Neuromuskulär kontroll i realtid av exoskelett
Syftet med denna studie är att utveckla en realtidskontroller för exoskelett med hjälp av neural information inbäddad i mänsklig muskulatur. Denna styrenhet kommer att bestå av ett online-gränssnitt som förutser mänskliga rörelser baserat på högdensitetselektromyografi (HD-EMG) inspelningar, och sedan översätter det till funktionell assistans. Denna studie kommer att genomföras på både friska deltagare och deltagare efter stroke.
Forskarna kommer att utveckla en onlinealgoritm (avkodare) i befintliga exoskelett som kan extrahera hundratals motorenhets (MU) spikaktivitet ur HD-EMG-inspelningar. MU-spikningsaktiviteten är ett tåg av aktionspotentialer kodade av dess tidpunkt för förekomsten som ger tillgång till en representativ del av den neurala koden för mänsklig rörelse. Forskarna kommer också att utveckla en kommandokodare som kan förutse mänskliga avsikter (multi-joint position and force commands) från MU spikaktivitet för att översätta neurala information till rörelse. Forskarna kommer att integrera avkodaren med kommandokodaren för att visa upp realtidskontrollen av flera exoskelett i underbenen.
Studieöversikt
Status
Betingelser
Detaljerad beskrivning
Forskarna kommer att registrera muskelaktivitet hos friska deltagare och deltagare efter stroke från upp till åtta muskler i nedre extremiteterna (soleus, gastrocnemius, tibialis anterior, rectus femoris, vastus lateralis och hamstring) under funktionella uppgifter (t.ex. enkelledsrörelse, gång). , huk, cykling). Dessa mätningar kommer att tillhandahålla den fysiologiska datauppsättningen av nedre extremiteters rörelse och rörelse för den neurala avkodaren. Sedan kommer forskarna att tillämpa online djupinlärningsmetoder för MU-spikningsaktivitetsnedbrytning från över åtta muskler och utveckla en neural dekoder i realtid. Detta kommer att ge realtidsnedbrytning av hundratals MUs som samtidigt är aktiva under naturligt mänskligt beteende i nedre extremiteter. Forskarna kommer att validera detta tillvägagångssätt genom att jämföra våra resultat med en guldstandard, metoden för separering av blinda källor. Separationsalgoritmer för blinda källor kan separera eller bryta ner HD-EMG-signalerna, en konvolutiv blandning av MU-aktionspotentialer, till de tidpunkter då individuella MU:er laddar ur sina aktionspotentialer. Med den nedbrutna MU-spikningsdatan kommer forskarna att utveckla metoder för att översätta MU-spikningsaktivitet i position, kraft och hybridkommandon för exoskelett som kommer att bli en kommandokodare implementerad i befintliga forskningsexoskelett som kan förutse mänskliga avsikter (multi-joint position och kraftkommandon) för att uppskatta den assistansnivå som krävs av uppgiften, (t.ex. lägga till knävridmoment under ställningsfasen).
Forskarna kommer att kombinera MU-spikningsaktivitetsavkodaren med subrymdprojektionsmetoderna till ett neuralt realtidsgränssnitt mellan individer och ett för närvarande existerande forskningsexoskelett i nedre extremiteter för rörelseförstärkning. Detta kommer att bli ett integrerat högupplöst gränssnitt mellan människa och maskin som kan användas för realtidskontroll av exoskelett så att kommandon kommer att levereras med en hastighet som är högre än musklernas elektromekaniska fördröjning, d.v.s. tiden mellan neural kommando och muskel. kraftgenerering av rörelse.
För experiment A kommer utredarna att rekrytera friska frivilliga (n = 20) och deltagare efter stroke (n = 20) och slutföra enledsrörelse- och rörelseuppgifter för att samla in muskelaktivitetsdata via HD-EMG.
För experiment B kommer utredarna att visa upp generaliseringen av vår metod för att rekrytera och koppla friska frivilliga (n = 20) och deltagare efter stroke (n = 20) med det assisterande exoskelettet. Försökspersonerna kommer att utföra enkelleds- och rörelseuppgifter för att kalibrera avkodaren, och sedan upprepa enkelleds- och rörelseuppgifter med avkodaren som ger realtidsassistans. Deltagarna efter stroke kommer att upprepa upp till 10 sessioner för att utvärdera stabiliteten i avkodarens förmåga att extrahera motorenheter.
Studietyp
Inskrivning (Beräknad)
Fas
- Inte tillämpbar
Kontakter och platser
Studieorter
-
-
Illinois
-
Chicago, Illinois, Förenta staterna, 60611
- Shirley Ryan Abilitylab
-
-
Deltagandekriterier
Urvalskriterier
Åldrar som är berättigade till studier
Tar emot friska volontärer
Beskrivning
Inklusionskriterier för friska deltagare:
- Ålder från 18 till 80 år
- Ingen historia av en hjärn- och/eller skalleskada
- Normal hörsel och syn, båda kan korrigeras
- Kunna förstå och ge informerat samtycke
- Inga neurologiska störningar
- Frånvaro av patologi som kan orsaka onormala rörelser av extremiteter (t.ex.
- epilepsi, stroke, markant artrit, kronisk smärta, muskel- och skelettskador)
- Kunna förstå och tala engelska
- Höjd mellan 3 fot 6 tum (1,1 meter) och 6 fot 9 tum (2,1 meter)
Inklusionskriterier för deltagare efter stroke:
- Ålder från 18 till 80 år
- Anamnes med ensidig, supratentoriell, ischemisk eller blödande stroke i mer än 6 månader
- Förmåga att gå självständigt på plan mark, tillåten att använda hjälpmedel eller stöd
- efter behov
- Medicinskt stabil
- Inga planerade operationer, medicinska behandlingar eller öppenvård under studieperioden
- Normal hörsel och syn, båda kan korrigeras
- Kunna förstå och ge informerat samtycke
- Kunna förstå och tala engelska
- Höjd mellan 3 fot 6 tum (1,1 meter) och 6 fot 9 tum (2,1 meter)
Uteslutningskriterier för friska deltagare:
- Vikt över 220 lbs
- Graviditet (utesluts av enkäten om graviditet)
- Eventuella neurologiska diagnoser eller mediciner som påverkar hjärnans funktion
- Historik med betydande huvudtrauma (d.v.s. utökad medvetslöshet, neurologisk
- följdsjukdomar)
- Känd strukturell hjärnskada
- Betydande annan sjukdom (hjärtsjukdom, maligna tumörer, psykiska störningar)
- Ej receptbelagd droganvändning (som rapporterats av försöksperson)
- Historik av aktuellt missbruk (undantag: nuvarande nikotinanvändning är tillåten)
- Fritidsmarijuana
- Demens; allvarlig depression; eller tidigare neurokirurgiska ingrepp
- Underlåtenhet att utföra beteende- eller rörelseuppgifterna
- Fångar
Uteslutningskriterier för deltagare efter stroke:
- Vikt över 220 lbs
- Graviditet (utesluts av enkäten om graviditet)
- Botox-injektion (botulinumtoxin) i nedre extremiteter inom de föregående 3 månaderna, eller planerad
- injektion under studieperioden.
- Historik av aktuellt missbruk (undantag: nuvarande nikotinanvändning är tillåten)
- Nedsatt kognitiv funktion
- Svår afasi
- Fångar
- Samexistens av andra neurologiska sjukdomar (ex: (Parkinsons sjukdom, traumatisk hjärna)
- skada, multipel skleros, etc.)
- Blandade eller komplexa skakningar
- Svår höft- eller knäledsartrit
- Osteoporos (som rapporterats av försöksperson)
- Medicinsk (hjärt-, njur-, lever-, onkologisk) eller psykiatrisk sjukdom som skulle
- störa studieprocedurer för HD-EMG
Studieplan
Hur är studien utformad?
Designdetaljer
- Primärt syfte: Grundläggande vetenskap
- Tilldelning: Icke-randomiserad
- Interventionsmodell: Parallellt uppdrag
- Maskning: Ingen (Open Label)
Vapen och interventioner
Deltagargrupp / Arm |
Intervention / Behandling |
|---|---|
|
Experimentell: Friska deltagare
Utredarna kommer att titta på muskelaktivitet hos friska deltagare från åtta muskler i nedre extremiteterna under funktionella uppgifter (t.
enkelledsrörelse, promenader, huk, cykling).
|
HD-EMG-rutnät kommer att appliceras på de av intresse underbensmusklerna.
Isometriska sammandragningar kommer att bestå av att anbringa ledmoment för att nå en fördefinierad vridmomentnivå baserat på patientens maximala frivilliga kontraktion (dvs. 25 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 %).
Deltagaren kommer att kontrollera vridmomentintensiteten genom att svara på en biofeedback som visas på en skärm.
Leden kommer att säkras med icke-kompatibla band för att förhindra att deltagaren rör sig.
Ordningen på de testade lederna (d.v.s. dominant fotled, knä eller höftled) kommer att randomiseras.
HD-EMG-rutnät kommer att appliceras på de av intresse underbensmusklerna.
Isometriska sammandragningar kommer att bestå av att flytta en led för att fullborda en uppsättning sammandragningar (10-20 sammandragningar) med olika hastigheter (dvs. 10 grader per sekund, 30 grader per sekund, 60 grader per sekund).
Leden kommer att säkras med icke-kompatibla band för att förhindra att deltagaren rör sig.
Ordningen på de testade lederna (d.v.s. dominant fotled, knä eller höftled) kommer att randomiseras.
HD-EMG-rutnät kommer att appliceras på de av intresse underbensmusklerna.
Flera gemensamma uppgifter (dvs.
promenader, huk, cykling) kommer att utföras med en given frekvens.
Ett motion capture-system kommer att användas för att registrera ledvinklarna och markreaktionskrafterna samtidigt.
Ett identiskt experiment kommer att utföras som anges i "Isometrisk kontraktion" med tillägg av inducerad muskeltrötthet genom att upprepade gånger bibehålla 40 % av muskelvridmomentet tills det inte går att upprätthålla en kontraktion i 5 sekunder.
Deltagarna kommer att mätas och förses med det bilaterala exoskelettet, och tillräcklig rörelseomfång för det använda exoskelettet kommer att bekräftas.
HD-EMG-rutnät kommer att appliceras på de av intresse underbensmusklerna.
Deltagaren kommer att utföra enledsrörelser för att kalibrera avkodarparametrarna.
Deltagaren kommer sedan att utföra flerledsaktiviteter (t.ex. att stå, sitta på huk, gå över marken eller på ett löpband, cykla eller gå i trappor) i ett rörelseanalyslaboratorium
|
|
Experimentell: Kliniska deltagare
Utredarna kommer att titta på muskelaktivitet hos deltagarna efter stroke från åtta muskler i nedre extremiteterna under funktionella uppgifter (t.
enkelledsrörelse, promenader, huk, cykling).
|
HD-EMG-rutnät kommer att appliceras på de av intresse underbensmusklerna.
Isometriska sammandragningar kommer att bestå av att anbringa ledmoment för att nå en fördefinierad vridmomentnivå baserat på patientens maximala frivilliga kontraktion (dvs. 25 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 %).
Deltagaren kommer att kontrollera vridmomentintensiteten genom att svara på en biofeedback som visas på en skärm.
Leden kommer att säkras med icke-kompatibla band för att förhindra att deltagaren rör sig.
Ordningen på de testade lederna (d.v.s. dominant fotled, knä eller höftled) kommer att randomiseras.
HD-EMG-rutnät kommer att appliceras på de av intresse underbensmusklerna.
Isometriska sammandragningar kommer att bestå av att flytta en led för att fullborda en uppsättning sammandragningar (10-20 sammandragningar) med olika hastigheter (dvs. 10 grader per sekund, 30 grader per sekund, 60 grader per sekund).
Leden kommer att säkras med icke-kompatibla band för att förhindra att deltagaren rör sig.
Ordningen på de testade lederna (d.v.s. dominant fotled, knä eller höftled) kommer att randomiseras.
HD-EMG-rutnät kommer att appliceras på de av intresse underbensmusklerna.
Flera gemensamma uppgifter (dvs.
promenader, huk, cykling) kommer att utföras med en given frekvens.
Ett motion capture-system kommer att användas för att registrera ledvinklarna och markreaktionskrafterna samtidigt.
Deltagarna kommer att mätas och förses med det bilaterala exoskelettet, och tillräcklig rörelseomfång för det använda exoskelettet kommer att bekräftas.
HD-EMG-rutnät kommer att appliceras på de av intresse underbensmusklerna.
Deltagaren kommer att utföra enledsrörelser för att kalibrera avkodarparametrarna.
Deltagaren kommer sedan att utföra flerledsaktiviteter (t.ex. att stå, sitta på huk, gå över marken eller på ett löpband, cykla eller gå i trappor) i ett rörelseanalyslaboratorium
Försökspersoner kan genomföra ett 10 meters gångtest (10MWT) över jord eller över en tryckkänslig gångväg, 6 minuters gångtest (6MWT), Berg Balance-skala (BBS) och/eller Functional Gait Assessment (FGA).
De kan också genomföra step-ups eller knäböj.
|
Vad mäter studien?
Primära resultatmått
Resultatmått |
Åtgärdsbeskrivning |
Tidsram |
|---|---|---|
|
Förändring i stegvariabilitet
Tidsram: För experiment B, förändring i stegvariabilitet vid baslinjen och med hjälprobot genom slutförande av deltagarna, i genomsnitt 3 månader.
|
Stegvariabilitet är förhållandet mellan standardavvikelsen och medelvärdet av stegtiden, uttryckt i procent.
Minskad variabilitet indikerar ett bättre resultat.
|
För experiment B, förändring i stegvariabilitet vid baslinjen och med hjälprobot genom slutförande av deltagarna, i genomsnitt 3 månader.
|
|
Förändring i kadens
Tidsram: För experiment B, förändring i kadens vid baslinjen och med hjälprobot genom att deltagarna slutförts, i genomsnitt 3 månader.
|
Kadens är det totala antalet steg som tagits inom en given tidsperiod; uttrycks ofta per minut.
Vanligtvis är ett högre antal steg ett bättre resultat.
|
För experiment B, förändring i kadens vid baslinjen och med hjälprobot genom att deltagarna slutförts, i genomsnitt 3 månader.
|
|
Ändring i steglängd
Tidsram: För experiment B, förändring i steglängd vid baslinjen och med hjälprobot genom slutförande av deltagarna, i genomsnitt 3 månader.
|
Steglängden är avståndet mellan den första kontaktpunkten för en fot och den första kontaktpunkten för den motsatta foten.
Vanligtvis är en längre steglängd ett bättre resultat, helst med lika mått mellan vänster och höger extremiteter.
|
För experiment B, förändring i steglängd vid baslinjen och med hjälprobot genom slutförande av deltagarna, i genomsnitt 3 månader.
|
|
Förändring i steglängd
Tidsram: För experiment B, förändring i steglängd vid baslinjen och med hjälprobot genom att deltagarna slutförts, i genomsnitt 3 månader.
|
Steglängd är avståndet mellan på varandra följande punkter för första kontakt med samma fot.
Höger och vänster steglängder är normalt lika.
Vanligtvis är en längre steglängd ett bättre resultat, helst med lika mått mellan vänster och höger extremiteter.
|
För experiment B, förändring i steglängd vid baslinjen och med hjälprobot genom att deltagarna slutförts, i genomsnitt 3 månader.
|
|
Ändring i ställningstid
Tidsram: För experiment B, förändring av ställningstid vid baslinjen och med hjälprobot genom att deltagarna slutförts, i genomsnitt 3 månader.
|
Ståtid är den tid som går under ställningsfasen av en extremitet i en gångcykel.
Den inkluderar enkelstöd och dubbelstöd.
Lika hålltid mellan extremiteterna är ett bättre resultat.
|
För experiment B, förändring av ställningstid vid baslinjen och med hjälprobot genom att deltagarna slutförts, i genomsnitt 3 månader.
|
|
Förändring i bilateralt ledvridmoment vid fotled, knä och höft
Tidsram: För experiment B, förändring i ledvridmoment vid baslinjen och med hjälprobot genom att deltagarna slutförts, i genomsnitt 3 månader.
|
Ledmoment är summan av passiva och aktiva vridmoment hos den mänskliga extremiteten.
Passiva vridmoment produceras av spänningar som utvecklas när muskelvävnad, senor och ligament sträcks.
Aktivt vridmoment är det vridmoment som skapas av musklerna.
Vanligtvis är lägre ledvridmoment under rörelse ett bättre resultat.
|
För experiment B, förändring i ledvridmoment vid baslinjen och med hjälprobot genom att deltagarna slutförts, i genomsnitt 3 månader.
|
|
Förändring i impedansnivåer mellan exoskelett och deltagare
Tidsram: För experiment B, förändring av impedansnivåer vid baslinjen och med hjälprobot genom slutförande av deltagarna, i genomsnitt 3 månader.
|
Forskarna kommer att jämföra impedansen (interaktiv kraft som genereras mellan exoskelettet och deltagaren) vid bilaterala höft-, knä- och fotledsnivåer med och utan kontrollassistans i realtid från exoskelettet.
Vanligtvis är en lägre impedans ett bättre resultat eftersom rörelsen av exoskelettet och människan är mer synkroniserade.
|
För experiment B, förändring av impedansnivåer vid baslinjen och med hjälprobot genom slutförande av deltagarna, i genomsnitt 3 månader.
|
|
Ändring i 10WMT
Tidsram: För experiment B, byt mellan baslinje och genom att deltagaren slutförts, i genomsnitt 3 månader.
|
10 Meter Walk Test (10MWT) är ett vanligt kliniskt mått på gånghastighet.
Deltagarna kommer att uppmanas att gå i sin bekväma, självvalda hastighet.
Deltagarna kommer att placeras vid startlinjen och instrueras att gå hela sträckan på 10 meter medan terapeuten tar de mittersta sex metrarna.
Avståndet före och efter den tidsinställda kursen är avsedda att minimera effekten av acceleration och retardation.
Tiden kommer att spelas in med ett stoppur och spelas in till en hundradels sekund (ex: 2,46 sek).
Testet kommer att utföras två gånger i självvald hastighet med tillräcklig vila emellan.
Genomsnittet av de två gångerna ska registreras.
Testet kommer sedan att upprepas med deltagarna uppmanade att gå i sin snabba men säkra hastighet.
Lämpliga hjälpmedel, stöd och den minimala mängden fysisk assistans från sjukgymnasten kommer att tillämpas.
|
För experiment B, byt mellan baslinje och genom att deltagaren slutförts, i genomsnitt 3 månader.
|
|
Förändring i 6MWT
Tidsram: För experiment B, byt mellan baslinje och genom att deltagaren slutförts, i genomsnitt 3 månader.
|
6 Minute Walk Test (6MWT) mäter avståndet en deltagare kan gå inomhus på en plan, hård yta under en period av sex minuter.
Testet är en tillförlitlig och giltig utvärdering av funktionell träningskapacitet och används som ett submaximalt test av aerob kapacitet och uthållighet.
Testet är i egen takt.
Deltagarna får stanna och vila under testet; timern stannar dock inte.
Om en deltagare inte kan fullfölja tiden noteras den stoppade tiden och anledningen till att stoppa i förtid registreras.
Lämpliga hjälpmedel, stöd och den minimala mängden fysisk assistans från sjukgymnasten kommer att tillämpas.
|
För experiment B, byt mellan baslinje och genom att deltagaren slutförts, i genomsnitt 3 månader.
|
|
Förändring i Berg Balansskala
Tidsram: För experiment B, byt mellan baslinje och genom att deltagaren slutförts, i genomsnitt 3 månader.
|
Berg Balance Scale (BBS) är ett test med 14 punkter, poängsatt på en femgradig ordningsskala.
Den mäter funktionell balans i en klinisk miljö och inkluderar statiska och dynamiska uppgifter (såsom sittande, stående, övergång från sittande till stående, stå på en fot, hämta ett föremål från golvet), under vilka deltagarna måste behålla sin balans.
|
För experiment B, byt mellan baslinje och genom att deltagaren slutförts, i genomsnitt 3 månader.
|
|
Förändring i FGA
Tidsram: För experiment B, byt mellan baslinje och genom att deltagaren slutförts, i genomsnitt 3 månader.
|
Functional Gait Assessment (FGA) är ett test med 10 punkter, poängsatt på en fyragradig ordningsskala.
En högre poäng indikerar minskad fallrisk.
Den mäter dynamisk balans och ställningsstabilitet under gånguppgifter (som snabb gång, bakåtgående, kliva över ett hinder) i den kliniska miljön.
Patienter får använda ett hjälpmedel för vissa föremål.
|
För experiment B, byt mellan baslinje och genom att deltagaren slutförts, i genomsnitt 3 månader.
|
Samarbetspartners och utredare
Sponsor
Utredare
- Huvudutredare: Jose L Pons, Ph.D, Shirley Ryan Abilitylab
Studieavstämningsdatum
Studera stora datum
Studiestart (Faktisk)
Primärt slutförande (Beräknad)
Avslutad studie (Beräknad)
Studieregistreringsdatum
Först inskickad
Först inskickad som uppfyllde QC-kriterierna
Första postat (Faktisk)
Uppdateringar av studier
Senaste uppdatering publicerad (Faktisk)
Senaste inskickade uppdateringen som uppfyllde QC-kriterierna
Senast verifierad
Mer information
Termer relaterade till denna studie
Ytterligare relevanta MeSH-villkor
Andra studie-ID-nummer
- STU00212191
Plan för individuella deltagardata (IPD)
Planerar du att dela individuella deltagardata (IPD)?
Läkemedels- och apparatinformation, studiedokument
Studerar en amerikansk FDA-reglerad läkemedelsprodukt
Studerar en amerikansk FDA-reglerad produktprodukt
produkt tillverkad i och exporterad från U.S.A.
Denna information hämtades direkt från webbplatsen clinicaltrials.gov utan några ändringar. Om du har några önskemål om att ändra, ta bort eller uppdatera dina studieuppgifter, vänligen kontakta register@clinicaltrials.gov. Så snart en ändring har implementerats på clinicaltrials.gov, kommer denna att uppdateras automatiskt även på vår webbplats .