Detecção baseada em imagens de ultrassom de intenção de movimento do tornozelo humano e estratégias de controle para assistência ao tornozelo

O estudo recrutará até 20 pessoas sem nenhuma doença neuromuscular e 5 pessoas com lesão incompleta da medula espinhal (iSCI) ou mielite transversa, com 18 a 64 anos de idade para experimentos. As atividades de pesquisa incluem uma média de 8 sessões experimentais. As sessões podem ter mais ou menos de 8 sessões dependendo da disponibilidade do sujeito, dados suficientes para análise ou necessidade de obter mais dados para a análise. O primeiro objetivo é investigar medições de ultrassom de movimentos musculares e atividade elétrica muscular (sEMG) para prever o movimento voluntário ou torque produzido na articulação do tornozelo humano. Com base no movimento ou torque voluntário, a estimulação elétrica funcional (FES) será usada para estimular artificialmente os músculos do tornozelo ou um exoesqueleto de tornozelo motorizado será usado para fornecer assistência adicional na articulação do tornozelo. Os eletrodos FES serão colocados em locais apropriados na superfície da pele do membro inferior, de modo que o movimento ideal seja obtido.

Tarefa Tipo 1: Tarefas voluntárias em estado sentado sem e com ajuda externa.

Sessão 1: Movimento voluntário de tornozelo para cima e tornozelo para baixo sem FES. Um par de sensores sEMG será colocado nos músculos dianteiros e traseiros da perna do participante por meio de fitas dupla face. Um par de transdutores de imagem dos EUA será anexado aos mesmos músculos dianteiros e traseiros da perna para visualizar as atividades do músculo durante o movimento para cima e para baixo da articulação do tornozelo. Um par de sensores de movimento será anexado à perna e ao pé para medir a posição angular e a velocidade da articulação do tornozelo. Um sensor de força será colocado entre a sola do pé e uma plataforma plana rígida para medir a força de interação durante o movimento do tornozelo para cima e para baixo. As medições de imagem dos EUA, os sinais elétricos dos sensores sEMG, a força de contato do sensor de força e as medições do sensor de movimento e da câmera serão coletadas simultaneamente. Os dados podem ser coletados de uma ou ambas as pernas de um participante.

Sessão 2: Movimento lateral do tornozelo voluntário para dentro e para fora sem FES. Durante a sessão 2, o participante realizará movimentos laterais do tornozelo. Um procedimento de treinamento semelhante, como na sessão 1, será prescrito antes dos experimentos reais. Várias medições dos sensores (iguais à sessão 1) anexados à perna e ao pé do participante serão obtidas durante o movimento lateral do tornozelo. Tanto na sessão 1 quanto na sessão 2, para cada direção de movimento (para cima, para baixo, para dentro e para fora), serão executadas 10 tentativas repetidas, e cada tentativa durará 10 minutos, incluindo treinamento, coleta de dados, salvamento de dados e período de descanso para evitar a fadiga muscular. Cada sessão pode durar aproximadamente até 4 horas.

Sessão 3: Movimento auxiliar do tornozelo para cima e para baixo com o FES. Uma configuração semelhante à mencionada na sessão 1 será aplicada nesta sessão. Além disso, o FES será usado para controlar o movimento do tornozelo para cima ou para baixo, tomando como feedback as medições baseadas em imagens dos EUA. No sistema FES, para o movimento do tornozelo para cima, o eletrodo negativo será colocado sobre o ventre muscular do músculo frontal, enquanto o eletrodo positivo será colocado mais abaixo na perna. Para o movimento do tornozelo para baixo, dois eletrodos grandes serão usados ​​para permitir a ativação de todos os músculos das costas. Esses eletrodos serão conectados a um estimulador elétrico, que é controlado via software de computador. Tanto para o movimento do tornozelo para cima quanto para o tornozelo para baixo, uma forma de onda de baixa corrente será usada com largura de pulso de 100-400 microssegundos e frequência de 20-40 Hz. A faixa de corrente estará entre 0-60 mA. Em todos os casos, a duração do pulso definida para uso não ultrapassará o limite superior de 400 microssegundos. Os parâmetros de estimulação usados ​​por um participante serão documentados para cada sessão experimental e quaisquer alterações nos parâmetros de estimulação durante uma sessão também serão registradas.

Sessão 4: Movimento auxiliar lateral do tornozelo para dentro e para fora com o sistema FES. Uma configuração semelhante à mencionada na sessão 2 será aplicada nesta sessão. O FES será usado para estimular artificialmente os músculos e controlar o movimento lateral do tornozelo para dentro ou para fora, tomando as medições baseadas em imagens dos EUA como feedback. Para ambos os movimentos laterais do tornozelo em direção às situações internas e externas, os mesmos parâmetros FES e método de modulação serão implementados conforme descrito na sessão 3. Durante os procedimentos do experimento, as medições baseadas em imagens de US e as medições de movimento e câmera serão coletadas simultaneamente. Os dados podem ser coletados de uma ou ambas as pernas dos participantes. Tanto na sessão 3 quanto na sessão 4, para cada direção de movimento (para cima, para baixo, para dentro e para fora), serão executadas 10 tentativas repetidas, e cada tentativa durará 10 minutos, incluindo treinamento, coleta de dados, salvamento de dados e período de descanso para evitar a fadiga muscular. Cada sessão pode durar aproximadamente até 4 horas. O participante pode ser solicitado a voltar se os dados obtidos durante uma sessão não forem considerados satisfatórios durante a análise. A próxima visita será realizada de acordo com a conveniência do participante e pelo menos após 24 horas para a sessão 1 e 2, bem como 72 horas para a sessão 3 e 4.

Tarefa Tipo 2: Tarefas de caminhada dinâmica voluntária em esteira sem e com auxílio externo Sessão 5: Tarefa de caminhada dinâmica sem FES ou exoesqueleto de tornozelo. Semelhante à sessão 1 e à sessão 3 na Tarefa Tipo 1, os sensores sEMG e os transdutores de imagem de ultrassom serão conectados às mesmas posições na haste frontal e traseira mencionadas anteriormente. Múltiplos marcadores reflexivos serão anexados aos membros inferiores do sujeito para medir os dados cinemáticos com base em um sistema de captura de movimento. Durante a sessão 5, o participante será solicitado a ficar parado por 30 segundos na esteira com duas faixas divididas. Os sensores de força abaixo de cada cinto serão usados ​​para medir a força de reação do solo entre o cinto e as solas dos pés do participante e, ao mesmo tempo, os sinais sEMG e imagens de ultrassom dos músculos da perna também serão coletados durante a postura estática em pé. . Em seguida, o participante será solicitado a caminhar na esteira com 0,5, 0,75, 1,0, 1,25 e 1,5 m/s. Para cada velocidade, os primeiros 5 minutos de caminhada serão dados como aquecimento para o participante se acostumar com o padrão de caminhada com o wearable. Após o aquecimento, nos 2 minutos seguintes para cada velocidade de caminhada, a força de reação do solo, os sinais sEMG e a imagem de ultrassom dos músculos da perna e as coordenadas dos marcadores reflexivos serão registrados de forma síncrona e simultânea.

Sessão 6: Tarefa de caminhada dinâmica com FES ou exoesqueleto de tornozelo, mas sem assistência motorizada. Além da configuração descrita na sessão 1, os eletrodos FES serão colocados no músculo anterior da perna e o exoesqueleto do tornozelo será colocado na parte posterior da perna. A mesma coleta de dados mencionada na sessão 5 também será incluída. Nesta sessão, não haverá estimulação na musculatura esquelética do participante e nem potência para o motor do exoesqueleto do tornozelo.

Sessão 7: Tarefa de caminhada dinâmica com FES ou exoesqueleto de tornozelo com base em uma abordagem de controle antigo. A configuração experimental e os procedimentos serão mantidos os mesmos mencionados na sessão 2. Durante a tarefa dinâmica de caminhada, o FES motorizado e o exoesqueleto do tornozelo serão usados ​​para fornecer assistência para os movimentos dos pés para cima e para baixo de acordo com a intenção do movimento humano com base em uma abordagem de controle aplicada em outras publicações. Ao longo de cada um dos 2 minutos de duração da coleta de dados, os sinais sEMG serão coletados e processados ​​em tempo real para controlar o FES ou o sistema de exoesqueleto do tornozelo. Além disso, a sequência temporal da imagem de ultrassom dos músculos da perna dianteira e traseira, as coordenadas dos marcadores reflexivos, a força de reação do solo, a amplitude da corrente FES ou a largura do pulso e o torque do motor do exoesqueleto serão coletados de forma síncrona e simultânea.

Sessão 8: Tarefa de caminhada dinâmica com FES ou exoesqueleto de tornozelo com base na abordagem de controle de assistência conforme necessário por combinação de imagens de ultrassom e sEMG. A configuração e os procedimentos experimentais serão mantidos iguais aos mencionados na sessão 7. A única diferença é que a abordagem de controle antiga será substituída pela abordagem de controle de assistência conforme a necessidade recentemente proposta, combinando imagens de ultrassom e sinais sEMG. A coleta de dados permanecerá a mesma da sessão 7. Entre as sessões 5-8 na seção 2, após 7 minutos de caminhada em cada velocidade, será fornecido um período de descanso de 10 minutos. Cada sessão pode durar até 4 horas, incluindo a calibração do sistema de captura de movimento e configuração dos dispositivos em torno de 45 minutos, e experimentos de caminhada na esteira em torno de 3 horas. O participante pode ser solicitado a voltar se os dados obtidos durante uma sessão não forem considerados satisfatórios durante a análise. A próxima visita será realizada de acordo com a conveniência do participante e pelo menos após 72 horas. Além disso, por questões de segurança, para as sessões 3, 4, 7 e 8, será adicionado um botão de parada de segurança para o participante interromper o experimento sempre que desejar interromper os experimentos ou se sentir desconfortável durante o experimento .

Para participantes com iSCI ou mielite transversa: Antes que o participante esteja pronto para participar deste estudo, os participantes serão solicitados a preencher alguns questionários que coletarão informações demográficas e seu histórico médico. O participante também participará de um exame físico. O exame físico será concluído pela Dra. Christine Cleveland, médica da clínica de reabilitação ambulatorial em Chapel Hill. O exame físico e o preenchimento dos formulários de histórico médico levarão 60 minutos. O exame físico consistirá em um exame sensorial (no qual será solicitado ao participante que feche os olhos e relate se o participante sente uma sensação de toque leve, como uma bola de algodão, e se é capaz de discriminar uma sensação aguda e opaca sensação) e um exame motor (onde os investigadores examinarão a capacidade do participante de mover seus braços e pernas). Os investigadores também medirão a frequência cardíaca e a pressão sanguínea do participante. Em caso de gravidez, a participante ficará inelegível para participar do estudo e terá que interromper o estudo. Os investigadores farão uma triagem para verificar a sensibilidade ou resposta ao FES. O objetivo deste teste é permitir que o participante experimente a FES e, com base na experiência, decidir se a estimulação é tolerável e se o participante está disposto a participar do estudo. Um trem de estimulação de teste será aplicado ao músculo do membro inferior do participante. O participante pode interromper este teste a qualquer momento e se recusar a participar mais. Se o participante responder à FES sem experiência de dor e desejar participar deste estudo, os investigadores entrarão em contato com o médico do participante para obter uma autorização médica e verificação do nível de lesão do participante, antes de iniciar o estudo real. O participante deverá obter um formulário de autorização médica assinado por seu médico antes de participar do estudo. Ao receber autorização do médico para participar deste estudo e se o participante for elegível (peça a Nitin Sharma ou ao membro da equipe de pesquisa para fornecer ao participante uma lista de verificação de elegibilidade para o Grupo S) e optar por participar deste estudo, o participante irá ser solicitado a comparecer ao laboratório do PI e ao laboratório de marcha BME para preencher o formulário de consentimento durante a primeira visita.