Modellering, optimalisatie en controlemethoden voor een gepersonaliseerd hybride lopend exoskelet

Onderzoeksactiviteiten omvatten het gebruik van computergestuurde functionele elektrische stimulatie (FES) en door een elektromotor aangedreven orthese (aangedreven exoskelet) om functionele bewegingen van de onderste ledematen te genereren voor; dat wil zeggen, staan ​​en lopen. De computergestuurde algoritmen krijgen feedback van sensoren zoals optische encoders, loadcellen, krachtgevoelige weerstanden en traagheidsmeeteenheden die in de orthese zijn of zullen worden ingebouwd, of deze feedbackalgoritmen worden gecombineerd met vooraf berekende geoptimaliseerde algoritmen op basis van de geschatte musculoskeletaal model van een deelnemer. Er zullen meerdere computeralgoritmen worden ontworpen om FES te coördineren met elektromotoren en andere componenten van het loopapparaat om staande en loopbewegingen te reproduceren of te herstellen. Het onderzoek omvat de validatie van computeralgoritmen om loop- en zit-/stabewegingen in te schatten en te beheersen. De Rifton E-Pacer gemotoriseerde rollator, armkrukken, parallelle staven of een conventionele rollator kunnen worden gebruikt om te helpen bij het aan- en uittrekken van het exoskeletsysteem, staan ​​en lopen voor alle proefpersonen, op elk moment tijdens het experimenteren, zolang zoals noodzakelijk wordt geacht door de experimentele doelen. Het gebruik van de E-Pacer of een rollator zou de veiligheid van het experiment moeten verbeteren en de algehele fysieke inspanning van de proefpersoon moeten verminderen omdat het de belasting van het lichaam van de proefpersoon vermindert. Zit-/sta- en/of loopbewegingen worden uitgelokt door het hybride loopplatform dat een aangedreven exoskelet en een FES-systeem combineert. Het aangedreven exoskelet kan zorgen voor gezamenlijke aandrijving van de heup- en kniegewrichten van een deelnemer. Het FES-systeem kan de quadriceps-, hamstrings-, bil- en enkelspieren stimuleren. De elektroden voor stimulatie worden op de huid geplaatst op plaatsen die zorgen voor een optimale beweging van de ledematen. De algoritmen zijn zo ontworpen dat de stimulatie van verschillende spieren wordt gecoördineerd om lopen en/of zitten/staan ​​te bereiken. Een precedentexperiment zal worden uitgevoerd op een groep B-deelnemer voordat het wordt getest op groep A. In tegenstelling tot de paraplegische deelnemers (groep A), kunnen de personen zonder handicap (groep B) ingrijpen als het apparaat uitvalt of onverwachts reageert. Daarom kunnen we door het apparaat eerst te testen op personen zonder handicap eventuele risico's verder beoordelen en aanpakken voordat we testen op personen met dwarslaesie, die niet in staat zijn om met het apparaat in te grijpen. Alle sessies voor groep A-deelnemers worden uitgevoerd onder supervisie van een fysiotherapeut. De therapeut zal de deelnemers van groep A ook helpen bij het verplaatsen van hun rolstoel naar een tafel met kussens om op te zitten, indien nodig, of naar het exoskelet. Groep A deelnemer zal ook ondersteund worden door een body-unweighing systeem om vallen tijdens staan ​​en lopen te voorkomen. Voor elk experiment met elektrische stimulatie worden de hartslag en bloeddruk van een deelnemer geregistreerd. Therapeuten helpen de deelnemers ook bij het verplaatsen van hun rolstoel naar de therapietafel. Een deelnemer of een persoon die het apparaat bedient, zal een loop- en/of staande beweging initiëren. Een deelnemer kan de bewegingen stoppen als hij/zij zich niet prettig of onveilig voelt door gebruik te maken van een veiligheidsstopknop, die hem/haar wordt gegeven. Tijdens deze sessies dragen de deelnemers een hartslagmeter om ervoor te zorgen dat ze zich niet overbelasten en dat er voldoende rustmomenten zijn. De hartslag van de deelnemers wordt voor en na elke proef gecontroleerd door een persoon die de experimenten uitvoert. De Borg-schaal wordt afgenomen voor groep A om hun inspanningsniveau te controleren. De sessies worden gestopt volgens de limieten die worden voorgeschreven door de Borg-schaal (zie stopcriteria in de sectie risico's). Houd er rekening mee dat voor alle beschreven experimenten een minimum van 1-2 dagen nodig is tussen bezoeken voor experimenten. Deze activiteiten zijn onderverdeeld in Doel 1 en Doel 2. Houd er rekening mee dat Doelstellingen 1-2 niet opeenvolgend zijn. Doel 1: Het opwekken van zit-/sta- en loopbewegingen door gebruik te maken van een geoptimaliseerd aangedreven exoskelet en functionele elektrische stimulatie (FES). Het doel van dit doel is om experimenteel een optimale controller te valideren die FES en exoskeletbijdrage toewijst op basis van een persoonsspecifiek model van een deelnemer. De controller produceert bewegingen van de onderste ledematen bij personen zonder handicap en personen met een dwarslaesie. Groep A en Groep B zullen deelnemen aan ongeveer 20 sessies. Het aantal sessies is bij benadering en het kan dit aantal overschrijden en er is geen beperkt aantal sessies dat verdere deelname verbiedt. De duur van de sessie is maximaal 4 uur. De duur van de sessie is bij benadering en kan meer of minder zijn dan aangegeven. Het totale aantal sessies kan voor sommige deelnemers enkele sessies overschrijden vanwege onverwachte technische of foutieve experimentele gegevens. Deze experimenten zullen worden uitgevoerd in het Neuromuscular Control and Robotics Laboratory (NCRL) of in de polikliniek revalidatie in Chapel-Hill, geleid door de hoofdonderzoeker. Deze experimenten zijn verdeeld in 2 taken. Taak 1: Eerste bezoeken voor kennismaking, training en modelidentificatie. Door kennismakings- en trainingsbezoeken kunnen we het hybride lopende exoskelet aanpassen en optimaliseren voor elk deelnemend individu. Hiervoor gaan de deelnemers ongeveer 3 sessies naar de NCRL. Deze sessies duren maximaal 4 uur. De duur van de sessie is bij benadering en kan meer of minder zijn dan aangegeven. Het totale aantal sessies kan voor sommige deelnemers enkele sessies overschrijden vanwege onverwachte technische of foutieve experimentele gegevens. Bij het eerste bezoek worden aanpassingen aan het hybride toestel gedaan om het toestel passend te maken voor de deelnemer. Bij deze bezoeken is het doel om ze te trainen voor transfers van zit naar stand en het uitvoeren van loopbewegingen met het hybride looptoestel. Computergestuurde algoritmen zullen worden gebruikt voor het uitvoeren van zit-naar-stand-, sta-naar-zit- en loopbewegingen. Modelidentificatie-experimenten om modelparameters voor elk individu te vinden, kunnen worden uitgevoerd tijdens initiële trainings- en gewenningsstudies. Deze modelidentificatie-experimenten kunnen worden uitgevoerd terwijl een deelnemer zit/staat of loopt in het hybride loophulpmiddel. Zodra de onderwerpspecifieke parameters zijn geïdentificeerd, zal een lopend en/of staand algoritme dat FES coördineert met het aangedreven exoskelet worden afgeleid of geoptimaliseerd met behulp van offline dynamische optimalisaties. Taak 2: Validatie van een algoritme voor zitten/staan ​​en/of lopen. Na de eerste bezoeken (taak 1) wordt het loop- en/of sta-algoritme getest. Het algoritme is een computerprogramma dat sensorische informatie haalt uit verschillende sensoren, zoals optische encoders, traagheidsmeeteenheden en hielcontactsensoren die zijn ingebouwd in het hybride loopsysteem om FES en elektrische motoren van het aangedreven exoskelet optimaal te coördineren. Het algoritme wordt experimenteel gevalideerd op elke deelnemer in ongeveer 7 sessies. Elke sessie duurt niet langer dan 4 uur, inclusief tijd voor staan, lopen, rustperiodes, tijd die nodig is om de brace aan te passen en de tijd die nodig is om de computercode indien nodig bij te werken. Houd er rekening mee dat het aantal sessies en de duur schattingen zijn en kunnen worden gewijzigd op basis van de voorwaarden van het experiment. Een motion capture-systeem kan ook worden gebruikt om de gewrichtshoeken te meten, zodat spatiotemporele gangkarakteristieken kunnen worden vergeleken met de normale gang van een gezonde controlepersoon. De geregistreerde loopgegevens worden ook gebruikt om de prestaties van de besturingssystemen van het apparaat te beoordelen en om te laten zien hoe het looppatroon van de gebruiker in de loop van de tijd verandert naarmate hij zich meer op zijn gemak voelt bij het gebruik van het apparaat. Deze sessies kunnen worden opgenomen zodat de toepassing en werkzaamheid van het apparaat kan worden geïllustreerd. Doel 2: Op echografie gebaseerde feedback integreren om een ​​hybride exoskelet te besturen. De doelstellingen van dit doel zijn om te onderzoeken of ultrasone beeldvorming kan worden gebruikt als een hulpmiddel om spiervermoeidheid veroorzaakt door FES te meten en de van de VS afgeleide signalen verder te gebruiken om FES en exoskeletondersteuning te optimaliseren. Het eerste doel van dit doel is het ontwikkelen van een op echografie gebaseerd vermoeidheidsmodel om het begin van spiervermoeidheid aan te geven. Het tweede doel is om het op ultrageluid gebaseerde vermoeidheidsmodel te gebruiken in een algoritme dat de controle van FES en de elektromotor coördineert tijdens activiteiten van zitten naar staan, lopen en staan ​​naar zitten. Groep A- en Groep B-individuen zullen aan dit doel deelnemen. Zij nemen deel aan ongeveer 10 sessies van elk niet meer dan 4 uur. Het totale aantal sessies kan meer of minder dan 10 zijn als gevolg van onverwachte technische of foutieve experimentele gegevens of als de deelnemer het onderzoek verlaat. Deze experimenten zullen worden uitgevoerd in NCRL of in de polikliniek voor revalidatie in Chapel-Hill. Taak 1: Ontwikkeling van op echografie gebaseerde metingen van vermoeidheid en herstel van beenspieren. Er wordt een stimulatieprotocol gevolgd dat spiervermoeidheid veroorzaakt. Spiervermoeidheid wordt gedefinieerd als een procentuele afname van het isometrische koppel gegenereerd door FES van de quadricepsspier. Omdat de afname van het isometrische koppel bij verschillende deelnemers kan verschillen, wordt voor alle deelnemers een gemeenschappelijk stimulatieprotocol gebruikt. Dit gebeurt gedurende ongeveer twee sessies van elk niet meer dan 4 uur. De duur van de sessie is bij benadering en kan meer of minder zijn dan aangegeven. Het totale aantal sessies kan voor sommige deelnemers enkele sessies overschrijden vanwege onverwachte technische of foutieve experimentele gegevens. Zowel ultrageluid (met behulp van de beeldsonde die tussen de elektroden is geplaatst) als torsiegegevens (van de belastingssensor) worden verzameld. Een in de handel verkrijgbare ultrasone transducer (5-20 MHz klinische transducer) aangesloten op een commercieel ultrasoon systeem (S-Sharp Corporation, Taiwan) werd tegen de huid geplaatst.Een warme gel wordt op de huid aangebracht om te helpen bij de beeldvorming. Alle parameters voor ultrasone beeldvorming, inclusief intensiteit en framesnelheden enz., vallen onder de veiligheidsrichtlijnen voor klinische echografie (MI-waarden lager dan 1,9). Na deze experimenten zullen de verwerkte ultrasone gegevens worden gecorreleerd met het gemeten koppel om vermoeidheids- en herstelmaatregelen te bepalen. Taak 2: Opname van het op ultrageluid gebaseerde vermoeiingsmodel in een algoritme voor besturingstoewijzing. De op echografie gebaseerde metingen van vermoeidheid en herstel kunnen worden gebruikt om het begin van spiervermoeidheid te voorspellen. De experimentele onderzoeken worden uitgevoerd op (Groep A) en (Groep B) gedurende 2 sessies die elk niet langer dan 4 uur duren. De duur van de sessie is bij benadering en kan meer of minder zijn dan aangegeven. Het totale aantal sessies kan voor sommige deelnemers enkele sessies overschrijden vanwege onverwachte technische of foutieve experimentele gegevens. De algoritmen in Taak 2 van Doel 1 zullen worden aangepast om de op echografie gebaseerde maatregelen voor vermoeidheid en herstel op te nemen. Opmerking over de te gebruiken stimulatieparameters voor de bovengenoemde doelen: Een normaal stimulatiebereik dat in onze studies wordt gebruikt, is: pulsduur 100-400 microseconden; Frequentie: 20-100 Hz; Stroom 0-100 mA. Over het algemeen wordt tijdens het experiment de stroom automatisch gemoduleerd (of in sommige gevallen handmatig) vanaf 0 mA tot de waarde die nodig is om een ​​taak uit te voeren. Dit wordt bereikt door feedbacksignalen naar het besturingssysteem dat communiceert met de stimulator. Het besturingssysteem staat niet toe dat de stroom boven de maximale limiet komt. De pulsbreedte en frequentie worden over het algemeen constant gehouden. De stimulatieparameters die voor elke deelnemer worden gebruikt, worden voor elke experimentele sessie gedocumenteerd en eventuele wijzigingen in de stimulatieparameters tijdens een sessie worden ook geregistreerd.