼그리고 앉기, 지상 걷기 또는 런닝머신에서 걷기, 자전거 타기 또는 계단 오르기)을 수행합니다.
피험자는 지상 또는 압력에 민감한 보행로에서 10미터 걷기 테스트(10MWT), 6분 걷기 테스트(6MWT), 버그 균형 척도(BBS) 및/또는 기능적 보행 평가(FGA)를 완료할 수 있습니다.
스텝업이나 스쿼트를 완료할 수도 있습니다.
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연구는 무엇을 측정합니까?
주요 결과 측정
결과 측정 |
측정값 설명 |
기간 |
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보폭 가변성의 변화
기간: 실험 B의 경우 평균 3개월 동안 참가자 완료를 통해 기준선 및 보조 로봇을 사용한 보폭 가변성의 변화입니다.
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보폭 변동성은 표준 편차와 보폭 시간 평균 사이의 비율이며 백분율로 표시됩니다.
변동성이 감소하면 더 나은 결과가 나타납니다.
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실험 B의 경우 평균 3개월 동안 참가자 완료를 통해 기준선 및 보조 로봇을 사용한 보폭 가변성의 변화입니다.
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케이던스의 변화
기간: 실험 B의 경우 평균 3개월 동안 참가자 완료를 통해 기준선 및 보조 로봇을 사용한 케이던스 변화.
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케이던스는 주어진 기간 내에 취한 총 단계 수입니다. 종종 분당 표현됩니다.
일반적으로 단계 수가 많을수록 결과가 더 좋습니다.
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실험 B의 경우 평균 3개월 동안 참가자 완료를 통해 기준선 및 보조 로봇을 사용한 케이던스 변화.
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단계 길이 변경
기간: 실험 B의 경우 참가자 완료를 통해 기준선 및 보조 로봇을 사용하여 평균 3개월 동안 단계 길이를 변경합니다.
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보폭은 한쪽 발의 초기 접촉 지점과 반대쪽 발의 초기 접촉 지점 사이의 거리입니다.
일반적으로 보폭이 길수록 더 나은 결과를 얻을 수 있으며, 이상적으로는 왼쪽과 오른쪽 팔다리 사이의 측정값이 동일합니다.
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실험 B의 경우 참가자 완료를 통해 기준선 및 보조 로봇을 사용하여 평균 3개월 동안 단계 길이를 변경합니다.
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보폭 변경
기간: 실험 B의 경우 참가자 완료를 통해 기준선 및 보조 로봇을 사용한 보폭의 변화는 평균 3개월입니다.
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보폭은 동일한 발의 연속적인 초기 접촉 지점 사이의 거리입니다.
오른쪽과 왼쪽 보폭은 일반적으로 동일합니다.
일반적으로 보폭이 길수록 더 나은 결과가 되며, 이상적으로는 왼쪽과 오른쪽 팔다리 사이의 측정값이 동일합니다.
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실험 B의 경우 참가자 완료를 통해 기준선 및 보조 로봇을 사용한 보폭의 변화는 평균 3개월입니다.
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자세 시간 변경
기간: 실험 B의 경우 참가자 완료를 통해 기준선 및 보조 로봇을 사용한 자세 시간의 변화는 평균 3개월입니다.
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자세 시간(Stance time)은 보행 주기 중 한쪽 말단의 자세 단계 동안 경과한 시간입니다.
여기에는 단일 지원과 이중 지원이 포함됩니다.
팔다리 사이의 동일한 자세 시간이 더 나은 결과입니다.
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실험 B의 경우 참가자 완료를 통해 기준선 및 보조 로봇을 사용한 자세 시간의 변화는 평균 3개월입니다.
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발목, 무릎, 고관절의 양측 관절 토크 변화
기간: 실험 B의 경우 평균 3개월 동안 참가자 완료를 통해 기준선 및 보조 로봇을 사용한 관절 토크의 변화.
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관절 토크는 인간 사지의 수동 토크와 능동 토크의 합입니다.
수동 토크는 근육 조직, 힘줄, 인대가 늘어나면서 발생하는 장력에 의해 생성됩니다.
활성 토크는 근육에 의해 생성되는 토크입니다.
일반적으로 움직이는 동안 관절 토크가 낮아지는 것이 더 나은 결과입니다.
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실험 B의 경우 평균 3개월 동안 참가자 완료를 통해 기준선 및 보조 로봇을 사용한 관절 토크의 변화.
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외골격과 참가자 사이의 임피던스 수준 변화
기간: 실험 B의 경우 평균 3개월 동안 참가자 완료를 통해 기준선 및 보조 로봇을 사용한 임피던스 수준의 변화.
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연구원들은 외골격의 실시간 제어 지원 유무에 관계없이 양쪽 엉덩이, 무릎 및 발목 수준에서 임피던스(외골격과 참가자 사이에 생성되는 상호작용 힘)를 비교할 것입니다.
일반적으로 외골격과 인간의 움직임이 더 동기화되므로 임피던스가 낮을수록 더 나은 결과가 됩니다.
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실험 B의 경우 평균 3개월 동안 참가자 완료를 통해 기준선 및 보조 로봇을 사용한 임피던스 수준의 변화.
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10WMT 변화
기간: 실험 B의 경우 기준선과 참가자 완료 사이의 변화는 평균 3개월입니다.
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10미터 걷기 테스트(10MWT)는 보행 속도에 대한 일반적인 임상 측정입니다.
참가자는 자신이 선택한 편안하고 편안한 속도로 걷도록 안내됩니다.
참가자는 출발선에 위치하여 치료사가 중간 6미터의 시간을 측정하는 동안 전체 10미터 거리를 걷도록 지시받습니다.
정해진 코스 전후의 거리는 가속과 감속의 영향을 최소화하기 위한 것입니다.
시간은 스톱워치를 사용하여 100분의 1초까지 기록됩니다(예: 2.46초).
테스트는 중간에 적절한 휴식을 취하면서 자체 선택한 속도로 2회 수행됩니다.
두 번의 평균을 기록해야 합니다.
그런 다음 참가자에게 빠르지만 안전한 속도로 걷도록 지시하면서 테스트를 반복합니다.
적절한 보조 장치, 보조기 및 물리 치료사의 최소한의 신체적 지원이 적용됩니다.
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실험 B의 경우 기준선과 참가자 완료 사이의 변화는 평균 3개월입니다.
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6MWT 변화
기간: 실험 B의 경우 기준선과 참가자 완료 사이의 변화는 평균 3개월입니다.
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6분 걷기 테스트(6MWT)는 참가자가 실내에서 평평하고 단단한 표면을 6분 동안 걸을 수 있는 거리를 측정합니다.
이 테스트는 기능적 운동 능력에 대한 신뢰할 수 있고 유효한 평가이며 유산소 능력과 지구력에 대한 최대 이하의 테스트로 사용됩니다.
시험은 자율적으로 진행됩니다.
참가자는 테스트 중에 멈추고 휴식을 취할 수 있습니다. 그러나 타이머는 멈추지 않습니다.
참가자가 시간을 완료할 수 없는 경우 중지된 시간이 기록되고 조기 중지 이유가 기록됩니다.
적절한 보조 장치, 보조기 및 물리 치료사의 최소한의 신체적 지원이 적용됩니다.
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실험 B의 경우 기준선과 참가자 완료 사이의 변화는 평균 3개월입니다.
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Berg 균형 척도의 변화
기간: 실험 B의 경우 기준선과 참가자 완료 사이의 변화는 평균 3개월입니다.
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Berg Balance Scale(BBS)은 14개 항목으로 구성된 테스트로 5점 순서 척도로 채점됩니다.
이는 임상 환경에서 기능적 균형을 측정하고 참가자가 균형을 유지해야 하는 정적 및 동적 작업(예: 앉기, 서기, 앉은 상태에서 일어서기로 전환, 한 발로 서기, 바닥에서 물건 꺼내기)을 포함합니다.
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실험 B의 경우 기준선과 참가자 완료 사이의 변화는 평균 3개월입니다.
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FGA의 변화
기간: 실험 B의 경우 기준선과 참가자 완료 사이의 변화는 평균 3개월입니다.
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기능적 보행 평가(FGA)는 10개 항목으로 구성된 테스트로 4점 순서 척도로 점수가 매겨집니다.
점수가 높을수록 낙상 위험이 감소함을 의미합니다.
임상 환경에서 걷기 작업(예: 빠른 걷기, 뒤로 걷기, 장애물 넘기) 중 동적 균형과 자세 안정성을 측정합니다.
환자는 특정 항목에 대해 보조 장치를 사용할 수 있습니다.
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실험 B의 경우 기준선과 참가자 완료 사이의 변화는 평균 3개월입니다.
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공동 작업자 및 조사자
수사관
- 수석 연구원: Jose L Pons, Ph.D, Shirley Ryan AbilityLab
연구 기록 날짜
연구 주요 날짜
연구 시작 (실제)
기본 완료 (추정된)
연구 완료 (추정된)
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최초 제출
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연구 기록 업데이트
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추가 정보
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기타 연구 ID 번호
- STU00212191
개별 참가자 데이터(IPD) 계획
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약물 및 장치 정보, 연구 문서
미국 FDA 규제 의약품 연구
미국 FDA 규제 기기 제품 연구
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