Oparte na obrazowaniu ultrasonograficznym wykrywanie zamiaru ruchu kostki u człowieka i strategie kontroli w celu wspomagania kostki

Do badania zostanie zrekrutowanych do 20 osób bez żadnych chorób nerwowo-mięśniowych i 5 osób z niecałkowitym uszkodzeniem rdzenia kręgowego (iSCI) lub poprzecznym zapaleniem rdzenia kręgowego w wieku 18-64 lata do eksperymentów. Działania badawcze obejmują średnio 8 sesji eksperymentalnych. Sesje mogą obejmować więcej lub mniej niż 8 sesji w zależności od dostępności podmiotu, wystarczających danych do analizy lub potrzeby uzyskania większej ilości danych do analizy. Pierwszym celem jest zbadanie pomiarów ultrasonograficznych ruchów mięśni i aktywności elektrycznej mięśni (sEMG) w celu przewidywania dobrowolnego ruchu lub momentu obrotowego wytwarzanego w stawie skokowym człowieka. Na podstawie dobrowolnego ruchu lub momentu obrotowego zostanie wykorzystana funkcjonalna stymulacja elektryczna (FES) do sztucznej stymulacji mięśni kostek lub zostanie użyty napędzany egzoszkielet kostki, aby zapewnić dodatkową pomoc w stawie skokowym. Elektrody FES zostaną umieszczone w odpowiednich miejscach na powierzchni skóry kończyny dolnej tak, aby uzyskać najbardziej optymalny ruch.

Zadanie typu 1: Dobrowolne zadania w pozycji siedzącej bez iz pomocą zewnętrzną.

Sesja 1: Dowolny ruch kostką w górę i kostką w dół bez FES. Para czujników sEMG zostanie umieszczona na przednich i tylnych mięśniach dolnej części nogi uczestnika za pomocą dwustronnych taśm. Para przetworników obrazujących USG zostanie przymocowana do tych samych przednich i tylnych mięśni dolnej części nogi, aby obrazować aktywność mięśni podczas ruchu stawu skokowego w górę iw dół. Do podudzia i stopy zostanie przymocowana para czujników ruchu, które będą mierzyć położenie kątowe i prędkość stawu skokowego. Czujnik siły zostanie umieszczony między podeszwą stopy a sztywną płaską platformą, aby mierzyć siłę interakcji podczas ruchu kostki w górę i kostki w dół. Pomiary obrazowania USG, sygnały elektryczne z czujników sEMG, siła nacisku z czujnika siły oraz pomiary z czujnika ruchu i kamery będą zbierane jednocześnie. Dane mogą być zbierane z jednej lub obu nóg uczestnika.

Sesja 2: Dowolny ruch kostką do wewnątrz i na zewnątrz bez FES. Podczas sesji 2 uczestnik wykona ruchy kostki z boku na bok. Podobna procedura treningowa, jak w sesji 1, zostanie przepisana przed właściwymi eksperymentami. Wiele pomiarów z czujników (takich samych jak w sesji 1) przymocowanych do nogi i stopy uczestnika zostanie uzyskanych podczas ruchu kostki z boku na bok. Zarówno w sesji 1, jak i sesji 2, dla każdego kierunku ruchu (w górę, w dół, do wewnątrz i na zewnątrz) zostanie uruchomionych 10 powtórzonych prób, a każda próba będzie trwała 10 minut, w tym trening, gromadzenie danych, zapisywanie danych i okres odpoczynku aby uniknąć zmęczenia mięśni. Każda sesja może trwać około 4 godzin.

Sesja 3: Wspomaganie ruchu kostki w górę iw dół za pomocą FES. W tej sesji zostanie zastosowana konfiguracja podobna do wspomnianej w sesji 1. Dodatkowo, FES będzie używany do kontrolowania ruchu kostki w górę lub w dół, poprzez przyjmowanie pomiarów opartych na obrazowaniu US jako informacji zwrotnej. W systemie FES, dla ruchu kostki w górę, elektroda ujemna zostanie umieszczona nad brzuscem mięśnia przedniego, podczas gdy elektroda dodatnia zostanie umieszczona dalej w dół podudzia. Do ruchu kostką w dół zostaną użyte dwie duże elektrody, aby umożliwić aktywację całych mięśni pleców. Elektrody te zostaną podłączone do stymulatora elektrycznego, który jest sterowany za pomocą oprogramowania komputerowego. Zarówno w przypadku ruchu kostką w górę, jak i kostką w dół, używany będzie przebieg niskiego prądu z szerokością impulsu 100-400 mikrosekund i częstotliwością 20-40 Hz. Zakres prądu będzie się mieścił w zakresie 0-60 mA. We wszystkich przypadkach zdefiniowany czas trwania impulsu nie przekroczy górnej granicy 400 mikrosekund. Parametry stymulacji stosowane dla uczestnika będą dokumentowane dla każdej sesji eksperymentalnej, a wszelkie zmiany parametrów stymulacji podczas sesji również będą rejestrowane.

Sesja 4: Wspomagający ruch kostki w kierunku do wewnątrz i na zewnątrz za pomocą systemu FES. Podobna konfiguracja, jak wspomniano w sesji 2, zostanie zastosowana w tej sesji. FES będzie używany do sztucznej stymulacji mięśni i kontrolowania ruchu kostki w kierunku do wewnątrz lub na zewnątrz, wykorzystując pomiary oparte na obrazowaniu USG jako informację zwrotną. Zarówno w przypadku ruchu kostką w kierunku do wewnątrz, jak i na zewnątrz, zastosowane zostaną te same parametry FES i metoda modulacji, jak opisano w sesji 3. Podczas procedur eksperymentalnych jednocześnie będą zbierane pomiary oparte na obrazowaniu USG oraz pomiary ruchu i kamery. Dane mogą być zbierane z jednej lub obu nóg uczestników. Zarówno w sesji 3, jak i sesji 4, dla każdego kierunku ruchu (w górę, w dół, do wewnątrz i na zewnątrz) zostanie uruchomionych 10 powtórzonych prób, a każda próba będzie trwała 10 minut, w tym szkolenie, gromadzenie danych, zapisywanie danych i okres odpoczynku aby uniknąć zmęczenia mięśni. Każda sesja może trwać około 4 godzin. Uczestnik może zostać poproszony o powrót, jeśli dane uzyskane podczas sesji nie okażą się satysfakcjonujące podczas analizy. Kolejna wizyta zostanie przeprowadzona w dogodnym dla uczestnika terminie i po minimum 24 godzinach dla sesji 1 i 2 oraz po 72 godzinach dla sesji 3 i 4.

Typ zadania 2: Dowolne zadania dynamicznego marszu na bieżni bez iz pomocą zewnętrzną Sesja 5: Zadanie dynamicznego marszu bez FES lub egzoszkieletu kostki. Podobnie jak w przypadku sesji 1 i sesji 3 w zadaniu typu 1, czujniki sEMG i przetworniki obrazowania ultrasonograficznego zostaną przymocowane w tych samych miejscach na przednim i tylnym trzonku, o których mowa wcześniej. Wiele odblaskowych znaczników zostanie przymocowanych do kończyn dolnych obiektu w celu pomiaru danych kinematycznych w oparciu o system przechwytywania ruchu. Podczas sesji 5 uczestnik zostanie poproszony o stanie nieruchomo przez 30 sekund na bieżni z dwoma dzielonymi pasami. Czujniki siły znajdujące się pod każdym pasem będą wykorzystywane do pomiaru siły reakcji podłoża między pasem a podeszwami stóp uczestnika, jednocześnie podczas statycznej pozycji stojącej zbierane będą sygnały sEMG i obrazowanie ultrasonograficzne mięśni podudzi . Następnie uczestnik zostanie poproszony o chodzenie po bieżni z prędkością 0,5, 0,75, 1,0, 1,25 i 1,5 m/s. Dla każdej prędkości pierwsze 5 minut marszu będzie stanowić rozgrzewkę dla uczestnika, aby przyzwyczaił się do wzorca chodzenia z urządzeniem do noszenia. Po rozgrzewce, przez kolejne 2 minuty dla każdej prędkości chodu, synchronicznie i jednocześnie rejestrowana będzie siła reakcji podłoża, sygnały sEMG i obrazowanie ultrasonograficzne mięśni podudzia oraz współrzędne znaczników odblaskowych.

Sesja 6: Zadanie dynamicznego marszu z FES lub egzoszkieletem kostki, ale bez wspomagania. Oprócz konfiguracji opisanej w sesji 1, elektrody FES zostaną umieszczone na mięśniu przedniego podudzia, a egzoszkielet kostki zostanie umieszczony na tylnym podudziu. Uwzględniony zostanie również ten sam zbiór danych, o którym mowa w sesji 5. Podczas tej sesji nie będzie stymulacji mięśni szkieletowych uczestnika ani zasilania silnika egzoszkieletu kostki.

Sesja 7: Dynamiczne zadanie marszu z FES lub egzoszkieletem kostki oparte na starym podejściu kontrolnym. Konfiguracja eksperymentalna i procedury będą takie same, jak wspomniano w sesji 2. Podczas dynamicznego zadania chodu zasilany FES i egzoszkielet kostki będą wykorzystywane do wspomagania ruchów palców u stóp w górę i w dół zgodnie z intencjami ruchu człowieka w oparciu o przeważnie stosowane podejście kontrolne w innych publikacjach. Podczas każdego z 2 minut zbierania danych sygnały sEMG będą zbierane i przetwarzane w czasie rzeczywistym w celu kontrolowania systemu FES lub egzoszkieletu kostki. Ponadto sekwencja czasowa obrazowania ultrasonograficznego mięśni przedniego i tylnego podudzia, współrzędne odblaskowych znaczników, siła reakcji podłoża, amplituda prądu FES lub szerokość impulsu oraz moment obrotowy silnika egzoszkieletu będą gromadzone synchronicznie i jednocześnie.

Sesja 8: Zadanie dynamicznego chodu z FES lub egzoszkieletem stawu skokowego w oparciu o kontrolę wspomaganą w razie potrzeby za pomocą połączenia obrazowania ultrasonograficznego i sEMG. Układ eksperymentalny i procedury pozostaną takie same, jak wspomniano w sesji 7. Jedyna różnica polega na tym, że stare podejście kontrolne zostanie zastąpione nowo zaproponowanym podejściem kontrolnym wspomaganym w razie potrzeby poprzez połączenie obrazowania ultrasonograficznego i sygnałów sEMG. Gromadzenie danych pozostanie takie samo jak w sesji 7. Wśród sesji 5-8 w sekcji 2 po 7 minutach marszu z każdą prędkością przewidziana jest 10 minutowa przerwa. Każda sesja może trwać do 4 godzin, w tym kalibracja systemu motion capture i konfiguracja urządzeń około 45 minut, a eksperymenty marszowe na bieżni około 3 godzin. Uczestnik może zostać poproszony o powrót, jeśli dane uzyskane podczas sesji nie okażą się satysfakcjonujące podczas analizy. Kolejna wizyta odbędzie się w dogodnym dla uczestnika terminie i nie później niż po 72 godzinach. Ponadto, ze względów bezpieczeństwa, w sesjach 3, 4, 7 i 8 zostanie dodany przycisk zatrzymania bezpieczeństwa, dzięki któremu uczestnik będzie mógł przerwać eksperyment, gdy tylko uczestnik zechce przerwać eksperyment lub poczuje się nieswojo podczas eksperymentu .

Dla uczestników z iSCI lub poprzecznym zapaleniem rdzenia: Zanim uczestnik będzie gotowy do udziału w tym badaniu, zostanie poproszony o wypełnienie kilku kwestionariuszy, które zbiorą informacje demograficzne i historię medyczną. Uczestnik weźmie również udział w badaniu fizykalnym. Badanie fizykalne przeprowadzi dr Christine Cleveland, lekarz z ambulatoryjnej kliniki rehabilitacyjnej w Chapel Hill. Badanie fizykalne i wypełnienie formularzy historii medycznej zajmie 60 minut. Badanie fizykalne będzie polegało na badaniu czuciowym (w którym uczestnik zostanie poproszony o zamknięcie oczu i zdać relację, czy odczuwa lekkie odczucie dotyku, takie jak wacik i czy jest w stanie rozróżnić ostre i tępe czucia) oraz egzamin motoryczny (gdzie badacze zbadają zdolność uczestnika do poruszania rękami i nogami). Badacze zmierzą również tętno i ciśnienie krwi uczestnika. W przypadku ciąży uczestniczka straci prawo do udziału w badaniu i będzie musiała przerwać badanie. Badacze przeprowadzą badanie przesiewowe w celu sprawdzenia wrażliwości lub odpowiedzi na FES. Celem tego testu jest umożliwienie uczestnikowi doświadczenia FES i na podstawie doświadczenia podjęcie decyzji, czy stymulacja jest znośna i uczestnik chce wziąć udział w badaniu. Testowy pociąg stymulacyjny zostanie zastosowany do mięśnia kończyny dolnej uczestnika. Uczestnik może w każdej chwili przerwać ten test i odmówić dalszego udziału. Jeśli uczestnik zareaguje na FES bez odczuwania bólu i zechce wziąć udział w tym badaniu, przed rozpoczęciem właściwego badania badacze skontaktują się z lekarzem uczestnika w celu uzyskania zgody medycznej i weryfikacji stopnia obrażeń uczestnika. Przed wzięciem udziału w badaniu uczestnik będzie zobowiązany do uzyskania podpisanego formularza zwolnienia lekarskiego od swojego lekarza. Po otrzymaniu zgody lekarza na udział w tym badaniu i jeśli uczestnik się kwalifikuje (prosimy poprosić Nitin Sharma lub członka zespołu badawczego o przekazanie uczestnikowi listy kontrolnej uprawnień do grupy S) i zdecyduje się wziąć udział w tym badaniu, uczestnik będzie zostać poproszony o przybycie do pracowni PI oraz pracowni chodu BME w celu wypełnienia formularza zgody podczas pierwszej wizyty.