Sistema de natación asistida por estimulación que incluye un estimulador impermeable, IMUs impermeable, flotadores en cada vástago y electrodos impermeables

El estimulador puede controlado a través del teclado de membrana, por ejemplo, el programa de estimulación se puede seleccionar, iniciar/detener y la intensidad de la estimulación se puede ajustar., El estimulador funciona con batería y la fuente de alto voltaje está aislada galvánicamente de la energía de la batería. Por lo tanto, la conducción de corriente siempre está restringida entre el electrodo positivo y el negativo de cada canal de estimulación.

electrodos de estimulación impermeables

debido a que el agua clorada en piscinas tiene una conductancia de 2.5–3ms / cm, lo que resulta en una resistencia de 333-400 Ohm, una estimulación directa con electrodos no impermeables produciría un cortocircuito parásito entre electrodos durante la estimulación., Por lo tanto, la detección de errores de electrodo integrada en el dispositivo podría no detectar una mala conexión entre el electrodo y la piel. Si ambos electrodos flotan en agua, entonces los músculos no serían estimulados, porque la corriente siempre toma el camino de menor resistencia directamente a través del agua y no del cuerpo. Si solo un electrodo flota en el agua, entonces la corriente todavía pasará a través del electrodo firmemente unido restante y todavía causará una contracción muscular debajo de este electrodo., La única situación potencialmente peligrosa ocurriría cuando el lado conductor de un electrodo desprendido y flotante accidentalmente se presionaría firmemente contra la piel de la parte superior del cuerpo, ya que entonces las corrientes eléctricas podrían fluir a través de órganos sensibles, como el corazón. Para minimizar este riesgo y debido a la limitada detección de errores de electrodo, los electrodos deben estar sujetos de forma segura y firme a la piel. Además, el lado del electrodo que mira lejos del cuerpo necesita ser aislado contra el agua. Las medidas posibles son el apósito de película transparente impermeable, correas o paños de natación.,

actualmente, no hay electrodos de estimulación impermeables disponibles en el mercado. La mayoría de los electrodos Transcutáneos consisten en un adhesivo de hidrogel conductor que se conecta a través de una película conductora a un cable conductor o perno de presión de metal y se aísla con una cubierta aislante. Si el adhesivo de hidrogel entra en contacto con el agua, comienza a absorber agua mientras aumenta el grosor. Por lo tanto, el área con contacto directo con el agua aumenta. Además, se reduce la función adhesiva del electrodo., Los enfoques para la medición de EMG bajo el agua se utilizan Varias capas de yeso impermeable con orificios tunelados para los cables conductores para impermeabilizar los electrodos adhesivos estándar de EMG. El mismo procedimiento se puede utilizar para electrodos de estimulación donde los electrodos estándar se impermeabilizan con películas adhesivas, como TegadermTM u OpSiteTM.

para las sesiones de formación de nuestro estudio piloto, que se describe en la subsección siguiente, electrodos especiales desarrollados por Axelgaard Manufacturing Co. Ltd se han utilizado, como se muestra en la Fig. 3a., Un solo electrodo consiste en un electrodo estándar con un respaldo impermeable de gran tamaño. El adaptador snap se canaliza a través de este respaldo. La tarea restante consiste en Conectar el cable del electrodo (convertidor del adaptador snap al zócalo de 2 mm) y sellarlo con un apósito de película transparente impermeable (3m Tegaderm, 3M Co., USA). Todos los cables y conexiones de cable también deben ser impermeables. De lo contrario, se producen cortocircuitos parásitos. Los tubos apretados desprendibles del silicón demostraron ser eficientes en cubrir la conexión entre la ventaja del electrodo y el cable del estímulo.,

los Electrodos utilizados en el agua: un Axelgaard Ultrastim®snap electrodo con oversize forro impermeable con un electrodo área de 22.,m2 para TSC (4 electrodos conectados eléctricamente para el abdomen y uno sobre la columna vertebral) y FES (dos electrodos para cada cuádriceps), electrodos de silicona de seguridad b A D (VITAtronic Limited, Alemania) que consisten en un material de cubierta aislante e impermeable y un material de fondo conductor para TSC (2 x (b) conectados eléctricamente para el abdomen y 1 x (d) para la espalda) y para FES (2 x (c) para cada cuádriceps)

un inconveniente de los electrodos adhesivos con respaldo impermeable de gran tamaño es que después de un solo contacto con el agua no se pueden reutilizar., Por lo tanto, para cada sesión de natación, se necesita un nuevo conjunto de electrodos. Para reducir costos y salvar el medio ambiente, la idoneidad de los electrodos de silicona de seguridad reutilizables se muestra en la Fig. 3b A d se ha investigado en una sesión de evaluación posterior al entrenamiento. Estos electrodos están disponibles en diferentes tamaños (VITAtronic Limited, Alemania) y se pueden conectar directamente a través de un conector de electrodo estándar de 2 mm al cable de simulación., Debido a la parte superior no conductora y el aislamiento enmarcado en el lado conductor de la piel, no se puede producir un cortocircuito parásito cuando se unen firmemente los electrodos a la piel. El material no es adhesivo, lo que reduce la irritación de la piel durante la fase de desmontaje, pero implica que debe fijarse con mangas ajustadas, Correas, apósito de película transparente impermeable o con trajes de baño ajustados hasta la rodilla. Durante la natación una pequeña película de agua entre la piel y la parte conductora del electrodo de silicona está presente. Por lo tanto, no se añadió hidrogel adicional., Las correas y los trajes de baño hasta la rodilla se han utilizado en este estudio para los electrodos de la pierna. Los electrodos para TSC han sido fijados por un apósito de película transparente impermeable.

sujetos, protocolo de entrenamiento y medidas de resultados

Este estudio de viabilidad se llevó a cabo en el Centro de tratamiento de lesiones medulares en BerlinFootnote 1. El objetivo del estudio fue investigar los efectos de la natación asistida por estimulación en dos pacientes con SCI con parálisis completa de las extremidades inferiores después de un trauma espinal con una lesión superior a Th10. Los participantes tienen que ser nadadores de arrastre delanteros competentes.,

ambos sujetos reclutados (a: edad 40, tiempo desde la lesión 10 años, B: Edad 58, tiempo desde la lesión 36 años) son escala de deterioro de ASIA a con nivel de lesión Th5/6 y dieron su consentimiento informado por escrito. Ambos se quejan de un clono moderado de las extremidades inferiores y el abdomen durante los cambios de posición, y el sujeto a experimenta espasmos extensores de la pierna de vez en cuando. El sujeto B sufre de una contractura de la articulación de la cadera.

Después del reclutamiento y la evaluación inicial, Se pidió a los sujetos que realizaran un entrenamiento de ciclismo FES de cuatro semanas en el hogar., Durante este entrenamiento en tierra, entrenaron al menos tres veces a la semana durante 30 minutos con una bicicleta estática fes estándar (RehaMove, Hasomed GmbH, Alemania). Este entrenamiento preliminar de ciclismo fes fue necesario para construir una fuerza y resistencia de línea de base definida para la fase de natación. Durante la fase de natación, la actividad de ciclismo FES se redujo a dos veces por semana.

todo el entrenamiento de natación duró 10 semanas. Se pidió a los sujetos que asistieran a la sesión de entrenamiento de natación débil que duró entre 30 y 45 minutos (excluyendo ponerse y quitarse)., Como medida de seguridad, las sesiones de natación siempre fueron acompañadas por un guardia de piscina entrenado. Además, todos los sujetos reclutados son capaces de nadar sin estimulación. El entrenamiento se realizó en una piscina de 16 m. El sujeto a usó un snorkel durante la natación de arrastre frontal.

antes del primer uso de TSC durante la natación, la posición del electrodo en la médula espinal y la intensidad de estimulación para el tratamiento de la espasticidad fueron identificadas y documentadas. La intensidad de estimulación constante encontrada fue aplicada en todas las sesiones de entrenamiento cuando el TSC estaba encendido.,

las amplitudes de estimulación para ambos cuádriceps fueron idénticas y se han elegido para causar una extensión de rodilla casi completa mientras los sujetos descansaban en el borde de la piscina con la parte superior del cuerpo erguida. Antes de cada vuelta, el movimiento de la pierna fue reevaluado y la amplitud de estimulación aumentó, si era necesario, para compensar la fatiga muscular. Un descanso de al menos un minuto se mantuvo entre las vueltas.

al inicio de cada sesión de entrenamiento de natación, se midieron los tiempos de vuelta. Por lo tanto, se instruyó a los sujetos a nadar cada vuelta de 16 m lo más rápido posible., Cuando se tomaron medidas comparativas, primero se tomaron los tiempos para nadar sin apoyo, luego con apoyo FES y finalmente los tiempos para FES más apoyo TSC. Utilizamos este orden para que los resultados de los ensayos con una cantidad creciente de apoyo se vean más afectados por la fatiga muscular que los ensayos con menos o ningún apoyo. Después de esta evaluación inicial, El entrenamiento con el apoyo preferido (FES o fes plus tSCS) se llevó a cabo durante el resto de la sesión a una velocidad de natación autoeleccionada., Si FES plus tSCS ha sido seleccionado como soporte preferido, entonces tSCS siempre estaba activo también en los descansos entre las vueltas, mientras que FES estaba apagado durante estos descansos.

Hay tres preguntas principales que deben responderse en este estudio piloto:

• ¿aumenta la velocidad de natación, evaluada por los tiempos de vuelta, en comparación con la natación no asistida?

• ¿mejora el bienestar general del sujeto durante el ensayo?

• ¿Cómo es la aceptación de la tecnología por parte del usuario?,

se pidió a los sujetos que calificaran la terapia con base en declaraciones predefinidas utilizando una escala de cinco grados entre acuerdo total y no Acuerdo. Utilizando el resultado del cuestionario se pueden responder las dos últimas preguntas.,

análisis de movimiento basado en IMU durante la natación

evaluación posterior al entrenamiento

nueve meses después de completar toda la fase de entrenamiento de natación, después de haber adquirido un sistema de medición adecuado, realizamos una sesión de natación adicional con cada uno de los dos sujetos para monitorear los efectos de los diferentes programas de estimulación en el movimiento de las piernas y el tronco. Ambos sujetos fueron instruidos para nadar repetitivamente vueltas sin apoyo, apoyo TSC, apoyo FES, y FES más apoyo TSC tan rápido como sea posible.

configuración del Sensor

se utilizó una configuración del sensor portátil., El sistema empleado WaveTrack (Cometa srl, Italia) es un sistema de sensor inercial inalámbrico e impermeable que consta de varias unidades de medición inercial (IMU) sincronizadas con el tiempo. Estos sensores inerciales proporcionan mediciones tridimensionales de la aceleración, la velocidad angular y el vector del campo magnético a una frecuencia de 286 Hz. Los datos del sensor se utilizaron para determinar los ángulos articulares de ambas rodillas y ambas caderas, así como los ángulos de orientación del balanceo del tronco a nivel cervical y lumbar., Para ello, cuatro IMUs fueron adheridas bilateralmente al muslo exterior y al vástago, y dos IMUs fueron localizadas en la parte superior e inferior de la espalda, como se muestra en la Fig. 4a y b. tenga en cuenta que solo se representa la pierna izquierda. Para ambas IMUs en la pierna derecha, el eje x local apunta longitudinalmente hacia los pies, pero el eje z apunta lateralmente hacia la derecha, lo que implica que el eje y apunta anteriormente.

un IMU de alineación y ubicación en la pierna izquierda., Los ejes X locales están alineados con el eje longitudinal del cuerpo. El eje z apunta lateralmente hacia la izquierda. B alineación y ubicación de la IMU en la parte superior e inferior de la espalda. El eje x local está alineado con el eje longitudinal del cuerpo, mientras que el eje y apunta a la derecha

Como todos los sensores están ubicados bajo el agua durante toda la medición, la transferencia inalámbrica de datos (streaming) no es una opción. Por lo tanto, se lleva a cabo un registro de datos fuera de línea. La adquisición de datos y sincronización de tiempo de los sensores se inicia mediante control remoto., La grabación comienza antes de que el sujeto entre al grupo. Después de salir de la piscina, la grabación se detiene y los datos se transfieren desde los sensores a un PC. El software EMGandMotionTools (Cometa srl, Italia) se utilizó para la transferencia de datos y la configuración del sensor. Es cierto que debido a la pérdida de comunicación entre los sensores cuando se encuentran bajo el agua, se educa una deriva de sincronización. Sin embargo, dado que esta deriva no excede de unos pocos milisegundos por hora y todas las adquisiciones duran aproximadamente entre 30 y 45 minutos, el efecto sobre los datos se considera irrelevante.,

todos los sensores se fijaron a la piel mediante cinta adhesiva de doble cara para una fijación rugosa. Posteriormente, se utilizó una película Tegaderm transparente de 3M para evitar el movimiento y el aflojamiento de los sensores durante el proceso de natación.

estimación del ángulo de articulación y balanceo

para cada segmento del cuerpo, las lecturas IMU se utilizan para estimar la orientación del segmento con respecto a un marco de referencia inercial., Para evitar la suposición de un campo magnético homogéneo dentro del edificio y especialmente dentro del agua, nos abstenemos de utilizar las mediciones vectoriales del campo magnético y fusionamos solo las aceleraciones y velocidades angulares medidas mediante el uso de un algoritmo modular de fusión de sensores basado en cuaterniones . Debe tenerse en cuenta que las orientaciones obtenidas por tal fusión de sensores de 6 ejes no se pueden utilizar para el cálculo del ángulo de unión directamente, ya que exhiben un desplazamiento arbitrario del rumbo y se desplazan lentamente alrededor del eje vertical., Con una estimación de sesgo precisa, esa deriva puede ser tan lenta como un grado en diez segundos, pero no se reducirá a cero perfecto.

para superar este inconveniente del enfoque sin magnetómetro, explotamos las restricciones cinemáticas aproximadas de las articulaciones de la cadera y la rodilla. Durante el movimiento de patada de aleteo considerado de las piernas, la cadera y la rodilla se mueven aproximadamente como las articulaciones de la bisagra: la flexión/extensión es el movimiento dominante, mientras que la aducción/abducción y la rotación interna ocurren solo en un grado limitado., Explotamos estas restricciones cinemáticas aproximadas mediante el uso de un algoritmo de seguimiento de rumbo relativo recientemente desarrollado . Ese algoritmo toma los cuaterniones de orientación de ambos segmentos adyacentes a la articulación y corrige el encabezado de la orientación del segmento distal de tal manera que la restricción conjunta se cumple en un sentido de mínimos cuadrados ponderados. Aplicamos este método repetidamente, comenzando desde el segmento inferior de la espalda y moviéndonos distalmente hacia los vástagos.,

en consecuencia, obtenemos siete cuaterniones que describen las orientaciones de los segmentos del cuerpo con respecto a un marco de referencia inercial común. Así podemos calcular los ángulos de unión a partir de estos cuaterniones. Las orientaciones conjuntas relativas se encuentran multiplicando el conjugado de la orientación proximal con la orientación distal. Los ángulos de la articulación se calculan por descomposición intrínseca del ángulo de Euler de este cuaternión de orientación relativa. Tenga en cuenta que los ángulos de extensión de la cadera y la rodilla se definen de tal manera que son 180 grados para una pierna perfectamente recta.,

finalmente, el ángulo de balanceo de la parte superior e inferior de la espalda se determina a partir del cuaternión de orientación correspondiente. Esto se logra transformando el eje local de izquierda a derecha, es decir, el eje y del IMU, en el marco inercial de referencia y luego determinando el ángulo entre ese eje y el plano horizontal, como se ilustra en la Fig. 5. Tenga en cuenta que este ángulo se define positivo cuando el lado derecho del tronco es más bajo que el lado izquierdo.

definición del ángulo de extensión de la rodilla y la cadera, así como el ángulo de rollo del tronco

se realiza una segmentación de los datos registrados en función de la norma vector de aceleración 3D mediante la detección de fases de reposo y movimiento. Solo se exporta e investiga la primera vuelta de cada modalidad de apoyo. A partir de los datos de vuelta extraídos, se ha seleccionado un curso de tiempo de más de 7 golpes en el medio de la vuelta para analizar los ángulos de articulación y rollo mediante el uso de gráficos de caja., En consecuencia, las fases de inicio y parada de cada vuelta se excluyen del análisis de los datos.