stymulator może być sterowanie za pomocą klawiatury membranowej, np. program stymulacji można wybrać, uruchomić/zatrzymać i intensywność stymulacji można regulować., Stymulator jest zasilany bateryjnie, a źródło wysokiego napięcia jest galwanicznie izolowane od zasilania akumulatora. Stąd przewodzenie prądu jest zawsze ograniczone między dodatnią i ujemną elektrodą każdego kanału stymulacji.

wodoodporne elektrody stymulujące

ze względu na to, że chlorowana woda w basenach ma przewodność 2,5–3 ms / cm, co skutkuje rezystancją 333-400 Ohm, bezpośrednia stymulacja elektrodami nie wodoodpornymi spowodowałaby pasożytnicze zwarcie między elektrodami podczas stymulacji., Dlatego zintegrowane z urządzeniem wykrywanie błędów elektrody może nie wykryć złego połączenia między elektrodą a skórą. Gdyby obie elektrody unosiły się w wodzie, wówczas mięśnie nie byłyby stymulowane, ponieważ prąd zawsze podąża ścieżką najmniejszego oporu bezpośrednio przez wodę, a nie przez ciało. Jeśli tylko jedna elektroda unosi się w wodzie, prąd nadal przechodzi przez pozostałą mocno przymocowaną elektrodę i nadal spowoduje skurcz mięśni pod tą elektrodą., Jedyna potencjalnie niebezpieczna sytuacja miałaby miejsce, gdy strona przewodząca odłączonej i pływającej elektrody przypadkowo zostanie mocno dociśnięta do skóry górnej części ciała, ponieważ wtedy prądy elektryczne mogą przepływać przez wrażliwe organy, takie jak serce. Aby zminimalizować to ryzyko i ze względu na ograniczone wykrywanie błędów elektrody, elektrody muszą być bezpiecznie i mocno przymocowane do skóry. Co więcej, strona elektrody skierowana z dala od ciała musi być izolowana przed wodą. Możliwe środki to wodoodporny przezroczysty opatrunek filmowy, paski lub ściereczki kąpielowe.,

obecnie na rynku nie ma wodoodpornych elektrod stymulujących. Większość elektrod przezskórnych składa się z przewodzącego kleju hydrożelowego, który jest połączony za pomocą przewodzącej folii z przewodowym drutem lub metalowym zatrzaskiem i izolowany osłoną izolacyjną. Jeśli klej hydrożelowy wejdzie w kontakt z wodą, zaczyna wchłaniać wodę, a grubość wzrasta. W związku z tym zwiększa się obszar o bezpośrednim kontakcie z wodą. Ponadto funkcja klejenia elektrody jest zmniejszona., Podejścia do podwodnego pomiaru EMG w zastosowanych kilku warstwach wodoodpornego gipsu nawiniętego z otworami tunelowymi dla przewodów ołowiowych do wodoodpornych standardowych klejowych elektrod EMG. Ta sama procedura może być stosowana do elektrod stymulacyjnych, gdzie standardowe elektrody są wodoszczelne foliami samoprzylepnymi, takimi jak TegadermTM lub OpSiteTM.

na sesje szkoleniowe naszego pilotażowego badania, które opisano w następnym podrozdziale, specjalne elektrody opracowane przez Axelgaard Manufacturing Co. Ltd zostały wykorzystane, jak pokazano na Rys. 3a., Pojedyncza elektroda składa się ze standardowej elektrody z ponadgabarytowym wodoodpornym podkładem. Adapter zatrzaskowy jest tunelowany przez to podłoże. Pozostałym zadaniem jest następnie podłączenie przewodu elektrody (konwerter z adaptera snap do gniazda 2 mm) i uszczelnienie go wodoodpornym, przezroczystym opatrunkiem foliowym (3M Tegaderm, 3m Co., USA). Wszystkie kable i połączenia kablowe muszą być również wodoodporne. W przeciwnym razie występują pasożytnicze zwarcia. Wyjmowane ciasne silikonowe rurki okazały się skuteczne w pokrywaniu połączenia między przewodem elektrody a kablem stymulacyjnym.,

elektrody stosowane w wodzie: elektroda zatrzaskowa Axelgaard Ultrastim®z ponadwymiarowym wodoodpornym podłożem o powierzchni elektrody 22.,m2 dla tSCS (4 elektrody połączone elektrycznie dla brzucha i jedna nad kręgosłupem) i FES (dwie elektrody dla każdego czworokąta), bezpieczne elektrody silikonowe b do D (VITAtronic Limited, Niemcy) składające się z izolacyjnego i wodoodpornego materiału pokrywającego oraz przewodzącego materiału DNA dla tSCS (2 x (b) połączone elektrycznie dla brzucha i 1 x (d) dla pleców) i dla FES (2 x (C) dla każdego czworokąta)

wadą elektrod samoprzylepnych z ponadgabarytowym wodoodpornym podłożem jest to, że po pojedynczym kontakcie z wodą nie można ich ponownie użyć., Dlatego do każdej sesji pływania potrzebny jest nowy zestaw elektrod. Aby obniżyć koszty i chronić środowisko, przydatność bezpiecznych elektrod silikonowych wielokrotnego użytku pokazano na Rys. 3b do d zostało zbadane w sesji oceny potreningowej. Elektrody te są dostępne w różnych rozmiarach (VITAtronic Limited, Niemcy) i mogą być bezpośrednio podłączone za pomocą standardowego złącza elektrody 2 mm do kabla symulacyjnego., Ze względu na nieprzewodzącą górną stronę i oprawioną izolację po stronie przewodzącej skóry, nie może wystąpić pasożytnicze zwarcie podczas mocnego przymocowania elektrod do skóry. Materiał jest nieprzylepny, co zmniejsza podrażnienia skóry podczas fazy zdejmowania, ale oznacza to, że musi być mocowany za pomocą ciasnych rękawów, ramiączek, wodoodpornego przezroczystego opatrunku lub ciasnych kostiumów kąpielowych do kolan. Podczas pływania występuje niewielki film wodny pomiędzy skórą a przewodzącą częścią elektrody silikonowej. W związku z tym nie dodano dodatkowego hydrożelu., W tym badaniu wykorzystano paski i stroje kąpielowe do kolan. Elektrody do tSCS zostały zamocowane przez wodoodporny przezroczysty opatrunek filmowy.

tematy, protokół szkolenia i wyniki

studium wykonalności zostało przeprowadzone w centrum leczenia urazów rdzenia kręgowego w Berlinie. Celem pracy było zbadanie efektów pływania wspomaganego stymulacją u dwóch pacjentów po SCI z całkowitym porażeniem kończyn dolnych po urazie kręgosłupa ze zmianą powyżej Th10. Uczestnicy muszą być biegli czołgać pływaków.,

zarówno osoby rekrutowane (A: wiek 40, Czas od urazu 10 lat, B: wiek 58, Czas od urazu 36 lat) są Asia upośledzenia skali a z poziomu zmian Th5 / 6 i dał pisemną świadomą zgodę. Oboje skarżą się na umiarkowany klon kończyn dolnych i brzucha podczas zmiany pozycji, a podmiot doświadcza skurczów prostowników nóg od czasu do czasu. Tester B cierpi na przykurcz stawu biodrowego.

Po zakończeniu rekrutacji i wstępnej ocenie uczestnicy zostali poproszeni o przeprowadzenie czterotygodniowego treningu kolarskiego FES w domu., Podczas tego treningu na lądzie trenowali oni co najmniej trzy razy w tygodniu przez 30 min na standardowym rowerze rowerowym FES (RehaMove, Hasomed GmbH, Niemcy). Ten wstępny trening rowerowy FES był potrzebny do zbudowania określonej siły i wytrzymałości wyjściowej dla fazy pływania. Podczas fazy pływania aktywność rowerowa FES została zmniejszona do dwóch razy w tygodniu.

cały trening pływacki trwał 10 tygodni. Testerzy zostali poproszeni o udział w słabo pływającej sesji treningowej, która trwała od 30 do 45 minut(z wyłączeniem zakładania i zdejmowania)., Jako środek bezpieczeństwa, sesje pływackie zawsze towarzyszył wyszkolony strażnik basenu. Co więcej, wszystkie osoby rekrutowane są w stanie pływać bez stymulacji. Trening odbył się na basenie 16 m. Tester a używał fajki podczas przedniego pełzania.

przed pierwszym użyciem tSCS podczas pływania, pozycja elektrody w rdzeniu kręgowym i intensywność stymulacji do leczenia spastycznego zostały określone i udokumentowane. Stwierdzona stała intensywność stymulacji była stosowana we wszystkich sesjach treningowych, gdy tscs był włączony.,

amplitudy stymulacji dla obu mięśnia czworogłowego były identyczne i zostały wybrane tak, aby spowodować prawie pełne wyprostowanie kolana, podczas gdy testerzy odpoczywali na brzegu basenu z wyprostowaną górną częścią ciała. Przed każdym okrążeniem ponownie oceniano ruch nóg i zwiększano amplitudę stymulacji, w razie potrzeby, aby zrekompensować zmęczenie mięśni. Między okrążeniami utrzymywana była przerwa wynosząca co najmniej jedną minutę.

na początku każdego treningu pływackiego mierzone były czasy okrążeń. W związku z tym testerzy zostali poinstruowani, aby jak najszybciej przepłynąć każde 16-metrowe okrążenie., Podczas pomiarów porównawczych najpierw obliczono czasy pływania bez podparcia, następnie z podparciem FES, a na koniec czasy dla podparcia FES plus tSCS. Użyliśmy tej kolejności, aby wyniki badań z rosnącą ilością wsparcia były bardziej dotknięte zmęczeniem mięśni niż badania z mniejszym lub bez wsparcia. Po tej wstępnej ocenie trening z preferowanym wsparciem (FES lub FES plus tSCS) odbył się przez resztę sesji z wybraną przez siebie prędkością pływania., Jeśli FES plus tSCS został wybrany jako preferowane wsparcie, to tSCS był zawsze aktywny również w przerwach między okrążeniami, podczas gdy Fes był wyłączony podczas tych przerw.

w tym badaniu pilotażowym należy odpowiedzieć na trzy główne pytania:

• czy prędkość pływania, oceniana na podstawie czasów okrążeń, wzrasta w porównaniu z pływaniem bez pomocy?

• czy ogólne samopoczucie podmiotu poprawia się podczas procesu?

• W Jaki Sposób akceptacja technologii przez użytkownika?,

pacjenci zostali poproszeni o ocenę terapii na podstawie predefiniowanych stwierdzeń przy użyciu pięciostopniowej skali między pełną zgodą a brakiem zgody. Na podstawie wyników ankiety można odpowiedzieć na dwa ostatnie pytania.,

analiza ruchu oparta na IMU podczas pływania

ocena potreningowa

dziewięć miesięcy po zakończeniu całej fazy treningu pływackiego, po uzyskaniu odpowiedniego systemu pomiarowego, przeprowadziliśmy dodatkową sesję pływania z każdym z dwóch uczestników, aby monitorować efekty różnych programów stymulacji ruchu nóg i tułowia. Obie osoby zostały poinstruowane, aby powtarzalnie pływać okrążenia bez wsparcia, wsparcie tSCS, wsparcie FES i wsparcie Fes plus tscs tak szybko, jak to możliwe.

konfiguracja czujnika

zastosowano konfigurację czujnika do noszenia., Zastosowany system WaveTrack (Cometa srl, Włochy) to bezprzewodowy i wodoodporny inercyjny system czujników składający się z kilku zsynchronizowanych w czasie inercyjnych jednostek pomiarowych (IMUs). Te czujniki inercyjne zapewniają trójwymiarowe pomiary przyspieszenia, prędkości kątowej i wektora pola magnetycznego z częstotliwością 286 Hz. Dane z czujnika zostały wykorzystane do określenia kątów stawowych obu kolan i obu bioder oraz kątów orientacji tułowia na odcinku szyjnym i lędźwiowym., W tym celu cztery IMUs zostały dwustronnie przymocowane do zewnętrznego uda i chwytu, a dwa IMUs znajdowały się na górnej i dolnej części pleców, jak pokazano na Rys. 4a i b. zauważ, że przedstawiona jest tylko lewa noga. Dla obu Imusów na prawej nodze lokalna oś x wskazuje wzdłużnie w kierunku stóp, ale oś z wskazuje bocznie w prawo, co oznacza, że oś y wskazuje przednio.

wyrównanie IMU i położenie na lewej nodze., Lokalne osie x są wyrównane do osi podłużnej korpusu. Oś z wskazuje poprzecznie w lewo. b IMU ustawienie i położenie na górnej i dolnej części pleców. Lokalna oś x jest wyrównana z wzdłużną osią korpusu, podczas gdy oś y wskazuje w prawo

ponieważ wszystkie czujniki znajdują się pod wodą podczas całego pomiaru, bezprzewodowa transmisja danych (przesyłanie strumieniowe) nie jest opcją. W związku z tym odbywa się zapis danych w trybie offline. Akwizycja danych i Synchronizacja czasu czujników jest inicjowana za pomocą pilota zdalnego sterowania., Nagrywanie rozpoczyna się przed wejściem testera do basenu. Po opuszczeniu puli zapis jest zatrzymywany, a dane są przesyłane z czujników do komputera. Oprogramowanie EMGandMotionTools (Cometa srl, Włochy) zostało wykorzystane do przesyłania danych i ustawień czujników. Co prawda, ze względu na utratę łączności pomiędzy czujnikami znajdującymi się pod wodą, następuje dryf synchronizacji. Ponieważ jednak dryf ten nie przekracza kilku milisekund na godzinę, a wszystkie przejęcia trwają od około 30 do 45 minut, wpływ na dane uznaje się za nieistotny.,

wszystkie czujniki zostały przymocowane do skóry za pomocą dwustronnej taśmy klejącej do szorstkiego mocowania. Następnie zastosowano przezroczystą folię Tegaderm 3M, aby zapobiec przesuwaniu się i poluzowaniu czujników podczas procesu pływania.

estymacja kąta połączenia i obrotu

dla każdego segmentu ciała odczyty IMU są używane do oszacowania orientacji segmentu w odniesieniu do bezwładnościowej ramy odniesienia., Aby uniknąć założenia jednorodnego pola magnetycznego wewnątrz budynku, a zwłaszcza wewnątrz wody, powstrzymujemy się od pomiarów wektorowych pola magnetycznego i łączymy tylko zmierzone przyspieszenia i prędkości kątowe za pomocą modularnego algorytmu fuzji czujników opartego na czwartorzędach . Należy zauważyć, że orientacje uzyskane w wyniku takiego 6-osiowego zespolenia czujników nie mogą być bezpośrednio wykorzystane do obliczenia kąta połączenia, ponieważ wykazują one dowolne przesunięcie kursu i powoli dryfują wokół osi pionowej., Przy dokładnym szacowaniu odchylenia, dryf ten może być tak powolny, jak jeden stopień w ciągu dziesięciu sekund, ale nie zostanie zredukowany do idealnego zera.

aby przezwyciężyć tę wadę podejścia bez magnetometru, wykorzystujemy przybliżone ograniczenia kinematyczne stawów biodrowych i kolanowych. Podczas rozważanego ruchu trzepotania nóg, biodra i kolana poruszają się w przybliżeniu jak stawy zawiasowe – zgięcie/wyprostowanie jest ruchem dominującym, podczas gdy przywodzenie / odwodzenie i rotacja wewnętrzna występują tylko w ograniczonym stopniu., Te przybliżone ograniczenia kinematyczne wykorzystujemy przy użyciu niedawno opracowanego algorytmu śledzenia kierunku względnego . Algorytm ten przyjmuje kwadraty orientacyjne obu segmentów przylegających do stawu i koryguje kierunek orientacji segmentu dystalnego tak, że ograniczenie stawowe jest spełnione w ważonym sensie najmniejszych kwadratów. Metodę tę stosujemy wielokrotnie, zaczynając od dolnego segmentu pleców i przesuwając się dystalnie w kierunku chwytów.,

w rezultacie otrzymujemy siedem czwartorzędów, które opisują orientacje segmentów ciała w odniesieniu do wspólnej inercyjnej ramy odniesienia. Możemy więc obliczyć kąty połączenia z tych czwartorzędów. Względne orientacje stawów znajdują się przez pomnożenie sprzężenia orientacji proksymalnej z orientacją dystalną. Kąty zespolone są następnie obliczane przez wewnętrzny rozkład kąta Eulera tego względnego czwartorzędu orientacyjnego. Zauważ, że zarówno kąty wyprostowania biodra, jak i kolana są zdefiniowane w taki sposób, że wynoszą 180 stopni dla idealnie prostej nogi.,

wreszcie kąt obrotu górnej i dolnej części pleców jest określony z odpowiedniego czwartorzędu orientacji. Osiąga się to poprzez przekształcenie lokalnej osi od lewej do prawej, tj. osi y IMU, w inercyjny układ odniesienia, a następnie określenie kąta między tą osią a płaszczyzną poziomą, jak pokazano na Rys. 5. Należy zauważyć, że kąt ten jest zdefiniowany dodatnio, gdy prawa strona tułowia jest niższa niż lewa strona.

definicja kąta wyprostowania stawu kolanowego i biodrowego oraz kąta zwinięcia tułowia

segmentacja zarejestrowanych danych odbywa się w oparciu o normę wektor przyspieszenia 3D poprzez wykrywanie faz odpoczynku i ruchu. Eksportowane i badane są tylko pierwsze okrążenia każdej modalności wsparcia. Na podstawie zebranych danych dotyczących okrążeń wybrano przebieg czasowy ponad 7 uderzeń w środku okrążenia, aby przeanalizować kąty połączenia i toczenia za pomocą kartonów., W związku z tym fazy startu i zatrzymania każdego okrążenia są wyłączone z analizy danych.