Funkční elektrické stimulace, podpora

na Základě předchozí práce, jsme se rozhodli použít FES-indukované kmitáme pro zdatné kraul plavci. Kromě toho jsou plováky připevněny ke kotníkům, které vedou k flexi kolena a vzhůru pohybu kotníku v nestimulované noze., Na jedné straně to má za následek efektivnější držení těla ve vodě. Na druhé straně, to znamená, že požadovaný koleno pohyb může být realizován střídáním FES-indukované koleno rozšíření a pasivní koleno flexe způsobené plave. Proto jsou zapotřebí pouze dva stimulační kanály. Kvadriceps svaly obou nohou jsou střídavě stimulovány, kde byly stimulační elektrody umístěny v proximální části rectus femoris a bod motoru vastus medialis každé nohy., Stimulace, která se aplikuje se stimulační pulzní frekvencí 25 Hz, se zapíná a vypíná rychlostí 1 nebo 2 Hz, což má za následek přibližně jeden nebo dva kopy nohou na zdvih paže v závislosti na frekvenci zdvihu paže. Amplituda a pulsewidth se mohou měnit v rozmezí 0-100 mA a 0-500 µs. Obě hodnoty jsou zvýšeny / sníženy současně pro kontrolu generované svalové kontrakce.

Transkutánní stimulaci míchy

Transkutánní stimulaci míchy se používá s cílem snížit dolní končetiny spasticity během a po plavání., Proto stimulujeme aferentní vlákna zadních kořenů L2-S2 nepřetržitě při 50 Hz pomocí bifázických impulzů s šířkou 1 ms pulsu přes oblast T11/12 v míše podle . Poloha elektrody na zadní straně a amplituda stimulace byla stanovena tak, jak je uvedeno v. Zapnutím TSC se svalstvo kufru aktivuje na úrovni motoru jako pozitivní vedlejší účinek. To zlepšuje stabilitu kufru a narovná horní část těla. Jak je znázorněno na obr. 1, s FES a tSCS lze dosáhnout zjednodušené polohy plavání ve srovnání s žádnou stimulací u paraplegického subjektu.,

Ochrnutý předmětu (Th5/6, ASII měřítku) s a bez stimulace (FES+tSCS) pomocí plave na kotníky a šnorchl. Srovnání videa pro plavání s a bez stimulace podpory jsou k dispozici jak pro subjekty studie jako doplňkové soubory (Viz Další soubory 1 & 2)

experimentální nastavení

stimulátor

stimulační systém pro plavání znázorněný na obr. 2 používá stimulátor certifikovaný CE (RehaMove3, Hasomed GmbH, Německo) s přizpůsobeným firmwarem. Do zařízení je integrován jediný zdroj proudu a výstup zdroje je demultiplexován až pro 4 kanály. Stimulátor je umístěn uvnitř vodotěsného vaku pod plaveckým tričkem. Všechny stimulační kabely jsou tunelovány vakem a vypuštěny silikonem, aby se zabránilo vniknutí vody., Taška je připevněna popruhem na zádech plavce mezi lopatkami.

Stimulace-asistované koupání systému včetně vodotěsný stimulátor, vodotěsné IMUs, plováky na každém stopkou, a vodotěsné elektrody

stimulátor může být řízen pomocí membránové klávesnice, např. stimulace program může být vybrán, začal/přestal a stimulace intenzita může být upravena., Stimulátor je napájen z baterie a zdroj vysokého napětí je galvanicky izolován od energie baterie. Proto je vedení proudu vždy omezeno mezi pozitivní a negativní elektrodou každého stimulačního kanálu.

Vodotěsné stimulace elektrody

Vzhledem k tomu, že chlorovaná voda v bazénech má vodivost 2,5–3mS/cm, což má za následek odolnost 333-400 Ohm, přímá stimulace s non-vodotěsné elektrody by produkují parazitní zkratu mezi elektrodami během stimulace., Detekce chyb elektrody integrované do zařízení proto nemusí detekovat špatné spojení mezi elektrodou a pokožkou. Pokud se obě elektrody vznášejí ve vodě, pak by svaly nebyly stimulovány, protože proud vždy vede cestu nejmenšího odporu přímo přes vodu a ne tělo. Pokud se ve vodě vznáší pouze jedna elektroda, proud bude stále procházet zbývající pevně připojenou elektrodou a stále způsobí svalovou kontrakci pod touto elektrodou., Jediná potenciálně nebezpečné situace by nastat, když vodivé straně oddělený a plovoucí elektrody by náhodou být pevně přitisknuté na kůži horní části těla, od té doby se elektrické proudy mohou protékat citlivé orgány, jako je srdce. Aby se toto riziko minimalizovalo a kvůli omezené detekci chyb elektrody musí být elektrody bezpečně a pevně připevněny k pokožce. Kromě toho musí být strana elektrody směřující od těla izolována proti vodě. Možnými opatřeními jsou vodotěsné průhledné fólie, popruhy nebo plavecké tkaniny.,

v současné době nejsou na trhu k dispozici žádné vodotěsné stimulační elektrody. Většina transkutánní elektrody se skládají z vodivé hydrogelové lepidlo, které je připojeno přes vodivý film na vedení drátu nebo kovové snap stud a izolovaný, s izolační kryt. Pokud se hydrogelové lepidlo dostane do kontaktu s vodou, začne absorbovat vodu, zatímco tloušťka se zvyšuje. Proto se oblast s přímým kontaktem s vodou zvyšuje. Kromě toho je snížena adhezivní funkce elektrody., Přístupy pro podvodní EMG měření používá několik vrstev vodotěsné rány omítky s provrtal otvory pro vedení kabelů ke vodotěsné standardní lepicí EMG elektrody. Stejný postup lze použít pro stimulační elektrody, kde jsou standardní elektrody vodotěsné lepivými filmy, jako je TegadermTM nebo OpSiteTM.

Pro školení naší pilotní studie, která je popsána v další části, speciální elektrody vyvinut Axelgaard Manufacturing Co. Ltd byly použity, jak je znázorněno na obr. 3a., Jedna elektroda se skládá ze standardní elektrody s nadměrnou vodotěsnou podložkou. Adaptér snap je tunelován přes tuto podložku. Zbývající úkolem je pak připojte elektrodový kabel (převodník z snap adaptér 2 mm zdířky) a těsnění je vodotěsné průhledné fólie obvaz (3M Tegaderm, 3M Co., USA). Všechny kabely a kabelové připojení musí být také vodotěsné. V opačném případě dochází k parazitickým zkratům. Odnímatelné těsné silikonové trubky se ukázaly jako účinné při zakrytí spojení mezi elektrodovým olovem a stimulačním kabelem.,

Elektrody použité ve vodě: Axelgaard Ultrastim®snap elektroda s oversize nepromokavé podložce s elektrodou oblasti 22.,m2 pro tSCS (4 elektrody elektricky připojen na břiše a jeden na páteř) a FES (dvě elektrody pro každou čtyřhlavý sval), b. d Bezpečnost silikonové elektrody (VITAtronic Omezené, Německo) sestávající z izolační a vodotěsný kryt materiál a vodivá spodní materiál pro tSCS (2 x (b) elektricky připojen na břiše a 1 x (d) na zadní straně) a FES (2 x (c) pro každý čtyřhlavý sval)

nevýhodou lepicí elektrody s nadrozměrných vodotěsný podklad je, že po jediném kontaktu s vodou, nemohou být znovu použity., Proto je pro každou plaveckou relaci zapotřebí nová sada elektrod. Aby se snížily náklady a šetřilo životní prostředí, vhodnost opakovaně použitelných bezpečnostních silikonových elektrod znázorněných na obr. 3b až d byl vyšetřen v post-školení hodnocení zasedání. Tyto elektrody jsou k dispozici v různých velikostech (VITAtronic Limited, Německo) a lze je přímo připojit přes standardní 2 mm elektrodový konektor k simulačnímu kabelu., Vzhledem k non-vedení horní straně a zarámovaný izolace na vodivé straně kůže, žádné parazitní zkratu může dojít, když pevně připevnění elektrod na kůži. Materiál je non-lepidlo, které snižuje podráždění pokožky během snímání fáze ale naznačuje, že to musí být stanovena s úzkými rukávy, popruhy, vodotěsné průhledné fólie obvaz, nebo s pevně kolena-délka plavek. Během plavání je přítomen malý vodní film mezi kůží a vodivou částí silikonové elektrody. Proto nebyl přidán žádný další hydrogel., V této studii byly použity popruhy a plavky délky kolen pro elektrody nohou. Elektrody pro TSC byly fixovány vodotěsným průhledným filmovým obvazem.

Předměty, tréninkový protokol a výsledek opatření

Tato studie proveditelnosti byla provedena na Centrum Léčby Poranění Míchy v BerlinFootnote 1. Cílem studie bylo prozkoumat účinky plavání podporovaného stimulací u dvou pacientů se SCI s úplnou paralýzou dolních končetin po poranění páteře s lézí nad Th10. Účastníci musí být zdatní přední plavci.,

Oba přijati předměty (A: věk 40, čas od zranění 10 let, B: věk 58, čas od zranění 36 let), jsou v ASII poškozením měřítku A s lézí na úrovni Th5/6 a dal písemný informovaný souhlas. Oba si stěžují na mírné klonus dolních končetin a břicha během změny polohy, a Téma zkušenosti nohu extensor křeče čas od času. Subjekt B trpí kontrakturou kyčelního kloubu.

po náboru a počátečním posouzení byly subjekty požádány, aby doma absolvovaly čtyřtýdenní cyklistický trénink FES., Během této pozemní přípravy, cvičili alespoň třikrát týdně po dobu 30 min s standardní FES cyklistický ergometr (RehaMove, Hasomed GmbH, Německo). Tento předběžný cyklistický trénink FES byl potřebný k vybudování definované základní síly a vytrvalosti pro plaveckou fázi. Během plavecké fáze byla cyklistická aktivita FES snížena na dvakrát týdně.

celý plavecký trénink trval 10 týdnů. Pacienti byli požádáni, aby se zúčastnili slabě plavat trénink, který trval mezi 30 až 45 min (s výjimkou nasazení a sejmutí)., Jako bezpečnostní opatření byly plavání vždy doprovázeny vyškoleným strážcem bazénu. Kromě toho jsou všechny rekrutované subjekty schopny plavat bez stimulace. Trénink probíhal v bazénu o délce 16 m. Předmět použitý šnorchl během přední procházení plavání.

Před prvním použitím tSCS během plavání, elektrody pozici na míchu a intenzita stimulace pro spasticity léčby byly zjištěny a zdokumentovány. Nalezené konstantní intenzita stimulace byla aplikována ve všech trénincích, když tSCS byl.,

stimulace amplitudy pro oba čtyřhlavý sval byly totožné a byly zvoleny tak, aby způsobit téměř plné koleno, rozšíření, zatímco předměty odpočíval na okraji bazénu s vzpřímené horní části těla. Před každým kolem byl pohyb nohou přehodnocen a amplituda stimulace se v případě potřeby zvýšila, aby se kompenzovala svalová únava. Mezi koly byla zachována přestávka nejméně jedné minuty.

na začátku každého tréninku plavání byly měřeny časy kol. Proto byli subjekty instruováni, aby plavali každých 16 M kolo co nejrychleji., Při srovnávacích měřeních byly nejprve provedeny časy pro plavání bez podpory, poté s podporou FES a nakonec časy pro podporu Fes plus tSCS. Tuto objednávku jsme použili tak, aby výsledky studií se zvyšujícím se množstvím podpory byly více ovlivněny svalovou únavou a poté zkouškami s menší nebo žádnou podporou. Po tomto počátečním posouzení se po zbytek zasedání uskutečnilo školení s preferovanou podporou (FES nebo FES plus TSC) při vlastní zvolené rychlosti plavání., Pokud FES plus tSCS byla vybrána jako přednostní podporu, pak tSCS byl vždy aktivní také v přestávkách mezi kola, zatímco FES byl vypnut během těchto přestávek.

Existují tři hlavní otázky, které musí být zodpovězeny v této pilotní studie:

• Má rychlost plavání, hodnotí časy, zvýšení ve srovnání s non-asistované koupání?

• zlepšuje se celková pohoda subjektu během studie?

• jak je přijetí technologie uživatelem?,

subjekty byly požádány, aby hodnotit terapie na základě předdefinované příkazy pomocí pěti-grade stupnici mezi úplným smlouvy a dohody. Pomocí výsledku dotazníku lze odpovědět na poslední dvě otázky.,

IMU-based motion analysis během plavání

Post-školení hodnocení

Devět měsíců po dokončení celého plaveckého tréninku etapa, po které jsme nabyli vhodný systém pro měření, provedli jsme další plavání relace se každého ze dvou předmětů pro sledování účinků stimulace různé programy na noze a trupu pohybu. Oba subjekty byly instruovány, aby opakovaně plavat kola bez podpory, podpora tSCS, podpora FES, a podpora Fes plus tSCS tak rychle, jak je to možné.

nastavení senzoru

bylo použito nositelné nastavení senzoru., Wavetrack (Cometa srl, Itálie) je bezdrátový a vodotěsný inerciální senzorový systém sestávající z několika časově synchronizovaných inerciálních měřicích jednotek (IMUs). Tyto inerciální senzory poskytují trojrozměrná měření zrychlení, úhlové rychlosti a vektoru magnetického pole při frekvenci 286 Hz. Údaje senzoru byly použity k určení úhlů kloubů obou kolen a obou boků, jakož i úhlů orientace válce kmene na krční a bederní úrovni., Za tímto účelem, čtyři IMUs byly oboustranně připojené k vnější stehna a dříku, a dva IMUs byly umístěny na horní a dolní zpět, jak je znázorněno na Obr. 4a a b. Všimněte si, že je zobrazena pouze levá noha. Pro oba IMUs na pravé noze, místní x-osy podélně směrem k nohám, ale z-osa směřuje laterálně vpravo, což znamená, že y-osy vpředu.

IMU zarovnání a umístění na levé noze., Místní osy x jsou zarovnány s podélnou osou těla. Osa z směřuje bočně doleva. B IMU zarovnání a umístění na horní a dolní části zad. Lokální osa x je v souladu s podélné osy těla, zatímco osa y ukazuje na pravé straně

stejně Jako všechny senzory jsou umístěny pod vodou během celého měření, bezdrátový přenos dat (streaming) není možnost. Proto se provádí offline záznam dat. Sběr dat a časová synchronizace senzorů je iniciována pomocí dálkového ovládání., Nahrávání začíná před vstupem subjektu do bazénu. Po opuštění bazénu je záznam zastaven a data jsou přenášena ze senzorů do počítače. Software EMGandMotionTools (Cometa srl, Itálie) byl použit pro přenos dat a Nastavení senzorů. Je pravda, že kvůli ztrátě komunikace mezi senzory, když jsou umístěny pod vodou, je vychován synchronizační drift. Vzhledem k tomu, že tento drift nepřesahuje několik milisekund za hodinu a všechny akvizice trvají přibližně 30 až 45 minut, je účinek na data považován za irelevantní.,

všechny senzory byly připevněny k pokožce pomocí oboustranné lepicí pásky pro hrubou fixaci. Následně byla použita průhledná fólie 3m Tegaderm, aby se zabránilo pohybu a uvolnění senzorů během plaveckého procesu.

odhad úhlu spáry a role

pro každý segment těla se hodnoty IMU používají k odhadu orientace segmentu vzhledem k inerciálnímu referenčnímu rámci., Aby se zabránilo předpokladu homogenní magnetické pole uvnitř budovy a to zejména uvnitř vody, jsme se zdržely použití magnetického pole vektor měření a pojistka pouze měří zrychlení a úhlové sazby pomocí modulární čtveřice-based algoritmus senzor fúze . Je třeba poznamenat, že orientace získaná takový 6-axis senzor fusion nelze použít pro společné úhlu výpočet přímo od vykazují libovolný nadpis offset a drift pomalu kolem svislé osy., S přesným odhadem zkreslení může být tento drift tak pomalý jako jeden stupeň za deset sekund, ale nebude snížen na dokonalou nulu.

abychom překonali tuto nevýhodu přístupu bez magnetometru, využíváme přibližné kinematické omezení kyčelního a kolenního kloubu. Během považován za flutter kop pohyb nohy, kyčle a kolena pohybovat přibližně jako závěs klouby – flexe/extenze je dominantní pohybu, zatímco addukce/abdukce a vnitřní rotace vyskytují pouze v omezené míře., Tato přibližná kinematická omezení využíváme pomocí nedávno vyvinutého algoritmu sledování relativních čísel . Tento algoritmus bere orientaci kvaternionů obou segmentů přiléhajících ke kloubu a koriguje Nadpis orientace distálního segmentu tak, že společné omezení je splněno ve váženém smyslu nejmenších čtverců. Tuto metodu aplikujeme opakovaně, počínaje segmentem dolní části zad a pohybujeme se distálně směrem k stopkám.,

následně získáme sedm kvaternionů, které popisují orientace segmentu těla vzhledem ke společnému inerciálnímu referenčnímu rámci. Můžeme tedy vypočítat úhly kloubů z těchto kvaternionů. Relativní společné orientace se nacházejí vynásobením konjugátu proximální orientace distální orientací. Společné úhly jsou pak vypočítá vnitřní Eulerova úhlu rozklad tohoto relativní orientace čtveřice. Všimněte si, že úhly prodloužení kyčle i kolena jsou definovány tak, že jsou 180 stupňů pro dokonale rovnou nohu.,

nakonec je úhel role horní a dolní části zad určen z odpovídajícího orientačního kvaternionu. Toho je dosaženo tím, že změní místní zleva doprava osa, tj. osa y IMU, do inerciální referenční rámec a pak určení úhlu mezi osou a vodorovnou rovinou, jak je znázorněno na Obr. 5. Všimněte si, že tento úhel je definován pozitivně, když je pravá strana kufru nižší než levá strana.

Definice kolena a kyčle rozšíření úhlu, stejně jako kufr roll úhel,

A rozdělení zaznamenaných dat se provádí na základě normy 3D vektor zrychlení detekce odpočinek a pohybová fáze. Pouze první kolo každé podpůrné modality je exportováno a zkoumáno. Z extrahované údaje o kole, v době, samozřejmě, více než 7 úderů v polovině kola byl vybrán analyzovat společné a roll úhly pomocí boxplots., V důsledku toho jsou fáze startu a zastavení každého kola vyloučeny z analýzy dat.