experimentele instelling

Stimulator

het in Fig. 2 maakt gebruik van een CE-gecertificeerde stimulator (RehaMove3, Hasomed GmbH, Duitsland) met op maat gemaakte firmware. Een enkele stroombron is geïntegreerd in het apparaat, en de uitgang van de bron wordt gedemultiplexed voor maximaal 4 kanalen. De stimulator wordt in een waterdichte tas onder het T-shirt van de zwemmer geplaatst. Alle stimulatiekabels worden door de zak getunneld en afgevoerd met siliconen om binnendringen van water te voorkomen., De tas is bevestigd met een riem op de rug van de zwemmer tussen de schouderbladen.

stimulatie-assisted swimming system including a waterproof stimulator, waterproof IMU ‘ s, floats at each shank, and waterproof electrodes

de stimulator kan worden gecontroleerd via het membraantoetsenbord kan bijvoorbeeld het stimulatieprogramma worden geselecteerd, gestart/gestopt en de stimulatieintensiteit worden aangepast., De stimulator werkt op batterijen en de hoogspanningsbron is galvanisch geïsoleerd van de batterijvoeding. Daarom wordt de stroomgeleiding altijd beperkt tussen de positieve en de negatieve elektrode van elk stimulatiekanaal.

Waterdichte stimulatieelektroden

omdat gechloreerd water in zwembaden een geleidbaarheid heeft van 2,5–3mS / cm, wat resulteert in een weerstand van 333-400 Ohm, zou een directe stimulatie met niet-waterdichte elektroden tijdens de stimulatie een parasitaire kortsluiting tussen de elektroden veroorzaken., Daarom detecteert de apparaatgeã ntegreerde elektrodefoutdetectie mogelijk geen slechte verbinding tussen de elektrode en de huid. Als beide elektroden drijven in water, dan zouden de spieren niet worden gestimuleerd, omdat de stroom altijd het pad van de minste weerstand rechtstreeks door het water en niet het lichaam neemt. Als slechts één elektrode in water drijft, zal de stroom nog steeds door de resterende stevig bevestigde elektrode gaan en nog steeds een spiercontractie onder deze elektrode veroorzaken., De enige potentieel gevaarlijke situatie zou optreden wanneer de geleidende kant van een losstaande en zwevende elektrode per ongeluk stevig tegen de huid van het bovenlichaam zou worden gedrukt, aangezien dan elektrische stromen door gevoelige organen, zoals het hart kunnen stromen. Om dit risico te minimaliseren en vanwege de beperkte detectie van elektrodefouten, moeten de elektroden veilig en stevig aan de huid worden bevestigd. Bovendien moet de kant van de elektrode die van het lichaam is gericht tegen water worden geïsoleerd. Mogelijke maatregelen zijn waterdichte transparante filmdressing, riemen of zwemdoeken.,

Momenteel zijn er geen waterdichte stimulatieelektroden op de markt. De meeste transcutane elektroden bestaan uit een geleidende hydrogellijm die via een geleidende film is verbonden met een looddraad of metalen drukknoop en is geïsoleerd met een isolerende hoes. Als de hydrogellijm in contact komt met water begint het water te absorberen terwijl de dikte toeneemt. Daardoor neemt het gebied met direct contact met het water toe. Bovendien wordt de kleeffunctie van de elektrode verminderd., Benaderingen voor onderwater EMG meting in gebruikte verschillende lagen waterdichte wondpleister met tunneled gaten voor de looddraden waterdichte standaard lijm EMG elektroden. Dezelfde procedure kan worden gebruikt voor stimulatieelektroden waar standaardelektroden waterdicht zijn met zelfklevende folies, zoals TegadermTM of OpSiteTM.

voor de trainingssessies van onze pilotstudie, die in de volgende paragraaf wordt beschreven, zijn speciale elektroden ontwikkeld door Axelgaard Manufacturing Co. Ltd zijn gebruikt, zoals in Fig. 3 bis., Een enkele elektrode bestaat uit een standaard elektrode met een oversized waterdichte backing. De snap adapter wordt getunneld door deze steun. De resterende taak is dan om de elektrode leiding (converter van de snap adapter naar 2 mm socket) aan te sluiten en af te dichten met een waterdichte transparante film dressing (3M Tegaderm, 3M Co., VERENIGDE). Alle kabels en kabelaansluitingen moeten ook waterdicht zijn. Anders komen parasitaire kortsluitingen voor. Uitneembare, strakke siliconenbuizen bleken efficiënt te zijn bij het afdekken van de verbinding tussen de elektrode en de stimulatiekabel.,

in water gebruikte elektroden: een Axelgaard Ultrastim®snap-elektrode met overmaatse waterdichte achterkant met een elektrodeoppervlak van 22.,m2 voor tSCS (4 elektroden elektrisch verbonden voor de buik en één over de wervelkolom) en FES (twee elektroden voor elke quadriceps), B tot en met d Veiligheidssiliconelektroden (VITAtronic Limited, Duitsland) bestaande uit een isolerend en waterdicht afdekmateriaal en een geleidend bodemmateriaal voor tSCS (2 x (B) elektrisch verbonden voor de buik en 1 x (d) voor de rug) en voor FES (2 x (c) voor elke quadriceps)

een nadeel van kleefelektroden met een oversized waterdichte achterkant is dat ze na één enkel contact met water niet opnieuw kunnen worden gebruikt., Daarom is voor elke zwemsessie een nieuwe set elektroden nodig. Om de kosten te verlagen en het milieu te redden, de geschiktheid van herbruikbare Veiligheid Siliconen elektroden weergegeven in Fig. 3b tot en met d is onderzocht in een evaluatiesessie na de training. Deze elektroden zijn verkrijgbaar in verschillende groottes (VITAtronic Limited, Duitsland) en kunnen direct via een standaard 2 mm elektrode connector op de simulatiekabel worden aangesloten., Door de niet-geleidende bovenzijde en de ingelijste isolatie aan de geleidende huidzijde kan er geen parasitaire kortsluiting optreden wanneer de elektroden stevig aan de huid worden bevestigd. Het materiaal is niet-klevend, wat huidirritatie tijdens de doffingsfase vermindert, maar impliceert dat het moet worden bevestigd met strakke mouwen, bandjes, waterdichte transparante filmdressing of met strakke knie-lengte Zwempakken. Tijdens het zwemmen is een kleine waterfilm tussen de huid en het geleidende deel van de siliconenelektrode aanwezig. Daarom werd geen extra hydrogel toegevoegd., Bandjes en knie-lengte zwempakken zijn gebruikt in deze studie voor de beenelektroden. De elektroden voor tSCS zijn gefixeerd door waterdicht transparant filmverband.

proefpersonen, trainingsprotocol en outcome measures

deze haalbaarheidsstudie werd uitgevoerd in het behandelingscentrum voor ruggenmergletsel in BerlinFootnote 1. Het doel van de studie was om de effecten van stimulatie ondersteund zwemmen te onderzoeken bij twee SCI patiënten met volledige verlamming van de onderste ledematen na een ruggenmergtrauma met een laesie boven Th10. Deelnemers moeten bekwaam voorkruipzwemmers zijn.,

beide geworven proefpersonen (a: leeftijd 40, tijd sinds verwonding 10 jaar, B: Leeftijd 58, tijd sinds verwonding 36 jaar) zijn Asia impairment scale A met laesie niveau Th5/6 en gaven schriftelijke geïnformeerde toestemming. Ze klagen allebei over een matige clonus van de onderste ledematen en de buik tijdens positieveranderingen, en onderwerpen een ervaring beenverlenging spasmen van tijd tot tijd. Proefpersoon B lijdt aan een heupgewricht contractuur.

na de werving en de eerste beoordeling werd de proefpersonen gevraagd een vier weken durende Fes-fietstraining thuis te volgen., Tijdens deze landtraining trainden ze minstens drie keer per week gedurende 30 minuten met een standaard Fes fietsergometer (RehaMove, Hasomed GmbH, Duitsland). Deze voorbereidende Fes-fietstraining was nodig om een gedefinieerde basissterkte en uithoudingsvermogen voor de zwemfase op te bouwen. Tijdens de zwemfase werd de fietsactiviteit van FES teruggebracht tot twee keer per week.

de gehele zwemtraining duurde 10 weken. Deelnemers werden gevraagd om de zwak zwemtraining bij te wonen die tussen de 30 en 45 minuten duurde (met uitzondering van aantrekken en doffen)., Als veiligheidsmaatregel werden de zwemsessies altijd begeleid door een getrainde zwembadwacht. Bovendien zijn alle aangeworven proefpersonen in staat om te zwemmen zonder stimulatie. De training werd gedaan bij een 16 m zwembad. Proefpersoon a gebruikte een snorkel tijdens het voorkruipen zwemmen.

voorafgaand aan het eerste gebruik van TSC ‘ s tijdens het zwemmen werden de positie van de elektrode bij het ruggenmerg en de stimulatie-intensiteit voor spasticiteitsbehandeling geïdentificeerd en gedocumenteerd. De gevonden constante stimulatie intensiteit werd toegepast in alle trainingssessies wanneer tSCS was op.,

De stimulatieamplitudes voor beide quadriceps waren identiek en zijn gekozen om een bijna volledige knieverlenging te veroorzaken, terwijl de proefpersonen rustten aan de rand van het zwembad met een rechtop bovenlichaam. Voor elke ronde werd de beenbeweging opnieuw geëvalueerd en nam de stimulatieamplitude indien nodig toe om spiervermoeidheid te compenseren. Een pauze van minstens één minuut werd tussen de ronden gehouden.

aan het begin van elke zwemtraining werden de rondetijden gemeten. Daarom werden de proefpersonen geïnstrueerd om elke 16 m ronde zo snel mogelijk te zwemmen., Toen vergelijkende metingen werden uitgevoerd, werden eerst de tijden voor zwemmen zonder ondersteuning genomen, daarna met FES-ondersteuning en tenslotte de tijden voor Fes plus tSCS-ondersteuning. We gebruikten deze volgorde zodat de resultaten voor proeven met toenemende hoeveelheid ondersteuning meer worden beïnvloed door spiervermoeidheid dan de proeven met minder of geen ondersteuning. Na deze eerste beoordeling, training met de gewenste ondersteuning (FES of Fes plus tSCS) vond plaats voor de rest van de sessie op zelfgeselecteerde zwemsnelheid., Als FES plus tSCS is geselecteerd als voorkeursondersteuning, dan was tSCS altijd actief ook in de pauzes tussen de ronden, terwijl FES werd uitgeschakeld tijdens deze pauzes.

Er zijn drie belangrijke vragen die in deze pilootstudie moeten worden beantwoord:

• neemt de zwemsnelheid, gemeten aan de hand van rondetijden, toe in vergelijking met zwemmen zonder hulp?

• verbetert het algemene welzijn van de proefpersoon tijdens het onderzoek?

• Hoe is de acceptatie van de technologie door de gebruiker?,

de proefpersonen werd gevraagd de behandeling te beoordelen op basis van vooraf gedefinieerde verklaringen met behulp van een vijfgradenschaal tussen volledige overeenstemming en geen overeenstemming. Aan de hand van het resultaat van de vragenlijst kunnen de laatste twee vragen worden beantwoord.,

IMU-gebaseerde bewegingsanalyse tijdens het zwemmen

beoordeling na de training

negen maanden na voltooiing van de volledige zwemtrainingsfase, nadat we een geschikt meetsysteem hadden verworven, voerden we een extra zwemsessie uit met elk van de twee proefpersonen om de effecten van de verschillende stimulatieprogramma ‘ s op de beweging van het been en de romp te monitoren. Beide proefpersonen kregen de instructie om zo snel mogelijk baantjes te zwemmen zonder ondersteuning, tSCS-ondersteuning, FES-ondersteuning en Fes plus tSCS-ondersteuning.

sensorinstellingen

een draagbare sensorinstellingen werden gebruikt., De employed system WaveTrack (Cometa srl, Italië) is een draadloos en waterdicht traagheidssensorsysteem bestaande uit verschillende tijd-gesynchroniseerde traagheidsmeeteenheden (IMUs). Deze traagheidssensoren leveren driedimensionale metingen van de versnelling, hoeksnelheid en magnetische veldvector met een frequentie van 286 Hz. De sensorgegevens werden gebruikt om de gewrichtshoeken van beide knieën en beide heupen te bepalen, evenals de roloriëntatiehoeken van de romp op het cervicale en lumbale niveau., Hiertoe werden vier IMU ’s bilateraal bevestigd aan de buitenkant van de dij en schacht, en twee IMU’ s bevonden zich op de boven-en onderrug, zoals in Fig. 4a en b. merk op dat alleen het linkerbeen is afgebeeld. Voor beide IMU ‘ s op het rechterbeen wijst de lokale x-as in de lengterichting naar de voeten, maar de z-as wijst zijdelings naar rechts, wat betekent dat de y-as naar voren wijst.

een IMU-uitlijning en locatie op het linkerbeen., De lokale X-assen zijn uitgelijnd met de lengteas van het lichaam. De z-as wijst zijdelings naar links. B IMU uitlijning en locatie op de boven-en onderrug. De lokale x-as is uitgelijnd met de lengteas van het lichaam, terwijl de y-as naar rechts wijst

aangezien alle sensoren zich gedurende de hele meting onder water bevinden, is draadloze gegevensoverdracht (streaming) geen optie. Daarom wordt een offline gegevensregistratie uitgevoerd. De data-acquisitie en tijdssynchronisatie van de sensoren wordt geïnitieerd door middel van afstandsbediening., De opname begint voordat het onderwerp de pool binnenkomt. Na het verlaten van de pool wordt de opname gestopt en worden de gegevens van de sensoren naar een PC overgebracht. De software EMGandMotionTools (Cometa srl, Italië) werd gebruikt voor gegevensoverdracht en sensorinstellingen. Toegegeven, als gevolg van het verlies van communicatie tussen de sensoren wanneer ze zich onder water bevinden, een synchronisatie drift wordt opgeleid. Aangezien deze afwijking echter niet meer dan enkele milliseconden per uur bedraagt en alle aanwinsten ongeveer 30 tot 45 minuten duren, wordt het effect op de gegevens irrelevant geacht.,

alle sensoren werden aan de huid bevestigd door middel van dubbelzijdig plakband voor ruwe fixatie. Vervolgens werd een transparante 3m Tegaderm film gebruikt om beweging en losmaken van de sensoren tijdens het zwemproces te voorkomen.

scharnier – en rolhoekschatting

voor elk lichaamssegment worden de IMU-metingen gebruikt om de segmentoriëntatie ten opzichte van een traagheidskader te schatten., Om de veronderstelling van een homogeen magnetisch veld in het gebouw en vooral in het water te vermijden, onthouden we ons van het gebruik van de magnetische veldvectormetingen en fuseren we alleen de gemeten versnellingen en hoeksnelheden met behulp van een modulair quaternion-gebaseerd sensorfusiealgoritme . Opgemerkt moet worden dat oriëntaties verkregen door een dergelijke 6-assige sensorfusie niet direct kunnen worden gebruikt voor de berekening van de gezamenlijke hoek, omdat ze een willekeurige koersverschuiving vertonen en langzaam rond de verticale as drijven., Met een nauwkeurige schatting van de vooringenomenheid kan die afwijking zo langzaam zijn als een graad in tien seconden, maar het zal niet worden gereduceerd tot een perfecte nul.

om dit nadeel van de magnetometervrije aanpak te overwinnen, gebruiken we benaderende kinematische beperkingen van de heup-en kniegewrichten. Tijdens de veronderstelde flutter kick beweging van de benen, de heup en knie bewegen ongeveer als scharniergewrichten – flexie/extensie is de dominante beweging, terwijl adductie/abductie en interne rotatie slechts in beperkte mate plaatsvinden., We benutten deze benaderende kinematische beperkingen door gebruik te maken van een recent ontwikkeld relative-heading tracking algoritme . Dat algoritme neemt de oriëntatie quaternions van beide segmenten grenzend aan het gewricht en corrigeert de kop van de oriëntatie van het distale segment zodanig dat de gezamenlijke beperking wordt vervuld in een gewogen kleinste kwadraten zin. We passen deze methode herhaaldelijk toe, beginnend vanaf het onderrugsegment en distaal naar de schachten.,

bijgevolg verkrijgen we zeven quaternionen die de richting van het lichaamssegment beschrijven ten opzichte van een gemeenschappelijk traagheidskader. We kunnen dus gezamenlijke hoeken uit deze quaternionen berekenen. De relatieve gezamenlijke oriëntaties worden gevonden door het conjugaat van de proximale oriëntatie te vermenigvuldigen met de distale oriëntatie. De gezamenlijke hoeken worden dan berekend door intrinsieke Euler hoekdecompositie van dit relatieve oriëntatiequaternion. Merk op dat zowel de heup-en knieverlengingshoeken zodanig zijn gedefinieerd dat ze 180 graden zijn voor een perfect recht been.,

ten slotte wordt de rolhoek van de boven-en onderrug bepaald aan de hand van het overeenkomstige oriëntatiequaternion. Dit wordt bereikt door de lokale links-naar-rechts as, dat wil zeggen de y-as van de IMU, om te zetten in het traagheidskader en vervolgens de hoek tussen die as en het horizontale vlak te bepalen, zoals geïllustreerd in Fig. 5. Merk op dat deze hoek positief wordt gedefinieerd wanneer de rechterkant van de stam lager is dan de linkerkant.

definitie van de knie-en heupuitbreidingshoek en de hoek van de romprol

segmentatie van de geregistreerde gegevens wordt uitgevoerd op basis van de norm van de 3D-acceleratievector door detectie rust-en bewegingsfasen. Alleen de eerste ronde van elke steunmodaliteit wordt geëxporteerd en onderzocht. Uit de geëxtraheerde ronde gegevens, een tijd cursus over 7 slagen in het midden van de ronde is geselecteerd om de verbinding en rol hoeken te analyseren met behulp van boxplots., Bijgevolg worden de start-en stopfasen van elke ronde van de gegevensanalyse uitgesloten.