Métodos de modelagem, otimização e controle para um exoesqueleto híbrido personalizado

As atividades de pesquisa envolvem o uso de estimulação elétrica funcional controlada por computador (FES) e órtese acionada por motor elétrico (exoesqueleto motorizado) para gerar movimentos funcionais dos membros inferiores para; ou seja, em pé e andando. Os algoritmos controlados por computador receberão feedback de sensores como codificadores ópticos, células de carga, resistores sensíveis à força e unidades de medição inercial que são ou serão incorporados na órtese ou esses algoritmos de feedback serão combinados com algoritmos otimizados pré-computados com base na estimativa modelo musculoesquelético de um participante. Vários algoritmos de computador serão projetados para coordenar o FES com motores elétricos e outros componentes do dispositivo de caminhada para reproduzir ou restaurar os movimentos de pé e de caminhada. O estudo envolve a validação de algoritmos de computador para estimar e controlar os movimentos de andar e sentar/levantar. O andador motorizado Rifton E-Pacer, muletas de braço, barras paralelas ou um andador convencional podem ser usados ​​para auxiliar na colocação e retirada do sistema de exoesqueleto, em pé e na caminhada para todos os sujeitos, a qualquer momento durante a experimentação, pelo tempo conforme for considerado necessário pelos objetivos experimentais. Usar o E-Pacer ou um andador deve melhorar a segurança do experimento e reduzir o esforço físico geral do sujeito porque reduz a carga no corpo do sujeito. Os movimentos de sentar/levantar e/ou andar serão provocados pela plataforma de caminhada híbrida que combina um exoesqueleto motorizado e um sistema FES. O exoesqueleto motorizado pode fornecer atuação conjunta nas articulações do quadril e do joelho de um participante. O sistema FES pode estimular os músculos quadríceps, isquiotibiais, glúteos e tornozelos. Os eletrodos para estimulação são colocados na pele em locais que proporcionam um movimento ideal dos membros. Os algoritmos são projetados de forma que a estimulação de diferentes músculos seja coordenada para conseguir andar e/ou sentar/levantar. Um experimento precedente será realizado em um participante do Grupo B antes de ser testado no Grupo A. Ao contrário dos participantes paraplégicos (Grupo A), se o dispositivo falhar ou agir inesperadamente, as pessoas sem deficiência (Grupo B) poderão intervir. Portanto, testar primeiro o dispositivo em pessoas sem deficiência nos permitirá avaliar e abordar quaisquer riscos antes de testar em indivíduos com SCI, que são incapazes de intervir com o dispositivo. Todas as sessões para os participantes do Grupo A serão realizadas sob a supervisão de um fisioterapeuta. O terapeuta também ajudará os participantes do Grupo A a transferi-los de suas cadeiras de rodas para uma mesa acolchoada para sentar, se necessário, ou para o exoesqueleto. O participante do Grupo A também será apoiado por um sistema de despesagem corporal para evitar quedas durante a postura em pé e a caminhada. Antes de cada experimento envolvendo estimulação elétrica, a frequência cardíaca e a pressão arterial de um participante serão registradas. Os terapeutas também ajudarão os participantes a transferi-los de suas cadeiras de rodas para a mesa de terapia. Um participante ou um indivíduo operando o dispositivo iniciará o movimento de caminhar e/ou ficar de pé. Um participante pode interromper os movimentos se não se sentir confortável ou inseguro usando um botão de parada de segurança, que será dado a ele. Durante essas sessões, os participantes usarão um monitor de frequência cardíaca para garantir que não se esforcem demais e para que tenham períodos de descanso suficientes. A frequência cardíaca dos participantes será verificada antes e depois de cada tentativa por um indivíduo que conduz os experimentos. A escala de Borg será aplicada para o Grupo A para verificar seu nível de esforço. As sessões serão interrompidas de acordo com os limites prescritos pela escala de Borg (consulte os critérios de parada na seção de riscos). Observe que, para todos os experimentos descritos, é necessário um mínimo de 1 a 2 dias entre as visitas para experimentação. Essas atividades são divididas em Objetivo 1 e Objetivo 2. Observe que os Objetivos 1-2 não são sequenciais. Objetivo 1: Produzir movimentos de sentar/levantar e caminhar usando um exoesqueleto motorizado otimizado e assistência de estimulação elétrica funcional (FES). O objetivo deste objetivo é validar experimentalmente um controlador ótimo que aloca a contribuição do FES e do exoesqueleto com base em um modelo específico de pessoa de um participante. O controlador produzirá movimentos dos membros inferiores em pessoas sem deficiência e pessoas com lesões na medula espinhal. O Grupo A e o Grupo B participarão de aproximadamente 20 sessões. O número de sessões é aproximado e pode exceder esse número e não há limite de número de sessões que impeça a participação futura. A duração da sessão será de até 4 horas, no máximo. As durações das sessões são aproximadas e podem ser maiores ou menores do que o especificado. O número total de sessões pode ultrapassar algumas sessões para alguns participantes devido a dados experimentais técnicos ou errôneos imprevistos. Esses experimentos serão conduzidos no Laboratório de Controle Neuromuscular e Robótica (NCRL) ou na Clínica de Reabilitação Ambulatorial em Chapel-Hill dirigida pelo investigador principal. Esses experimentos são divididos em 2 tarefas. Tarefa 1: Visitas iniciais para familiarização, treinamento e identificação do modelo. Visitas de familiarização e treinamento nos permitirão personalizar e otimizar o exoesqueleto caminhante híbrido para cada indivíduo participante. Para esta tarefa, os participantes visitarão o NCRL por aproximadamente 3 sessões. Essas sessões não levarão mais de 4 horas. As durações das sessões são aproximadas e podem ser maiores ou menores do que o especificado. O número total de sessões pode ultrapassar algumas sessões para alguns participantes devido a dados experimentais técnicos ou errôneos imprevistos. Na primeira visita serão feitos ajustes no aparelho híbrido para adequar o aparelho ao participante. Nessas visitas, os objetivos são treiná-los para transferências sentar-levantar e realizar movimentos de caminhada com o dispositivo de caminhada híbrido. Algoritmos controlados por computador serão usados ​​para realizar movimentos de sentar para levantar, levantar para sentar e caminhar. Experimentos de identificação de modelo para encontrar parâmetros de modelo para cada indivíduo podem ser executados durante o treinamento inicial e estudos de familiarização. Esses experimentos de identificação de modelo podem ser conduzidos enquanto um participante senta/fica em pé ou anda no dispositivo de caminhada híbrido. Uma vez que os parâmetros específicos do assunto são identificados, um algoritmo de andar e/ou ficar em pé que coordena o FES com o exoesqueleto motorizado será derivado ou otimizado usando otimizações dinâmicas offline. Tarefa 2: Validação de um algoritmo de sentar/levantar e/ou andar. Após as visitas iniciais (Tarefa 1), o algoritmo de andar e/ou ficar em pé será testado. O algoritmo é um programa de computador que obtém informações sensoriais de diferentes sensores, como codificadores ópticos, unidades de medição inercial e sensores de contato do calcanhar embutidos no sistema de caminhada híbrido para coordenar de maneira ideal o FES e os motores elétricos do exoesqueleto motorizado. O algoritmo será validado experimentalmente em cada participante em aproximadamente 7 sessões. Cada sessão durará no máximo 4 horas, o que inclui tempo para ficar em pé, caminhar, períodos de descanso, tempo necessário para ajustar a órtese e tempo necessário para atualizar o código do computador, se necessário. Observe que o número de sessões e a duração são estimativas e estão sujeitas a alterações com base nas condições do experimento. Um sistema de captura de movimento também pode ser usado para medir os ângulos das articulações, de modo que as características da marcha espaço-temporal possam ser comparadas com a marcha normal de um indivíduo de controle saudável. Os dados de marcha registrados também serão usados ​​para avaliar o desempenho dos sistemas de controle do dispositivo e para mostrar como a marcha do usuário muda ao longo do tempo à medida que ele se torna mais confortável com o uso do dispositivo. Essas sessões podem ser gravadas para que a aplicação e a eficácia do dispositivo possam ser ilustradas. Objetivo 2: Integrar feedback baseado em ultrassom para controlar um exoesqueleto híbrido. Os objetivos deste objetivo são investigar se a ultrassonografia pode ser usada como uma ferramenta para medir a fadiga muscular induzida pela FES e ainda usar os sinais derivados do US para otimizar a FES e a assistência do exoesqueleto. O primeiro objetivo deste objetivo é desenvolver um modelo de fadiga baseado em ultrassom para indicar o início da fadiga muscular. O segundo objetivo é usar o modelo de fadiga baseado em ultrassom em um algoritmo que coordena o controle do FES e do motor elétrico durante as atividades de sentar para levantar, caminhar e levantar para sentar. Indivíduos do Grupo A e do Grupo B participarão desse objetivo. Eles participarão de aproximadamente 10 sessões de no máximo 4 horas cada. O número total de sessões pode ser maior ou menor que 10 devido a imprevistos técnicos ou dados experimentais errôneos ou se o participante abandonar o estudo. Esses experimentos serão conduzidos no NCRL ou na Clínica de Reabilitação Ambulatorial em Chapel-Hill. Tarefa 1: Desenvolvimento de uma imagem de ultrassom com base em medidas de fadiga e recuperação dos músculos da perna. Será seguido um protocolo de estimulação que produz fadiga muscular. A fadiga muscular é definida como algum declínio percentual no torque isométrico gerado pela FES do músculo quadríceps. Como o declínio no torque isométrico pode diferir em diferentes participantes, um protocolo de estimulação comum será empregado para todos os participantes. Isso será feito durante aproximadamente duas sessões, cada uma com duração não superior a 4 horas. As durações das sessões são aproximadas e podem ser maiores ou menores do que o especificado. O número total de sessões pode ultrapassar algumas sessões para alguns participantes devido a dados técnicos imprevistos ou experimentais errôneos. Tanto o ultrassom (usando a sonda de imagem colocada entre os eletrodos) quanto os dados de torque (do sensor de carga) serão coletados. Um transdutor de ultrassom comercial portátil (transdutor clínico de 5-20 MHz) conectado a um sistema de ultrassom comercial (S-Sharp Corporation, Taiwan) colocado contra a pele.Um gel quente é aplicado na pele para ajudar na geração de imagens. Todos os parâmetros de imagem de ultrassom, incluindo intensidade e taxas de quadros, etc., estão abaixo das diretrizes de segurança para imagens clínicas de ultrassom (valores de MI menores que 1,9). Após esses experimentos, os dados de ultrassom processados ​​serão correlacionados com o torque medido para determinar medidas de fadiga e recuperação. Tarefa 2: Incorporação do modelo de fadiga baseado em ultrassom em um algoritmo de alocação de controle. As medidas de fadiga e recuperação baseadas em imagens de ultrassom podem ser usadas para prever o início da fadiga muscular. Os estudos experimentais serão realizados em (Grupo A) e (Grupo B) em 2 sessões, cada uma com duração não superior a 4 horas. As durações das sessões são aproximadas e podem ser maiores ou menores do que o especificado. O número total de sessões pode ultrapassar algumas sessões para alguns participantes devido a dados técnicos imprevistos ou experimentais errôneos. Os algoritmos da Tarefa 2 do Objetivo 1 serão modificados para incorporar as medidas de fadiga e recuperação baseadas em ultrassom. Observação sobre os parâmetros de estimulação a serem usados ​​nos objetivos acima mencionados: Uma faixa normal de estimulação a ser usada em nossos estudos é: largura de pulso 100-400 microssegundos; Frequência: 20-100 Hz; Corrente 0-100 mA. Geralmente, durante o experimento, a corrente é modulada automaticamente (ou em alguns casos manualmente) começando de 0 mA até o valor necessário para realizar uma tarefa. Isso é obtido por sinais de feedback para o sistema de controle que se comunica com o estimulador. O sistema de controle não permite que a corrente ultrapasse seu limite máximo. A largura de pulso e a frequência são geralmente mantidas constantes. Os parâmetros de estimulação usados ​​para cada participante serão documentados para cada sessão experimental e quaisquer alterações nos parâmetros de estimulação durante uma sessão também serão registradas.