行走期间的比目鱼肌负荷反应

在这项基础科学研究中，参与者被分配到一个小组。 该协议包括在跑步机行走期间测试可穿戴动力脚踝装置及其控制算法。 使用塑料踝足矫形器和维可牢尼龙搭扣带将机器人踝装置连接到参与者的小腿和脚上。 机器人脚踝装置将戴在受损的一侧，而在行走过程中对侧是自由的。 参与者使用定制的矫形框架将脚（偏瘫侧）放在机器人脚踝装置上。 该设备的机械关节与参与者的踝关节中心对齐。 一条环绕在小腿周围的带子将参与者的腿连接到脚踝装置上，以确保机械关节旋转脚踝关节。 配合不应太紧，但应足够紧以防止相对（不需要的）位移。 电缆连接到一对电动机，该电动机在跖屈和背屈方向上施加扭矩。 该设备收集关节角度的测量值。 电机使用踝关节角度进行调节，以便机器人设备应用脚踝旋转扰动来诱导比目鱼肌活动的变化。 脚踝装置集成了放置在脚底下方脚跟和脚趾处的压力传感器，以收集垂直地面反作用力。

肌电图 (EMG) 传感器放置在比目鱼肌和胫骨前肌群上。 EMG 传感器使用生物相容性胶带粘合，以将传感器固定在皮肤上。 EMG 活动被放大、带通滤波（10-1000 赫兹）、以 3,000 赫兹采样并存储。 将有一名研究成员协助参与者放置 EMG 传感器。 在协议开始之前监测心率和血压。 使用可穿戴电子测角仪双侧记录踝关节、膝关节和髋关节运动学。 参与者佩戴连接到便携式系统（高架轨道和三脚架）的安全带，以防止跌落而不限制运动。 参与者可以使用紧急停止按钮立即停止实验。 参赛者可以口头要求工作人员按下紧急停止按钮。

在短时间的跑步机步行（每次 4-6 分钟）期间，参与者以自己选择的舒适的快速速度（例如 3.5-4 公里/小时）行走。 跑步机由电脑外部控制，调节跑带速度。 步态会话预计将持续约 60-90 分钟，以避免疲劳和肌肉反应随时间变化的变化。 在热身过程中，在站立姿势下收集足底屈肌最大自主收缩 (MVC)，并在不佩戴机器人脚踝装置的情况下记录步态运动学、肌肉肌电图和地面反作用力。

热身后，穿着机器人设备在跑步机上行走时，将使用开发的算法应用脚踝旋转，以在中后期站立阶段唤起比目鱼肌负荷反应。 控制算法应用脚踝扰动，这是从自然脚踝运动学转变为以每 4-6 个步态周期为目标的中晚期比目鱼肌负荷反应，以防止习惯化。 在跑步机行走期间控制扰动幅度、速度和时间。 由于设备应用的扰动（幅度和速度）的独特参数，跌倒风险最小，因为它在站立阶段短时间应用以引起肌肉反应（例如，它类似于机械拉伸反射）。 因此，扰动不适用于引导或辅助脚踝运动，这将对步态运动学产生重大影响。 在姿态内扰动窗口之外，脚踝控制被关闭。

对于任何步循环，只有两种情况是可能的。 参与者处于扰动或未扰动状态。 在扰动步循环中，参与者佩戴脚踝装置并施加力来改变踝足运动（即，装置被激活）。 在不受干扰的步循环中，参与者佩戴脚踝装置，但它不会施加力来改变踝足运动（即，该装置是被动的而不是主动的）。

步态会话包括 4-5 次步行回合，交织扰动和未扰动的步行步数（直到每次步行回合收集大约 30 个扰动和未扰动的步数的数据），在扰动的步数之前至少留下一个未扰动的步数。 在回合之间提供休息时间。

研究团队将在步态会议期间持续监控参与者并口头请求反馈以确保参与者的舒适和安全。 如果性能超过安全/期望的速度或扭矩范围，则自动和手动软件保护措施会停止会话。 步态会话结束时进行冷却，以测量关节运动学、肌肉 EMG 和在不佩戴设备的情况下推进行走。 在实验结束时，可穿戴传感器将被轻轻地从身体上取下。 研究人员将帮助参与者取下脚踝装置。

该研究涉及一个单一的小组，招募了 15 名没有已知神经系统疾病或骨科损伤史的个体。 比目鱼肌 EMG 的变化将在步态会话期间在扰动和未扰动的步行步骤之间进行比较。 对于主要措施（比目鱼肌肌电图反应），非扰动和扰动肌电图之间的差异将通过学生 t 检验进行评估健全个体的样本量使我们能够估计，具有双边 95% 的置信水平每个，比目鱼肌肌电图对扰动的反应在 5.4% 非扰动肌电图的误差范围内。 该计算基于先前的研究，其中具有 s.d. 的组分析。 0.87% 的变化（% 非扰动 EMG）在比目鱼肌 EMG 中观察到响应 1 deg/s 关节运动扰动在中晚期站立阶段（即，比目鱼肌 EMG 的变化与速度和速度线性相关） /或扰动的幅度）。 类似的s.d.为拟议的研究假设，它产生了 N = 15 健全个体的样本量。 此外，将研究 5 名因中风导致偏瘫和步态缺陷的参与者的样本量，以检查所提出的算法和设备唤起比目鱼肌负荷反应的可行性。 由于缺乏中风后参与者的数据可用性，s.d. 在对中风后的个体进行测试之前，无法定义未受干扰的比目鱼肌肌电图变化百分比。 因此，这项试点研究将提供初步结果，以表征由于中风后人应用的扰动导致的比目鱼肌肌电图。