実験セットアップ

刺激装置

図に示す水泳のための刺激システム。 2カスタマイズされたファームウェアを備えたCE認定の刺激装置（RehaMove3、Hasomed GmbH、ドイツ）を採用しています。 単一の電流源がデバイスに内蔵されており、ソースの出力は最大4チャンネルのデマルチプレックスされます。 刺激装置はスイマーのTシャツの下の防水袋の中に置かれる。 すべての刺激ケーブルtunneledのバッグや排水シリコーン防水の侵入, バッグは、肩甲骨の間にスイマーの背中にストラップで取り付けられています。

防水刺激装置、防水Imu、各シャンクにフロート、防水電極を含む刺激支援水泳システム

刺激装置は、メンブレンキーパッドを介して制御することができます例えば、刺激プログラムを選択し、開始/停止し、刺激強度を制御することができます。調節することができます。, 刺激物は電池式であり、高圧源は電池からガルバニックに隔離される。 したがって、電流伝導は、各刺激チャネルの正電極と負電極との間で常に拘束される。

防水刺激電極

スイミングプール内の塩素化された水は2.5-3ms/cmのコンダクタンスを有し、抵抗は333–400オームであるため、非防水電極による直接刺激は、刺激中に電極間の寄生短絡を生じる。, したがって、デバイス集積電極エラー検出は、電極と皮膚との間の不良な接続を検出しない可能性がある。 両方の電極が水中に浮いている場合、電流は常に身体ではなく水を通って直接最も抵抗の少ない経路をとるため、筋肉は刺激されないでしょう。 一方の電極だけが水中に浮かぶ場合、電流は依然として残りのしっかりと取り付けられた電極を通過し、依然としてこの電極の下に筋肉収縮を引, 唯一の潜在的に危険な状況は、切り離された浮遊電極の導電性側が誤って上半身の皮膚にしっかりと押し付けられたときに起こり、その後、電流は、心臓などの敏感な器官を通って流れる可能性があるためである。 このリスクを最小限に抑えるためには、電極エラー検出が制限されているため、電極を安全かつしっかりと皮膚に取り付ける必要があります。 さらに、本体から離れたところにある電極側を水に対して隔離する必要がある。 可能な手段は防水透明なフィルムのドレッシング、革紐または水泳の布である。,

現在、市場で入手可能な防水刺激電極はありません。 ほとんどのtranscutaneous電極は導線か金属の急なスタッドに伝導性のフィルムによって接続され、insulativeカバーによって隔離される伝導性のヒドロゲルの接着剤から ヒドロゲルの接着剤が水が付いている接触に得れば厚さが増加する間、水を吸収し始めます。 したがって、水に直接接触する面積が増加する。 さらに、電極の接着機能が低下する。, 水中EMG測定のためのアプローチは、標準的な接着剤EMG電極を防水するためにリード線のためのトンネル穴を有する防水創傷石膏のいくつかの層を使用 TegadermtmまたはOpSiteTMのような標準的な電極が付着力フィルムと防水される刺激の電極に同じプロシージャが使用することができる。

次のサブセクションで説明されている私たちのパイロット研究のトレーニングセッションのために、Axelgaard Manufacturing Co.によって開発された特殊電極。 Ｌｔｄは、図に示すように使用されている。 3a, 単一の電極は特大防水裏付けが付いている標準的な電極から成っている。 スナップアダプタは、このバッキングを介してトン 残りの仕事はそれから電極の鉛（急なアダプターからの2つのmmのソケットへのコンバーター）を接続し、防水透明なフィルムのドレッシング（3M Tegaderm、3M Co.、アメリカ）。 すべてのケーブルとケーブル接続も防水でなければなりません。 それ以外の場合は、寄生短絡が発生します。 取り外し可能なタイトなシリコーンチューブは電極リードと刺激ケーブルとの接続を覆うのに有効であった。,

水で使用される電極:22の電極区域の特大防水裏付けが付いているAxelgaard Ultrastim®の急な電極。,m2tSCS用（腹部は電気的に接続された4つの電極、脊椎の上に一つ）およびFES用（各四頭筋の二つの電極）、b to d安全シリコーン電極（VITAtronic Limited、ドイツ）は、tscs用の絶縁性および防水カバー材料およびtscs用の導電性底部材料（腹部は電気的に接続された2x(b)、背中は1x(d)）およびFES用（各四頭筋の2x(c)）

特大防水バッキングを有する接着電極の欠点は、水との単一の接触の後にそれらを再利用することができないことである。, したがって、各水泳セッションに対して、新しい電極セットが必要である。 コストを削減し、環境を節約するために、再利用可能な安全シリコーン電極の適合性は、図に示す。 3b to dは、トレーニング後の評価セッションで調査されています。 これらの電極は異なったサイズ（VITAtronic限られる、ドイツ）で利用でき、シミュレーションケーブルに標準的な2つのmmの電極のコネクターで直接接続することが, 非導電性の上側と導電性スキン側のフレームアイソレーションにより、電極をスキンにしっかりと取り付けるときに寄生短絡が発生することはありま 材料は取る段階の間に皮膚のかぶれを減らすが、堅い袖、革紐、防水透明なフィルムのドレッシング、または堅い膝長さの水着と固定されなければならないことを意味する非接着性である。 水泳中に、皮膚とシリコーン電極の導電性部分との間に小さな水膜が存在する。 そのため、追加のヒドロゲルは添加されなかった。, この研究では脚電極にストラップと膝丈の水着を用いた。 Ｔｓｃのための電極は防水透明なフィルムのドレッシングによって固定された。

被験者、トレーニングプロトコルとアウトカム対策

このフィージビリティスタディはBerlinFootnote1の脊髄損傷の治療センターで行われました。 研究の目的は、Th10以上の病変を有する脊髄外傷後の下肢の完全麻痺を有する二つのSCI患者における刺激サポート水泳の効果を調査することでした。 参加者は熟練したフロントクロールスイマーでなければならない。,

いずれも募集された被験者（A：40歳、傷害10年以降の時間、B：58歳、傷害36年以降の時間）は、病変レベルTh5/6を有するアジア障害尺度aであり、書面によるインフォームドコンセントを与えた。 彼らは両方とも、位置変更中に下肢と腹部の中等度のclonusを訴え、被験者Aは時々下肢伸筋痙攣を経験する。 被験者Bは股関節拘縮に苦しんでいる。

募集と最初の評価の後、被験者は自宅で四週間のFESサイクリングトレーニングを行うように求められました。, この陸上トレーニングの間、彼らは標準のFESサイクリングエルゴメーター（RehaMove、Hasomed GmbH、ドイツ）で少なくとも週に30分間訓練を受けました。 この予備FESサイクリングの訓練が必要だったのを定義ベースラインの強度と耐久性を泳ぎます。 スイミングフェーズでは、FESサイクリング活動は週に二回減少しました。

全体の水泳トレーニングは10週間続きました。 被験者は、30分から45分の間に続いた弱い泳ぎのトレーニングセッションに出席するように求められた（着ることと取ることを除く）。, 安全対策として、水泳セッションは常に訓練を受けたプールガードを伴っていました。 さらに、募集されたすべての被験者は刺激なしで泳ぐことができます。 トレーニングは16mのプールで行われました。 被験者Aはフロントクロール水泳でシュノーケルを使用しました。

遊泳中にｔｓｃを初めて使用する前に、脊髄における電極位置および痙性治療のための刺激強度をに従って同定し、文書化した。 かかる一定の刺激強度を適用したすべてのトレーニングセッションがtSCSした。,

両方の大腿四頭筋の刺激振幅は同一であり、被験者が直立した上半身を持つスイミングプールの端で休んでいる間、ほぼ完全な膝伸展を引き起こすように選択されている。 各ラップの前に、脚の動きを再評価し、必要に応じて筋肉疲労を補うために刺激振幅を増加させた。 少なくとも一分の休憩は、ラップの間に保たれました。

各水泳トレーニングセッションの開始時に、ラップタイムを測定した。 したがって、被験者はできるだけ速く16mのラップごとに泳ぐように指示された。, 比較測定が行われたとき、最初にサポートなしで泳ぐ時間が取られ、次にFESサポートが行われ、最後にFESプラスtSCSサポートの時間が取られました。 この順序を使用して、サポート量が増加した試験の結果が筋肉疲労の影響を受け、サポートが少ないまたはまったくない試験の影響を受けるようにしました。 この最初の評価の後、優先サポート（FESまたはFESプラスtSCS）によるトレーニングは、自己選択された水泳の速度でセッションの残りのために行われました。, Ｆｅｓ＋ｔｓｃが優先サポートとして選択されている場合、ｔｃｓは、周回間の休憩中にも常にアクティブであったが、これらの休憩中にＦＥＳはオフにされた。

このパイロット研究で答えられなければならない三つの主な質問があります：

• ラップタイムによって評価された水泳速度は、非支援水泳に比べて増加

• 試験中に被験者の一般的な幸福は改善されますか？

• ユーザーによる技術の受け入れはどのようになっていますか？,

被験者は、完全な合意と合意なしの間の五グレードスケールを使用して、事前に定義された文に基づいて治療を評価するように求められました。 アンケートの結果を使用して、最後の二つの質問に答えることができます。,

水泳中のIMUベースの動き解析

ポストトレーニング評価

全水泳トレーニングフェーズが完了した後、適切な測定システムを取得した後、脚と体幹の動きに対する異なる刺激プログラムの影響を監視するために、二つの被験者のそれぞれと追加の水泳セッションを行った。 両方の被験者は、支援なし、ｔｓｃｓ支援、ＦＥＳ支援、およびＦＥＳ＋ｔｓｃｓ支援で可能な限り速く周回を繰り返し泳ぐように指示された。

センサーセットアップ

ウェアラブルセンサーセットアップを使用しました。, 用いられたシステムWaveTrack（Cometa srl、イタリア）は複数の時間同期慣性の測定の単位（Imu）から成っている無線および防水慣性センサーシステムである。 これらの慣性センサーは286のHzの頻度で加速、角速度および磁界のベクトルの三次元測定を提供する。 センサーデータを用いて，両膝と両腰の関節角度，ならびに頚部および腰椎レベルでの胴のロール配向角度を決定した。, この目的のために、四つのＩｍｕを外大腿部およびシャンクに両側取り付け、二つのＩｍｕを上背および下背に配置した。 4aおよびb.左脚のみが描かれていることに注意してください。 右脚の両方のImuでは、ローカルx軸は足に向かって縦方向を指しますが、z軸は横方向に右を指し、これはy軸が前方を指していることを意味します。

左脚上のIMUアライメントと位置。, ローカルx軸は縦方向のボディ軸線と一直線に並びます。 Z軸は横方向に左を向いています。 上部および下の背部のB IMUの直線そして位置。 ローカルx軸は縦方向のボディ軸と一直線に並び、y軸は右を指します

すべてのセンサーが測定全体の間に水中に位置しているため、無線データ転送（ストリーミング）はオプションではありません。 したがって、オフラインデータ記録が行われる。 センサーのデータ収集および時刻synchronizationはリモート-コントロールによって始められる。, 記録は被験者がプールに入る前に始まります。 プールを出た後、記録は停止され、データはセンサーからPCに転送されます。 ソフトウェアEMGandMotionTools（Cometa srl、Italy）は、データ転送とセンサー設定に使用されました。 確かに、水中に位置するときにセンサ間の通信が失われるため、同期ドリフトが教育されます。 ただし、このドリフトは時間あたり数ミリ秒を超えず、すべての集録は約30分から45分の間に持続するため、データへの影響は無関係と見なされます。,

すべてのセンサーは、粗い固定のために両面粘着テープによって皮膚に取り付けられた。 続いて、透明な3M Tegadermのフィルムは水泳プロセスの間にセンサーの動きそしてゆるむことを防ぐために使用されました。

ジョイントおよびロール角度推定

各ボディセグメントについて、IMU読み取り値を使用して、慣性基準系に対するセグメントの向きを推定します。, 建物内、特に水の中で均一な磁場の仮定を避けるために、我々は磁場ベクトル測定を使用することを控え、モジュラー四元数ベースのセンサ核融合アルゴリズムを使用して測定された加速度と角速度のみを融合させる。 このような6軸センサ融合によって得られた向きは、任意の向きオフセットを示し、垂直軸の周りでゆっくりとドリフトするため、関節角度計算に直接, 正確なバイアス推定では、そのドリフトは十秒で一度遅くなることがありますが、完全なゼロには減少しません。

磁力計のないアプローチのこの欠点を克服するために、我々は股関節と膝関節のおおよその運動学的制約を利用する。 脚のフラッターキック運動の間、股関節と膝はヒンジジョイントのように約移動します–屈曲/伸展が支配的な動きですが、内転/外転および内部回転は限, 最近開発した相対見出し追跡アルゴリズムを用いて，これらの近似運動学的制約を利用した。 このアルゴリズムは、関節に隣接する両方のセグメントの向き四元数を取り、関節制約が重み付き最小二乗の意味で満たされるように遠位セグメントの向きの向きを修正します。 この方法を繰り返し適用し，腰セグメントから始まり，シャンクに向かって遠位に移動した。,

その結果、共通の慣性基準系に関するボディセグメントの向きを記述する七つの四元数を得る。 したがって、これらの四元数から関節角を計算できます。 相対的関節配向は、近位配向の共役を遠位配向と乗算することによって見出される。 次いで、この相対配向四元数の固有オイラー角分解によって関節角を計算する。 ヒップおよび膝の延長角度は両方とも完全にまっすぐな足のための180度であるように定義されることに注意しなさい。,

最後に、上下背中のロール角度は、対応する向き四元数から決定される。 これは、局所的な左から右の軸、すなわちＩＭＵのｙ軸を慣性基準系に変換し、次いで、その軸と水平面との間の角度を決定することによって達成される。 5. この角度は、トランクの右側が左側よりも低い場合に正と定義されることに注意してください。

膝および股関節伸展角および体幹ロール角の定義

記録されたデータのセグメンテーションは、静止および運動位相を検出することにより、3D加速ベクトルのノルムに基づいて行われる。 各サポートモダリティの最初のラップのみがエクスポートされ、調査され 抽出されたラップデータから、ラップの途中で7ストロークを超えるタイムコースを選択し、箱ひげ図を使用してジョイント角度とロール角度を解析します。, したがって、各ラップの開始フェーズと停止フェーズはデータ分析から除外されます。