발목 보조를 위한 인간 발목 운동 의도 및 제어 전략의 초음파 영상 기반 감지

이 연구는 신경근 질환이 없는 최대 20명과 불완전 척수 손상(iSCI) 또는 횡단 척수염이 있는 18-64세의 5명을 실험을 위해 모집합니다. 연구 활동에는 평균 8회의 실험 세션이 포함됩니다. 세션은 주제 가용성, 분석을 위한 충분한 데이터 또는 분석을 위해 더 많은 데이터를 확보해야 하는지에 따라 8개 세션보다 많거나 적을 수 있습니다. 첫 번째 목표는 인간 발목 관절에서 생성되는 자발적인 움직임 또는 토크를 예측하기 위해 근육 움직임 및 근육 전기 활동(sEMG)의 초음파 측정을 조사하는 것입니다. 수의적 움직임이나 토크를 기반으로 기능적 전기 자극(FES)을 사용하여 인위적으로 발목 근육을 자극하거나 전동 발목 외골격을 사용하여 발목 관절에 추가 보조를 제공합니다. FES 전극은 하지 피부 표면의 적절한 위치에 배치되어 가장 최적의 움직임을 얻을 수 있습니다.

작업 유형 1: 외부 지원 없이 자발적으로 앉은 상태의 작업.

세션 1: FES 없이 자발적인 발목 업 및 발목 다운 동작. 한 쌍의 sEMG 센서를 양면 테이프를 통해 참가자의 다리 앞쪽과 뒤쪽 근육에 배치합니다. 한 쌍의 US 이미징 변환기가 발목 관절이 위아래로 움직이는 동안 근육의 활동을 이미지화하기 위해 동일한 하퇴부 앞뒤 근육에 부착됩니다. 한 쌍의 움직임 센서가 정강이와 발에 부착되어 발목 관절의 각도 위치와 속도를 측정합니다. 발목을 올리고 발목을 내리는 동작 동안 상호 작용력을 측정하기 위해 발바닥과 단단한 평면 플랫폼 사이에 힘 센서를 배치합니다. US 이미징 측정, sEMG 센서의 전기 신호, 힘 센서의 접촉력, 움직임 센서 및 카메라 측정이 동시에 수집됩니다. 참가자의 다리 중 하나 또는 둘 다에서 데이터를 수집할 수 있습니다.

세션 2: FES 없이 안쪽과 바깥쪽을 향한 자발적인 발목 측면 운동. 세션 2에서 참가자는 좌우 발목 움직임을 수행합니다. 세션 1과 유사한 교육 절차가 실제 실험 전에 처방됩니다. 참가자의 다리와 발에 부착된 센서(세션 1과 동일)의 다중 측정은 좌우 발목 동작 중에 획득됩니다. 세션 1과 세션 2 모두 각각의 동작 방향(위, 아래, 내부, 외부)에 대해 10회 반복 시행하며 각 시행은 훈련, 데이터 수집, 데이터 저장 및 휴식 기간을 포함하여 10분 동안 지속됩니다. 근육 피로를 피하기 위해. 각 세션은 약 4시간 동안 지속될 수 있습니다.

세션 3: FES를 사용한 보조 발목 위아래 동작. 세션 1에서 언급한 것과 유사한 구성이 이번 세션에 적용될 것입니다. 또한 FES는 미국 이미징 기반 측정을 피드백으로 사용하여 동작을 위아래로 발목을 제어하는 ​​데 사용됩니다. FES 시스템에서 발목을 위로 올리는 동작의 경우 음극은 앞 근육의 근육 배 위에 배치되고 양극은 정강이 아래쪽에 배치됩니다. 발목을 내리는 동작의 경우 두 개의 큰 전극을 사용하여 전체 등 근육을 활성화할 수 있습니다. 이 전극은 컴퓨터 소프트웨어를 통해 제어되는 전기 자극기에 연결됩니다. 발목 위로 및 발목 아래로 동작 모두에 대해 100-400마이크로초 펄스 폭 및 20-40Hz 주파수와 함께 낮은 전류 파형이 사용됩니다. 전류 범위는 0-60mA 사이입니다. 모든 경우에 사용하도록 정의된 펄스 지속 시간은 400마이크로초의 상한을 초과하지 않습니다. 참가자에게 사용된 자극 매개변수는 각 실험 세션에 대해 문서화되며 세션 중 자극 매개변수의 모든 변경 사항도 기록됩니다.

세션 4: FES 시스템을 사용하여 안쪽과 바깥쪽을 향한 보조 발목 측면 동작. 세션 2에서 언급한 것과 유사한 구성이 이 세션에 적용될 것입니다. FES는 US 이미징 기반 측정값을 피드백으로 받아 근육을 인위적으로 자극하고 발목 측면 움직임을 내부 또는 외부로 제어하는 ​​데 사용됩니다. 내부 및 외부 상황을 향한 발목 측면 모션 모두에 대해 동일한 FES 매개 변수 및 변조 방법이 세션 3에서 설명한 대로 구현됩니다. 실험 과정에서 미국 이미징 기반 측정과 움직임 및 카메라 측정이 동시에 수집됩니다. 참가자의 다리 중 하나 또는 둘 다에서 데이터를 수집할 수 있습니다. 세션 3과 세션 4 모두 동작 방향(위, 아래, 안쪽, 바깥쪽)별로 10회 반복 시행하며 각 시행은 훈련, 데이터 수집, 데이터 저장 및 휴식 시간을 포함하여 10분 동안 지속됩니다. 근육 피로를 피하기 위해. 각 세션은 약 4시간 동안 지속될 수 있습니다. 세션 중에 얻은 데이터가 분석 중에 만족스럽지 않은 경우 참가자는 다시 오도록 요청받을 수 있습니다. 다음 방문은 참가자의 편의에 따라 세션 1과 2의 경우 최소 24시간 후, 세션 3과 4의 경우 72시간 후에 진행됩니다.

작업 유형 2: 외부 지원 없이 또는 외부 지원 없이 러닝머신에서 자발적 동적 걷기 작업 세션 5: FES 또는 발목 외골격 없이 동적 걷기 작업. 작업 유형 1의 세션 1 및 세션 3과 유사하게 sEMG 센서와 초음파 영상 변환기는 앞에서 언급한 전면 및 후면 생크의 동일한 위치에 부착됩니다. 모션 캡처 시스템을 기반으로 운동학 데이터를 측정하기 위해 대상자의 하지에 여러 개의 반사 마커를 부착합니다. 세션 5 동안 참가자는 두 개의 분할 벨트를 사용하여 런닝머신에서 30초 동안 가만히 서 있어야 합니다. 각 벨트 아래의 힘 센서는 벨트와 참여자의 발바닥 사이의 지면 반력을 측정하는 데 사용되며 동시에 정적인 기립 자세 동안 sEMG 신호 및 종아리 근육의 초음파 영상도 수집됩니다. . 그런 다음 참가자는 0.5, 0.75, 1.0, 1.25 및 1.5m/s의 속도로 런닝머신 위를 걷도록 요청받습니다. 각 속도에 대해 참가자가 웨어러블을 사용하여 걷는 패턴에 익숙해지도록 처음 5분간 걷기가 워밍업으로 제공됩니다. 워밍업 후 각 보행 속도에 따라 2분 동안 지면반력, 종아리 근육의 sEMG 신호 및 초음파 영상, 반사마커의 좌표가 동시에 기록됩니다.

세션 6: FES 또는 발목 외골격을 사용하지만 전동 보조 장치는 없는 동적 걷기 작업. 세션 1에서 설명한 설정과는 별도로 FES 전극은 앞쪽 정강이 근육에 배치되고 발목 외골격은 뒤쪽 정강이에 배치됩니다. 세션 5에서 언급한 것과 동일한 데이터 수집도 포함됩니다. 이 세션에서는 참가자의 골격근에 대한 자극이 없으며 발목 외골격 모터에 대한 힘이 없습니다.

세션 7: 이전 제어 접근 방식을 기반으로 FES 또는 발목 외골격을 사용한 동적 걷기 작업. 실험 설정 및 절차는 세션 2에서 언급한 것과 동일하게 유지됩니다. 동적 보행 작업 중에 전동식 FES 및 발목 외골격을 사용하여 인간의 움직임 의도에 따라 발가락 위 및 아래 움직임에 대한 지원을 제공합니다. 다른 간행물에 제어 방식을 적용했습니다. 각 2분의 데이터 수집 기간 동안 sEMG 신호가 실시간으로 수집 및 처리되어 FES 또는 발목 외골격 시스템을 제어합니다. 또한 전면 및 후면 정강이 근육, 반사 마커 좌표, 지면 반력, FES 전류 진폭 또는 펄스 폭, 외골격 모터 토크의 초음파 이미징 시간 순서가 동시에 수집됩니다.

세션 8: 초음파 이미징과 sEMG를 결합하여 필요에 따라 지원 제어 접근 방식을 기반으로 FES 또는 발목 외골격을 사용한 동적 보행 작업. 실험 설정 및 절차는 세션 7에서 언급한 것과 동일하게 유지됩니다. 유일한 차이점은 기존 제어 방식이 초음파 이미징과 sEMG 신호를 결합하여 새로 제안된 필요에 따라 지원 제어 방식으로 대체된다는 것입니다. 데이터 수집은 세션 7과 동일하게 유지됩니다. 2구간 5~8세션 중 각 속도로 7분 걷기 후 10분의 휴식시간을 부여한다. 각 세션은 약 45분 동안 모션 캡처 시스템 보정 및 장치 설정, 약 3시간 동안 런닝머신에서 걷기 실험을 포함하여 최대 4시간 동안 지속될 수 있습니다. 세션 중에 얻은 데이터가 분석 중에 만족스럽지 않은 경우 참가자는 다시 오도록 요청받을 수 있습니다. 다음 방문은 참가자의 편의에 따라 최소 72시간 후에 실시됩니다. 또한 세션 3, 4, 7, 8은 안전을 위해 실험을 중단하고 싶거나 실험 중 실험자가 불편함을 느낄 때마다 실험을 중단할 수 있도록 안전 정지 버튼을 추가할 예정이다. .

iSCI 또는 횡단 척수염이 있는 참가자의 경우: 참가자가 이 연구에 참여할 준비가 되기 전에 참가자는 인구 통계학적 정보와 병력을 수집할 몇 가지 설문지를 작성해야 합니다. 참가자는 또한 신체 검사에 참여합니다. 신체 검사는 Chapel Hill에 있는 외래 환자 재활 클리닉의 의사인 Dr. Christine Cleveland가 완료합니다. 신체 검사 및 병력 양식 작성에는 60분이 소요됩니다. 신체 검사는 감각 검사(참가자에게 눈을 감고 솜뭉치와 같은 가벼운 촉감을 느끼는지, 날카롭고 둔한 것을 구별할 수 있는지 보고하도록 요청하는 것)으로 구성됩니다. 감각) 및 운동 검사(수사관이 참가자의 팔과 다리를 움직일 수 있는 능력을 검사하는 곳). 수사관은 또한 참가자의 심박수와 혈압을 측정합니다. 임신한 경우 참가자는 연구에 참여할 자격이 없으며 연구를 중단해야 합니다. 조사관은 FES에 대한 민감도 또는 반응을 확인하기 위해 선별할 것입니다. 이 테스트의 목적은 참가자가 FES를 경험하게 하고 경험을 바탕으로 자극이 견딜 수 있고 참가자가 연구에 참여할 의사가 있는지 결정하는 것입니다. 참가자의 하지 근육에 테스트 자극 훈련이 적용됩니다. 참가자는 언제든지 이 테스트를 중지하고 더 이상 참여를 거부할 수 있습니다. 참가자가 통증 경험 없이 FES에 응답하고 이 연구에 참여하기를 원하는 경우 조사관은 실제 연구를 시작하기 전에 참가자의 의사에게 연락하여 의료 허가 및 참가자의 부상 수준 확인을 얻습니다. 참가자는 연구에 참여하기 전에 의사로부터 서명된 의료 허가서를 받아야 합니다. 이 연구에 참여하기 위해 의료 종사자로부터 허가를 받고 참가자가 자격이 있는 경우(Nitin Sharma 또는 연구팀 구성원에게 참가자에게 그룹 S에 대한 자격 체크리스트를 제공하도록 요청하십시오) 이 연구에 참여하기로 선택하면 참가자는 처음 방문하는 동안 동의서를 작성하기 위해 PI의 연구실과 BME 보행 연구실로 오도록 요청받습니다.