támogató elülső feltérképezés úszás paraplegics segítségével elektromos stimuláció: megvalósíthatósági tanulmány
funkcionális elektromos stimuláció támogatás
a korábbi munka alapján úgy döntöttünk, hogy FES-indukált flutter rúgások Gyakorlott Első feltérképezés úszók. Ezenkívül úszók kapcsolódnak a bokákhoz, amelyek térdhajlításhoz vezetnek, és a boka felfelé irányuló mozgása egy nem stimulált lábon., Egyrészt ez egy áramvonalasabb testtartást eredményez a vízben. Másrészt ez azt jelenti, hogy a kívánt térdmozgást a FES által kiváltott térdhosszabbítás és az úszók által okozott passzív térdhajlítás váltakozásával lehet megvalósítani. Ezért csak két stimulációs csatornára van szükség. A két láb quadriceps izmait felváltva stimulálják, ahol a stimulációs elektródákat a rectus femoris proximális részébe, valamint az egyes lábak vastus medialis motorpontjába helyezték., A stimulációt, amelyet 25 Hz-es stimulációs impulzusfrekvenciával alkalmaznak, 1 vagy 2 Hz sebességgel be-és kikapcsolják, ami karütemenként körülbelül egy vagy két lábrúgást eredményez a karütési frekvenciától függően. Az amplitúdó és a pulzusszám 0-100 mA, illetve 0-500 µs tartományban változtatható. Mindkét érték egyidejűleg növekszik / csökken a generált izomösszehúzódás szabályozására.
transzkután gerincvelő stimuláció
a transzkután gerincvelő stimulációt az alsó végtagi spaszticitás csökkentésére használják úszás közben és után., Ezért az L2–S2 hátsó gyökereinek afferens rostjait folyamatosan 50 Hz-en stimuláljuk kétfázisú impulzusokkal, 1 ms impulzusszélességgel a T11 / 12 régióban a gerincvelőben . A hátsó elektróda helyzetét és a stimuláció amplitúdóját a leírtak szerint határoztuk meg . A tSCS bekapcsolásával a csomagtartó izomzata pozitív mellékhatásként motorszinten aktiválódik. Ez javítja a törzs stabilitását és kiegyenesíti a felsőtestet. Amint az ábrán látható. 1, egy áramvonalas úszás helyzetben lehet elérni FES és tSCS képest nincs stimuláció paraplegic téma.,
Paraplegic subject (Th5/6, ASIA scale A) with and without stimulation (FES+tSCS) using floats at the boka and a snorkel. Összehasonlítva videók úszás nélkül stimuláció támogatás állnak rendelkezésre mind a téma a tanulmány, mint kiegészítő files (További fájlok 1 & 2)
További fájl 1: Tárgy A.,
kísérleti beállítás
stimulátor
az úszás stimulációs rendszere az ábrán látható. Az 2 CE-tanúsítvánnyal rendelkező stimulátort (RehaMove3, Hasomed GmbH, Németország) alkalmaz testreszabott firmware-rel. Az eszközbe egyetlen áramforrás van integrálva, a forrás kimenete pedig legfeljebb 4 csatornára demultiplexálva van. A stimulátor egy vízálló táska belsejében helyezkedik el az úszó pólója alatt. Az összes stimulációs kábelt a zsákon keresztül alagútba fúrják, majd szilikonnal leeresztik, hogy megakadályozzák a víz behatolását., A táska a vállpengék között az úszó hátán lévő hevederrel van rögzítve.
Stimuláció támogatott úszás rendszer, beleértve egy vízálló stimulátor, vízálló IMUs, úszik, minden szár, vízálló elektródák
A stimulátor vezérelhető a membrán billentyűzet pl. a stimulációs program választható, elindult/leállt, majd a stimuláció intenzitását lehet beállítani., A stimulátor akkumulátorral működik, a nagyfeszültségű forrás galvanikusan el van szigetelve az akkumulátor teljesítményétől. Ezért az áramvezetés mindig korlátozott az egyes stimulációs csatornák pozitív és negatív elektróda között.
vízálló stimulációs elektródák
annak a ténynek köszönhetően, hogy a medencékben lévő klórozott víz vezetőképessége 2,5–3mS/cm, ami 333-400 Ohm ellenállást eredményez, a nem vízálló elektródákkal történő közvetlen stimuláció parazita rövidzárlatot eredményez az elektródák között a stimuláció során., Ezért előfordulhat, hogy a készülékbe integrált elektróda hiba észlelése nem érzékeli az elektróda és a bőr közötti rossz kapcsolatot. Ha mindkét elektróda vízben úszik, akkor az izmokat nem stimulálják, mert az áram mindig a legkisebb ellenállás útját veszi közvetlenül a vízen, nem pedig a testen keresztül. Ha csak egy elektróda úszik a vízben, akkor az áram továbbra is áthalad a fennmaradó szilárdan rögzített elektródán, és továbbra is izomösszehúzódást okoz az elektróda alatt., Az egyetlen potenciálisan veszélyes helyzet akkor fordul elő, amikor egy leválasztott és lebegő elektróda vezető oldalát véletlenül erősen megnyomják a felsőtest bőréhez, mivel akkor az elektromos áramok érzékeny szerveken, például a szíven keresztül áramolhatnak. A kockázat minimalizálása érdekében, valamint a korlátozott elektróda hiba észlelése miatt az elektródákat biztonságosan és szilárdan rögzíteni kell a bőrhöz. Ezenkívül az elektróda oldalát a testtel szemben el kell különíteni a víz ellen. Lehetséges intézkedések a vízálló átlátszó filmkötés, hevederek vagy úszókendő.,
jelenleg nincsenek vízálló stimulációs elektródák a piacon. A legtöbb transzkután elektróda vezetőképes hidrogél ragasztóból áll, amely vezetőképes filmen keresztül csatlakozik egy ólomhuzalhoz vagy fém csaphoz, szigetelő fedéllel elszigetelve. Ha a hidrogél ragasztó vízzel érintkezik, akkor elkezdi felszívni a vizet, miközben a vastagság növekszik. Ezért a vízzel közvetlen érintkezéssel rendelkező terület nő. Ezenkívül csökken az elektróda ragasztási funkciója., Megközelítések víz alatti EMG mérés használt több réteg vízálló seb vakolat alagút lyukak a vezető vezetékek vízálló szabványos ragasztó EMG elektródák. Ugyanez az eljárás alkalmazható stimuláló elektródákhoz, ahol a standard elektródákat ragasztófóliákkal, például TegadermTM vagy OpSiteTM vízszigetelik.
az Axelgaard Manufacturing Co.által kifejlesztett speciális elektródák a következő alszakaszban leírt kísérleti tanulmányunk képzéseihez. Ltd használták, amint az ábrán látható. 3a., Egyetlen elektróda egy szabványos elektródból áll, túlméretezett vízálló hátlappal. A snap adapter ezen a hátlapon keresztül van alagútban. A fennmaradó feladat az elektróda ólom csatlakoztatása (átalakító a beépülő adapterről a 2 mm-es aljzatra), majd vízálló átlátszó filmkötéssel (3m Tegaderm, 3m Co., USA). Minden kábelnek és kábelcsatlakozásnak vízállónak is kell lennie. Ellenkező esetben parazita rövidzárlatok fordulnak elő. A kivehető, feszes Szilikon csövek hatékonynak bizonyultak az elektróda ólom és a stimulációs kábel közötti kapcsolat lefedésében.,
vízben használt elektródák: Axelgaard Ultrastim®snap elektróda túlméretes vízálló hátlappal, 22 elektródafelülettel.,m2 tSCS (4 elektródák elektromosan csatlakozik a has, valamint az egyik a gerinc), valamint a FES (két elektróda minden négyfejű combizom), a b a d Biztonsági szilikon elektródák (VITAtronic Korlátozott, Németország), amely egy insulative vízálló burkolat anyagának, valamint a vezető alsó anyag tSCS (2 x (b) elektromosan csatlakozik a has, 1 x (d) az a), illetve a FES (2 x (c) minden négyfejű combizom)
A hátránya, öntapadós elektródák, a túlméretezett vízálló hordozó után egyetlen kapcsolatot a víz nem használható fel újra., Ezért minden egyes úszási munkamenethez új elektródákra van szükség. A költségek csökkentése és a környezet megóvása érdekében az újrafelhasználható biztonsági szilikon elektródák alkalmasságát az ábra mutatja. A 3B-d-t a képzés utáni értékelési ülésen vizsgálták. Ezek az elektródák különböző méretben kaphatók (VITAtronic Limited, Németország), és közvetlenül csatlakoztathatók egy szabványos 2 mm-es elektróda csatlakozón keresztül a szimulációs kábelhez., A nem vezető felső oldal, valamint a vezetőképes bőr oldalán lévő keretezett izoláció miatt nem fordulhat elő parazita rövidzárlat, amikor az elektródákat szorosan rögzítik a bőrhöz. Az anyag nem ragasztó, amely csökkenti a bőrirritációt a doffing fázisban, de azt jelenti, hogy szoros ujjakkal, hevederekkel, vízálló átlátszó filmkötéssel vagy szűk térdhosszú fürdőruhákkal kell rögzíteni. Úszás közben egy kis víz film a bőr és a vezető része a szilikon elektróda van jelen. Ezért további hidrogélt nem adtak hozzá., Ebben a tanulmányban hevedereket és térdhosszú fürdőruhákat használtak a lábelektródákhoz. A TSC-k elektródáit vízálló átlátszó filmkötéssel rögzítették.
alanyok, képzési protokoll és eredménymérések
Ez a megvalósíthatósági tanulmány a BerlinFootnote 1-ben a gerincvelő-sérülések kezelésére szolgáló központban készült. A vizsgálat célja az volt, hogy vizsgálja meg a stimulációval támogatott úszás hatásait két SCI-betegben, akiknek az alsó végtagok teljes bénulása volt a th10 feletti sérüléssel járó gerincsérülés után. A résztvevőknek jártasnak kell lenniük az első mászó úszók számára.,
mindkét toborzott alany (A: 40 éves kor, sérülés óta eltelt idő 10 év, B: 58 éves kor, sérülés óta eltelt idő 36 év)ASIA értékvesztés skálán a lézió szint Th5 / 6 és adott írásos beleegyezését. Mindketten panaszkodnak az alsó végtagok és a has mérsékelt klónusára a helyzetváltozások során, és időről időre lábhosszabbító görcsöket tapasztalnak. A B alany csípőízületi kontraktúrában szenved.
a toborzás és az alapértékelés után az alanyokat arra kérték, hogy végezzenek négyhetes FES kerékpáros edzést otthon., E szárazföldi képzés során hetente legalább háromszor 30 percig képeztek egy szabványos Fes kerékpáros ergométerrel (RehaMove, Hasomed GmbH, Németország). Ez az előzetes Fes kerékpáros képzés volt szükség, hogy létrejöjjön egy meghatározott kiindulási erő és állóképesség az úszás fázis. Az úszási szakaszban a Fes kerékpáros aktivitását hetente kétszer csökkentették.
a teljes úszóképzés 10 hétig tartott. Az alanyokat felkérték, hogy vegyenek részt a gyengén úszó edzésen, amely 30-45 percig tartott (kivéve a felvételt és a doffingot)., Biztonsági intézkedésként az úszási üléseket mindig képzett medenceőr kísérte. Ezenkívül minden toborzott személy stimulálás nélkül tud úszni. A képzés egy 16 m-es medencében történt. Az a tárgy snorkelt használt az első feltérképezés során.
a TSC-k úszás közbeni első alkalmazása előtt a gerincvelőben lévő elektróda helyzetét és a spaszticitás kezelésére szolgáló stimulációs intenzitást aszerint határozták meg és dokumentálták. A talált állandó stimulációs intenzitást minden edzésen alkalmazták, amikor a tSCS be volt kapcsolva.,
a stimulációs amplitúdók mindkét négyfejű esetében azonosak voltak, és úgy döntöttek, hogy majdnem teljes térdhosszabbítást okoznak, míg az alanyok a medence szélén pihentek, függőleges felsőtesttel. Minden kör előtt a láb mozgását újraértékelték, a stimuláció amplitúdója szükség esetén nőtt az izomfáradtság kompenzálására. A körök között legalább egy perces szünetet tartottak.
minden úszásedzés elején köridőket mértek. Ezért az alanyokat arra utasították, hogy a lehető leggyorsabban ússzanak minden 16 m-es kört., Összehasonlító mérések elvégzésekor először a támogatás nélküli úszás idejét, majd a FES támogatást, végül a Fes plus tSCS támogatás idejét vették figyelembe. Ezt a sorrendet úgy használtuk, hogy a növekvő mennyiségű Támogatással végzett kísérletek eredményeit jobban befolyásolja az izomfáradtság, majd a kísérletek kevesebb vagy semmilyen Támogatással. A kezdeti értékelést követően az edzés hátralévő részében az előnyben részesített Támogatással (FES vagy Fes plus tSCS) az Ön által kiválasztott úszási sebességgel zajlott., Ha a Fes plus TSC-ket választották előnyben részesített támogatásnak, akkor a TSC-k mindig aktívak voltak a körök közötti szünetekben is, míg a Fes-t kikapcsolták ezekben a szünetekben.
három fő kérdésre kell választ adni ebben a kísérleti vizsgálatban:
-
növekszik-e az úszási sebesség, amelyet köridők alapján értékelnek, a nem támogatott úszáshoz képest?
-
javul-e az alany általános jóléte a tárgyalás során?
-
hogyan fogadja el a technológiát a felhasználó?,
az alanyokat arra kérték, hogy előre meghatározott kimutatások alapján értékeljék a terápiát a teljes egyetértés és a megállapodás hiánya közötti ötfokozatú skálán. A kérdőív eredményével az utolsó két kérdés megválaszolható.,
IMU-alapú mozgás analízis során úszás
Post-képzés értékelése
Kilenc hónappal a befejezése után az egész úszni képzési szakasz után szerzett egy megfelelő mérési rendszer, végeztünk egy további úszás ülés egymással a két téma, hogy figyelemmel kíséri a hatását a különböző stimuláció programok a láb, törzs mozgás. Mindkét tantárgyat arra utasították, hogy a lehető leggyorsabban ússzák meg a köröket támogatás nélkül, tSCS támogatás, Fes támogatás, valamint Fes plus tSCS támogatás nélkül.
Sensor setup
Hordható érzékelő beállítását használták., Az alkalmazott wavetrack rendszer (Cometa srl, Olaszország) egy vezeték nélküli, vízálló inerciális érzékelő rendszer, amely több alkalommal szinkronizált inerciális mérőegységből (IMU) áll. Ezek az inerciális érzékelők 286 Hz-es frekvencián biztosítják a gyorsulás, a szögsebesség és a mágneses mező vektorának háromdimenziós mérését. Az érzékelőadatokat arra használták, hogy meghatározzák mind a térd, mind a csípő közös szögeit, valamint a törzs tekercselési szögeit a nyaki, mind az ágyéki szinten., Ennek érdekében négy IMUs voltak kétoldalú csatolni kell a külső comb, valamint szár, két IMUs volt található, a felső, mind az alsó vissza, amint azt az Ábra. 4a és b. vegye figyelembe,hogy csak a bal láb látható. A jobb lábon lévő mindkét IMUs esetében a helyi x-tengely hosszirányban a lábak felé mutat, de a z-tengely oldalirányban jobbra mutat, ami azt jelenti, hogy az y-tengely elölről mutat.
a IMU igazítás és hely a bal lábon., A helyi x-tengelyek a test hossztengelyéhez igazodnak. A z tengely oldalirányban balra mutat. b IMU igazítás és hely a felső és alsó hátsó. A helyi x-tengely a hossztengelyhez igazodik, míg az y-tengely jobbra mutat
mivel az összes érzékelő a teljes mérés során víz alatt helyezkedik el, a vezeték nélküli adatátvitel (streaming) nem lehetséges. Ezért offline adatrögzítést végeznek. Az érzékelők adatgyűjtése, időszinkronizálása távvezérléssel történik., A felvétel akkor kezdődik, mielőtt az alany belép a medencébe. A medence elhagyása után a felvétel leáll, az adatok pedig az érzékelőkről a számítógépre kerülnek. Az EMGandMotionTools (Cometa srl, Olaszország) szoftvert adatátvitelre és szenzorbeállításokra használták. Igaz, hogy az érzékelők közötti kommunikáció elvesztése miatt, amikor a víz alatt helyezkednek el, szinkronizációs sodródást oktatnak. Mivel azonban ez az eltolódás nem haladja meg a néhány milliszekundumot óránként, és az összes akvizíció körülbelül 30-45 percig tart, az adatokra gyakorolt hatás irrelevánsnak tekinthető.,
minden érzékelőt kétoldalas ragasztószalaggal rögzítettek a bőrhöz durva rögzítéshez. Ezt követően átlátszó 3m Tegaderm fóliát használtunk az érzékelők mozgásának és lazításának megakadályozására az úszás során.
Joint and roll angle estimation
minden egyes testszegmens esetében az IMU-értékeket a szegmens tájolásának inerciális referenciakerethez viszonyított becslésére használják., Hogy elkerüljék a feltételezés, hogy egy homogén mágneses mező az épületbe, így különösen, bent a vízben, akkor tartózkodjon a mágneses vektor mérések biztosíték csak a mért gyorsulások, majd szögletes árak segítségével egy moduláris kvaternió-alapú érzékelő fúziós algoritmus . Meg kell jegyezni, hogy az ilyen 6-tengelyes szenzorfúzióval kapott orientációk nem használhatók közvetlenül az illesztési szög kiszámítására, mivel tetszőleges eltolódást mutatnak, és lassan sodródnak a függőleges tengely körül., Pontos torzítás becsléssel ez a sodródás tíz másodperc alatt olyan lassú lehet, mint egy fok, de nem csökken tökéletes nullára.
a magnetométer – mentes megközelítés ezen hátrányának leküzdéséhez a csípő-és térdízületek közelítő kinematikai korlátait használjuk ki. A lábak megfontolt flutter rúgásmozgása során a csípő és a térd nagyjából úgy mozog, mint a csuklóízületek-a hajlítás/kiterjesztés a domináns mozgás, míg az addukció/elrablásés és a belső forgás csak korlátozott mértékben fordul elő., Ezeket a közelítő kinematikai korlátokat egy nemrégiben kifejlesztett relatív címkövetési algoritmus segítségével használjuk ki . Ez az algoritmus a kötéssel szomszédos mindkét szegmens orientációs kvaternióit veszi át, és korrigálja a disztális szegmens orientációjának irányát úgy, hogy a közös kényszer a legkisebb négyzetek súlyozott értelemben teljesüljön. Ezt a módszert többször alkalmazzuk, az alsó-hátsó szegmenstől kezdve, disztálisan a szárak felé haladva.,
következésképpen hét kvaterniont kapunk, amelyek leírják a testszegmens orientációit egy közös inerciális referenciakeret tekintetében. Így kiszámolhatjuk a közös szögeket ezekből a kvaterniókból. A relatív közös orientációkat úgy találjuk meg, hogy megszorozzuk a proximális orientáció konjugátumát a disztális orientációval. Az ízületi szögeket ezután ennek a relatív orientációs kvaternionnak a belső Euler-szög bomlásával számítjuk ki. Ne feledje, hogy mind a csípő, mind a térdhosszabbítási szögek úgy vannak meghatározva, hogy 180 fokosak a tökéletesen egyenes lábhoz.,
végül a felső és az alsó hát dőlésszögét a megfelelő orientációs kvaternion határozza meg. Ezt úgy érik el, hogy a helyi bal-jobb tengelyt, azaz az IMU y-tengelyét inerciális referenciakeretté alakítják át, majd meghatározzák a tengely és a vízszintes sík közötti szöget, amint azt az ábra szemlélteti. 5. Vegye figyelembe, hogy ez a szög pozitív, ha a csomagtartó jobb oldala alacsonyabb, mint a bal oldal.
a térd-és csípőhosszabbítási szög meghatározása, valamint a törzshenger szöge
a rögzített adatok szegmentálása az 3D gyorsulási vektor nyugalmi és mozgási fázisok detektálásával. Csak az egyes támogatási módok első körét exportálják és vizsgálják. Az extrahált köradatok közül a kör közepén egy 7 ütést meghaladó időtartamot választottunk ki, hogy boxplotok segítségével elemezzük az ízület és a tekercs szögeit., Következésképpen az egyes körök indítási és leállítási fázisai ki vannak zárva az adatelemzésből.
