고관절 외골격을 이용한 보행의 균형 및 에너지 향상

이 연구는 주로 노스캐롤라이나 주립 대학교(NCSU)의 NCSU/UNC 공동 생의학 공학과에서 수행되고 있으며 노스캐롤라이나 대학교 채플힐(UNC-채플힐)과도 협력하고 있습니다. NCSU는 이 연구에서 다음과 같은 역할을 합니다. (1) 제어 알고리즘의 새로운 연구 및 개발, (2) 실험 수행, (3) 모집, (4) 데이터 수집, (5) 동의 프로세스, (6) 식별 가능한 처리 정보(주체의 얼굴이 있는 동의 서류, 사진 및 비디오). UNC-Chapel Hill의 Michael Lewek 박사(이 연구에서 물리 치료사 역할도 함)는 뇌졸중 환자와 관련된 모집, 신체 검사, 선별, 동의 과정 및 실험 절차에 참여할 것입니다.

1. 이 연구에는 총 100명의 참가자가 포함될 것입니다. 참가자 100명 중 신경학적 또는 기타 건강 문제가 없는 참가자 80명을 모집하고 만성 마비성 뇌졸중의 영향을 받는 참가자 20명을 모집합니다. 신경학적 상태가 없는 참가자는 전단지를 통해 접근합니다. 참가자가 관심을 표명하는 연구원에게 연락하면 선별 질문을 통해 자격이 평가됩니다. 마비성 뇌졸중의 영향을 받는 참가자를 모집하기 위해 지원 그룹에 연락하여 연구 조사에 대한 인식을 확산하고 관심 있는 참가자가 연락할 수 있는 연락처 정보를 공유할 것입니다. 전단지는 그룹과 공유할 그룹 주최자를 지원하기 위해 배포됩니다. 초기 자격은 선별 설문지를 통해 평가됩니다. 참가자가 자격이 있는 것으로 확인되면 의사는 평가를 수행하고 참가자가 연구에 참여할 수 있도록 허가를 제공하도록 요청받을 것입니다. 의사 평가 및 승인 양식이 문서에 제공되었습니다.

   피험자의 적합성이 확인되면 동의서를 피험자에게 송부하고 연구의 목적, 절차, 고려사항 등을 설명한다. 또한 코로나19 정책, 기대치 및 선별 절차에 대해 설명합니다. 관심을 표현하는 피험자가 뇌졸중 피험자 그룹의 일부인 경우, 실험에 대한 적격성을 확인하기 위해 의사가 신체 평가를 수행합니다. 의사 진료실에서 평가를 온라인으로 보낼 수 없는 경우 신체 평가 양식이 지불된 반송 봉투와 함께 의사에게 제공됩니다. 평가 비용은 연구에 포함되지 않으며 해당 정보는 모집 시 및 동의서 양식을 통해 참가자에게 전달됩니다.

2. 각 세션의 일정을 잡기 위해 피험자는 선호도에 따라 연구실에 도착하는 방법과 전화 또는 이메일을 통해 연구원의 연락처 세부 정보를 제공받습니다. 피사체는 가능하면 다리를 면도하고 센서를 쉽게 부착할 수 있도록 반바지를 입는 것이 좋습니다.
3. 정보에 입각한 동의를 얻고 Covid 검사를 받은 후 피험자는 연구실의 개인 공간으로 이동하여 참가자와 같은 성별의 연구원의 감독하에 로봇 고관절 외골격과 웨어러블 센서를 장착합니다. 대상자는 고관절 외골격 부착을 위해 옷을 벗을 필요가 없습니다. 이 시스템은 아래 설명된 대로 허리와 허벅지의 벨크로 스트랩과 가슴의 클립을 사용하여 옷 위에 부착됩니다. 시스템의 시각적 표현은 참조용 보충 문서에 제공됩니다.
4. 다음 센서가 대상에 부착됩니다. 근육 활동 센서: 개수: 사지당 7개. 배치: 아래쪽 엉덩이에 하나, 아래쪽 허벅지 뒤쪽에 두 개, 아래쪽 허벅지 앞쪽에 두 개, 정강이에 하나, 종아리에 하나. 센서를 부착하기 전에 알코올 준비 패드로 영역을 청소합니다. 비. 움직임 측정 센서(IMU): 개수: 총 7개. 배치: 허리에 하나, 각 허벅지, 정강이 및 발에 하나씩. 씨. 움직임 분석 마커: 개수: 총 22개. 배치: 허리에 4개, 양쪽 허벅지, 정강이 및 발에 각각 3개. 디. 산소 사용량 센서: 센서는 2인치 튜브가 있는 마스크처럼 착용합니다. 들이쉬고 내쉬는 산소량을 측정하여 산소 사용량을 추정합니다. 공기 흐름을 막거나 사용자의 활동을 방해하지 않으며 수술용 또는 N95 마스크에 착용할 수 있습니다. 센서는 접착 테이프와 벨크로 스트랩을 통해 본체에 연결됩니다.
5. 연구원의 도움으로 실험용 고관절 외골격을 참가자에게 부착합니다. 외골격의 무게는 5파운드 미만입니다. 부착 절차는 배낭과 유사한 어깨 끈을 사용하여 피험자의 옷 위에 고관절 외골격을 착용하는 것입니다. 대상자가 고관절 외골격을 착용하면 추가 자체 부착 벨크로 스트랩을 사용하여 고관절 외골격을 대상에 부착합니다. 벨크로 스트랩은 외골격이 효과적으로 기능할 수 있도록 피사체의 허리와 허벅지 아래쪽에 배치됩니다.
6. 움직임 분석 마커(4.c에서 설명)는 Nexcare 양면 피부 테이프를 사용하여 피부와 외골격의 표면에 배치되며 감광 카메라를 사용하여 마커의 위치를 ​​캡처하여 더 자세한 다리를 연구할 수 있습니다. 운동. 정확한 위치는 카메라에서 마커를 볼 수 있도록 피사체의 높이에 따라 피사체마다 다를 수 있습니다. 보충 문서에 시각적 표현이 첨부되어 있습니다. 카메라는 vicon 시스템의 일부이며 nexus 소프트웨어(https://www.vicon.com/software/nexus/)에 의해 제어됩니다. 이미 바닥 및 천장 부착물을 통해 보행 연구소에 영구적으로 설치되어 있습니다.
7. 모든 근육 활동 센서는 피사체의 가슴 근처에 연결된 하나의 데이터 수집 상자에 연결됩니다(https://www.motion-labs.com/prod_ma400.html). 하나의 케이블은 상자에서 데이터 수집 컴퓨터로 연결됩니다. IMU 센서는 무선이며 전체 체적 센서는 데이터 수집 컴퓨터에 무선으로 연결된 어깨에 있는 상자에 연결됩니다.
8. 하나의 센서 케이블 외에 두 개의 케이블이 외골격에 연결됩니다. 하나는 전원을 보내고 다른 하나는 명령을 보냅니다. 3개의 케이블은 모두 단일 케이블 슬리브를 통해 라우팅됩니다. 이 슬리브는 대상이 런닝머신에 있을 때 대상에 부착되고 사용자 뒤 3피트 1피트 높이의 난간을 통해 연결되어 걸려 넘어질 위험이 없습니다. 케이블은 골반 근처 뒤쪽에서 외골격에 연결됩니다. 케이블은 여행 위험을 방지하기 위해 피사체가 러닝머신에 있을 때 한 번만 연결되며 연구 인력은 시도 사이의 움직임 중에 얽히는 것을 방지하기 위해 수동으로 케이블을 잡습니다.

9. 다음 시험이 수행됩니다: 설정 시험, 기본 평가 시험, 걷기 튜닝 시험 및 최종 평가 시험. 최대 10회 시험이 세션에서 수행됩니다.

   1. 시도 설정(1회 시도 + 추가 10초 걷기): 모든 시스템이 작동하는지 확인하려면 설정을 수행해야 합니다. 모션 캡처 설정 절차에는 카메라가 마커를 기록하는 동안 러닝머신에서 5초 동안 T 위치에 서 있는 것이 포함됩니다. 완료되면 2분 걷기 시험이 수행되어 걷는 동안 마커가 보이고 근육 활성화 신호가 일관되게 기록되고 있는지 확인합니다. 마지막으로 IMU 시스템이 보정되었는지 확인하기 위해 피험자는 5초 동안 정상적으로 서 있는 자세로 서 있다가 10초 동안 걷도록 요청받습니다. 보정이 불량한 경우 IMU 시스템 보정을 최대 2회 더 반복할 수 있습니다.
   2. 기본 평가 시도(1회 시도): 피험자는 모든 장치가 부착된 상태에서 원하는 속도로 러닝머신에서 2분 동안 한 번 걸을 것을 요청받습니다. 외골격은 시험 중에 어떠한 힘도 가하지 않습니다. 이 시험은 최종 시험을 평가하기 위한 기준선으로 사용됩니다.
   3. 걷기 튜닝 시험(3-6 시험): 외골격이 걷는 동안 도움을 요청하는 동안 참가자는 러닝머신에서 걷도록 요청받습니다. 이 장치는 적응형 컨트롤러를 사용하여 사용자의 에너지 소모를 줄이기 위한 최적의 지원을 파악합니다. 재판은 약 3-5분 정도 소요됩니다.
   4. 최종 평가 시험(3회 시험): 피험자는 2분 동안 걷기 시험에서 얻은 최적의 도움으로 걸을 것을 요청받습니다. 캡처된 데이터는 외골격의 이점을 평가하기 위해 기준 시험과 비교됩니다.
10. 각 시도 후 참가자의 편안함 수준은 구두 피드백을 통해 평가됩니다. 참가자는 시도가 불편하거나 피곤함을 느끼는 경우 언제든지 시도를 중단하도록 권장됩니다. 각 활동은 알고리즘의 성능에 따라 3-5분 동안 지속될 수 있으며 주제는 원하는 속도로 작업을 수행하도록 권장됩니다. 시험 사이에 최소 3분의 휴식이 제공되며 휴식은 피험자의 선호도에 따라 최대 10분까지 연장됩니다.
11. 휴식 시간 동안 피험자는 앉을 수 있는 의자가 제공되며 간식과 수분 공급이 모두 가능합니다. 다음 시도는 피험자가 자발적으로 다음 시도를 할 준비가 되었다는 신호를 보낼 때만 시작됩니다. 3분의 휴식 시간이 끝나기 전에 피험자가 준비가 되면 피험자는 최소 3분의 휴식 시간이 경과할 때까지 기다려야 합니다. 런닝머신은 실험실에서 높은 높이에 있습니다. 따라서 대상자는 러닝머신에 접근하기 위해 계단을 오르내려야 합니다. 휴식을 취할 수 있는 의자는 플랫폼에 놓입니다. 따라서 피험자가 실험실을 떠나지 않는 한 계단을 한 번 이상 내려갈 필요가 없습니다. 계단 오르기 작업은 동의서에 언급되어 있으며 피험자와 논의할 것입니다.
12. 안전: 낙상 위험을 방지하기 위해 피험자는 체중 지지대(zeroG, Aretech LLC)로 지지됩니다. 체중 하네스는 ZeroG의 부착 지침을 준수하기 위해 참가자의 어깨에 묶여 있습니다. 러닝머신 시작 및 중지, 데이터 수집 시작 및 중지, 외골격 지원 시작 및 중지를 포함하여 시험의 모든 단계에 대해 일관된 구두 카운트다운이 제공됩니다. 재판은 피험자에 대한 구두 인정으로만 시작됩니다. 외골격과 러닝머신에는 시험을 즉시 중지할 수 있는 안전 차단 버튼이 제공됩니다. 어느 시점에서든 피험자가 불편함을 표현하면 시험을 즉시 중단합니다. 피험자의 편안함과 피로에 대한 빈번한 구두 피드백이 전체 기간 동안 추구됩니다. 또한 물리치료사(Dr. Lewek)는 참가자를 모니터링하고 참가자의 안전과 웰빙을 보장하기 위해 뇌졸중 피험자 시험 중에 참석할 것입니다.
13. 시험 세션 동안 시험 품질 분석을 위해 비디오를 촬영할 수 있습니다. 비디오는 몸통과 그 아래에서 촬영되며 참가자의 얼굴은 포함되지 않습니다. 향후 시험을 위해 전극 배치를 돕기 위해 피부 사진을 찍을 수도 있습니다. 사진에는 ​​어떤 정의적인 특징도 포함되지 않습니다. 문신 및 출생 표시와 같은 모든 식별자는 캡처 시 비디오 또는 오디오에서 제거되거나 검게 표시됩니다.
14. 연결 해제 절차는 필요한 작업이 완료된 후에 발생합니다. 센서(전극, 마스크, IMU) 및 마커를 제거하고 연구원이 알코올 면봉을 사용하여 자극의 가능성을 줄이기 위해 센서가 붙은 부분에 알코올을 문지릅니다. 접착식 벨크로 스트랩을 사용하여 부착된 IMU 센서를 제거하고 마지막으로 외골격의 스트랩을 제거합니다. 부착된 모든 센서는 제조업체의 지침에 따라 소독되고 다음 실험을 위해 보관됩니다.
15. 8주 동안 최대 5회의 테스트 세션이 수행됩니다. 각 테스트 세션은 4시간을 넘지 않으며 첫 번째 신체 활동부터 분리까지의 총 시간은 적절한 휴식을 포함하여 3시간을 초과하지 않습니다.