基于超声成像的人体踝关节运动意图感知及踝关节辅助控制策略

该研究将招募最多20名没有任何神经肌肉疾病的人和5名患有不完全性脊髓损伤（iSCI）或横贯性脊髓炎的人进行实验，他们年龄在18-64岁之间。 研究活动平均包括 8 次实验。 会话可以多于或少于 8 个会话，具体取决于主题可用性、足够的数据进行分析或需要获取更多数据进行分析。 第一个目标是研究肌肉运动和肌肉电活动 (sEMG) 的超声测量，以预测人类踝关节产生的自主运动或扭矩。 基于自主运动或扭矩，功能性电刺激 (FES) 将用于人工刺激踝关节肌肉，或者动力踝关节外骨骼将用于在踝关节提供额外的帮助。 FES 电极将放置在下肢皮肤表面的适当位置，以便获得最佳运动。

任务类型 1：在没有和有外部帮助的情况下自愿坐姿任务。

第 1 节：无 FES 的自愿脚踝向上和向下运动。 一对 sEMG 传感器将通过双面胶带放置在参与者的小腿前部和背部肌肉上。 一对美国成像换能器将连接到相同的小腿前后肌肉，以成像踝关节上下运动期间肌肉的活动。 一对运动传感器将连接到小腿和脚上，以测量踝关节的角位置和速度。 力传感器将放置在脚底和刚性平台之间，以测量脚踝向上和向下运动期间的相互作用力。 美国成像测量、来自 sEMG 传感器的电信号、来自力传感器的接触力以及运动传感器和相机测量将同时收集。 可以从参与者的一条或两条腿收集数据。

第 2 节：在没有 FES 的情况下，脚踝向内和向外的自愿侧向运动。 在第 2 节中，参与者将进行左右脚踝运动。 在实际实验之前，将规定与第 1 节类似的培训程序。 在左右脚踝运动期间，将获得连接到参与者腿和脚的传感器（与第 1 节相同）的多次测量。 在session 1和session 2中，对于每个运动方向（上、下、内、外），将进行10次重复试验，每次试验将持续10分钟，包括训练、数据收集、数据保存和休息时间以免肌肉疲劳。 每个会话可能持续大约 4 小时。

第 3 节：使用 FES 辅助脚踝上下运动。 会话 1 中提到的类似配置将应用于此会话。 此外，FES 将用于通过将基于美国成像的测量作为反馈来控制脚踝向上或向下运动。 在 FES 系统中，对于脚踝向上运动，负电极将放置在前部肌肉的肌肉腹部上方，而正电极将放置在小腿下方。 对于脚踝向下运动，将使用两个大电极来激活整个背部肌肉。 这些电极将连接到一个电刺激器，该刺激器由计算机软件控制。 对于脚踝向上和脚踝向下运动，将使用具有 100-400 微秒脉冲宽度和 20-40 Hz 频率的低电流波形。 电流范围将在 0-60 毫安之间。 在所有情况下，为使用而定义的脉冲持续时间不会超过 400 微秒的上限。 将记录每个实验会话中用于参与者的刺激参数，并且还将记录会话期间刺激参数的任何变化。

第 4 节：使用 FES 系统向内和向外辅助脚踝侧向运动。 会话 2 中提到的类似配置将应用于此会话。 FES 将通过以基于美国成像的测量作为反馈，用于人工刺激肌肉并控制脚踝向内或向外的侧向运动。 对于向内和向外的脚踝侧向运动，相同的 FES 参数和调制方法将如会话 3 中所述实施。 在实验过程中，将同时收集美国基于成像的测量以及运动和相机测量。 可以从参与者的一条或两条腿收集数据。 在session 3和session 4中，对于每个运动方向（上、下、内、外），将进行10次重复试验，每次试验将持续10分钟，包括训练、数据收集、数据保存和休息时间以免肌肉疲劳。 每个会话可能持续大约 4 小时。 如果在分析过程中发现会话期间获得的数据不令人满意，则可能会要求参与者返回。 下一次访问将在参加者方便时进行，至少在第 1 和第 2 节 24 小时后，以及第 3 和第 4 节 72 小时后。

任务类型 2：在没有和有外部协助的情况下在跑步机上的自愿动态步行任务 第 5 节：没有 FES 或踝关节外骨骼的动态步行任务。 与任务类型 1 中的第 1 节和第 3 节类似，sEMG 传感器和超声成像传感器将连接到前面提到的前后小腿上的相同位置。 多个反射标记将连接到对象的下肢，以基于运动捕捉系统测量运动学数据。 在第 5 节中，参与者将被要求在带有两条分叉带的跑步机上静止站立 30 秒。 每条腰带下方的力传感器将用于测量腰带与参与者脚底之间的地面反作用力，同时还将收集静态站立姿势期间小腿肌肉的sEMG信号和超声成像. 然后将要求参与者以 0.5、0.75、1.0、1.25 和 1.5 m/s 的速度在跑步机上行走。 对于每种速度，步行的前 5 分钟将作为参与者的热身，以适应可穿戴设备的步行模式。 热身后，在接下来的每一个步行速度的2分钟内，同步同步记录小腿肌肉的地面反作用力、sEMG信号和超声成像，以及反射标记的坐标。

第 6 节：使用 FES 或踝关节外骨骼但没有动力辅助的动态步行任务。 除了第 1 节中描述的设置外，FES 电极将放置在前小腿肌肉上，踝关节外骨骼将放置在后小腿上。 与第 5 节中提到的相同的数据收集也将包括在内。 在这个环节中，不会对参与者的骨骼肌进行刺激，也不会为踝关节外骨骼电机提供动力。

第 7 节：基于旧控制方法的 FES 或踝关节外骨骼的动态步行任务。 实验设置和程序将与第 2 节中提到的相同。在行走动态任务期间，动力 FES 和踝关节外骨骼将用于根据普遍存在的人体运动意图为脚趾向上和脚趾向下运动提供辅助。在其他出版物中应用控制方法。 在每次 2 分钟的数据收集期间，将实时收集和处理 sEMG 信号，以控制 FES 或踝关节外骨骼系统。 此外，前后小腿肌肉的超声成像时序、反射标记坐标、地面反作用力、FES电流幅值或脉冲宽度、外骨骼电机扭矩将同步同步采集。

第 8 节：基于联合超声成像和 sEMG 的按需辅助控制方法，使用 FES 或踝关节外骨骼的动态步行任务。 实验设置和程序将与第 7 节中提到的相同。唯一的区别是旧的控制方法将被新提出的通过结合超声成像和 sEMG 信号的按需辅助控制方法所取代。 数据收集将与会话 7 相同。 第二节5-8节中，每组速度步行7分钟后，提供10分钟休息时间。 每节课最长可达 4 小时，包括约 45 分钟的动作捕捉系统校准和设备设置，以及约 3 小时的跑步机步行实验。 如果在分析过程中发现会话期间获得的数据不令人满意，则可能会要求参与者返回。 下一次访问将在参与者方便时进行，至少在 72 小时后进行。 此外，为了安全起见，对于第3、4、7和8节，将添加一个安全停止按钮，供参与者在参与者想要停止实验或参与者在实验过程中感到不舒服时停止实验。 .

对于患有 iSCI 或横贯性脊髓炎的参与者：在参与者准备好参与这项研究之前，参与者将被要求填写一些问卷，这些问卷将收集人口统计信息和他们的病史。 参与者还将参加体检。 体检将由教堂山门诊康复诊所的医师克里斯汀·克利夫兰医生完成。 体格检查和填写病史表需要 60 分钟。 身体检查将包括感官检查（参与者将被要求闭上眼睛并报告参与者是否感觉到棉球等轻触感，以及参与者是否能够区分尖锐和钝感感觉）和运动考试（调查人员将检查参与者移动他/她的手臂和腿的能力）。 调查人员还将测量参与者的心率和血压。 如果怀孕，参与者将没有资格参加研究，并且必须停止研究。 研究人员将进行筛查以检查对 FES 的敏感性或反应。 此测试的目的是让参与者体验 FES，并根据体验决定刺激是否可以忍受以及参与者是否愿意参与研究。 测试刺激训练将应用于参与者的下肢肌肉。 参赛者可以随时停止本次测试并拒绝继续参加。 如果参与者对 FES 做出反应而没有疼痛感并希望参与这项研究，研究人员将在开始实际研究之前联系参与者的医生以获得医疗证明并验证参与者的受伤程度。 在参加研究之前，参与者将需要从他/她的医生那里获得签署的医疗证明表格。 在从医生处获得参与本研究的许可后，如果参与者符合条件（请要求 Nitin Sharma 或研究团队成员向参与者提供 S 组资格清单）并选择参与本研究，则参与者将被要求在第一次访问期间到 PI 的实验室和 BME 步态实验室填写同意书。