Utveckling av en realtidsstyrenhet för att uppskatta gångprestanda med hjälp av en bilateral fotledsexoskelett

Experimentell: Enarmad studie av en personanpassad robotiserad fotledsexoskelettkontroller

Denna arm använder en within-subject-design med två metoder för att uppskatta den metaboliska kostnaden jämfört med den guldstandardmässiga mätningen av den metaboliska kostnaden, där en enskild deltagare utsätts för två distinkta mätningar. Denna design möjliggör en direkt jämförelse av effekterna av varje metod (dvs. uppskattning jämfört med guldstandard) inom samma individ, vilket minimerar variation mellan individer och förbättrar analysens statistiska styrka.

Enhet: Adaptiv momentkontrollsystem för fotledsexoskelett

Denna intervention använder en robotiserad fotledsexoskelett utrustad med en realtidsanpassande styrenhet som justerar plantarflexionsmoment baserat på varje deltagares gångmekanik. Till skillnad från standardexoskelettstyrenheter som använder fasta eller förprogrammerade assistansnivåer använder detta system human-in-the-loop-optimering för att kontinuerligt uppdatera momentstorlek och timing under löpbandsutgång. Styrenheten integrerar metaboliska uppskattningar, kinematiska data och muskel-skelettmodellering för att identifiera individualiserade assistansmönster som minskar gångansträngningen och förbättrar muskelaktiveringseffektiviteten. Deltagarna genomför flera gångtester medan styrenheten automatiskt modifierar assistansen för att bestämma de optimala personanpassade inställningarna.

Framgångsrik realtidsdrift av den robotiska fotledsexoskelettkontrollen

Genomförbarheten för enheten kommer att utvärderas genom den lyckade realtidsoperationen av den robotiserade ankelfotortosen och den adaptiva styrenheten under löpbandsgång. Genomförbarhet definieras som styrenhetens förmåga att kontinuerligt generera, uppdatera och applicera assistivt vridmoment i realtid baserat på inkommande biomekaniska och fysiologiska data utan systemfel, avbrott eller säkerhetsrelaterad avslutning. Lyckad operation kommer att bekräftas genom kontinuerlig styrenhetsfunktion och synkroniserad datainsamling över gångförsök.

Netto ämnesomsättningshastighet under exoskelettassisterad gång mätt med indirekt kalorimetri

Netto syreförbrukning (VO₂) och koldioxidproduktion (VCO₂) kommer att mätas under löpbandsgång med indirekt kalorimetri (Cosmed K5, Cosmed USA Inc., Chicago, IL). Metabolisk hastighet kommer att beräknas med standardekvationer under stabila gångförhållanden. Mätningar kommer att samlas in med regelbundna intervall för att karakterisera metabolisk efterfrågan under olika exoskelettassistanskonfigurationer.

Uppskattad ämnesomsättning härledd från ledutrymmes muskuloskeletal modellering

Den uppskattade ämnesomsättningshastigheten kommer att härledas från ledrumsmuskloskeletala modeller med hjälp av kinematiska och kinetiska data som samlats in under löpbandsgång. Modellbaserade uppskattningar kommer att beräknas steg för steg för att ge en indirekt uppskattning av metabolisk efterfrågan som kan jämföras med direkta mätningar från indirekt kalorimetri.

Uppskattad nedre-extremitetsmuskelaktivering härledd från ledrymdsmusculoskeletalmodelering

Aktiveringsmönster för nedre extremitetens muskler kommer att beräknas med hjälp av ledrumsbaserade muskuloskeletala modeller baserade på motion capture-data och markreaktionskrafter insamlade under löpbandsgång.
Beräknade muskelaktiveringsvärden kommer att beräknas steg för steg för att karakterisera neuromuskulär engagemang under exoskelettassisterad gång.

Muskelaktivering i nedre extremitet mätt med ytelektromyografi under gång

Muskelaktivering i nedre extremitetens muskler (t.ex. tibialis anterior, gastrocnemius medialis, gastrocnemius lateralis, soleus) kommer att mätas under löpbandsgang med ytelektromyografi (Delsys). EMG-signaler kommer att samlas in kontinuerligt och bearbetas för att kvantifiera muskelaktiveringsmönster under exoskelettassisterad gång.

Under löpbandsgångsförsök som genomfördes vid ett enda studiebesök

Kontrollparameterns konvergens kommer att bedömas under optimeringsförsök med människa i slingan genom att utvärdera förändringar i kontrollerns förstärkning och timingparametrar över successiva gångsekvationer. Konvergens definieras som stabilisering av kontrollparametrar inom ett fördefinierat intervall under optimeringsprocessen.