Forbedring av balanse og energi ved å gå med et hofteeksoskjelett

Denne forskningen utføres først og fremst i NCSU/UNC Joint Department of Biomedical Engineering ved North Carolina State University (NCSU) og er også samarbeidet med University of North Carolina ved Chapel Hill (UNC-Chapel Hill). NCSU vil ha følgende roller i denne studien: (1) ny forskning og utvikling av kontrollalgoritmer, (2) gjennomføring av eksperimenter, (3) rekruttering, (4) datainnsamling, (5) samtykkeprosessen, (6) håndtering av identifiserbar informasjon (samtykkepapirer, bilder og videoer med forsøkspersonens ansikt). Dr. Michael Lewek ved UNC-Chapel Hill (tjener også som fysioterapeut i denne studien) vil være involvert i rekruttering, fysisk undersøkelse, screening, samtykkeprosess og eksperimentelle prosedyrer relatert til personer med hjerneslag.

1. Studien vil omfatte totalt 100 deltakere. Av 100 deltakere vil 80 deltakere uten nevrologiske eller andre helseproblemer rekrutteres, mens 20 deltakere rammet av kronisk paretisk hjerneslag vil bli rekruttert. Deltakere uten nevrologiske tilstander vil bli kontaktet gjennom flyers. Når en deltaker kontakter forskerne og uttrykker interesse, vil kvalifikasjonen bli vurdert gjennom screeningsspørsmål. For å rekruttere deltakere som er rammet av paretisk hjerneslag, vil vi nå ut til støttegrupper for å spre bevissthet om forskningsstudien vår og dele kontaktinformasjon slik at interesserte deltakere kan kontakte oss. Flyers vil bli delt ut til støttegruppearrangører som vil dele dem med gruppene sine. Den første kvalifiseringen vil bli vurdert gjennom screeningspørreskjemaet. Hvis deltakeren viser seg å være kvalifisert, vil en lege bli bedt om å utføre en evaluering og gi tillatelse til at deltakeren kan være en del av studien. Legevurdering og klareringsskjema er gitt i dokumentasjonen.

   Når fagets egnethet er etablert, sendes samtykkeskjemaet til deltakerne, og målene, prosedyrene og vurderingene for studien blir forklart. I tillegg er covid-retningslinjene, forventningene, og screeningprosedyrene forklart. Hvis personen som uttrykker interesse er en del av faggruppen for hjerneslag, vil en fysisk evaluering bli utført av en lege for å fastslå om det er kvalifisert for eksperimentet. Et fysisk evalueringsskjema gis til legen med en betalt returkonvolutt dersom legekontoret ikke kan sende evalueringen online. Honorarene for evalueringen dekkes ikke av forskningen og at informasjonen formidles til deltakerne ved rekruttering samt i samtykkeskjemaene.

2. For å planlegge hver økt får fagene instruksjoner om hvordan de kommer til laboratoriet og kontaktinformasjon til forskerne via telefon eller e-post, i henhold til fagets preferanse. Forsøkspersoner anbefales å barbere bena om mulig og bruke shorts for å sikre enklere sensorfeste.
3. Etter å ha innhentet informert samtykke og screenet for Covid, blir forsøkspersonene ført til et privat område i laboratoriet for å montere det robotiske hofteeksoskjelettet og bærbare sensorer under tilsyn av en forsker av samme kjønn som deltakeren. Forsøkspersonen trenger ikke kle av seg for feste av hoftens eksoskeleton. Systemet festes over klærne ved å bruke borrelåsbånd i midjen og lårene samt klips på brystet som beskrevet nedenfor. En visuell representasjon av systemet er gitt i tilleggsdokumentasjonen for referanse.
4. Følgende sensorer er festet til motivet: a. Muskelaktivitetssensorer: Antall: 7 per lem. Plassering: En på nedre hofte, to på baksiden av underlåret, to foran på underlåret, en på skaftet og en på leggen. Området vil bli rengjort med en spritpute før sensoren festes. b. Bevegelsesmålingssensorer (IMU): Antall: 7 totalt. Plassering: En på korsryggen, en på hvert lår, skaft og fot. c. Bevegelsesanalysemarkører: Antall: 22 totalt. Plassering: 4 på midjen, tre hver på begge lår, skaft og fot. d. Oksygenbrukssensor: Sensoren bæres som en maske som har et 2-tommers rør. Den måler oksygenet som pustes inn og ut for å anslå hvor mye oksygen som brukes. Den hindrer ikke noen luftstrøm eller forstyrrer brukerens aktivitet og kan bæres på en kirurgisk eller N95 maske. Sensorene er koblet til kroppen gjennom teipen og borrelåsremmene.
5. Med bistand fra forskeren festes det eksperimentelle hofteeksoskjelettet til deltakerne. Eksoskjelettet veier litt under 5 pund. Festeprosedyren innebærer å bære hoftens eksoskjelett over forsøkspersonens klær ved å bruke skulderstropper som ligner på en ryggsekk. Når forsøkspersonen har på seg hofteeksoskjelettet, brukes ytterligere selvklebende borrelåsbånd for å feste hofteeksoskjelettet til motivet. Borrelåsstroppene er plassert i midjen og nedre lår på motivet for å sikre at eksoskjelettet kan fungere effektivt.
6. Bevegelsesanalysemarkører (beskrevet i 4.c) vil bli plassert på overflaten av huden og eksoskjelettet ved å bruke Nexcare dobbeltsidig hudtape, og lysfølsomme kameraer kan brukes til å fange markørenes posisjoner slik at vi kan studere det mer detaljerte benet. bevegelse. Den nøyaktige plasseringen kan variere per motiv avhengig av høyden på motivene for å sikre at markører er synlige fra kameraene. En visuell fremstilling er vedlagt i tilleggsdokumentasjonen. Kameraene er en del av vicon-systemet og styres av nexus-programvaren (https://www.vicon.com/software/nexus/) og er allerede satt opp permanent i ganglaben gjennom gulv- og takfester.
7. Alle muskelaktivitetssensorene er koblet til én datainnsamlingsboks koblet nær brystet til motivet (https://www.motion-labs.com/prod_ma400.html). En kabel går fra boksen til datainnsamlingsdatamaskinen. IMU-sensorene er trådløse, hele den volumetriske sensoren er koblet til en boks plassert på skulderen som er trådløst koblet til datainnsamlingsdatamaskinen.
8. I tillegg til den ene sensorkabelen er to kabler koblet til eksoskjelettet. Den ene sender kraft mens den andre sender kommandoer. Alle tre kablene føres gjennom en enkelt kabelhylse som er festet til motivet når de er på tredemøllen og koblet gjennom autovernet i en høyde på 3 fot og 1 fot bak brukeren, for å forhindre at det er en snublefare. Kabelen er festet på baksiden nær bekkenet til eksoskjelettet. Kabelen festes kun én gang når forsøkspersonen er på tredemøllen for å forhindre snublefare, og forskningspersonell vil manuelt holde kabelen for å forhindre at den filtres inn under bevegelse mellom forsøkene.

9. Følgende utprøving vil bli utført: Sett opp forsøk, baseline-evalueringsforsøk, gå-tuning-forsøk og endelige evalueringsforsøk. Maksimalt 10 forsøk vil bli utført i økten.

   1. Sett opp prøver (1 prøveversjon + ytterligere 10 sek gange): For å sikre at alle systemer fungerer, må et oppsett utføres. Prosedyren for oppsett av bevegelsesfangst inkluderer å stå i en T-posisjon på tredemøllen i 5 sekunder mens kameraene registrerer markørene. Når det er gjort, vil en 2-minutters gangprøve bli utført for å sikre at markørene er synlige under gange og at muskelaktiveringssignalene konsekvent blir registrert. Til slutt, for å sikre at IMU-systemet er kalibrert, blir forsøkspersonen bedt om å stå i normal stående stilling i 5 sekunder etterfulgt av å gå i 10 sekunder. IMU-systemets kalibrering kan gjentas opptil 2 ganger til i tilfelle dårlig kalibrering.
   2. Baseline evalueringsforsøk (1 prøve): Forsøkspersonen blir bedt om å gå én gang på tredemøllen i 2 minutter med ønsket hastighet med alle enhetene tilkoblet. Eksoskjelettet vil ikke bruke noen kraft under rettssaken. Denne studien vil bli brukt som en baseline for å evaluere de endelige forsøkene.
   3. Gangtuningforsøk (3-6 forsøk): Deltakerne bes gå på tredemøllen mens eksoskjelettet søker om hjelp under gange. Enheten bruker sin adaptive kontroller for å finne ut den optimale hjelpen til brukeren for å redusere deres energiske anstrengelse. Prøven tar ca 3-5 minutter.
   4. Avsluttende evalueringsforsøk (3 forsøk): Forsøkspersonene blir bedt om å gå med optimal assistanse oppnådd fra gåforsøk i 2 minutter. Dataene som fanges vil bli sammenlignet med grunnlinjeforsøket for å evaluere fordelene med eksoskjelettet.
10. Komfortnivået til deltakerne etter hvert forsøk vil bli vurdert gjennom muntlig tilbakemelding. Deltakerne oppfordres til å stoppe forsøket når som helst hvis forsøket gjør dem ukomfortable eller hvis de føler seg trette. Hver aktivitet kan vare i en varighet på 3-5 minutter avhengig av ytelsen til algoritmen, og forsøkspersonene oppfordres til å utføre oppgavene i sin foretrukne hastighet. Det gis minimum 3 minutters hvile mellom forsøkene, mens resten varer opptil 10 minutter, avhengig av forsøkspersonens preferanser.
11. I hvileperiodene vil forsøkspersonen få en stol å sitte i, med både snacks og hydrering tilgjengelig. Neste rettssak starter først når forsøkspersonen frivillig signaliserer at han er klar for neste rettssak. Hvis forsøkspersonen er klar før 3 minutters hviletid er over, vil forsøkspersonen bli bedt om å vente til minimumsvarigheten på 3 minutter har gått. Tredemøllen er i forhøyet høyde i laboratoriet. Derfor må forsøkspersonene klatre opp og ned trappene for å få tilgang til tredemøllen. Stolen for å slappe av vil bli plassert på en plattform. Så med mindre forsøkspersonene må forlate laboratoriet, trenger de ikke klatre ned trappene mer enn én gang. Trappeklatringsoppgaven er nevnt i samtykkeskjemaet og den vil bli diskutert med fagene.
12. Sikkerhet: For å forhindre risiko for å falle, vil forsøkspersonene bli støttet av en kroppsvektstøttesele (zeroG, Aretech LLC). Kroppsvektsselen er festet på deltakernes skuldre for å overholde retningslinjene for feste til ZeroG. Det gis konsekvente verbale nedtellinger for hvert trinn i forsøket, inkludert start og stopp av tredemøllen, start og stopp av datainnsamling og start og stopp av assistanse fra eksoskjelettet. Rettssaken starter kun med en muntlig bekreftelse av emnet. Eksoskjelettet og tredemøllen er utstyrt med en sikkerhetsavstengningsknapp for å stoppe forsøket umiddelbart. På ethvert tidspunkt, hvis forsøkspersonene uttrykker ubehag, stoppes forsøkene umiddelbart. Hyppig verbal tilbakemelding om motivets komfort og tretthet søkes gjennom hele varigheten. I tillegg har en fysioterapeut (Dr. Lewek) ville være til stede under forsøkene med hjerneslag for å overvåke deltakerne og sikre deres sikkerhet og velvære.
13. Under testøktene kan video tas for analyse av kvaliteten på forsøkene. Video vil bli tatt av overkroppen og under og vil ikke inkludere ansiktet til deltakerne. Bilder kan også tas av huden for å hjelpe til med plassering av elektroder for fremtidige forsøk. Bilder vil ikke inneholde noen definerende egenskaper. Eventuelle identifikatorer, for eksempel tatoveringer og fødselsmerker, vil bli fjernet eller mørklagt fra video eller lyd når de blir tatt opp.
14. Frakoblingsprosedyren skjer etter at de nødvendige oppgavene er fullført. Sensorene (elektroder, maske, IMU) og markører vil bli fjernet, og alkohol vil bli gnidd over områdene der sensorene satt fast for å redusere sjansene for irritasjon ved å bruke alkoholservietter av forskeren. IMU-sensorene som er festet ved hjelp av selvklebende borrelåsbånd vil bli fjernet og til slutt fjernes stroppene fra eksoskjelettet. Alle de vedlagte sensorene blir deretter renset basert på produsentens anvisninger og lagret for neste eksperiment.
15. Det vil bli utført maksimalt 5 testøkter over en 8-ukers periode. Hver testøkt vil ikke vare lenger enn 4 timer, hvorav total varighet fra første fysiske aktivitet til løsrivelse ikke vil overstige 3 timer inkludert tilstrekkelige pauser.