Metoder for modellering, optimalisering og kontroll for et personlig hybrid eksoskjelett

Forskningsaktiviteter involverer bruk av datastyrt funksjonell elektrisk stimulering (FES) og elektrisk motordrevet ortose (drevet eksoskjelett) for å generere funksjonelle bevegelser i underekstremitetene for; dvs. står og går. De datastyrte algoritmene vil få tilbakemelding fra sensorer som optiske koder, lastceller, kraftfølsomme motstander og treghetsmåleenheter som er eller vil være innebygd i ortosen, eller disse tilbakemeldingsalgoritmene vil bli kombinert med forhåndsberegnet optimaliserte algoritmer basert på estimert muskel- og skjelettmodell av en deltaker. Flere datamaskinalgoritmer vil bli utformet for å koordinere FES med elektriske motorer og andre komponenter i gåapparatet for å reprodusere eller gjenopprette stående og gåbevegelser. Studien involverer validering av dataalgoritmer for å estimere og kontrollere gang- og sittende/stående bevegelser. Rifton E-Pacer motoriserte rullator, armkrykker, parallelle stenger eller en konvensjonell rullator kan brukes for å hjelpe til med å ta på og ta av eksoskjelettsystemet, stå og gå for alle forsøkspersoner, når som helst under eksperimentering, så lenge som anses nødvendig av forsøksmålene. Bruk av E-Pacer eller rullator bør forbedre eksperimentsikkerheten og redusere forsøkspersonens generelle fysiske anstrengelse fordi det reduserer belastningen på forsøkspersonens kropp. Sittende/stående og/eller gåbevegelser vil fremkalles av den hybride gåplattformen som kombinerer et drevet eksoskjelett og et FES-system. Det drevne eksoskjelettet kan gi leddaktivering i hofte- og kneleddene til en deltaker. FES-systemet kan stimulere quadriceps, hamstrings, setemuskler og ankelmuskler. Elektrodene for stimulering er plassert på huden på steder som gir en optimal bevegelse av lemmer. Algoritmene er utformet slik at stimuleringen av ulike muskler koordineres for å oppnå gåing og/eller sittende/stående. Et presedenseksperiment vil bli utført på en gruppe B-deltaker før den testes på gruppe A. I motsetning til de paraplegiske deltakerne (gruppe A), hvis enheten skulle svikte eller virke uventet, vil personer uten funksjonshemming (gruppe B) kunne gripe inn. Derfor vil testing av enheten på personer uten funksjonshemming først tillate oss å vurdere og adressere eventuelle risikoer før vi tester på personer med SCI, som ikke er i stand til å gripe inn med enheten. Alle øktene for gruppe A deltakere vil bli utført under veiledning av en fysioterapeut. Terapeuten vil også hjelpe gruppe A-deltakerne med å flytte dem fra rullestolen til et polstret bord for sitteplasser om nødvendig eller til eksoskjelettet. Gruppe A-deltaker vil også bli støttet av et kroppsavveiende system for å forhindre fall når de står og går. Før hvert eksperiment som involverer elektrisk stimulering, vil en deltakers hjertefrekvens og blodtrykk bli registrert. Terapeuter vil også hjelpe deltakerne med å flytte dem fra rullestolen til terapibordet. En deltaker eller en person som betjener enheten vil starte gå- og/eller stående bevegelse. En deltaker kan stoppe bevegelsene hvis han/hun ikke føler seg komfortabel eller utrygg ved å bruke en sikkerhetsstoppknapp, som vil bli gitt til dem. I løpet av disse øktene vil deltakerne ha på seg en pulsklokke for å sikre at de ikke overanstrenger seg, og slik at tilstrekkelig hvileperioder kan gis. Deltakernes hjertefrekvens vil bli kontrollert før og etter hvert forsøk av en person som utfører eksperimentene. Borg-skalaen vil bli administrert for gruppe A for å sjekke deres anstrengelsesnivå. Øktene vil bli stoppet i henhold til grensene foreskrevet av Borg-skalaen (se stoppkriterier i risikodelen). Vær oppmerksom på at for alle eksperimenter som er beskrevet, kreves det minimum 1-2 dager mellom besøkene for eksperimentering. Disse aktivitetene er delt inn i mål 1 og mål 2. Vær oppmerksom på at mål 1-2 ikke er sekvensielle. Mål 1: Å fremkalle sittende/stående og gående bevegelser ved å bruke et optimalisert drevet eksoskjelett og funksjonell elektrisk stimulering (FES) assistanse. Målet med dette målet er å eksperimentelt validere en optimal kontroller som tildeler FES og eksoskjelettbidrag basert på en personspesifikk modell av en deltaker. Kontrolleren vil produsere underekstremitetsbevegelser hos personer uten funksjonshemming og personer med ryggmargsskade. Gruppe A og Gruppe B vil delta i cirka 20 økter. Antall økter er omtrentlig og det kan overstige dette antallet, og det er ikke et begrenset antall økter som vil forby videre deltakelse. Øktens varighet vil være opptil 4 timer, maksimalt. Øktvarighetene er omtrentlige og kan være mer eller mindre enn det spesifiserte. Det totale antallet økter kan overskride med få økter for noen deltakere på grunn av uforutsette tekniske eller feilaktige eksperimentelle data. Disse eksperimentene vil bli utført i Neuromuscular Control and Robotics Laboratory (NCRL) eller ved poliklinisk rehabiliteringsklinikk i Chapel-Hill drevet av hovedetterforskeren. Disse eksperimentene er delt inn i 2 oppgaver. Oppgave 1: Innledende besøk for familiarisering, opplæring og modellidentifikasjon. Familiarisering og treningsbesøk vil tillate oss å tilpasse og optimalisere det hybride eksoskjelettet til hver deltakende person. For denne oppgaven vil deltakerne besøke NCRL i omtrent 3 økter. Disse øktene vil ikke ta mer enn 4 timer. Øktvarighetene er omtrentlige og kan være mer eller mindre enn det spesifiserte. Det totale antallet økter kan overskride med få økter for noen deltakere på grunn av uforutsette tekniske eller feilaktige eksperimentelle data. I det første besøket vil det bli gjort justeringer av hybridenheten for å tilpasse enheten til deltakeren. I disse besøkene er målene å trene dem for å sitte-til-stå-overføringer og utføre gangbevegelser med hybrid-gåanordningen. Datastyrte algoritmer vil bli brukt for å utføre sitte-til-stå-, stå-til-sitte- og gåbevegelser. Modellidentifikasjonseksperimenter for å finne modellparametere for hver enkelt kan kjøres under innledende opplæring og familiariseringsstudier. Disse modellidentifikasjonseksperimentene kan utføres mens en deltaker sitter/står eller går i den hybride gåanordningen. Når de fagspesifikke parametrene er identifisert, vil en gå- og/eller stående-algoritme som koordinerer FES med det drevne eksoskjelettet bli utledet eller optimalisert ved bruk av offline dynamiske optimaliseringer. Oppgave 2: Validering av en sittende/stående og/eller gående algoritme. Etter innledende besøk (Oppgave 1), vil gå- og/eller stående-algoritmen bli testet. Algoritmen er et dataprogram som tar sensorisk informasjon fra forskjellige sensorer som optiske kodere, treghetsmåleenheter og hælkontaktsensorer innebygd i hybrid-gangsystemet for å optimalt koordinere FES og elektriske motorer til det drevne eksoskjelettet. Algoritmen vil bli eksperimentelt validert på hver deltaker i omtrent 7 økter. Hver økt vil vare i ikke mer enn 4 timer, som inkluderer tid til å stå, gå, hvileperioder, tid som kreves for å justere avstiving og tid som kreves for å oppdatere datakoden om nødvendig. Vær oppmerksom på at antall økter og varighet er anslag og kan endres basert på forholdene i eksperimentet. Et motion capture-system kan også brukes til å måle leddvinkler slik at spatiotemporale gangkarakteristikker kan sammenlignes med normal gangart til en frisk kontrollperson. De registrerte gangdataene vil også bli brukt til å vurdere ytelsen til kontrollsystemene til enheten, og for å vise hvordan brukerens gangart endres over tid etter hvert som de blir mer komfortable med å bruke enheten. Disse øktene kan tas opp slik at applikasjonen og effektiviteten til enheten kan illustreres. Mål 2: Integrering av ultralydbasert tilbakemelding for å kontrollere et hybrid eksoskjelett. Målet med dette målet er å undersøke om ultralydavbildning kan brukes som et verktøy for å måle muskeltretthet indusert av FES og videre bruke de USA-avledede signalene for å optimalisere FES og eksoskeletonassistanse. Det første målet med dette målet er å utvikle en ultralydbasert tretthetsmodell for å indikere utbruddet av muskeltretthet. Det andre målet er å bruke den ultralydbaserte tretthetsmodellen i en algoritme som koordinerer kontroll av FES og elektrisk motor under sittende-til-stående, gange og stående-til-sittende aktiviteter. Gruppe A og gruppe B individer vil delta i dette målet. De vil delta i omtrent 10 økter på ikke mer enn 4 timer hver. Det totale antallet økter kan være mer eller mindre enn 10 på grunn av uventede tekniske eller feilaktige eksperimentelle data eller hvis deltakeren forlater studien. Disse eksperimentene vil bli utført i NCRL eller ved poliklinisk rehabiliteringsklinikk i Chapel-Hill. Oppgave 1: Utvikling av et ultralydbasert tretthets- og restitusjonsmål for benmuskler. En stimuleringsprotokoll vil bli fulgt som gir muskeltretthet. Muskeltretthet er definert som en viss prosentvis nedgang i isometrisk dreiemoment generert av FES i quadriceps-muskelen. Fordi reduksjon i det isometriske dreiemomentet kan variere hos forskjellige deltakere, vil en felles stimuleringsprotokoll bli brukt for alle deltakerne. Dette vil bli gjort i løpet av ca. to økter som hver ikke varer mer enn 4 timer. Øktvarighetene er omtrentlige og kan være mer eller mindre enn det spesifiserte. Det totale antallet økter kan overskride med få økter for noen deltakere på grunn av uforutsette tekniske eller feilaktige eksperimentelle data. Både ultralyd (ved hjelp av bildesonden plassert mellom elektrodene) og dreiemomentdata (fra belastningssensoren) vil bli samlet inn. En håndholdt kommersiell ultralydsvinger (5-20 MHz klinisk transduser) koblet til et kommersielt ultralydsystem (S-Sharp Corporation, Taiwan) plassert mot huden.En varm gel påføres huden for å hjelpe med bildebehandling. Alle ultralydavbildningsparametere inkludert intensitet og bildefrekvens osv. er under sikkerhetsretningslinjene for klinisk ultralydavbildning (MI-verdier mindre enn 1,9). Etter disse eksperimentene vil de behandlede ultralyddataene bli korrelert med det målte dreiemomentet for å bestemme utmattelse og gjenopprettingstiltak. Oppgave 2: Inkorporering av den ultralydbaserte utmattelsesmodellen i en kontrollallokeringsalgoritme. De ultralydbildebaserte tretthets- og restitusjonstiltakene kan brukes til å forutsi utbruddet av muskeltretthet. De eksperimentelle studiene vil bli utført på (Gruppe A) og (Gruppe B) over 2 økter som hver ikke varer mer enn 4 timer. Øktvarighetene er omtrentlige og kan være mer eller mindre enn det spesifiserte. Det totale antallet økter kan overskride med få økter for noen deltakere på grunn av uforutsette tekniske eller feilaktige eksperimentelle data. Algoritmene i oppgave 2 i mål 1 vil bli modifisert for å inkludere de ultralydbaserte tretthets- og restitusjonstiltakene. Merknad om stimuleringsparametere som skal brukes i de nevnte målene: Et normalt stimuleringsområde som skal brukes i våre studier er: pulsbredde 100-400 mikrosekunder; Frekvens: 20-100 Hz; Strøm 0-100 mA. Vanligvis under eksperimentet moduleres strømmen automatisk (eller i noen tilfeller manuelt) fra 0 mA til verdien som kreves for å oppnå en oppgave. Dette oppnås ved tilbakemeldingssignaler til kontrollsystemet som kommuniserer med stimulatoren. Kontrollsystemet tillater ikke at strømmen går over maksimumsgrensen. Pulsbredden og frekvensen holdes generelt konstant. Stimuleringsparametrene som brukes for hver deltaker vil bli dokumentert for hver eksperimentelle økt, og eventuelle endringer i stimuleringsparametrene under en økt vil også bli registrert.