Ultralydbasert sansing av menneskelige ankelbevegelser og kontrollstrategier for ankelassistanse

Studien vil rekruttere opptil 20 personer uten nevromuskulære sykdommer og 5 personer med ufullstendig ryggmargsskade (iSCI) eller transversell myelitt, som er 18-64 år gamle for eksperimenter. Forskningsaktiviteter inkluderer i gjennomsnitt 8 eksperimentelle økter. Øktene kan være på mer eller mindre enn 8 økter avhengig av emnets tilgjengelighet, tilstrekkelige data for analyse, eller behov for å innhente mer data for analysen. Det første målet er å undersøke ultralydmålinger av muskelbevegelser og muskelelektrisk aktivitet (sEMG) for å forutsi den frivillige bevegelsen eller dreiemomentet som produseres ved det menneskelige ankelleddet. Basert på den frivillige bevegelsen eller dreiemomentet, vil funksjonell elektrisk stimulering (FES) bli brukt for å kunstig stimulere ankelmusklene, eller et drevet ankeleksoskjelett vil bli brukt for å gi ekstra assistanse i ankelleddet. FES-elektroder vil bli plassert på passende steder ved hudoverflaten av underekstremiteten slik at den mest optimale bevegelsen oppnås.

Oppgavetype 1: Frivillige sittende statlige oppgaver uten og med ekstern bistand.

Økt 1: Frivillig ankel opp og ankel ned bevegelse uten FES. Et par sEMG-sensorer vil bli plassert på deltakerens underbensmuskler foran og bak gjennom dobbeltsidig tape. Et par amerikanske bildetransdusere vil festes til de samme for- og bakmusklene i underbenet for å avbilde muskelens aktiviteter under ankelleddets opp- og nedbevegelse. Et par bevegelsessensorer vil bli festet til skaftet og foten for å måle ankelleddets vinkelposisjon og hastighet. En kraftsensor vil bli plassert mellom fotsålen og en stiv flat plattform for å måle interaksjonskraften under ankelen opp og ankelen ned bevegelse. Amerikanske bildemålinger, de elektriske signalene fra sEMG-sensorer, kontaktkraften fra kraftsensoren og bevegelsessensoren og kameramålingene vil bli samlet inn samtidig. Data kan samles inn fra ett eller begge av en deltakers ben.

Økt 2: Frivillig ankelsidebevegelse mot innsiden og utsiden uten FES. Under økt 2 vil deltakeren utføre side-til-side ankelbevegelser. En lignende treningsprosedyre, som i økt 1, vil bli foreskrevet før selve eksperimentene. Flere målinger fra sensorene (samme som i økt 1) festet til deltakerens ben og fot vil bli oppnådd under ankelbevegelsen fra side til side. Både i økt 1 og økt 2, for hver bevegelsesretning (opp, ned, innvendig og utvendig), kjøres 10 gjentatte forsøk, og hver prøve vil vare i 10 minutter inkludert trening, datainnsamling, datalagring og hvileperiode for å unngå muskeltretthet. Hver økt kan vare inntil 4 timer.

Økt 3: Assisterende ankel opp og ned bevegelse med FES. En lignende konfigurasjon som nevnt i økt 1 vil bli brukt i denne økten. I tillegg vil FES brukes til å kontrollere ankelen opp eller ned en bevegelse ved å ta amerikanske bildebaserte målinger som tilbakemelding. I FES-systemet, for ankel opp bevegelse, vil den negative elektroden plasseres over muskelmagen på den fremre muskelen, mens den positive elektroden plasseres lenger ned på skaftet. For ankel ned bevegelse, vil to store elektroder bli brukt for å tillate aktivering av hele ryggmuskulaturen. Disse elektrodene vil bli koblet til en elektrisk stimulator, som styres via dataprogramvare. For både ankel opp og ankel ned bevegelse vil en lav strømbølgeform brukes med 100-400 mikrosekunders pulsbredde og 20-40 Hz frekvens. Strømområdet vil være mellom 0-60 mA. I alle tilfeller vil pulsvarigheten som er definert for bruk ikke overskride den øvre grensen på 400 mikrosekunder. Stimuleringsparametrene som brukes for en deltaker vil bli dokumentert for hver eksperimentelle økt, og eventuelle endringer i stimuleringsparametrene under en økt vil også bli registrert.

Økt 4: Assisterende ankelsidebevegelse mot innsiden og utsiden med FES-systemet. En lignende konfigurasjon som nevnt i økt 2 vil bli brukt i denne økten. FES vil bli brukt til å kunstig stimulere musklene og kontrollere ankelsidebevegelser mot innsiden eller utsiden ved å ta amerikanske bildebaserte målinger som tilbakemelding. For både ankelsidebevegelse mot innvendig og utvendig situasjon vil de samme FES-parametrene og modulasjonsmetoden bli implementert som beskrevet i økt 3. Under eksperimentprosedyrene vil de amerikanske avbildningsbaserte målingene og bevegelses- og kameramålingene samles inn samtidig. Data kan samles inn fra ett eller begge deltakernes ben. Både i økt 3 og økt 4, for hver bevegelsesretning (opp, ned, innvendig og utvendig), kjøres 10 gjentatte forsøk, og hver prøve vil vare i 10 minutter inkludert trening, datainnsamling, datalagring og hvileperiode for å unngå muskeltretthet. Hver økt kan vare inntil 4 timer. Deltakeren kan bli bedt om å komme tilbake hvis dataene som er innhentet under en økt ikke blir funnet å være tilfredsstillende under analysen. Neste besøk vil bli gjennomført når det passer deltakeren og minst etter 24 timer for økt 1 og 2, samt 72 timer for økt 3 og 4.

Oppgavetype 2: Frivillige dynamiske gangoppgaver på tredemølle uten og med ekstern assistanse Økt 5: Dynamisk gangoppgave uten FES eller ankeleksoskjelett. I likhet med økt 1 og økt 3 i Task Type 1, vil sEMG-sensorene og ultralydbildetransduserne festes til de samme posisjonene på fremre og bakre skaft som er nevnt før. Flere reflekterende markører vil festes til subjektets nedre lemmer for å måle kinematikkdataene basert på et bevegelsesfangstsystem. Under økt 5 vil deltakeren bli bedt om å stå stille i 30 sekunder på tredemøllen med to delte belter. Kraftsensorene under hvert belte vil bli brukt til å måle bakkens reaksjonskraft mellom beltet og deltakerens fotsåler, og samtidig vil sEMG-signalene og ultralydavbildning av underbensmusklene også samles inn under den statiske stående stillingen . Deretter vil deltakeren bli bedt om å gå på tredemøllen med 0,5, 0,75, 1,0, 1,25 og 1,5 m/s. For hver hastighet vil de første 5 minuttene med gange gis som en oppvarming for deltakeren for å venne seg til gangmønsteret med det bærbare. Etter oppvarmingen, i de påfølgende 2 minuttene for hver ganghastighet, vil bakkereaksjonskraften, sEMG-signaler og ultralydavbildning av underbensmusklene, og koordinatene til de reflekterende markørene bli registrert synkront og samtidig.

Økt 6: Dynamisk gangoppgave med FES eller ankeleksoskjelett, men ingen drevet assistanse. Bortsett fra oppsettet beskrevet i økt 1, vil FES-elektrodene plasseres på den fremre skaftmuskelen og ankeleksoskjelettet vil bli plassert på den bakre skaftet. Samme datainnsamling som nevnt i økt 5 vil også bli inkludert. I denne økten vil det ikke være stimulering på deltakerens skjelettmuskulatur og ingen kraft til ankeleksoskjelettmotoren.

Økt 7: Dynamisk gangoppgave med FES eller ankeleksoskjelett basert på en gammel kontrolltilnærming. Eksperimentoppsettet og prosedyrene vil bli holdt de samme som nevnt i økt 2. Under den dynamiske gangoppgaven vil det drevne FES og ankeleksoskjelettet bli brukt til å gi assistanse for tå opp og tå ned bevegelser i henhold til menneskelig bevegelsesintensjon basert på en vanlig anvendt kontrolltilnærming i andre publikasjoner. Gjennom hver av datainnsamlingens varighet på 2 minutter, vil sEMG-signalene samles inn og behandles i sanntid for å kontrollere FES- eller ankeleksoskjelettsystemet. I tillegg vil tidssekvensen for ultralydavbildning fra fremre og bakre skaftmuskulatur, reflekterende markørers koordinater, bakkereaksjonskraften, FES-strømamplituden eller pulsbredden og eksoskjelettmotorens dreiemoment samles inn synkront og samtidig.

Økt 8: Dynamisk gangoppgave med FES eller ankeleksoskjelett basert på assistanse-etter behov kontrolltilnærming ved kombinasjon av ultralydavbildning og sEMG. Det eksperimentelle oppsettet og prosedyrene vil bli holdt de samme som nevnt i økt 7. Den eneste forskjellen er at den gamle kontrolltilnærmingen vil bli erstattet av den nylig foreslåtte assistanse-etter-behov-kontrolltilnærmingen ved å kjemme ultralydavbildning og sEMG-signaler. Datainnsamlingen vil forbli den samme som økt 7. Blant øktene 5-8 i seksjon 2, etter 7 minutters gange under hver hastighet, vil det bli gitt en 10 minutters hvileperiode. Hver økt kan vare i opptil 4 timer, inkludert kalibrering av bevegelsesfangstsystemet og enhetsoppsett rundt 45 minutter, og gåeksperimenter på tredemøllen rundt 3 timer. Deltakeren kan bli bedt om å komme tilbake hvis dataene som er innhentet under en økt ikke blir funnet å være tilfredsstillende under analysen. Neste besøk vil bli gjennomført når det passer deltakeren og minst etter 72 timer. I tillegg, av sikkerhetshensyn, for økter 3, 4, 7 og 8, vil en sikkerhetsstoppknapp bli lagt til for at deltakeren kan stoppe eksperimentet når deltakeren ønsker å stoppe eksperimentene eller deltakeren skal føle seg ukomfortabel under eksperimentet .

For deltakere med iSCI eller transversell myelitt: Før deltakeren er klar til å delta i denne studien, vil deltakerne bli bedt om å fylle ut noen få spørreskjemaer som vil samle inn demografisk informasjon og deres medisinske historie. Deltakeren vil også delta i en fysisk undersøkelse. Den fysiske undersøkelsen vil bli fullført av Dr. Christine Cleveland, en lege ved poliklinisk rehabiliteringsklinikk i Chapel Hill. Den fysiske undersøkelsen og utfyllingen av sykehistorieskjemaer vil ta 60 minutter. Den fysiske undersøkelsen vil bestå av en sensorisk undersøkelse (der deltakeren vil bli bedt om å lukke øynene og rapportere om deltakeren føler en lett berøringsfølelse som en bomullsdott og om deltakeren er i stand til å skille ut en skarp og kjedelig følelse), og en motorisk undersøkelse (hvor etterforskerne vil undersøke deltakerens evne til å bevege armer og ben). Etterforskerne vil også ta deltakerens hjertefrekvens og blodtrykk. Ved graviditet vil deltakeren ikke være kvalifisert til å delta i studien og må avbryte studien. Etterforskerne vil screene for å sjekke sensitivitet eller respons på FES. Hensikten med denne testen er å la deltakeren oppleve FES, og basert på erfaringen bestemme om stimuleringen er tolerabel og deltakeren er villig til å delta i studien. Et teststimuleringstog vil bli brukt på deltakerens underekstremitetsmuskel. Deltakeren kan når som helst stoppe denne testen og nekte å delta videre. Hvis deltakeren reagerer på FES uten smerteopplevelse og ønsker å delta i denne studien, vil etterforskerne kontakte deltakerens lege for å få en medisinsk godkjenning og verifisering av deltakerens skadenivå, før den faktiske studien starter. Deltakeren vil bli bedt om å innhente et signert medisinsk godkjenningsskjema fra sin lege før han/hun deltar i studien. Etter å ha mottatt godkjenning fra legen til å delta i denne studien og hvis deltakeren er kvalifisert (be Nitin Sharma eller forskningsteammedlemmet om å gi deltakeren en kvalifikasjonssjekkliste for gruppe S) og velge å delta i denne studien, vil deltakeren bli bedt om å komme til PIs laboratorium og BME ganglab for å fylle ut samtykkeskjemaet under det første besøket.