Намерение обнаружения движения лодыжки человека на основе ультразвуковой визуализации и стратегии контроля для помощи лодыжке

В исследовании примут участие до 20 человек без нервно-мышечных заболеваний и 5 человек с неполным повреждением спинного мозга (НПСМ) или поперечным миелитом в возрасте от 18 до 64 лет. Исследовательская деятельность включает в среднем 8 экспериментальных сессий. Сеансы могут быть больше или меньше 8 сеансов в зависимости от доступности субъекта, достаточности данных для анализа или необходимости получить больше данных для анализа. Первая цель состоит в том, чтобы исследовать ультразвуковые измерения движений мышц и электрической активности мышц (sEMG), чтобы предсказать произвольное движение или крутящий момент, производимый в голеностопном суставе человека. На основе произвольного движения или крутящего момента будет использоваться функциональная электрическая стимуляция (ФЭС) для искусственной стимуляции мышц голеностопного сустава, или экзоскелет голеностопного сустава с электроприводом будет использоваться для оказания дополнительной помощи голеностопному суставу. Электроды FES будут размещены в соответствующих местах на поверхности кожи нижней конечности, чтобы обеспечить наиболее оптимальное движение.

Тип задания 1: добровольные сидячие состояния без посторонней помощи и с посторонней помощью.

Сессия 1: Произвольные движения голеностопного сустава вверх и вниз без FES. Пара датчиков sEMG будет размещена на передней и задней мышцах голени участника с помощью двусторонних лент. К одним и тем же передним и задним мышцам голени будет прикреплена пара ультразвуковых датчиков для визуализации активности мышц во время движений голеностопного сустава вверх и вниз. Пара датчиков движения будет прикреплена к голени и стопе для измерения углового положения и скорости голеностопного сустава. Датчик силы будет помещен между подошвой стопы и жесткой плоской платформой для измерения силы взаимодействия во время движения лодыжки вверх и вниз. Измерения изображений УЗИ, электрические сигналы от датчиков sEMG, контактная сила от датчика силы, а также измерения датчика движения и камеры будут собираться одновременно. Данные могут быть собраны с одной или обеих ног участника.

Сессия 2: Произвольные боковые движения голеностопного сустава внутрь и наружу без FES. Во время сеанса 2 участник будет выполнять движения лодыжки из стороны в сторону. Аналогичная процедура обучения, как и в сеансе 1, будет предписана перед реальными экспериментами. Многократные измерения от датчиков (таких же, как в сеансе 1), прикрепленных к ноге и ступне участника, будут получены во время движения лодыжки из стороны в сторону. Как в сеансе 1, так и во время сеанса 2 для каждого направления движения (вверх, вниз, внутрь и наружу) будет проведено 10 повторных испытаний, каждое испытание будет длиться 10 минут, включая тренировку, сбор данных, сохранение данных и период отдыха. во избежание мышечной усталости. Каждый сеанс может длиться примерно до 4 часов.

Сеанс 3: Вспомогательные движения голеностопного сустава вверх и вниз с помощью FES. В этом сеансе будет применяться аналогичная конфигурация, упомянутая в сеансе 1. Кроме того, FES будет использоваться для управления движением лодыжки вверх или вниз, принимая в качестве обратной связи измерения, основанные на ультразвуковых изображениях. В системе FES для движения лодыжки вверх отрицательный электрод будет помещен над мышечным брюшком передней мышцы, а положительный электрод будет помещен ниже голени. Для движения лодыжки вниз будут использоваться два больших электрода, позволяющих активировать все мышцы спины. Эти электроды будут подключены к электростимулятору, который управляется с помощью компьютерного программного обеспечения. Как для движения лодыжки вверх, так и для движения лодыжки вниз будет использоваться слаботочная форма волны с шириной импульса 100-400 микросекунд и частотой 20-40 Гц. Текущий диапазон будет между 0-60 мА. Во всех случаях длительность импульса, определенная для использования, не будет превышать верхний предел в 400 микросекунд. Параметры стимуляции, используемые для участника, будут задокументированы для каждого экспериментального сеанса, а также будут записаны любые изменения параметров стимуляции во время сеанса.

Сессия 4: Вспомогательные боковые движения голеностопного сустава внутрь и наружу с помощью системы FES. В этом сеансе будет применена аналогичная конфигурация, упомянутая в сеансе 2. FES будет использоваться для искусственной стимуляции мышц и управления боковым движением лодыжки внутрь или наружу, используя в качестве обратной связи измерения, основанные на ультразвуковых изображениях. Для бокового движения лодыжки как внутрь, так и наружу будут применяться одни и те же параметры FES и метод модуляции, как описано в сеансе 3. Во время процедур эксперимента измерения на основе изображений США, а также измерения движения и камеры будут собираться одновременно. Данные могут быть собраны с одной или обеих ног участников. Как в сеансе 3, так и в сеансе 4 для каждого направления движения (вверх, вниз, внутрь и наружу) будет проведено 10 повторных испытаний, каждое испытание будет длиться 10 минут, включая тренировку, сбор данных, сохранение данных и период отдыха. во избежание мышечной усталости. Каждый сеанс может длиться примерно до 4 часов. Участника могут попросить вернуться, если данные, полученные во время сеанса, не будут признаны удовлетворительными во время анализа. Следующий визит будет проведен в удобное для участника время и не позднее, чем через 24 часа для сеансов 1 и 2, а также через 72 часа для сеансов 3 и 4.

Тип задания 2: Произвольная динамическая ходьба на беговой дорожке без посторонней помощи и с внешней помощью. Сессия 5: Динамическая ходьба без FES или экзоскелета голеностопного сустава. Как и в сеансе 1 и сеансе 3 в задаче типа 1, датчики sEMG и датчики ультразвуковой визуализации будут прикреплены к тем же положениям на передней и задней части голени, упомянутым ранее. К нижним конечностям субъекта будут прикреплены несколько отражающих маркеров для измерения кинематических данных на основе системы захвата движения. Во время сеанса 5 участника попросят постоять 30 секунд на беговой дорожке с двумя разделенными ремнями. Датчики силы под каждым ремнем будут использоваться для измерения силы реакции земли между ремнем и подошвами ног участника, и в то же время будут собираться сигналы sEMG и ультразвуковые изображения мышц голени во время статического положения стоя. . Затем участника попросят пройтись по беговой дорожке со скоростью 0,5, 0,75, 1,0, 1,25 и 1,5 м/с. Для каждой скорости первые 5 минут ходьбы будут даны в качестве разминки, чтобы участник привык к образцу ходьбы с носимым устройством. После разминки в следующие 2 минуты для каждой скорости ходьбы синхронно и одновременно будут регистрировать опорную реакцию, сигналы сЭМГ и УЗИ мышц голени, а также координаты отражающих маркеров.

Сессия 6: Динамическая ходьба с FES или экзоскелетом лодыжки, но без дополнительной помощи. Помимо установки, описанной в сеансе 1, электроды FES будут помещены на переднюю мышцу голени, а экзоскелет лодыжки будет помещен на заднюю часть голени. Будет также включен тот же сбор данных, что упоминался в сеансе 5. На этом сеансе не будет стимуляции скелетных мышц участника и питания мотора экзоскелета голеностопного сустава.

Сессия 7: Динамическая ходьба с FES или экзоскелетом лодыжки на основе старого подхода к контролю. Экспериментальная установка и процедуры будут сохранены такими же, как упомянуто в сеансе 2. Во время динамической задачи при ходьбе электромеханический FES и экзоскелет голеностопного сустава будут использоваться для оказания помощи при движении носками вверх и вниз в соответствии с намерением движения человека, основанным на преимущественно применяемый контрольный подход в других публикациях. В течение каждой из двух минут сбора данных сигналы sEMG будут собираться и обрабатываться в режиме реального времени для управления системой экзоскелета FES или лодыжки. Кроме того, синхронно и одновременно будут собираться временная последовательность ультразвуковых изображений мышц передней и задней части голени, координаты отражающих маркеров, сила реакции опоры, амплитуда или ширина импульса тока ФЭС, а также крутящий момент двигателя экзоскелета.

Сессия 8: Динамическая ходьба с ФЭС или экзоскелетом голеностопного сустава на основе подхода «помощь по мере необходимости» с помощью комбинации ультразвуковой визуализации и рЭМГ. Экспериментальная установка и процедуры останутся такими же, как упоминалось в сеансе 7. Единственное отличие состоит в том, что старый подход к контролю будет заменен новым предложенным подходом к управлению по мере необходимости путем объединения ультразвукового изображения и сигналов sEMG. Сбор данных останется таким же, как в сеансе 7. Среди сеансов 5-8 в разделе 2 после 7 минут ходьбы на каждой скорости будет предоставлен 10-минутный период отдыха. Каждое занятие может длиться до 4 часов, включая калибровку системы захвата движения и настройку устройств около 45 минут, а также эксперименты с ходьбой на беговой дорожке около 3 часов. Участника могут попросить вернуться, если данные, полученные во время сеанса, не будут признаны удовлетворительными во время анализа. Следующий визит будет проведен в удобное для участника время и не позднее, чем через 72 часа. Кроме того, в целях безопасности для сеансов 3, 4, 7 и 8 будет добавлена ​​кнопка остановки безопасности, чтобы участник мог остановить эксперимент всякий раз, когда участник хочет остановить эксперимент или участник чувствует себя некомфортно во время эксперимента. .

Для участников с iSCI или поперечным миелитом: прежде чем участник будет готов участвовать в этом исследовании, его попросят заполнить несколько анкет, в которых будет собрана демографическая информация и их история болезни. Участник также примет участие в медицинском осмотре. Физическое обследование будет проведено доктором Кристин Кливленд, врачом амбулаторной реабилитационной клиники в Чапел-Хилл. Медицинский осмотр и заполнение форм истории болезни займет 60 минут. Физикальное обследование будет состоять из сенсорного осмотра (во время которого участника попросят закрыть глаза и сообщить, чувствует ли участник ощущение легкого прикосновения, такого как ватный тампон, и способен ли участник различать острое и тупое ощущение) и двигательный экзамен (где исследователи проверят способность участника двигать руками и ногами). Исследователи также измерят частоту сердечных сокращений и артериальное давление участника. В случае беременности участница лишается права участвовать в исследовании и должна будет прекратить исследование. Исследователи проведут скрининг, чтобы проверить чувствительность или реакцию на FES. Цель этого теста состоит в том, чтобы позволить участнику испытать FES и на основе опыта решить, является ли стимуляция переносимой и участник готов участвовать в исследовании. К мышцам нижних конечностей участника будет применена тестовая стимуляция. Участник может в любой момент прекратить это испытание и отказаться от дальнейшего участия. Если участник отвечает на FES без ощущения боли и желает участвовать в этом исследовании, исследователи свяжутся с врачом участника, чтобы получить медицинское разрешение и подтверждение уровня травмы участника до начала фактического исследования. Перед участием в исследовании участник должен будет получить подписанную форму медицинского освидетельствования у своего врача. После получения разрешения от практикующего врача на участие в этом исследовании и если участник имеет право (пожалуйста, попросите Нитина Шарму или члена исследовательской группы предоставить участнику контрольный список приемлемости для группы S) и решит участвовать в этом исследовании, участник попросить прийти в лабораторию PI и лабораторию походки BME, чтобы заполнить форму согласия во время первого визита.