Soleus-belastningsrespons under gange

Deltakerne blir tildelt en enkelt gruppe i denne grunnleggende naturvitenskapelige studien. Protokollen inkluderer testing av en bærbar ankelenhet og dens kontrollalgoritme under gang på tredemølle. Robotankelenheten festes til deltakerens legg og fot ved hjelp av en ankel-fot-ortose i plast og borrelås. Robotankelenheten vil bæres på den funksjonshemmede siden mens den kontralaterale siden er fri under gange. Deltakeren plasserer foten (hemiparetisk side) på robotankelenheten ved hjelp av den tilpassede ortotiske rammen. Det mekaniske leddet til enheten er på linje med deltakerens ankelleddsenter. En stropp løkket rundt omkretsen av skaftet fester deltakerens ben til ankelanordningen for å sikre at det mekaniske leddet roterer ankelleddet. Passformen skal ikke være ubehagelig stram, men stram nok til å forhindre relativ (uønsket) forskyvning. Kabler kobles til et par elektriske motorer som påfører dreiemoment i plantarfleksjons- og dorsalfleksjonsretningen. Enheten samler inn målinger av leddvinkelen. Motorene reguleres ved hjelp av ankelleddvinkelen slik at robotenheten påfører ankelrotasjonsforstyrrelser for å indusere endringer i soleus muskelaktivitet. Ankelenheten integrerer trykksensorer plassert under fotsålen ved hælen og tåen for å samle vertikale bakkereaksjonskrefter.

Elektromyografiske (EMG) sensorer er plassert på muskelgruppen soleus og tibialis anterior. EMG-sensorer limes med en biokompatibel tape for å feste sensorene til huden. EMG-aktivitet forsterkes, båndpassfiltreres (10-1000 Hz), samples ved 3000 Hz og lagres. Et studiemedlem vil være tilgjengelig for å hjelpe deltakerne med å plassere EMG-sensorene. Hjertefrekvens og blodtrykk overvåkes før starten av protokollen. Ankel-, kne- og hofteleddskinematikk registreres bilateralt ved bruk av bærbare elektrogoniometre. Deltakerne har på seg en sikkerhetssele som er festet til et bærbart system (overheadbane og stativ) for å forhindre fall uten å begrense bevegelsen. En nødstoppknapp er tilgjengelig slik at deltakerne umiddelbart kan stoppe eksperimentet. Deltakere kan muntlig be personalet om å trykke på nødstoppknappen.

Deltakerne går med en selvvalgt komfortabel rask hastighet (f.eks. 3,5-4 km/t) under korte omganger med tredemølle (4-6 minutter per kamp). Tredemøllen styres eksternt av en datamaskin for å justere hastigheten på beltet. Gangøkten forventes å vare i ca. 60-90 minutter for å unngå tretthet og tidsvarierende endringer i muskelresponsene. Under oppvarming samles plantarflexor maksimal frivillig kontraksjon (MVC) i stående stilling, og gangkinematikk, muskel-EMG og bakkereaksjonskrefter registreres når man går uten å ha på seg robotankelenheten.

Etter oppvarming, mens du går på tredemøllen iført robotenheten, vil ankelrotasjoner bli brukt ved å bruke den utviklede algoritmen for å fremkalle soleus-belastningsresponsen under den midt-sene stillingsfasen. Kontrollalgoritmen bruker ankelforstyrrelser, som er skift fra den naturlige ankelkinematikken for å målrette soleus-belastningsresponsen i mid-sen stance-fase annenhver 4-6 gangsyklus for å forhindre tilvenning. Forstyrrelsens størrelse, hastighet og timing kontrolleres under gang på tredemølle. På grunn av de unike parametrene for forstyrrelsen (størrelse og hastighet) som brukes av enheten, er det minimal fallrisiko fordi den brukes over en kort varighet i ståfasen for å fremkalle en muskelrespons (f.eks. er det analogt med en mekanisk strekk refleks). Derfor brukes ikke forstyrrelsen for å veilede eller hjelpe ankelbevegelsen, noe som vil ha stor innflytelse på gangskinematikken. Utenfor perturbasjonsvinduet i stilling er ankelkontrollen slått av.

For enhver trinnsyklus er bare to forhold mulig. Enten er deltakeren i en forstyrret eller uforstyrret tilstand. Under forstyrrede trinnsykluser har deltakeren ankelenheten og den bruker kraft for å endre ankel-fotbevegelsen (dvs. enheten aktiveres). Under uforstyrrede skrittsykluser har deltakeren ankelenheten, men den bruker ikke kraft for å endre ankel-fotbevegelsen (dvs. enheten er passiv og ikke aktiv).

En gangøkt består av 4-5 gange som interleaver forstyrrede og uforstyrrede gangtrinn (inntil man samler inn data på ca. 30 forstyrrede og uforstyrrede skritt per gangkamp) og etterlater minst ett uforstyrret skritt før et forstyrret skritt. Det er gitt hvilepauser mellom kampene.

Studieteamet vil kontinuerlig overvåke deltakeren under en gangøkt og muntlig be om tilbakemelding for å sikre deltakerens komfort og sikkerhet. Automatiske og manuelle programvaresikringer er plassert for å stoppe økten hvis ytelsen overskrider sikre/ønskede hastighets- eller dreiemomentområder. Gangøkten avsluttes med en nedkjøling for å måle leddkinematikk, muskel-EMG og fremdriftsgang uten å ha på seg enheten. På slutten av eksperimentene vil de bærbare sensorene bli forsiktig fjernet fra kroppen. Studiepersonalet vil hjelpe deltakeren med å ta av ankelapparatet.

Studien involverer en enkelt gruppe som registrerer 15 individer uten kjente nevrologiske tilstander eller historie med ortopediske skader. Endringer i soleus EMG vil bli sammenlignet mellom forstyrrede og uforstyrrede gangsteg under en gangøkt. For det primære målet (soleus EMG-respons) vil forskjellen mellom ikke-forstyrret og forstyrret EMG bli vurdert ved Students t-test. Utvalgsstørrelsen for funksjonsfriske individer lar oss estimere, med et tosidig 95 % konfidensnivå hver, soleus EMG-responsen på forstyrrelse innenfor en feilmargin på 5,4 % ikke-forstyrret EMG. Denne beregningen er basert på en tidligere studie, hvor en gruppeanalyse med en s.d. på 0,87 % endring (% ikke-forstyrret EMG) ble observert i soleus EMG som respons på 1 grad/s leddbevegelsesforstyrrelse under den midt-sen stance-fasen (dvs. variasjonen i soleus EMG er lineært relatert til hastigheten og /eller amplituden til forstyrrelsene). En lignende s.d. er antatt for den foreslåtte studien, som gir en utvalgsstørrelse på N=15 funksjonsfriske individer. I tillegg vil en prøvestørrelse på 5 deltakere med hemiparese og gangdefekter på grunn av hjerneslag bli studert for å undersøke muligheten for de foreslåtte algoritmene og enheten for å fremkalle soleus-belastningsresponsen. På grunn av manglende tilgjengelighet av data med post-slag deltakere, s.d. endring % uforstyrret soleus EMG kan ikke defineres før man utfører testing med individer etter hjerneslag. Derfor vil denne pilotstudien gi foreløpige resultater for å karakterisere soleus EMG på grunn av de påførte forstyrrelsene hos mennesker etter hjerneslag.