Op echografie gebaseerde detectie van menselijke enkelbewegingsintentie en controlestrategieën voor enkelondersteuning

De studie zal tot 20 personen rekruteren zonder enige neuromusculaire ziekte en 5 personen met onvolledige dwarslaesie (iSCI) of myelitis transversa, die 18-64 jaar oud zijn voor experimenten. Onderzoeksactiviteiten omvatten gemiddeld 8 experimentele sessies. De sessies kunnen meer of minder dan 8 sessies zijn, afhankelijk van de beschikbaarheid van het onderwerp, voldoende gegevens voor analyse of behoefte aan meer gegevens voor de analyse. Het eerste doel is het onderzoeken van ultrasone metingen van spierbewegingen en spierelektrische activiteit (sEMG) om de vrijwillige beweging of torsie geproduceerd in het menselijke enkelgewricht te voorspellen. Op basis van de vrijwillige beweging of torsie zal functionele elektrische stimulatie (FES) worden gebruikt om de enkelspieren kunstmatig te stimuleren of zal een aangedreven enkel-exoskelet worden gebruikt om extra hulp te bieden bij het enkelgewricht. FES-elektroden worden op geschikte plaatsen op het huidoppervlak van de onderste extremiteit geplaatst, zodat de meest optimale beweging wordt verkregen.

Taaktype 1: Vrijwillige zittende taken zonder en met hulp van buitenaf.

Sessie 1: Vrijwillige beweging van enkel omhoog en omlaag zonder FES. Een paar sEMG-sensoren worden door middel van dubbelzijdige tapes op de voor- en rugspieren van het onderbeen van de deelnemer geplaatst. Een paar Amerikaanse beeldvormende transducers zullen worden bevestigd aan dezelfde voor- en rugspieren van het onderbeen om de activiteiten van de spier tijdens de op en neergaande beweging van het enkelgewricht in beeld te brengen. Een paar bewegingssensoren worden aan de schacht en voet bevestigd om de hoekpositie en snelheid van het enkelgewricht te meten. Er wordt een krachtsensor geplaatst tussen de voetzool en een stijf plat platform om de interactiekracht te meten tijdens de beweging van de enkel omhoog en omlaag. Amerikaanse beeldvormingsmetingen, de elektrische signalen van sEMG-sensoren, de contactkracht van de krachtsensor en de bewegingssensor en camerametingen worden gelijktijdig verzameld. Er kunnen gegevens worden verzameld van een of beide benen van een deelnemer.

Sessie 2: Vrijwillige beweging van de enkel naar binnen en naar buiten zonder FES. Tijdens sessie 2 voert de deelnemer zijwaartse enkelbewegingen uit. Voorafgaand aan de daadwerkelijke experimenten wordt een vergelijkbare trainingsprocedure voorgeschreven als in sessie 1. Meerdere metingen van de sensoren (hetzelfde als in sessie 1) die aan het been en de voet van de deelnemer zijn bevestigd, worden verkregen tijdens de zijwaartse enkelbeweging. Zowel in sessie 1 als in sessie 2 worden voor elke bewegingsrichting (omhoog, omlaag, binnen en buiten) 10 herhaalde proeven uitgevoerd, en elke proef zal 10 minuten duren, inclusief training, gegevensverzameling, gegevensopslag en rustperiode om spiervermoeidheid te voorkomen. Elke sessie kan ongeveer 4 uur duren.

Sessie 3: Ondersteunende beweging van de enkel op en neer met de FES. In deze sessie wordt een soortgelijke configuratie als genoemd in sessie 1 toegepast. Bovendien zal de FES worden gebruikt om de enkel omhoog of omlaag te bewegen door de op Amerikaanse beeldvorming gebaseerde metingen als feedback te nemen. In het FES-systeem wordt voor beweging van de enkel omhoog de negatieve elektrode over de spierbuik van de voorste spier geplaatst, terwijl de positieve elektrode verder langs de schacht wordt geplaatst. Voor beweging van de enkel naar beneden worden twee grote elektroden gebruikt om activering van de hele rugspieren mogelijk te maken. Deze elektroden worden aangesloten op een elektrische stimulator, die wordt aangestuurd via computersoftware. Voor zowel enkel omhoog als enkel neerwaartse beweging wordt een golfvorm met lage stroom gebruikt met een pulsbreedte van 100-400 microseconden en een frequentie van 20-40 Hz. Het stroombereik ligt tussen 0-60 mA. In alle gevallen zal de voor gebruik gedefinieerde pulsduur de bovengrens van 400 microseconden niet overschrijden. De stimulatieparameters die voor een deelnemer worden gebruikt, worden voor elke experimentele sessie gedocumenteerd en eventuele wijzigingen in de stimulatieparameters tijdens een sessie worden ook geregistreerd.

Sessie 4: Ondersteunende zijwaartse beweging van de enkel naar binnen en naar buiten met het FES-systeem. In deze sessie wordt een soortgelijke configuratie als genoemd in sessie 2 toegepast. De FES zal worden gebruikt om de spieren kunstmatig te stimuleren en de zijwaartse beweging van de enkel naar binnen of naar buiten te beheersen door de op Amerikaanse beeldvorming gebaseerde metingen als feedback te nemen. Voor zowel enkelzijwaartse beweging naar binnen als buiten situaties, zullen dezelfde FES-parameters en modulatiemethode worden geïmplementeerd zoals beschreven in sessie 3. Tijdens de experimentprocedures zullen de op Amerikaanse beeldvorming gebaseerde metingen en de bewegings- en camerametingen gelijktijdig worden verzameld. Gegevens kunnen worden verzameld van een of beide benen van de deelnemers. Zowel in sessie 3 als in sessie 4 worden voor elke bewegingsrichting (omhoog, omlaag, binnen en buiten) 10 herhaalde proeven uitgevoerd, en elke proef zal 10 minuten duren, inclusief training, gegevensverzameling, gegevensopslag en rustperiode om spiervermoeidheid te voorkomen. Elke sessie kan ongeveer 4 uur duren. De deelnemer kan worden gevraagd om terug te komen als de tijdens een sessie verkregen gegevens tijdens de analyse niet bevredigend blijken te zijn. Het volgende bezoek wordt uitgevoerd wanneer het de deelnemer uitkomt en ten minste na 24 uur voor sessie 1 en 2, evenals 72 uur voor sessie 3 en 4.

Taaktype 2: Vrijwillige dynamische looptaken op een loopband zonder en met hulp van buitenaf Sessie 5: Dynamische looptaak ​​zonder FES of enkelexoskelet. Net als bij sessie 1 en sessie 3 in Taaktype 1, worden de sEMG-sensoren en transducers voor ultrasone beeldvorming op dezelfde eerder genoemde posities op de voorste en achterste schacht bevestigd. Er worden meerdere reflecterende markeringen op de onderste ledematen van de proefpersoon aangebracht om de kinematicagegevens te meten op basis van een motion capture-systeem. Tijdens sessie 5 wordt de deelnemer gevraagd om 30 seconden stil te staan ​​op de loopband met twee gespleten banden. De krachtsensoren onder elke gordel worden gebruikt om de grondreactiekracht tussen de gordel en de voetzolen van de deelnemer te meten, en tegelijkertijd worden de sEMG-signalen en ultrasone beelden van de onderbeenspieren verzameld tijdens de statische staande houding . Vervolgens wordt de deelnemer gevraagd om op de loopband te lopen met 0,5, 0,75, 1,0, 1,25 en 1,5 m/s. Voor elke snelheid worden de eerste 5 minuten lopen gegeven als warming-up om de deelnemer te laten wennen aan het looppatroon met de wearable. Na de warming-up worden in de volgende 2 minuten voor elke loopsnelheid de grondreactiekracht, sEMG-signalen en ultrasone beeldvorming van de onderbeenspieren en de coördinaten van de reflecterende markeringen synchroon en gelijktijdig geregistreerd.

Sessie 6: Dynamische looptaak ​​met FES of enkel-exoskelet maar zonder elektrische ondersteuning. Afgezien van de opstelling beschreven in sessie 1, worden de FES-elektroden op de voorste schachtspier geplaatst en wordt het exoskelet van de enkel op de achterste schacht geplaatst. Dezelfde dataverzameling als genoemd in sessie 5 komt ook aan bod. In deze sessie zal er geen stimulatie zijn van de skeletspieren van de deelnemer en geen kracht voor de exoskeletmotor van de enkel.

Sessie 7: Dynamische looptaak ​​met FES of enkel-exoskelet op basis van een oude controlebenadering. De experimentele opstelling en procedures zullen hetzelfde blijven als vermeld in sessie 2. Tijdens de dynamische looptaak ​​zullen de aangedreven FES en het exoskelet van de enkel worden gebruikt om ondersteuning te bieden bij bewegingen met de tenen omhoog en omlaag volgens de intentie van de menselijke beweging op basis van een overwegend toegepaste controlebenadering in andere publicaties. Gedurende elk van de 2 minuten durende gegevensverzamelingsduur worden de sEMG-signalen in realtime verzameld en verwerkt om het FES- of enkel-exoskeletsysteem te besturen. Bovendien zullen de tijdvolgorde van ultrasone beeldvorming van de voorste en achterste schachtspieren, de coördinaten van de reflecterende markeringen, de grondreactiekracht, de FES-stroomamplitude of -pulsbreedte en het motorkoppel van het exoskelet synchroon en gelijktijdig worden verzameld.

Sessie 8: Dynamische looptaak ​​met FES of exoskelet van de enkel op basis van de assist-as-needed control-benadering door combinatie van echografie en sEMG. De experimentele opstelling en procedures zullen hetzelfde blijven als vermeld in sessie 7. Het enige verschil is dat de oude controlebenadering zal worden vervangen door de nieuw voorgestelde controlebenadering waarbij hulp nodig is door ultrasone beeldvorming en sEMG-signalen te combineren. De dataverzameling blijft hetzelfde als sessie 7. Van de sessies 5-8 in sectie 2, wordt na 7 minuten lopen onder elke snelheid een rustperiode van 10 minuten voorzien. Elke sessie kan tot 4 uur duren, inclusief de kalibratie van het motion capture-systeem en het instellen van de apparaten ongeveer 45 minuten, en loopexperimenten op de loopband ongeveer 3 uur. De deelnemer kan worden gevraagd om terug te komen als de tijdens een sessie verkregen gegevens tijdens de analyse niet bevredigend blijken te zijn. Het volgende bezoek zal plaatsvinden wanneer het de deelnemer uitkomt en in ieder geval na 72 uur. Bovendien wordt om veiligheidsredenen voor sessies 3, 4, 7 en 8 een veiligheidsstopknop toegevoegd waarmee de deelnemer het experiment kan stoppen wanneer de deelnemer de experimenten wil stoppen of wanneer de deelnemer zich ongemakkelijk voelt tijdens het experiment .

Voor deelnemers met iSCI of myelitis transversa: Voordat de deelnemer klaar is om deel te nemen aan dit onderzoek, wordt de deelnemers gevraagd enkele vragenlijsten in te vullen die demografische informatie en hun medische geschiedenis verzamelen. De deelnemer doet ook mee aan een lichamelijk onderzoek. Het lichamelijk onderzoek zal worden uitgevoerd door dr. Christine Cleveland, een arts van de polikliniek revalidatie in Chapel Hill. Het lichamelijk onderzoek en het invullen van medische anamneseformulieren duurt 60 minuten. Het lichamelijk onderzoek zal bestaan ​​uit een zintuiglijk onderzoek (waarbij de deelnemer wordt gevraagd zijn/haar ogen te sluiten en te rapporteren of de deelnemer een lichte aanrakingssensatie voelt, zoals een wattenbolletje en of de deelnemer een scherp en dof gevoel kan onderscheiden). sensatie), en een motorisch onderzoek (waarbij de onderzoekers het vermogen van de deelnemer om zijn/haar armen en benen te bewegen zullen onderzoeken). De onderzoekers nemen ook de hartslag en bloeddruk van de deelnemer op. In geval van zwangerschap komt de deelnemer niet meer in aanmerking voor deelname aan het onderzoek en moet het onderzoek worden stopgezet. De onderzoekers zullen screenen om de gevoeligheid of reactie op FES te controleren. Het doel van deze test is om de deelnemer FES te laten ervaren en op basis van de ervaring te beslissen of de stimulatie draaglijk is en of de deelnemer bereid is deel te nemen aan het onderzoek. Er wordt een teststimulatietrein toegepast op de spier van de onderste ledematen van de deelnemer. De deelnemer kan deze test op elk moment stopzetten en weigeren om verder deel te nemen. Als de deelnemer op FES reageert zonder pijn te ervaren en aan deze studie wil deelnemen, zullen de onderzoekers contact opnemen met de arts van de deelnemer om een ​​medische verklaring en verificatie van het letselniveau van de deelnemer te verkrijgen, voordat met de eigenlijke studie wordt begonnen. De deelnemer moet een ondertekend medisch goedkeuringsformulier van zijn/haar arts krijgen voordat hij/zij deelneemt aan het onderzoek. Na goedkeuring van de arts om deel te nemen aan deze studie en als de deelnemer in aanmerking komt (vraag Nitin Sharma of het lid van het onderzoeksteam om de deelnemer een geschiktheidschecklist voor groep S te geven) en ervoor kiest om deel te nemen aan deze studie, zal de deelnemer gevraagd worden om tijdens het eerste bezoek naar het laboratorium van de PI en het BME-ganglab te komen om het toestemmingsformulier in te vullen.