Стимуляция в сочетании с электромеханическими ортезами для ходьбы после инсульта

Это исследование включает в себя разработку контроллера и технико-экономическое обоснование гибридной нейромышечной системы помощи при ходьбе (NMGA) для улучшения ходьбы после инсульта. Исследование состоит из базового тестирования, установки устройства на участников, настройки вспомогательных параметров для улучшения ходьбы, сбора данных о движении с устройством и без него, изменения конструкции контроллера для оптимизации ходьбы, переходов из положения сидя в положение стоя и подъема по лестнице, тренировки походки, и оценка способности к движению с помощью устройства и без него. Во время каждого сеанса будет контролироваться частота сердечных сокращений и артериальное давление.

Описание устройства NMGA состоит из моторизованного коленного бандажа и поверхностной электрической стимуляции мышц бедра, колена и лодыжки. Устройство носится на пораженной стороне тела с ортопедическим интерфейсом, прикрепляющим его к ноге. Цель сочетания электрического колена со стимуляцией состоит в том, чтобы улучшить движение ног и координацию для более безопасной ходьбы с меньшими усилиями пользователя. Экзоскелетное колено с электроприводом обеспечивает достаточный зазор между пальцами ног во время фазы переноса при ходьбе за счет сгибания колена, а затем предотвращает искривление колена во время фазы опоры при ходьбе, сохраняя разгибание для поддержки. Стимуляция поверхностных мышц помогает при волевых усилиях пользователя. Стимуляция тыльных сгибателей голеностопного сустава способствует расправлению носка во время замаха, а стимуляция четырехглавой мышцы помогает при стойке. Стимуляция икроножной и прямой мышц бедра помогает при отталкивании и раскачивании для повышения скорости ходьбы.

Это исследование сосредоточено на разработке и тестировании методов управления, которые объединяют помощь стимуляции и механического колена с волевой активностью таким образом, чтобы максимизировать вклад собственных мышц пользователя. Установленные на ортезе датчики измеряют движения, углы суставов, силы взаимодействия и контакт стопы с полом, чтобы определить текущую фазу походки и необходимую помощь. Детектор событий походки (GED) определяет фазу походки и соответствующее состояние управления на основе данных датчика, а затем Контроллер конечных состояний (FSC) оптимизирует стимуляцию и двигательную помощь в координации с волевыми усилиями. Конструкция контроллера включает в себя упреждающее управление стимуляцией, при этом стимуляция запускается при обнаружении различных событий походки. Управление с обратной связью применяется для помощи двигателю только по мере необходимости. В этом исследовании будут оцениваться различные алгоритмы для определения различных фаз походки. Уточнение контроллера — это итеративный процесс тестирования различных алгоритмов, настройки параметров обнаружения и настройки параметров помощи.

В дополнение к обнаружению фаз походки во время ходьбы, в этом исследовании также будут разработаны алгоритмы для определения намерений пользователя при переходе от одной задачи к другой. Помимо ходьбы по земле, мобильность включает в себя переходы между сидением и стоянием, а также подъем по лестнице. В зависимости от устойчивости командного сигнала эти переходы могут быть достигнуты с помощью отдельных входов (например, приложения для смартфона или кнопок на ортезе), чтобы сообщить устройству, когда следует изменить состояния задачи, или могут быть обнаружены на основе движений пользователя. В рамках этого исследования исследователи протестируют различные подходы, чтобы определить наиболее безопасный и эффективный вариант и предпочтения пользователей.

Далее описывается участие в этом процессе разработки.

Скрининг После подписания формы информированного согласия субъект пройдет скрининг, чтобы определить, имеет ли он право участвовать в исследовании на основании критериев включения/исключения. Во время скрининга исследователи также будут собирать информацию о демографических характеристиках инсульта (например, дата инсульта, тип инсульта, локализация поражения, сторона нарушения), лекарства, а также размер ноги и стопы, чтобы гарантировать, что у исследователей есть ортопедические компоненты соответствующего размера во время последующих сеансов.

Базовое тестирование После выполнения всех критериев включения/исключения и согласия на участие первоначальное тестирование определит уровень нарушений и способность участников ходить до разработки контроллера и обучения работе с устройством. Тесты на ходьбу будут проводиться в лаборатории, коридорах больницы и в окрестностях больницы. Результаты будут измерять нарушения в ногах, способность ходить, а также восприятие участниками устройства и его влияние на ходьбу.

Примерка и настройка NMGA Исследовательская группа будет работать с участником, чтобы подобрать устройство и определить подходящие схемы стимуляции для помощи при ходьбе. Примерка включает в себя выбор ортопедических компонентов, которые хорошо сидят на ноге пользователя и обеспечивают комфорт при ходьбе. Шаблоны стимуляции будут созданы для каждого человека. Электроды будут нацелены на движение бедра, колена и лодыжки на пораженной стороне. Во время настройки стимуляции исследователи будут регулировать расположение поверхностных электродов стимуляции, а также время и интенсивность стимула во время цикла ходьбы. Ожидается, что ортопедическая примерка и создание схемы стимуляции займет около двух сеансов. Оценки могут быть повторены с помощью поверхностной стимуляции.

Разработка контроллера В течение нескольких сессий участник будет выполнять задачи мобильности (т.е. ходьба, подъем по лестнице и переходы из положения сидя в положение стоя) во время ходьбы с помощью NMGA и записи данных для характеристики ходьбы (данные количественного анализа движения и данные датчика, установленного на ортезе). Эти данные будут использоваться для создания и оптимизации контроллера для оценки фаз походки (например, начальный контакт, предварительный замах, средний замах) на основе датчиков, установленных на экзоскелете, для координации помощи NMGA с возможностью ходьбы. Участники будут выполнять задачи, в то время как различные алгоритмы контролируют переходы между задачами (например, от ходьбы до подъема по лестнице) и помощь при выполнении задания. Параметры контроллера будут скорректированы во время этого процесса, чтобы оптимизировать помощь и определить, какие переходы задач датчики успешно обнаруживают, а какие переходы должны контролироваться отдельным вводом пользователя. Для предотвращения падений во время разработки контроллера будет предоставлена ​​помощь контактного охранника. В ходе этого процесса участники будут опрошены в формате открытой дискуссии, чтобы получить отзывы о тех аспектах устройства, которые можно было бы улучшить. Для разработки контроллера будет использовано до 16 сессий.

Обучение ходьбе После определения алгоритма управления будет шесть сеансов обучения использованию устройства для ходьбы, подъема по лестнице и переходов из положения сидя в положение стоя. Обучение ходьбе будет проводиться физиотерапевтом в лаборатории ходьбы, в коридорах больницы и на прилегающих открытых площадках. Физиотерапевт будет оказывать дежурную помощь, контролировать жизненные показатели субъектов, записывать их прогресс и запрашивать отзывы об использовании NMGA. Обучение будет сосредоточено на увеличении скорости ходьбы при сохранении безопасности, в частности, зазора между пальцами ног при повороте, стабильности в стойке и ситуационной осведомленности об окружающей среде. Участники оставят отзыв о том, когда во время процесса они чувствуют себя комфортно, надев, снимая и используя устройство без помощи исследовательского персонала. Физиотерапевт исследования также предоставит информацию о том, когда участники смогут использовать систему самостоятельно.

Оценка после тренировки После тренировки с NMGA ранее описанные оценки (см. Базовое тестирование) будут повторяться как с устройством, так и без него, чтобы проверить гипотезу о том, что ходьба с NMGA по сравнению с ходьбой без него повышает скорость ходьбы, выносливость, потребление метаболизма и симметричность походки. В дополнение к базовым тестам участники пройдут опрос пользователей Quebec User Evaluation of Satisfaction with Assistive Technology (QUEST) для оценки удовлетворенности пользователей устройством. Кроме того, каждый участник заполнит рабочий лист, указав приоритеты различных требований к дизайну (например, размер, вес, удобство использования). Для окончательного тестирования будет использовано до шести сеансов.