Desenvolvimento de um Controlador em Tempo Real para Estimar o Desempenho da Marcha Utilizando um Exoesqueleto Bilateral do Tornozelo

Experimental: Estudo de Braço Único de um Controlador Personalizado de Exoesqueleto Robótico do Tornozelo

Este braço emprega um desenho intra-sujeito com dois métodos de estimativa do custo metabólico versus a medida padrão-ouro do custo metabólico, no qual um único participante é submetido a duas medições distintas. Este desenho permite uma comparação direta dos efeitos de cada método (isto é, estimativa versus padrão-ouro) dentro do mesmo indivíduo, minimizando a variabilidade intersujeito e aumentando o poder estatístico da análise.

Dispositivo: Sistema de Controlo de Binário Adaptativo para Exoesqueleto do Tornozelo

Esta intervenção utiliza um exoesqueleto robótico de tornozelo equipado com um controlador adaptativo em tempo real que ajusta o torque de flexão plantar com base na mecânica da marcha de cada participante. Ao contrário dos controladores padrão de exoesqueleto que utilizam níveis de assistência fixos ou pré-programados, este sistema emprega otimização com humano no ciclo para atualizar continuamente a magnitude e o momento do torque durante a marcha em passadeira. O controlador integra estimativas metabólicas, dados cinemáticos e modelação musculoesquelética para identificar padrões de assistência individualizados que reduzem o esforço da marcha e melhoram a eficiência da ativação muscular. Os participantes completam múltiplos ensaios de marcha enquanto o controlador modifica automaticamente a assistência para determinar as configurações personalizadas ótimas.

Operação em Tempo Real Bem-Sucedida do Controlador do Exoesqueleto Robótico do Tornozelo

A viabilidade do dispositivo será avaliada pelo funcionamento em tempo real bem-sucedido do exoesqueleto robótico do tornozelo e do controlador adaptativo durante a marcha na passadeira. A viabilidade é definida como a capacidade do controlador de gerar, atualizar e aplicar continuamente torque assistido em tempo real com base nos dados biomecânicos e fisiológicos recebidos, sem falhas do sistema, interrupções ou terminações relacionadas com a segurança. O funcionamento bem-sucedido será confirmado pela função contínua do controlador e pela aquisição de dados sincronizada ao longo dos ensaios de marcha.

Taxa Metabólica Líquida Durante a Marcha Assistida por Exoesqueleto Medida por Calorimetria Indireta

O consumo líquido de oxigénio (VO₂) e a produção de dióxido de carbono (VCO₂) serão medidos durante a caminhada em passadeira usando calorimetria indireta (Cosmed K5, Cosmed USA Inc., Chicago, IL). A taxa metabólica será calculada usando equações padrão durante condições de caminhada em estado estacionário. As medições serão recolhidas em intervalos regulares para caracterizar a demanda metabólica sob diferentes configurações de assistência do exoesqueleto.

Taxa Metabólica Estimada Derivada da Modelação Musculoesquelética do Espaço Articular

A taxa metabólica estimada será derivada de modelos musculoesqueléticos de espaço articular utilizando dados cinemáticos e cinéticos recolhidos durante a marcha em passadeira. As estimativas baseadas em modelo serão calculadas numa base passo-a-passo para fornecer uma estimativa indireta da demanda metabólica que pode ser comparada com medições diretas da calorimetria indireta.

Ativação Muscular Estimada dos Membros Inferiores Derivada da Modelação Musculoesquelética do Espaço Articular

Os padrões de ativação muscular dos membros inferiores serão estimados usando modelos musculoesqueléticos no espaço articular, baseados em dados de captura de movimento e forças de reação do solo recolhidos durante a marcha em passadeira. Os valores de ativação muscular estimados serão calculados de forma contínua, passo a passo, para caracterizar o envolvimento neuromuscular durante a marcha assistida por exoesqueleto.

Ativação Muscular dos Membros Inferiores Medida por Eletromiografia de Superfície Durante a Marcha

A ativação muscular dos membros inferiores (por exemplo, tibial anterior, gastrocnémio medial, gastrocnémio lateral, sóleo) será medida durante a marcha em tapete rolante através de eletromiografia de superfície (Delsys).
Os sinais EMG serão recolhidos continuamente e processados para quantificar os padrões de ativação muscular durante a marcha assistida por exoesqueleto.

Durante os ensaios de caminhada em passadeira realizados numa única visita ao estudo

A convergência dos parâmetros do controlador será avaliada durante os ensaios de otimização human-in-the-loop através da avaliação das alterações nos parâmetros de ganho e temporização do controlador ao longo de sucessivas sessões de marcha. A convergência é definida como a estabilização dos parâmetros do controlador dentro de um intervalo predefinido durante o processo de otimização.