Funksjonell elektrisk stimulering støtte

Basert på tidligere arbeid, bestemte vi oss for å bruke FES-indusert flagre spark for dyktig foran gjennomgå svømmere. Videre, flyter er festet til anklene som fører til kne fleksjon og en oppadgående bevegelse av ankelen i en ikke-stimulerte etappe., På den ene siden, dette resulterer i en mer strømlinjeformet holdning i vannet. På den annen side, det innebærer at de ønsket kneet bevegelse kan realiseres ved å veksle mellom FES-indusert kneet extension og passiv kne fleksjon forårsaket av den flyter. Derfor, bare to stimulering tv er nødvendig. Den quadriceps muskler på begge ben er vekselvis stimulert der stimulering elektrodene ble plassert på den øvre del av rectus femoris og motor punktet i vastus medialis av hver etappe., Stimulering, som er anvendt med stimulering puls frekvens på 25 Hz, er slått på og av med en hastighet av 1 eller 2 Hz, noe som resulterer i omtrent ett eller to ben spark per arm slag avhengig av armen slag frekvens. Amplitude og pulsewidth kan varieres i områder 0-100 mA og 0-500 µs, henholdsvis. Begge verdiene er økt/redusert samtidig for å kontrollere generert muskel sammentrekning.

Transkutan ryggmargen stimulering

Transkutan ryggmargen stimulering brukes med sikte på å redusere nedre lem spastisitet under og etter bading., Derfor, vi stimulere den afferente fibre av L2–S2 posterior røtter kontinuerlig ved 50 Hz med bifasisk pulser med 1 ms-pulse width over T11/12 regionen på ryggmargen i henhold til . Elektroden posisjon på baksiden og stimulering amplitude har blitt beregnet som beskrevet under . Ved å bytte på tSCS, bagasjerommet muskulaturen er aktivert på en motor nivå som en positiv bivirkning. Dette forbedrer trunk stabilitet og retter overkroppen. Som vist i Fig. 1, en strømlinjeformet svømming posisjon kan oppnås med FÈS og tSCS sammenlignet med ingen stimulering i en paraplegic emnet.,

Paraplegic emne (Th5/6, ASIA skala A) med og uten stimulering (FES+tSCS) ved hjelp flyter på anklene og en snorkel. Sammenligning av videoer for bading med og uten stimulering støtte er tilgjengelig for både fag i studiet som supplerende filer (Se Additional files (1 & 2)

Eksperimentelle oppsett

Stimulator

stimulering system for bading vist i Fig. 2 benytter en CE-sertifisert stimulator (RehaMove3, Hasomed GmbH, Tyskland) med tilpasset firmware. En enkelt gjeldende kilde, som er integrert i enheten, og resultatet av kilden er demultiplexed for opp til 4 kanaler. Den stimulator er plassert inne i en vanntett pose under svømmer T-skjorte. Alle stimulering kabler er sendt gjennom posen og drenert med silikon for å hindre vanninntrengning., Posen er festet med en stropp på den svømmer tilbake mellom skulderbladene.

Stimulering-assistert svømming systemet inkluderer et vanntett stimulator, vanntett IMUs, flyter på hvert skaft, og vanntett elektroder

dette formålet kan kontrolleres via membranen tastaturet f.eks. stimulering programmet kan velges, startet/stoppet og stimulering intensitet kan justeres., Den stimulator er batteridrevet, og high-voltage source er galvanisk isolert fra batteriet. Derfor, den nåværende ledelse er alltid begrenset mellom den positive og den negative elektroden av hver stimulering kanal.

Vanntett stimulering elektroder

på Grunn av det faktum at klorert vann i svømmebassenget har en ledningsevne på 2.5–3mS/cm, noe som resulterer i motstand av 333-400 Ohm, en direkte stimulering med ikke-vanntett-elektroder ville produsere en parasittisk kortslutning mellom elektrodene under stimulering., Derfor enhet-integrert elektrode feilregistrering kan ikke oppdage en dårlig forbindelse mellom elektroden og huden. Hvis begge elektrodene flyter i vann, da musklene ikke ville bli stimulert, fordi dagens alltid tar minste motstands vei direkte gjennom vannet og ikke kroppen. Hvis bare én elektrode flyter i vann, da den nåværende vil fortsatt passere gjennom de resterende godt festet elektrode og vil fortsatt føre til en muskel sammentrekning under denne elektroden., Den eneste potensielt farlig situasjon som ville skje når den ledende side av en enebolig og flytende elektrode ville ved et uhell bli hardt presset mot huden på overkroppen, siden da elektrisk strøm kan strømme gjennom sensitive organer, som hjerte. For å minimere denne risikoen, og på grunn av den begrensede elektrode feilregistrering, elektrodene må være trygt og godt festet til huden. Videre elektrode siden som vender bort fra kroppen trenger for å være isolert mot vann. Mulige tiltak er vanntett gjennomsiktig film dressing, stropper eller svømming kluter.,

i Dag, det er ingen vanntette stimulering elektroder som er tilgjengelig på markedet. De fleste transkutan elektrodene består av en ledende hydrogel lim som er koblet til via en ledende filmen å føre en ledning eller metall snap stud og er isolert med et isolerende lokk. Hvis hydrogel limet kommer i kontakt med vann, det begynner å absorbere vann mens tykkelsen øker. Derfor, området med direkte kontakt til vann øker. Videre lim-funksjonen på elektrodene er redusert., Tilnærminger for undervanns EMG målinger i brukt flere lag med vanntett såret gips med tunnelert hull for å føre ledninger for å vanntett standard lim EMG-elektroder. Samme fremgangsmåte kan brukes for stimulering elektroder der standard elektrodene er impregnert med limet, som TegadermTM eller OpSiteTM.

For opplæring av pilotstudien, som er beskrevet i neste kapittel, spesielle elektroder som er utviklet av Axelgaard Manufacturing Co. Ltd har blitt brukt, som vist i Fig. 3a., En enkelt elektrode består av en standard elektrode med en overdimensjonert vanntett bakside. Snap-adapteren er sendt gjennom dette støtte. De resterende oppgave er da å koble elektrodene bly (converter fra snap-adapter til 2 mm sokkel) og forsegle det med en vanntett gjennomsiktig film dressing (3M Tegaderm, 3M Co., USA). Alle kabler og tilkoblinger må være vanntett også. Ellers, parasittiske kortslutning oppstår. Flyttbare stramt silikon rør viste seg å være effektiv i å dekke forbindelsen mellom elektrode bly og stimulering kabel.,

Elektroder som brukes i vann: en Axelgaard Ultrastim®snap elektrode med oversize vanntett bakside med en elektrode området av 22.,m2 for tSCS (4 elektroder elektrisk koblet for magen og ett over ryggraden) og FES (to elektroder for hver quadriceps), b å d Sikkerhet silikon elektroder (VITAtronic Begrenset, Tyskland) som består av et isolerende og vanntett dekke materiale og en ledende bunnen materiale for tSCS (2 x (b) elektrisk koblet for magen og 1 x (d) for ryggen) og for FES (2 x (c) for hver quadriceps)

En ulempe av selvklebende elektroder med store vanntett bakside er at etter en enkelt kontakt med vann for at de ikke kan gjenbrukes., Derfor, for hver svømming økten, et nytt sett elektroder er nødvendig. For å redusere kostnader og for å spare miljøet, egnetheten av gjenbrukbare sikkerhet silikon elektrodene som vises i Fig. 3b, å d har vært undersøkt i en post-trening vurdering økt. Disse elektrodene er tilgjengelig i ulike størrelser (VITAtronic Begrenset, Tyskland) og kan være direkte koblet via en standard 2 mm elektrode-kontakten til simulering kabel., På grunn av den ikke-gjennomføre øvre side og innrammet isolasjon på ledende huden side, ingen parasittiske kortslutning kan skje når godt feste elektroder på huden. Materialet er ikke-klebende, noe som reduserer hudirritasjon under doffing fasen, men innebærer at det må være løst med trange ermer, stropper, vanntett gjennomsiktig film dressing, eller med tette kne-lengde badedrakter. Under bading et lite vann film mellom huden og ledende del av silikon elektrode er til stede. Derfor, ingen ekstra hydrogel ble lagt til., Stropper og kne-lengde badedrakter har blitt brukt i denne studien for beinet elektroder. Elektrodene for tSCS har blitt festet med vanntett gjennomsiktig film dressing.

Fag, opplæring protokollen og utfallet tiltak

Denne mulighetsstudien ble utført ved Behandling Sentrum for ryggmargsskade i BerlinFootnote 1. Målet med studien var å undersøke effekten av stimulering-støttet bading i to SCI pasienter med fullstendig lammelse av nedre ekstremiteter etter spinale traumer med en lesjon over Th10. Deltakerne må være dyktig foran gjennomgå svømmere.,

Begge rekruttert fag (En: 40 år, tid siden skaden 10 år, B: alder 58, tid siden skaden 36 år) er ASIA verdifall skala med En lesjon nivå Th5/6 og ga skriftlig informert samtykke. De er både en klage på et moderat clonus av nedre ekstremiteter og magen under posisjon endringer, og Temaet Et opplevelser etappe extensor spasmer fra tid til annen. Emne B lider av en hofteleddet kontraktur.

Etter rekrutterings-og innledende vurderingen, fag ble bedt om å gjennomføre en fire-ukers FES sykling trening hjemme., Under dette landet trening, de trente minst tre ganger i uken i 30 min med en standard FES ergometer sykling (RehaMove, Hasomed GmbH, Tyskland). Denne foreløpige FES sykling trening var nødvendig for å bygge opp en definert baseline styrke og utholdenhet for svømming fase. Under svømming fase, FES sykling aktivitet ble redusert til to ganger i uken.

hele svømme trening varte i 10 uker. Fag ble bedt om å delta svakt svømme treningen som varte mellom 30 til 45 min (unntatt donning og doffing)., Som et sikkerhetstiltak, svømme økter var alltid akkompagnert av en utdannet basseng vakt. Dessuten, alle rekruttert fag er i stand til å svømme uten stimulering. Opplæring ble gjort på en 16 m basseng. Emnet En brukt en snorkel i front crawl svømming.

Før den første bruken av tSCS under bading, elektroden posisjon i ryggmargen og stimulering intensitet for spastisitet behandling ble identifisert i henhold til og dokumentert. Det finnes konstant stimulering intensitet ble brukt i alle treningsøktene når tSCS var på.,

stimulering amplituder for både quadriceps var identiske og har blitt valgt til å føre en nesten full kneet extension mens fagene uthvilt på kanten av svømmebassenget med en oppreist i overkroppen. Før hver runde, ben-bevegelsen var revurderes og stimulering amplitude økt, hvis nødvendig, for å kompensere for at musklene blir slitne. En pause på minst ett minutt ble holdt mellom rundene.

i begynnelsen av hver svømme trening, rundetider ble målt. Derfor, forsøkspersonene ble instruert til å svømme hver 16 m fanget så fort som mulig., Når sammenlignende målinger ble tatt, for det første det tid for bading uten støtte ble tatt, så FES støtte og endelig er det tid for FES pluss tSCS støtte. Vi brukte denne rekkefølgen, slik at resultatene for forsøk med økende mengden av støtte er mer påvirket av muskulær tretthet deretter forsøk med mindre eller ingen støtte. Etter denne innledende vurdering, trening med foretrukket støtte (FES fès eller pluss tSCS) fant sted for resten av økten på selv-valgte hastigheten i svømming., Hvis FES pluss tSCS har blitt valgt som foretrukket støtte, da tSCS alltid var aktiv også i pausen mellom rundene, mens FES ble slått av under disse pausene.

Det er tre viktigste spørsmålene som skal besvares i denne pilot-studie:

• Gjør svømming hastighet, vurdert av rundetider, økning i forhold til ikke-assistert svømming?

• Gjør den generelle trivsel i faget bedre under rettssaken?

• Hvordan er aksept av teknologien som brukeren?,

forsøkspersonene ble bedt om å rangere behandling på grunnlag av forhåndsdefinerte uttalelser ved hjelp av en fem-klasse skala mellom full enighet og ingen avtale. Ved hjelp av resultatet av undersøkelsen de to siste spørsmålene kan bli besvart.,

IMU-basert bevegelse analyse under bading

Post-trening vurdering

Ni måneder etter ferdigstillelse av hele svømme opplæring fase, etter at vi hadde kjøpt et egnet system for måling, har vi utført en ekstra svømming økt med hver av de to fagene for å overvåke effektene av de forskjellige stimulering programmer på bein og kropp, bevegelse. Begge fagene var instruert til å gjentagelser svømme uten støtte, tSCS støtte, FES støtte, og FES pluss tSCS støtte så raskt som mulig.

Sensor oppsett

En slitesterk sensor oppsett ble benyttet., Det ansatt system WaveTrack (Cometa srl, Italia) er en trådløs og vanntett treghet sensor system som består av flere gang-synkronisert treghet måleenheter (IMUs). Disse treghet sensorer gir tre-dimensjonale måling av akselerasjon, angular velocity, og magnetiske felt vektor med en frekvens på 286 Hz. Sensor data ble brukt til å bestemme felles vinkler av både knær og begge hofter, så vel som kastet orientering vinkler av stammen på livmorhalsen og lumbale nivå., For dette formål, fire IMUs var bilateralt festet til utsiden av låret og skaft, og to IMUs ble plassert på øvre og nedre del av ryggen, som vist i Fig. 4a og b. Merk at bare det venstre beinet er avbildet. For både IMUs på det høyre beinet, den lokale x-aksen peker i lengderetningen mot føttene, men z-aksen peker sidelengs til høyre, som tilsier at y-aksen poeng anteriorly.

en IMU justering og plassering på venstre ben., Den lokale x-aksene er på linje med langsgående kroppen aksen. Z-aksen peker sidelengs til venstre. b IMU justering og plassering på øvre og nedre del av ryggen. Den lokale x-aksen er på linje med langsgående kroppen aksen, mens y-aksen peker mot høyre

Som alle sensorer er plassert under vann under hele målingen, trådløs dataoverføring (streaming) er ikke et alternativ. Derfor, en frakoblet data opptaket er gjennomført. Datainnsamling og tid synkronisering av sensorer er initiert ved hjelp av fjernkontrollen., Innspillingen begynner før emnet går inn i bassenget. Etter å forlate bassenget opptaket er stoppet, og data overføres fra sensorer til en PC. Programvaren EMGandMotionTools (Cometa srl, Italia) ble brukt for å overføre data og sensor-innstillinger. Riktignok, på grunn av tap av kommunikasjon mellom sensorer når du ligger under vann, og en synkronisering drift er educed. Men, siden denne driften ikke overstiger et par millisekunder per time og alle anskaffelser av varer mellom ca 30 til 45 min, effekten på data er ansett som irrelevant.,

Alle sensorene ble festet til huden ved hjelp av dobbeltsidig tape for grov fiksering. Deretter, en gjennomsiktig 3M Tegaderm film ble brukt for å forhindre bevegelse og løsning av sensorer under svømming prosessen.

Felles og roll-vinkel estimering

For hver kropp segmentet, IMU målingene er benyttet til å beregne segmentet retning med hensyn til en treghet referanseramme., For å unngå forutsetningen om et homogent magnetfelt inne i bygg-og spesielt inne i vannet, vi avstå fra å bruke det magnetiske feltet vektor målinger og sikring bare den målte akselerasjoner og kantete priser ved hjelp av et modulært quaternion-basert sensor fusion-algoritmen . Det må bemerkes at retningen innhentet av en slik en 6-aksen sensor fusion, kan ikke brukes for felles vinkel beregning direkte siden de har en vilkårlig overskriften offset og drive sakte rundt den vertikale aksen., Med nøyaktige bias estimering, at drift kan være så treg som en grad i løpet av ti sekunder, men den vil ikke bli redusert til perfekt null.

for Å overvinne dette er ulempen av magnetometer-gratis tilnærming, vi utnytte omtrentlig kinematisk begrensninger av hofte-og kneledd. Under anses flutter kick bevegelse av ben, hofte og kne flytte omtrent som hengsel ledd – fleksjon/extension er den dominerende bevegelse, mens adduction/bortføring og intern rotasjon oppstår bare i begrenset grad., Vi utnytte disse omtrentlig kinematisk begrensninger ved hjelp av en nylig utviklet i forhold overskriften sporing algoritme . At algoritmen tar orienteringen kvaternioner av begge segmenter i tilknytning til felles, og korrigerer kursen på den distale segmentet orientering slik at felles tvang er oppfylt i en vektet minste-kvadraters forstand. Vi bruker denne metoden flere ganger, og starter fra nedre-tilbake-segmentet og flytte distally mot shanks.,

Derfor, vi får syv kvaternioner som beskriver kroppen segmentet retninger med hensyn til et felles treghet referanseramme. Vi kan dermed beregne felles vinkler fra disse kvaternioner. Den relative felles orientering er funnet ved å multiplisere kobling av proksimal retning og med distal retning. Felles vinkler er deretter beregnet ved iboende Euler vinkel nedbrytning av dette i forhold orientering quaternion. Merk at både hofte og kne extension vinkler er definert slik at de er 180 grader for en perfekt straight leg.,

til Slutt, roll-vinkel i øvre og nedre del av ryggen er bestemt ut fra den tilsvarende orientering quaternion. Dette er oppnådd ved å omforme den lokale venstre-til-høyre-aksen, dvs. y-aksen av IMU, i treghet referanseramme og deretter bestemme vinkelen mellom aksen og horisontalplanet, som illustrert i Fig. 5. Merk at denne vinkelen er definert positiv når høyre side av bagasjerommet er lavere enn venstre side.

Definisjon av kne og hofte extension vinkel, så vel som stammen roll-vinkel

En segmentering av registrerte data er utført basert på norm for 3D-akselerasjon vektor ved å hvile og bevegelse faser. Bare den første runden av hver støtte modalitet er eksportert og undersøkt. Fra den utpakkede fanget data, en tid-kurs over 7 slag i midten av det runde har blitt valgt for å analysere felles og roll-vinkler ved hjelp av boxplots., Følgelig, start og stopp faser av hver runde, er utelukket fra data-analyse.