Нейромышечный контроль экзоскелетов в реальном времени
4 октября 2023 г. обновлено: Jose Pons, Shirley Ryan AbilityLab
Целью данного исследования является разработка контроллера реального времени для экзоскелетов, использующего нейронную информацию, встроенную в мускулатуру человека. Этот контроллер будет состоять из онлайн-интерфейса, который прогнозирует движения человека на основе записей электромиографии высокой плотности (HD-EMG), а затем преобразует их в функциональную помощь. Это исследование будет проводиться как у здоровых участников, так и у участников, перенесших инсульт.
Исследователи разработают онлайн-алгоритм (декодер) в существующих в настоящее время экзоскелетах, который сможет извлекать сотни импульсов активности двигательных единиц (ДЕ) из записей HD-EMG. Пиковая активность ДЕ представляет собой последовательность потенциалов действия, закодированных по времени их возникновения, что дает доступ к репрезентативной части нейронного кода движений человека. Исследователи также разработают кодировщик команд, который сможет предвидеть намерения человека (команды многосуставного положения и силы) на основе пиковой активности MU, чтобы преобразовать нейронную информацию в движение. Исследователи интегрируют декодер с кодировщиком команд, чтобы продемонстрировать управление в реальном времени несколькими суставами экзоскелетов нижних конечностей.
Обзор исследования
Статус
Рекрутинг
Условия
Подробное описание
Исследователи будут регистрировать мышечную активность до восьми мышц нижних конечностей у здоровых участников и участников после инсульта (камбаловидная, икроножная, передняя большеберцовая мышца, прямая мышца бедра, латеральная широкая мышца бедра и подколенное сухожилие) во время функциональных задач (например, односуставных движений, походки). , приседания, езда на велосипеде). Эти измерения предоставят нейронному декодеру набор физиологических данных о движении и локомоции нижних конечностей. Затем исследователи применят онлайн-методы глубокого обучения для разложения пиковой активности MU более чем восьми мышц и разработают нейронный декодер, работающий в режиме реального времени. Это обеспечит в реальном времени разложение сотен ДЕ, одновременно активных во время естественного поведения нижних конечностей человека. Исследователи проверят этот подход, сравнив наши результаты с золотым стандартом — методом слепого разделения источников. Алгоритмы слепого разделения источников могут разделять или разлагать сигналы HD-EMG, сверточную смесь потенциалов действия ДЕ, на время, в которое отдельные ДЕ разряжают свои потенциалы действия. Используя разложенные данные о всплесках MU, исследователи разработают методы преобразования всплесковой активности MU в позиционные, силовые и гибридные команды для экзоскелетов, которые станут кодировщиком команд, внедренным в существующие в настоящее время исследовательские экзоскелеты, которые могут предугадывать намерения человека (многосуставное положение и силовые команды), чтобы оценить уровень помощи, необходимой для выполнения задачи (например, добавить крутящий момент колена во время фазы опоры).
Исследователи объединят декодер пиковой активности MU с методами подпространственной проекции в нейронный интерфейс реального времени между людьми и существующим в настоящее время исследовательским экзоскелетом нижних конечностей для улучшения локомоции. Это станет интегрированным человеко-машинным интерфейсом высокого разрешения, который можно будет использовать для управления экзоскелетами в реальном времени, так что команды будут передаваться со скоростью, превышающей электромеханическую задержку мышц, то есть время, прошедшее между нейронной командой и мышцей. создание силы движения.
Для эксперимента А исследователи наберут здоровых добровольцев (n = 20) и участников после инсульта (n = 20) и выполнят односуставные движения и локомоторные задачи для сбора данных о мышечной активности с помощью HD-EMG.
В эксперименте B исследователи продемонстрируют обобщение нашего подхода к набору и взаимодействию здоровых добровольцев (n = 20) и участников после инсульта (n = 20) со вспомогательным экзоскелетом. Субъекты будут выполнять односуставные и локомоторные задачи для калибровки декодера, а затем повторять односуставные и локомоторные задачи с помощью декодера, оказывающего помощь в режиме реального времени. Участники после инсульта повторят до 10 сеансов, чтобы оценить стабильность способности декодера извлекать двигательные единицы.
Тип исследования
Интервенционный
Регистрация (Оцененный)
80
Фаза
- Непригодный
Контакты и местонахождение
В этом разделе приведены контактные данные лиц, проводящих исследование, и информация о том, где проводится это исследование.
Контакты исследования
- Имя: Jose L Pons, Ph.D
- Номер телефона: 312-238-4549
- Электронная почта: jpons@sralab.org
Учебное резервное копирование контактов
- Имя: Grace Hoo, BS
- Номер телефона: 312-238-4548
- Электронная почта: ghoo@sralab.org
Места учебы
-
-
Illinois
-
Chicago, Illinois, Соединенные Штаты, 60611
- Рекрутинг
- Shirley Ryan AbilityLab
-
Контакт:
- Grace Hoo, BS
- Номер телефона: 312-238-4548
- Электронная почта: ghoo@sralab.org
-
Контакт:
- Jose Pons, Ph.D
- Номер телефона: 312-238-4549
- Электронная почта: jpons@sralab.org
-
Главный следователь:
- Jose Pons, Ph.D
-
-
Критерии участия
Исследователи ищут людей, которые соответствуют определенному описанию, называемому критериям приемлемости. Некоторыми примерами этих критериев являются общее состояние здоровья человека или предшествующее лечение.
Критерии приемлемости
Возраст, подходящий для обучения
От 18 лет до 80 лет (Взрослый, Пожилой взрослый)
Принимает здоровых добровольцев
Да
Описание
Критерии включения для здоровых участников:
- Возраст от 18 до 80 лет
- Отсутствие в анамнезе повреждений головного мозга и/или черепа.
- Нормальный слух и зрение, оба можно исправить.
- Способен понять и дать информированное согласие
- Отсутствие неврологических нарушений
- Отсутствие патологии, которая могла бы вызвать аномальные движения конечностей (например,
- эпилепсия, инсульт, выраженный артрит, хроническая боль, травмы опорно-двигательного аппарата)
- Способен понимать и говорить по-английски
- Рост от 3 футов 6 дюймов (1,1 метра) до 6 футов 9 дюймов (2,1 метра)
Критерии включения для участников после инсульта:
- Возраст от 18 до 80 лет
- Односторонний, супратенториальный, ишемический или геморрагический инсульт в анамнезе длительностью более 6 месяцев.
- Способность самостоятельно ходить по ровной поверхности, допускается использование вспомогательных устройств или фиксаторов.
- по мере необходимости
- Медицинская стабильность
- Никаких запланированных операций, медицинских процедур или амбулаторного лечения в течение периода исследования.
- Нормальный слух и зрение, оба можно исправить.
- Способен понять и дать информированное согласие
- Способен понимать и говорить по-английски
- Рост от 3 футов 6 дюймов (1,1 метра) до 6 футов 9 дюймов (2,1 метра)
Критерии исключения для здоровых участников:
- Вес более 220 фунтов
- Беременность (исключается опросником по беременности)
- Любые неврологические диагнозы или лекарства, влияющие на функцию мозга.
- Значительная травма головы в анамнезе (например, длительная потеря сознания, неврологические нарушения).
- последствия)
- Известное структурное поражение головного мозга
- Другие серьезные заболевания (заболевания сердца, злокачественные опухоли, психические расстройства)
- Употребление наркотиков без назначения врача (по данным субъекта)
- История злоупотребления психоактивными веществами (исключение: разрешено употребление никотина в настоящее время)
- Рекреационная марихуана
- Деменция; тяжелая депрессия; или предшествующие нейрохирургические процедуры
- Неспособность выполнять поведенческие или локомоторные задачи.
- Заключенные
Критерии исключения для участников после инсульта:
- Вес более 220 фунтов
- Беременность (исключается опросником по беременности)
- Инъекция ботокса (ботулинического токсина) в нижние конечности в течение предшествующих 3 месяцев или плановая.
- инъекции в период исследования.
- История злоупотребления психоактивными веществами (исключение: разрешено употребление никотина в настоящее время)
- Снижение когнитивной функции
- Тяжелая афазия
- Заключенные
- Сосуществование других неврологических заболеваний (например: (болезнь Паркинсона, черепно-мозговая травма)
- травмы, рассеянный склероз и др.).
- Смешанный или сложный тремор
- Тяжелый артрит тазобедренного или коленного сустава
- Остеопороз (по сообщению субъекта)
- Медицинские (сердечные, почечные, печеночные, онкологические) или психиатрические заболевания, которые могут
- вмешиваться в процедуры исследования HD-ЭМГ
Учебный план
В этом разделе представлена подробная информация о плане исследования, в том числе о том, как планируется исследование и что оно измеряет.
Как устроено исследование?
Детали дизайна
- Основная цель: Фундаментальная наука
- Распределение: Нерандомизированный
- Интервенционная модель: Параллельное назначение
- Маскировка: Нет (открытая этикетка)
Оружие и интервенции
Группа участников / Армия |
Вмешательство/лечение |
|---|---|
|
Экспериментальный: Здоровые участники
Исследователи будут наблюдать за мышечной активностью восьми мышц нижних конечностей здоровых участников во время выполнения функциональных задач (например,
односуставные движения, ходьба, приседания, езда на велосипеде).
|
Сетки HD-ЭМГ будут применены к интересующим мышцам нижних конечностей.
Изометрические сокращения будут заключаться в приложении крутящего момента сустава для достижения заранее определенного уровня крутящего момента, основанного на максимальном произвольном сокращении субъекта (т. е. 25%, 60%, 70%, 80%, 90%).
Участник будет контролировать интенсивность крутящего момента, реагируя на биологическую обратную связь, отображаемую на экране.
Соединение будет закреплено несоответствующими требованиям ремнями, чтобы предотвратить любое движение участника.
Порядок тестируемых суставов (т. е. доминирующий голеностопный, коленный или тазобедренный сустав) будет рандомизированным.
Сетки HD-ЭМГ будут применены к интересующим мышцам нижних конечностей.
Изометрические сокращения заключаются в перемещении сустава до завершения серии сокращений (10-20 сокращений) с различной скоростью (т. е. 10 градусов в секунду, 30 градусов в секунду, 60 градусов в секунду).
Соединение будет закреплено несоответствующими требованиям ремнями, чтобы предотвратить любое движение участника.
Порядок тестируемых суставов (т. е. доминирующий голеностопный, коленный или тазобедренный сустав) будет рандомизированным.
Сетки HD-ЭМГ будут применены к интересующим мышцам нижних конечностей.
Многосуставные задачи (т.
ходьба, приседания, езда на велосипеде) будут выполняться с заданной частотой.
Система захвата движения будет использоваться для одновременной регистрации углов суставов и сил реакции земли.
Будет проведен идентичный эксперимент, как указано в разделе «Изометрическое сокращение», с добавлением индуцированного мышечного утомления путем многократного поддержания 40% мышечного крутящего момента до тех пор, пока сокращение не перестанет поддерживаться в течение 5 секунд.
Участники будут измерены и оснащены двусторонним экзоскелетом, а также будет подтвержден достаточный диапазон движений для используемого экзоскелета.
Сетки HD-ЭМГ будут применены к интересующим мышцам нижних конечностей.
Участник будет выполнять односуставные движения для калибровки параметров декодера.
Затем участник будет выполнять многосуставные действия (например, стоять, приседать, ходить по земле или на беговой дорожке, ездить на велосипеде или подниматься по лестнице) в лаборатории анализа движений.
|
|
Экспериментальный: Клинические участники
Исследователи будут наблюдать за мышечной активностью восьми мышц нижних конечностей участников после инсульта во время выполнения функциональных задач (например,
односуставные движения, ходьба, приседания, езда на велосипеде).
|
Сетки HD-ЭМГ будут применены к интересующим мышцам нижних конечностей.
Изометрические сокращения будут заключаться в приложении крутящего момента сустава для достижения заранее определенного уровня крутящего момента, основанного на максимальном произвольном сокращении субъекта (т. е. 25%, 60%, 70%, 80%, 90%).
Участник будет контролировать интенсивность крутящего момента, реагируя на биологическую обратную связь, отображаемую на экране.
Соединение будет закреплено несоответствующими требованиям ремнями, чтобы предотвратить любое движение участника.
Порядок тестируемых суставов (т. е. доминирующий голеностопный, коленный или тазобедренный сустав) будет рандомизированным.
Сетки HD-ЭМГ будут применены к интересующим мышцам нижних конечностей.
Изометрические сокращения заключаются в перемещении сустава до завершения серии сокращений (10-20 сокращений) с различной скоростью (т. е. 10 градусов в секунду, 30 градусов в секунду, 60 градусов в секунду).
Соединение будет закреплено несоответствующими требованиям ремнями, чтобы предотвратить любое движение участника.
Порядок тестируемых суставов (т. е. доминирующий голеностопный, коленный или тазобедренный сустав) будет рандомизированным.
Сетки HD-ЭМГ будут применены к интересующим мышцам нижних конечностей.
Многосуставные задачи (т.
ходьба, приседания, езда на велосипеде) будут выполняться с заданной частотой.
Система захвата движения будет использоваться для одновременной регистрации углов суставов и сил реакции земли.
Участники будут измерены и оснащены двусторонним экзоскелетом, а также будет подтвержден достаточный диапазон движений для используемого экзоскелета.
Сетки HD-ЭМГ будут применены к интересующим мышцам нижних конечностей.
Участник будет выполнять односуставные движения для калибровки параметров декодера.
Затем участник будет выполнять многосуставные действия (например, стоять, приседать, ходить по земле или на беговой дорожке, ездить на велосипеде или подниматься по лестнице) в лаборатории анализа движений.
Субъекты могут пройти тест ходьбы на 10 метров (10MWT) по земле или по чувствительной к давлению дорожке, тест 6-минутной ходьбы (6MWT), шкалу баланса Берга (BBS) и/или оценку функциональной походки (FGA).
Они также могут выполнять подъемы на ступеньки или приседания.
|
Что измеряет исследование?
Первичные показатели результатов
Мера результата |
Мера Описание |
Временное ограничение |
|---|---|---|
|
Изменение вариабельности шага
Временное ограничение: В эксперименте B изменение вариабельности шага на исходном уровне и с использованием вспомогательного робота по мере завершения участниками в среднем за 3 месяца.
|
Вариабельность шага — это соотношение между стандартным отклонением и средним значением времени шага, выраженное в процентах.
Снижение вариабельности указывает на лучший результат.
|
В эксперименте B изменение вариабельности шага на исходном уровне и с использованием вспомогательного робота по мере завершения участниками в среднем за 3 месяца.
|
|
Изменение частоты вращения педалей
Временное ограничение: В эксперименте Б изменение частоты вращения педалей на исходном уровне и с использованием вспомогательного робота по мере завершения участниками в среднем составляет 3 месяца.
|
Каденция — это общее количество шагов, сделанных за определенный период времени; часто выражается в минуту.
Обычно большее количество шагов дает лучший результат.
|
В эксперименте Б изменение частоты вращения педалей на исходном уровне и с использованием вспомогательного робота по мере завершения участниками в среднем составляет 3 месяца.
|
|
Изменение длины шага
Временное ограничение: Для эксперимента B изменение длины шага на исходном уровне и с использованием вспомогательного робота по мере завершения участниками в среднем на 3 месяца.
|
Длина шага – это расстояние между точкой первоначального контакта одной ноги и точкой первоначального контакта противоположной ноги.
Обычно более длинный шаг является лучшим результатом, в идеале при равных размерах левой и правой конечностей.
|
Для эксперимента B изменение длины шага на исходном уровне и с использованием вспомогательного робота по мере завершения участниками в среднем на 3 месяца.
|
|
Изменение длины шага
Временное ограничение: В эксперименте B изменение длины шага на исходном уровне и с использованием вспомогательного робота по мере завершения участниками в среднем на 3 месяца.
|
Длина шага – это расстояние между последовательными точками первоначального контакта одной и той же стопы.
Длина правого и левого шага обычно одинакова.
Обычно более длинный шаг является лучшим результатом, в идеале при равных размерах левой и правой конечностей.
|
В эксперименте B изменение длины шага на исходном уровне и с использованием вспомогательного робота по мере завершения участниками в среднем на 3 месяца.
|
|
Изменение времени позиции
Временное ограничение: Для эксперимента B изменение времени опоры на исходном уровне и с использованием вспомогательного робота после завершения участниками в среднем составляет 3 месяца.
|
Время опоры — это количество времени, которое проходит во время фазы опоры одной конечности в цикле походки.
Он включает в себя одинарную поддержку и двойную поддержку.
Равное время стояния между конечностями является лучшим результатом.
|
Для эксперимента B изменение времени опоры на исходном уровне и с использованием вспомогательного робота после завершения участниками в среднем составляет 3 месяца.
|
|
Изменение двустороннего крутящего момента суставов в голеностопном, коленном и тазобедренном суставах.
Временное ограничение: В эксперименте B изменение крутящего момента суставов на исходном уровне и с использованием вспомогательного робота после завершения участниками в среднем через 3 месяца.
|
Суставной крутящий момент представляет собой сумму пассивных и активных крутящих моментов конечности человека.
Пассивные крутящие моменты возникают за счет напряжения, возникающего при растяжении мышечной ткани, сухожилий и связок.
Активный крутящий момент – это крутящий момент, создаваемый мышцами.
Обычно более низкий крутящий момент сустава во время движения является лучшим результатом.
|
В эксперименте B изменение крутящего момента суставов на исходном уровне и с использованием вспомогательного робота после завершения участниками в среднем через 3 месяца.
|
|
Изменение уровней импеданса между экзоскелетом и участником
Временное ограничение: Для эксперимента B изменение уровней импеданса на исходном уровне и с использованием вспомогательного робота по мере завершения участниками в среднем через 3 месяца.
|
Исследователи будут сравнивать импеданс (интерактивную силу, создаваемую между экзоскелетом и участником) на двустороннем уровне бедер, коленей и лодыжек с помощью управления в реальном времени со стороны экзоскелета и без нее.
Обычно более низкий импеданс является лучшим результатом, поскольку движения экзоскелета и человека более синхронизированы.
|
Для эксперимента B изменение уровней импеданса на исходном уровне и с использованием вспомогательного робота по мере завершения участниками в среднем через 3 месяца.
|
|
Изменение 10WMT
Временное ограничение: Для эксперимента B изменение между исходным уровнем и завершением участия участника составляет в среднем 3 месяца.
|
Тест ходьбы на 10 метров (10MWT) является распространенным клиническим показателем скорости ходьбы.
Участникам будет предложено идти с удобной для них скоростью, выбранной ими самостоятельно.
Участников поместят на стартовую линию и проинструктируют пройти всю 10-метровую дистанцию, пока терапевт рассчитывает средние шесть метров.
Расстояние до и после дистанции на время предназначено для минимизации эффекта ускорения и замедления.
Время будет фиксироваться с помощью секундомера и записываться с точностью до одной сотой секунды (например: 2,46 секунды).
Тест будет выполнен два раза на выбранной вами скорости с достаточным отдыхом между ними.
Следует записать среднее значение двух времен.
Затем тест будет повторен, и участникам будет предложено идти с их быстрой, но безопасной скоростью.
Будут применяться соответствующие вспомогательные устройства, фиксаторы и минимальная физическая помощь со стороны физиотерапевта.
|
Для эксперимента B изменение между исходным уровнем и завершением участия участника составляет в среднем 3 месяца.
|
|
Изменение 6МВт
Временное ограничение: Для эксперимента B изменение между исходным уровнем и завершением участия участника составляет в среднем 3 месяца.
|
Тест с 6-минутной ходьбой (6MWT) измеряет расстояние, которое участник может пройти в помещении по ровной твердой поверхности за шесть минут.
Тест представляет собой надежную и достоверную оценку функциональной способности к нагрузке и используется в качестве субмаксимального теста аэробных способностей и выносливости.
Тест проводится самостоятельно.
Участникам разрешается останавливаться и отдыхать во время теста; однако таймер не останавливается.
Если участник не может завершить время, остановленное время отмечается и записывается причина преждевременной остановки.
Будут применяться соответствующие вспомогательные устройства, фиксаторы и минимальная физическая помощь со стороны физиотерапевта.
|
Для эксперимента B изменение между исходным уровнем и завершением участия участника составляет в среднем 3 месяца.
|
|
Изменение шкалы баланса Берга
Временное ограничение: Для эксперимента B изменение между исходным уровнем и завершением участия участника составляет в среднем 3 месяца.
|
Шкала баланса Берга (BBS) представляет собой тест из 14 пунктов, оцениваемый по пятибалльной порядковой шкале.
Он измеряет функциональный баланс в клинических условиях и включает в себя статические и динамические задания (такие как сидение, стояние, переход из положения сидя в положение стоя, стояние на одной ноге, подъем предмета с пола), во время которых участники должны сохранять равновесие.
|
Для эксперимента B изменение между исходным уровнем и завершением участия участника составляет в среднем 3 месяца.
|
|
Изменение в ФГА
Временное ограничение: Для эксперимента B изменение между исходным уровнем и завершением участия участника составляет в среднем 3 месяца.
|
Функциональная оценка походки (FGA) представляет собой тест из 10 пунктов, оцениваемый по четырехбалльной порядковой шкале.
Более высокий балл указывает на снижение риска падения.
Он измеряет динамический баланс и стабильность позы во время ходьбы (например, быстрая ходьба, ходьба назад, перешагивание препятствия) в клинических условиях.
Пациентам разрешается использовать вспомогательные устройства для определенных предметов.
|
Для эксперимента B изменение между исходным уровнем и завершением участия участника составляет в среднем 3 месяца.
|
Соавторы и исследователи
Здесь вы найдете людей и организации, участвующие в этом исследовании.
Спонсор
Следователи
- Главный следователь: Jose L Pons, Ph.D, Shirley Ryan AbilityLab
Даты записи исследования
Эти даты отслеживают ход отправки отчетов об исследованиях и сводных результатов на сайт ClinicalTrials.gov. Записи исследований и сообщаемые результаты проверяются Национальной медицинской библиотекой (NLM), чтобы убедиться, что они соответствуют определенным стандартам контроля качества, прежде чем публиковать их на общедоступном веб-сайте.
Изучение основных дат
Начало исследования (Действительный)
5 мая 2021 г.
Первичное завершение (Оцененный)
1 декабря 2025 г.
Завершение исследования (Оцененный)
1 декабря 2025 г.
Даты регистрации исследования
Первый отправленный
10 ноября 2020 г.
Впервые представлено, что соответствует критериям контроля качества
3 декабря 2020 г.
Первый опубликованный (Действительный)
10 декабря 2020 г.
Обновления учебных записей
Последнее опубликованное обновление (Действительный)
6 октября 2023 г.
Последнее отправленное обновление, отвечающее критериям контроля качества
4 октября 2023 г.
Последняя проверка
1 октября 2023 г.
Дополнительная информация
Термины, связанные с этим исследованием
Ключевые слова
Дополнительные соответствующие термины MeSH
Другие идентификационные номера исследования
- STU00212191
Планирование данных отдельных участников (IPD)
Планируете делиться данными об отдельных участниках (IPD)?
НЕТ
Информация о лекарствах и устройствах, исследовательские документы
Изучает лекарственный продукт, регулируемый FDA США.
Нет
Изучает продукт устройства, регулируемый Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США.
Нет
продукт, произведенный в США и экспортированный из США.
Нет
Эта информация была получена непосредственно с веб-сайта clinicaltrials.gov без каких-либо изменений. Если у вас есть запросы на изменение, удаление или обновление сведений об исследовании, обращайтесь по адресу register@clinicaltrials.gov. Как только изменение будет реализовано на clinicaltrials.gov, оно будет автоматически обновлено и на нашем веб-сайте. .