Разработка контроллера реального времени для оценки показателей ходьбы с использованием билатерального экзоскелета голеностопного сустава

Экспериментальный: Однорукавное исследование персонализированного контроллера роботизированного экзоскелета голеностопного сустава

В данной группе применяется дизайн внутри испытуемого с двумя методами оценки метаболических затрат по сравнению с золотым стандартом измерения метаболических затрат, при котором один и тот же участник подвергается двум различным измерениям. Этот дизайн позволяет провести прямое сравнение эффектов каждого метода (т.е., оценки по сравнению с золотым стандартом) у одного и того же человека, минимизируя межсубъектную вариабельность и повышая статистическую мощность анализа.

Устройство: Адаптивная система управления крутящим моментом для экзоскелета голеностопного сустава

Это вмешательство использует роботизированный экзоскелет голеностопного сустава, оснащенный адаптивным контроллером в реальном времени, который регулирует крутящий момент подошвенного сгибания на основе механики ходьбы каждого участника. В отличие от стандартных контроллеров экзоскелетов, использующих фиксированные или заранее запрограммированные уровни помощи, эта система применяет оптимизацию с участием человека в контуре для непрерывного обновления величины и времени крутящего момента во время ходьбы на беговой дорожке. Контроллер интегрирует метаболические оценки, кинематические данные и моделирование опорно-двигательного аппарата для определения индивидуальных паттернов помощи, которые снижают усилия при ходьбе и повышают эффективность активации мышц. Участники выполняют несколько испытаний ходьбы, в то время как контроллер автоматически изменяет помощь для определения оптимальных персонализированных настроек.

Успешная работа контроллера роботизированного экзоскелета голеностопного сустава в режиме реального времени

Оценка работоспособности устройства будет проводиться на основе успешной работы в реальном времени роботизированного экзоскелета голеностопного сустава и адаптивного контроллера во время ходьбы на беговой дорожке. Работоспособность определяется как способность контроллера непрерывно генерировать, обновлять и применять вспомогательный крутящий момент в реальном времени на основе поступающих биомеханических и физиологических данных без сбоев системы, прерываний или остановок по соображениям безопасности. Успешная работа будет подтверждена непрерывным функционированием контроллера и синхронизированным сбором данных в ходе испытаний ходьбы.

Чистая скорость метаболизма при ходьбе с экзоскелетом, измеренная методом непрямой калориметрии

Потребление кислорода (VO₂) и выделение углекислого газа (VCO₂) будут измеряться во время ходьбы на беговой дорожке с помощью непрямой калориметрии (Cosmed K5, Cosmed USA Inc., Чикаго, Иллинойс). Уровень метаболизма будет рассчитываться с использованием стандартных уравнений в условиях устойчивой ходьбы. Измерения будут проводиться через регулярные промежутки времени для характеристики метаболической потребности при различных конфигурациях помощи экзоскелета.

Расчетная скорость метаболизма, полученная на основе биомеханического моделирования суставов и скелетных мышц

Расчетная скорость метаболизма будет получена из моделей опорно-двигательного аппарата суставного пространства с использованием кинематических и кинетических данных, собранных во время ходьбы на беговой дорожке. Оценки на основе моделей будут рассчитываться на основе каждого шага, чтобы обеспечить косвенную оценку метаболической потребности, которую можно сравнить с прямыми измерениями, полученными с помощью непрямой калориметрии.

Расчетная активация мышц нижних конечностей, полученная на основе моделей опорно-двигательного аппарата в суставном пространстве

Паттерны активации мышц нижних конечностей будут оцениваться с помощью опорно-двигательных моделей в пространстве суставов на основе данных захвата движения и силы реакции опоры, собранных во время ходьбы на беговой дорожке. Расчетные значения активации мышц будут вычисляться на основе каждого шага для характеристики нейромышечного вовлечения во время ходьбы с экзоскелетом.

Активация мышц нижних конечностей, измеренная с помощью поверхностной электромиографии во время ходьбы

Активация мышц нижних конечностей (например, передняя большеберцовая мышца, медиальная икроножная мышца, латеральная икроножная мышца, камбаловидная мышца) будет измеряться во время ходьбы на беговой дорожке с помощью поверхностной электромиографии (Delsys). Сигналы ЭМГ будут собираться непрерывно и обрабатываться для количественной оценки паттернов активации мышц во время ходьбы с экзоскелетом.

Во время испытаний ходьбы на беговой дорожке, проведенных в ходе одного визита в исследование

Сходимость параметров контроллера будет оцениваться во время испытаний с участием человека в контуре оптимизации путем анализа изменений коэффициентов усиления и временных параметров контроллера в последовательных сеансах ходьбы.
Сходимость определяется как стабилизация параметров контроллера в пределах предварительно заданного диапазона в процессе оптимизации.