Funktionel elektrisk stimulering, støtte

Baseret på tidligere arbejde, besluttede vi at bruge FES-induceret flutter spark for dygtige crawl svømmere. Endvidere er flåd fastgjort til anklerne, der fører til knæbøjning og en opadgående bevægelse af ankelen i et ikke-stimuleret ben., På den ene side resulterer dette i en mere strømlinet kropsholdning i vandet. På den anden side indebærer det, at den ønskede knæbevægelse kan realiseres ved at skifte mellem FES-induceret knæforlængelse og passiv knæbøjning forårsaget af svømmerne. Derfor er der kun brug for to stimuleringskanaler. Quaduadriceps musklerne i begge ben stimuleres skiftevis, hvor stimuleringselektroderne blev anbragt i den proksimale del af rectus femoris og motorpunktet for vastus medialis i hvert ben., Stimuleringen, der påføres med stimuleringspulsfrekvens på 25 h., tændes og slukkes med en hastighed på 1 eller 2 h., hvilket resulterer i cirka et eller to ben spark pr. Amplituden og pulseididth kan varieres i intervallerne henholdsvis 0-100 mA og 0-500 µs. Begge værdier øges / formindskes samtidigt for at kontrollere den genererede muskelkontraktion.

transkutan rygmarvsstimulering

transkutan rygmarvsstimulering anvendes med det formål at reducere spasticitet i underekstremiteterne under og efter svømning., Derfor stimulerer vi de afferente fibre i de L2-s2 bageste rødder kontinuerligt ved 50 h .ved anvendelse af bifasiske pulser med 1 ms pulsbredde over T11/12-regionen ved rygmarven ifølge. Elektrodepositionen bagpå og stimuleringsamplituden er bestemt som beskrevet i . Ved at tænde for TSC ‘ erne aktiveres bagagerumsmuskulaturen på et motorniveau som en positiv bivirkning. Dette forbedrer bagagerumsstabiliteten og retter overkroppen. Som vist i Fig. 1, kan en strømlinet svømmeposition opnås med FES og TSC ‘ er sammenlignet med ingen stimulering i et paraplegisk emne.,

Paraplegiker emne (Th5/6, ASIEN skala A) med og uden stimulering (FES+tsc-registreringer korrekt) med flåd på ankler, og en snorkel. Sammenligning af videoer til at svømme med og uden stimulering støtte er til rådighed for både forsøgspersoner i undersøgelsen som supplerende filer (Se Additional files (flere filer 1 & 2)

eksperimentel opsætning

Stimulator

stimuleringssystemet til svømning vist i fig. 2 beskæftiger en CE-certificeret stimulator (RehaMove3, Hasomed GmbH, Tyskland) med tilpassede firmware. En enkelt strømkilde er integreret i enheden, og udgangen af kilden demultiplekseres i op til 4 kanaler. Stimulatoren er placeret inde i en vandtæt taske under svømmerens T-shirt. Alle stimulationskabler tunneleres gennem posen og drænes med silikone for at forhindre vandindtrængning., Tasken er fastgjort med en rem på svømmerens ryg mellem skulderbladene.

Stimulation-assisteret swimming-system, herunder en vandtæt stimulator, vandtæt IMUs, flyder på hver enkelt skaft, og vandtæt elektroder

stimulatoren kan styres via membran tastatur fx stimulation program, der kan vælges, startes/stoppes og stimulering intensitet kan justeres., Stimulatoren er batteridrevet, og højspændingskilden er galvanisk isoleret fra batteristrømmen. Derfor er den nuværende ledning altid begrænset mellem den positive og den negative elektrode af hver stimuleringskanal.

Vandtæt stimulation elektroder

på Grund af det faktum, at chlorerede vand i svømmebassiner har en ledningsevne på 2,5–3mS/cm, hvilket resulterer i modstand af 333-400 Ohm, en direkte stimulation med ikke-vandtæt elektroder, der ville producere en parasitisk kortslutning mellem elektroderne under stimulation., Derfor registrerer den enhedsintegrerede elektrodefejldetektion muligvis ikke en dårlig forbindelse mellem elektroden og huden. Hvis begge elektroder flyder i vand, vil musklerne ikke blive stimuleret, fordi strømmen altid tager vejen for mindst modstand direkte gennem vandet og ikke kroppen. Hvis kun en elektrode flyder i vand, vil strømmen stadig passere gennem den resterende fast fastgjorte elektrode og vil stadig forårsage en muskelkontraktion under denne elektrode., Den eneste potentielt farlige situation ville opstå, når den ledende side af en løsrevet og flydende elektrode ved et uheld ville blive presset fast mod overkroppens hud, da elektriske strømme kan strømme gennem følsomme organer, såsom hjertet. For at minimere denne risiko og på grund af den begrænsede elektrodefejldetektion skal elektroderne være sikkert og fast fastgjort til huden. Desuden skal elektrodesiden, der vender væk fra kroppen, isoleres mod vand. Mulige foranstaltninger er vandtæt gennemsigtig filmdressing, stropper eller svømmeklude.,

i øjeblikket er der ingen vandtætte stimuleringselektroder tilgængelige på markedet. De fleste transkutane elektroder består af et ledende hydrogelklæbemiddel, der er forbundet via ledende film til en ledning eller metal snap stud og isoleret med et isolerende dæksel. Hvis hydrogelklæbemidlet kommer i kontakt med vand, begynder det at absorbere vand, mens tykkelsen øges. Derfor øges området med direkte kontakt til vandet. Endvidere reduceres elektrodens klæbende funktion., Tilgange til EMG-måling under vand i brugte flere lag vandtæt sårgips med tunnelede huller til blyledningerne til vandtætte STANDARDKLÆBENDE EMG-elektroder. Den samme procedure kan anvendes til stimulation elektroder, hvor standard elektroder er vandtæt med klæbende film, ligesom TegadermTM eller OpSiteTM.

til træningssessionerne i vores pilotundersøgelse, som er beskrevet i næste underafsnit, specielle elektroder udviklet af a .elgaard Manufacturing Co. Ltd er blevet anvendt, som vist i Fig. 3a., En enkelt elektrode består af en standardelektrode med en overdimensioneret vandtæt bagside. Snapadapteren er tunneleret gennem denne bagside. Den resterende opgave er derefter at forbinde elektrodeledningen (Konverter fra snapadapteren til 2 mm stik) og forsegle den med en vandtæt gennemsigtig filmforbinding (3M Tegaderm, 3M Co., USA). Alle kabler og kabelforbindelser skal også være vandtætte. Ellers forekommer parasitære kortslutninger. Aftagelige stramme silikonerør viste sig at være effektive til at dække forbindelsen mellem elektrodeledningen og stimuleringskablet.,

Elektroder, der anvendes i vand: en Axelgaard Ultrastim®snap-elektrode med oversize vandtæt underlag med en elektrode område af 22.,m2 for tsc-registreringer korrekt (4 elektroder, der er elektrisk forbundet til maven og ryggen) og FES (to elektroder for hver quadriceps), b, c og d Sikkerheds-silikone elektroder (VITAtronic Begrænset, Tyskland), der består af en isolerende og vandtæt cover materiale og en ledende bunden materiale til tsc-registreringer korrekt (2 x (b) elektrisk forbundet til maven og 1 x (d) for tilbage), og for FES (2 x (c) for hver quadriceps)

En ulempe af selvklæbende elektroder med overdimensionerede vandtæt bagside er, at efter en enkelt berøring med vand, at de ikke kan genbruges., Derfor er der brug for et nyt sæt elektroder for hver svømmesession. For at reducere omkostningerne og for at spare miljøet, egnetheden af genanvendelige silikoneelektroder vist i Fig. 3b til d er blevet undersøgt i en evalueringssession efter træning. Disse elektroder Fås i forskellige størrelser (VITAtronic Limited, Tyskland) og kan tilsluttes direkte via et standard 2 mm elektrodestik til simuleringskablet., På grund af den ikke-ledende overside og den indrammede isolering på den ledende hudside kan der ikke forekomme parasitisk kortslutning, når elektroderne fastgøres fast på huden. Materialet er ikke-klæbende, hvilket reducerer hudirritation i doffingfasen, men indebærer, at det skal fastgøres med stramme ærmer, stropper, vandtæt gennemsigtig filmdressing eller med stramme knælange Badedragter. Under svømning er der en lille vandfilm mellem huden og den ledende del af silikoneelektroden. Derfor blev der ikke tilføjet yderligere hydrogel., Stropper og knælange badedragter er blevet brugt i denne undersøgelse til benelektroderne. Elektroderne til TSC ‘ er er blevet fikseret ved vandtæt gennemsigtig filmdressing.

forsøgspersoner, træningsprotokol og resultatmålinger

denne gennemførlighedsundersøgelse blev udført på behandlingscentret for rygmarvsskader i BerlinFootnote 1. Formålet med undersøgelsen var at undersøge virkningerne af stimuleringsstøttet svømning hos to SCI-patienter med fuldstændig lammelse af de nedre ekstremiteter efter rygmarvsskade med en læsion over Th10. Deltagerne skal være dygtige front CRA .l svømmere.,

Begge ansat fag (En: alder 40, tid siden skade, 10 år, B: alder 58, tid siden skade, 36 år) er ASIEN nedskrivning skalaen med læsion niveau Th5/6 og gav skriftligt, informeret samtykke. De klager begge over en moderat klon i underekstremiteterne og maven under positionsændringer og udsætter en oplevelse af benforlængelsespasmer fra tid til anden. Emne B lider af en hofteledskontraktur.

efter rekrutteringen og den indledende vurdering blev fagene bedt om at gennemføre en fire ugers Fes-cykeltræning derhjemme., Under denne landtræning trænede de mindst tre gange om ugen i 30 minutter med et standard Fes-cykelergometer (RehaMove, Hasomed GmbH, Tyskland). Denne foreløbige Fes cykeltræning var nødvendig for at opbygge en defineret baseline styrke og udholdenhed for svømning fase. Under svømmefasen blev Fes cykelaktivitet reduceret til to gange om ugen.

hele svømmetræningen varede i 10 uger. Emner blev bedt om at deltage i den svage Svømmetræning, der varede mellem 30 og 45 minutter (undtagen donning og doffing)., Som en sikkerhedsforanstaltning blev svømmesessionerne altid ledsaget af en trænet poolvagt. Desuden er alle rekrutterede personer i stand til at svømme uden stimulering. Træningen blev udført ved en 16 m pool. Emne en brugt en snorkel under front CRA .l svømning.

før første brug af TSC ‘ er under svømning blev elektrodepositionen ved rygmarven og stimuleringsintensiteten til spasticitetsbehandling identificeret i henhold til og dokumenteret. Den fundne konstante stimuleringsintensitet blev anvendt i alle træningssessioner, når TSC ‘ er var tændt.,

stimuleringsamplituderne for begge quaduadriceps var identiske og er valgt til at forårsage en næsten fuld knæforlængelse, mens forsøgspersonerne hvilede ved kanten af S .immingpoolen med en opretstående overkrop. Før hvert skød blev benbevægelsen revurderet, og stimuleringsamplituden steg om nødvendigt for at kompensere for muskel træthed. En pause på mindst et minut blev holdt mellem omgange.

i begyndelsen af hver Svømmetræning blev omgangstider målt. Derfor blev forsøgspersonerne instrueret om at svømme hver 16 m skød så hurtigt som muligt., Når der blev foretaget sammenlignende målinger, blev først tiderne for svømning uden støtte taget, derefter med FES-støtte og til sidst tiderne for FES plus tscs-støtte. Vi brugte denne ordre, så resultaterne for forsøg med stigende mængde støtte er mere påvirket af muskulær træthed end forsøgene med mindre eller ingen støtte. Efter denne indledende vurdering fandt træning med den Foretrukne support (FES eller FES plus tSCS) sted for resten af sessionen ved selvvalgt svømmehastighed., Hvis FES plus TSC ‘er er valgt som foretrukken support, var TSC’ er altid aktive også i pauserne mellem omgange, mens FES blev slukket i disse pauser.

Der er tre hovedspørgsmål, der skal besvares i denne pilotundersøgelse:

• stiger svømmehastigheden, vurderet efter omgangstider, sammenlignet med ikke-assisteret svømning?

• forbedres individets generelle trivsel under forsøget?

• hvordan accepterer brugeren teknologien?,

forsøgspersonerne blev bedt om at bedømme behandlingen på grundlag af foruddefinerede udsagn ved hjælp af en fem-grade skala mellem fuld aftale og ingen aftale. Ved hjælp af resultatet af spørgeskemaet kan de to sidste spørgsmål besvares.,

IMU-baseret bevægelsesanalyse under svømning

Post-uddannelse vurdering

Ni måneder efter afslutningen af hele svømme træning fase, efter at vi havde fået en passende måling system, har vi udført en supplerende svømning session med hver af de to fag til at overvåge virkningerne af de forskellige stimulations-programmer på ben og krop i bevægelse. Begge forsøgspersoner blev instrueret til gentagne gange at svømme omgange uden støtte, tscs support, Fes support, og FES plus tscs support så hurtigt som muligt.

Sensoropsætning

der blev anvendt en bærbar sensoropsætning., Det anvendte system Comavetrack (Cometa srl, Italien) er et trådløst og vandtæt inertialsensorsystem bestående af flere tidssynkroniserede inertialmåleenheder (IMUs). Disse inertialsensorer giver tredimensionelle målinger af acceleration, vinkelhastighed og magnetfeltvektor ved en frekvens på 286 h.. Sensordataene blev brugt til at bestemme ledvinklerne på begge knæ og begge hofter samt rulleorienteringsvinklerne på bagagerummet på livmoderhalsen og lænden., Til dette formål blev fire IMU ‘er bilateralt fastgjort til det ydre lår og skaft, og to IMU’ er var placeret på den øvre og nedre del af ryggen, som vist i fig. 4a og b. Bemærk, at kun det venstre ben er afbildet. For både IMUs på højre ben, den lokale x-aksen peger i længderetningen mod fødderne, men z-aksen peger sidelæns til højre, hvilket indebærer, at y-aksen peger fortil.

a IMU justering og placering på venstre ben., De lokale axes-akser er på linje med den langsgående kropsakse. Z-aksen peger sideværts til venstre. B IMU justering og placering på den øvre og nedre ryg. Den lokale x-aksen er tilpasset den langsgående krop-aksen, medens y-aksen peger til højre

Som alle sensorer er placeret under vandet under hele målingen, trådløs overførsel af data (streaming) er ikke en mulighed. Derfor udføres en offline dataregistrering. Dataindsamlingen og tidssynkroniseringen af sensorerne initieres ved hjælp af fjernbetjening., Optagelsen begynder, før motivet kommer ind i poolen. Efter at have forladt poolen stoppes optagelsen, og dataene overføres fra sensorerne til en PC. Soft .aren EMGandMotionTools (Cometa srl, Italien) blev brugt til dataoverførsel og sensorindstillinger. Ganske vist på grund af tabet af kommunikation mellem sensorerne, når de er placeret under vand, uddannes en synkroniseringsdrift. Da denne drift imidlertid ikke overstiger et par millisekunder i timen, og alle erhvervelser varer mellem cirka 30 Til 45 minutter, betragtes effekten på dataene som irrelevant.,

alle sensorer blev fastgjort til huden ved hjælp af dobbeltsidet tape til grov fiksering. Derefter blev der anvendt en gennemsigtig 3M Tegaderm-film for at forhindre bevægelse og løsning af sensorerne under svømmeprocessen.

estimering af led-og rullevinkel

for hvert kropssegment bruges IMU-aflæsningerne til at estimere segmentorienteringen i forhold til en inertial referenceramme., For at undgå den antagelse, at et homogent magnetfelt inde i bygningen, og især i det vand, vi afstår fra at bruge den magnetiske felt vektor målinger og sikring kun de målte accelerationer og kantede priser ved hjælp af et modulært quaternion-baserede sensor fusion algoritme . Det skal bemærkes, at orienteringer opnået ved en sådan 6-akset sensorfusion ikke kan anvendes til beregning af ledvinkel direkte, da de udviser en vilkårlig overskriftsforskydning og glider langsomt rundt om den lodrette akse., Med nøjagtig bias estimering kan denne drift være så langsom som en grad på ti sekunder, men den vil ikke blive reduceret til perfekt nul.

for at overvinde denne ulempe ved den magnetometerfrie tilgang udnytter vi omtrentlige kinematiske begrænsninger i hofte-og knæleddet. Under den betragtede flutter kick-bevægelse af benene bevæger hofte – og knæet sig omtrent som hængselled-bøjning/forlængelse er den dominerende bevægelse, mens adduktion/bortførelse og intern rotation kun forekommer i begrænset grad., Vi udnytter disse omtrentlige kinematiske begrænsninger ved hjælp af en nyligt udviklet relativ overskrift sporing algoritme . Denne algoritme tager orienteringskvaternionerne for begge segmenter ved siden af leddet og korrigerer overskriften for det distale segments orientering, således at den fælles begrænsning er opfyldt i en vægtet mindste kvadraters forstand. Vi anvender denne metode gentagne gange, startende fra nedre del af ryggen og bevæger sig distalt mod skaftet.,

følgelig opnår vi syv kvaternioner, der beskriver kropssegmentorienteringerne med hensyn til en fælles inertial referenceramme. Vi kan således beregne fælles vinkler fra disse kvaternioner. De relative fælles orienteringer findes ved at multiplicere konjugatet af den pro proximimale orientering med den distale orientering. De fælles vinkler beregnes derefter ved indre Euler vinkel nedbrydning af denne relative orientering kvaternion. Bemærk, at både hofte-og knæforlængelsesvinkler er defineret således, at de er 180 grader for et perfekt lige ben.,

endelig bestemmes rullevinklen på øvre og nedre ryg ud fra den tilsvarende orienteringskvaternion. Dette er opnået ved at omdanne den lokale venstre-til-højre akse, dvs y-aksen for de ÆLDRE, i inertial referenceramme, og derefter at bestemme vinklen mellem denne opgave og det horisontale plan, som illustreret i Fig. 5. Bemærk, at denne vinkel er defineret positiv, når højre side af bagagerummet er lavere end venstre side.

Definition af knæ og hofte udvidelse vinkel samt stammen roll vinkel

En segmentering af de registrerede data er foretaget baseret på norm for 3D acceleration vektor ved at finde hvile og motion faser. Kun den første omgang af hver supportmodalitet eksporteres og undersøges. Fra de ekstraherede omgangsdata er der valgt et tidsforløb over 7 slag i midten af skødet til at analysere led-og rullevinkler ved hjælp af Bo .plots., Derfor er start-og stopfaserne for hver omgang udelukket fra dataanalyse.