Utvikling av en sanntidskontroller for å estimere gangytelse ved bruk av et bilateralt ankelskjelett

Eksperimentell: Enarmsstudie av en personlig robotisert ankel-eksoskelettkontroller

Denne arm benytter en within-subject-design med to metoder for å estimere metabolsk kostnad sammenlignet med gullstandarden for metabolsk kostnad, der en enkelt deltaker blir utsatt for to distinkte målinger. Denne designen muliggjør en direkte sammenligning av effekten av hver metode (dvs. estimering versus gullstandard) innenfor samme individ, noe som minimerer variasjon mellom individer og forbedrer den statistiske styrken til analysen.

Enhet: Adaptiv dreiemomentkontrollsystem for ankelselett

Denne intervensjonen bruker en robotisk ankelfot-ekoskelett utstyrt med en sanntids adaptiv kontroller som justerer plantarflexjonsmoment basert på hver deltakers gangmekanikk. I motsetning til standard ekoskelett-kontrollere som bruker faste eller forhåndsprogrammerte assistansenivåer, bruker dette systemet human-in-the-loop-optimalisering for kontinuerlig å oppdatere momentstørrelse og timing under tredemøllegang. Kontrolleren integrerer metaboliske estimater, kinematiske data og muskelskjelettmodellering for å identifisere individualiserte assistansemønstre som reduserer ganginnsats og forbedrer muskelaktiverings effektivitet. Deltakere fullfører flere gangforsøk mens kontrolleren automatisk modifiserer assistanse for å bestemme de optimale personaliserte innstillingene.

Vellykket sanntidsdrift av den robotiske ankelfot-eksoskjelettkontrolleren

Gjennomførbarhet for enheten vil bli evaluert ved vellykket sanntidsdrift av det robotiserte ankelleddseksoskjelettet og den adaptive kontrolleren under gang på løpebane.
Gjennomførbarhet er definert som kontrollerens evne til kontinuerlig å generere, oppdatere og anvende assistivt dreiemoment i sanntid basert på innkommende biomekaniske og fysiologiske data uten systemfeil, avbrudd eller sikkerhetsrelatert avslutning.
Vellykket drift vil bli bekreftet ved kontinuerlig kontrollerfunksjon og synkronisert datainnsamling på tvers av gangforsøk.

Netto metabolsk rate under eksosklettassistert gange målt ved indirekte kalorimetri

Netto oksygenforbruk (VO₂) og karbondioksidproduksjon (VCO₂) vil bli målt under gang på tredemølle ved hjelp av indirekte kalorimetri (Cosmed K5, Cosmed USA Inc., Chicago, IL). Metabolsk rate vil bli beregnet ved hjelp av standard ligninger under stabil gangtilstand. Målinger vil bli samlet inn med jevne mellomrom for å karakterisere metabolsk etterspørsel under forskjellige eksoskjelettassistansekonfigurasjoner.

Estimert metabolsk rate avledet fra leddroms muskelskjelettmodellering

Estimert metabolsk hastighet vil bli avledet fra leddroms muskelskjelettmodeller ved bruk av kinematiske og kinetiske data som samles inn under gang på tredemølle. Modellbaserte estimater vil bli beregnet på et skritt-for-skritt-grunnlag for å gi et indirekte estimat av metabolsk etterspørsel som kan sammenlignes med direkte målinger fra indirekte kalorimetri.

Estimert muskelaktivering i nedre ekstremiteter avledet fra leddrom-muskelskjelettmodellering

Aktiveringsmønstrene i underkroppens muskler vil bli estimert ved bruk av leddroms muskel-skjelettmodeller basert på bevegelsesfangst og data om bakkereaksjonskrefter som er samlet inn under gang på tredemølle. Estimerte muskelnivåer vil bli beregnet på et skritt-for-skritt-grunnlag for å karakterisere nevromuskulær engasjement under eksoskelett-assistert gang.

Muskelaktivering i nedre ekstremitet målt ved overflate-elektromyografi under gange

Muskelaktivering i nedre ekstremitets muskler (f.eks. tibialis anterior, gastrocnemius medialis, gastrocnemius lateralis, soleus) vil bli målt under gang på løpebane ved hjelp av overflateelektromyografi (Delsys).
EMG-signaler vil bli samlet kontinuerlig og behandlet for å kvantifisere muskelaktiveringsmønstre under eksoskelett-assistert gang.

Under løpebandgangsforsøk utført på et enkelt studiebesøk

Styreparameterkonvergens vil bli vurdert under human-in-the-loop-optimaliseringstester ved å evaluere endringer i styringsforsterkning og tidsparametere på tvers av påfølgende gangeprøver. Konvergens er definert som stabilisering av styreparametere innenfor et forhåndsdefinert område under optimaliseringsprosessen.