Apoiar a frente de rastreamento de natação no paraplégicos usando estimulação elétrica: um estudo de viabilidade
estimulação elétrica Funcional de suporte
com Base no trabalho anterior, decidimos usar FES induzida por vibração chutes para proficiente frente de rastreamento nadadores. Além disso, os flutuadores estão ligados aos tornozelos que levam à flexão do joelho e um movimento para cima do tornozelo em uma perna não estimulada., Por um lado, isso resulta em uma postura mais racionalizada na água. Por outro lado, implica que o movimento desejado do joelho pode ser realizado alternando entre a extensão do joelho induzida pelo FES e a flexão passiva do joelho causada pelos flutuadores. Assim, apenas dois canais de estimulação são necessários. Os músculos quadríceps de ambas as pernas são alternadamente estimulados onde os eletrodos de estimulação foram colocados na parte proximal do rectus femoris e no ponto motor do vastus medialis de cada perna., A estimulação, que é aplicada com uma frequência de estimulação de 25 Hz, é ligada e desligada a uma frequência de 1 ou 2 Hz, o que resulta em aproximadamente um ou dois pontapés nas pernas por curso do braço, dependendo da frequência do curso do braço. A amplitude e o pulsewidth podem variar nos intervalos 0-100 mA e 0-500 µs, respectivamente. Ambos os valores são aumentados / diminuídos simultaneamente para controlar a contração muscular gerada.a estimulação transcutânea da espinal medula é utilizada com o objectivo de reduzir a espasticidade dos Membros inferiores durante e após a natação., Portanto, estimulamos as fibras aferentes das raízes posteriores L2–S2 continuamente a 50 Hz usando pulsos bifásicos com largura de pulso de 1 ms sobre a região T11 / 12 na medula espinhal de acordo com. A posição do eletrodo na parte de trás e a amplitude de estimulação foram determinadas conforme descrito em . Ao ligar os tSCS, a musculatura do tronco é ativada a um nível motor como um efeito colateral positivo. Isto melhora a estabilidade do tronco e endireita a parte superior do corpo. Como mostrado na Fig. 1, uma posição de natação simplificada pode ser alcançada com FES e tSCS em comparação com nenhuma estimulação em um sujeito paraplégico.,
Paraplégicos assunto (Th5/6, ÁSIA escala) com e sem estimulação (FES+tSCS) utilizando flutuadores nos tornozelos e um snorkel. Comparando vídeos para nadar com e sem estimulação de suporte estão disponíveis para ambos os sujeitos do estudo, como arquivos suplementares (Ver ficheiros Adicionais 1 & 2)
de arquivo Adicionais 1: Sujeito A.,
configuração Experimental
Estimulador
O sistema de estimulação para a natação mostrado na Fig. 2 emprega um estimulador certificado CE (RehaMove3, Hasomed GmbH, Alemanha) com firmware personalizado. Uma única fonte de corrente é integrada no dispositivo, e a saída da fonte é desmultiplexada para até 4 canais. O estimulador é colocado dentro de um saco à prova de água debaixo da T-shirt do nadador. Todos os cabos de estimulação são escavados através do saco e drenados com silicone para evitar a intrusão de água., O saco é fixado com uma alça nas costas do nadador entre as omoplatas.
a Estimulação assistido sistema de natação, incluindo uma prova estimulador, impermeável, IMUs, flutua em cada haste, e impermeável eletrodos
O estimulador pode ser controlado através do teclado de membrana por exemplo, o programa de estimulação podem ser selecionados, iniciado/parado e a intensidade de estimulação pode ser ajustado., O estimulador é alimentado por bateria, e a fonte de alta tensão é galvanicamente isolada da energia da bateria. Assim, a condução atual é sempre restringida entre o eletrodo positivo e o negativo de cada canal de estimulação.devido ao facto de a água clorada nas piscinas ter uma condutância de 2,5–3mS/cm, o que resulta em resistência de 333-400 Ohm, uma estimulação directa com eléctrodos não impermeáveis produziria um curto-circuito parasitário entre eléctrodos durante a estimulação., Portanto, a detecção de erro de eletrodo integrado ao dispositivo pode não detectar uma má conexão entre o eletrodo e a pele. Se ambos os eletrodos flutuarem na água, então os músculos não seriam estimulados, porque a corrente sempre toma o caminho de menor resistência diretamente através da água e não do corpo. Se apenas um eletrodo flutua na água, então a corrente ainda passará através do eletrodo restante firmemente ligado e ainda causará uma contração muscular sob este eletrodo., A única situação potencialmente perigosa ocorreria quando o lado condutor de um eletrodo solto e flutuante seria acidentalmente pressionado firmemente contra a pele da parte superior do corpo, desde então correntes elétricas podem fluir através de órgãos sensíveis, como o coração. Para minimizar este risco e devido à detecção limitada de erro de eletrodo, os eletrodos precisam ser seguros e firmemente ligados à pele. Além disso, o lado do eletrodo virado para longe do corpo precisa ser isolado contra a água. As medidas possíveis são películas transparentes impermeáveis, cintas ou panos de natação.,actualmente, não existem eléctrodos de estimulação à prova de água disponíveis no mercado. A maioria dos eléctrodos transcutâneos consiste num adesivo hidrogel condutor, que é ligado por película condutora a um fio de chumbo ou a um estilhaço metálico e isolado com uma cobertura isolante. Se o adesivo de hidrogel entra em contato com água, ele começa a absorver água, enquanto a espessura aumenta. Assim, a área com contato direto com a água aumenta. Além disso, a função adesiva do eletrodo é reduzida., Approaches for underwater EMG measurement in used several layers of waterproof wound plaster with tunneled holes for the lead wires to waterproof standard adasive EMG electrodes. O mesmo procedimento pode ser usado para eletrodos de estimulação onde eletrodos padrão são impermeáveis com películas adesivas, como TegadermTM ou OpSiteTM.para as sessões de formação do nosso estudo-piloto, que é descrito na subsecção seguinte, eléctrodos especiais desenvolvidos pela Axelgaard Manufacturing Co. Ltd foram utilizados, como demonstrado na Fig. 3a., Um único eletrodo consiste de um eletrodo padrão com um revestimento impermeável. O adaptador snap é perfurado através deste suporte. A tarefa restante é, em seguida, ligar o chumbo do eletrodo (conversor do adaptador snap para tomada de 2 mm) e selá-lo com um revestimento Transparente À Prova de água (3M Tegaderm, 3m Co., AMERICA). Todos os cabos e Conexões de cabos têm que ser impermeáveis também. Caso contrário, curto-circuitos parasitas ocorrem. Os tubos de silicone estanques amovíveis mostraram ser eficientes na cobertura da ligação entre o chumbo do eléctrodo e o cabo de estimulação.,
eléctrodos utilizados na água: um eléctrodo snap axelgaard Ultrastim®com revestimento à prova de água, com uma área de eléctrodos de 22.,m2 para tSCS (4 eletrodos conectados eletricamente para o abdômen e um sobre a coluna vertebral) e FES (dois eléctrodos para cada quadríceps), de b para d silicone de Segurança eletrodos (VITAtronic Limitada, Alemanha), consistindo de um isolante e impermeável, de material de cobertura e um condutor inferior material para tSCS (2 x (b) conectado eletricamente para o abdômen e 1 x (d) para a parte de trás) e FES (2 x (c) para cada quadríceps)
Uma desvantagem de eletrodos adesivos com grandes impermeável base é que, após um único contato com a água, eles não podem ser reutilizados., Assim, para cada sessão de natação, é necessário um novo conjunto de eletrodos. Para reduzir os custos e salvar o ambiente, a adequação de eletrodos de silicone de segurança reutilizáveis, mostrados na Fig. 3b A d foi investigada numa sessão de avaliação pós-formação. Estes eléctrodos estão disponíveis em diferentes tamanhos (VITAtronic Limited, Alemanha) e podem ser directamente ligados através de um conector de eléctrodos padrão de 2 mm ao cabo de simulação., Devido ao lado superior não condutor e ao isolamento emoldurado no lado condutivo da pele, nenhum curto-circuito parasitário pode ocorrer quando firmemente anexar os eletrodos à pele. O material não é Adesivo, o que reduz a irritação da pele durante a fase de enchimento, mas implica que deve ser fixado com mangas apertadas, Cintas, película transparente impermeável, ou com Fatos de banho apertados até ao joelho. Durante a natação está presente uma pequena película de água entre a pele e a parte condutora do eletrodo de silicone. Assim, não foi adicionado hidrogel adicional., Correias e fatos de banho de joelhos foram usados neste estudo para eletrodos da perna. Os eléctrodos para tSCS foram fixados por película impermeável transparente.este estudo de viabilidade foi realizado no centro de tratamento de lesões da espinal medula em Berlinfootnota 1. O objetivo do estudo foi investigar os efeitos da natação apoiada pela estimulação em dois pacientes SCI com paralisia completa das extremidades inferiores após trauma espinhal com uma lesão acima de Th10. Os participantes têm de ser bons nadadores.,ambos os indivíduos recrutados (a: 40 anos, tempo desde a lesão 10 anos, B: 58 anos, tempo desde a lesão 36 anos) são a escala de deficiência a da Ásia com nível de lesão Th5/6 e deram consentimento informado por escrito. Ambos se queixam de um coágulo moderado das extremidades inferiores e do abdômen durante as alterações de posição, e sujeito a uma experiência de espasmos extensores da perna de vez em quando. O sujeito B sofre de contração da anca.após o recrutamento e a avaliação inicial, os participantes foram convidados a realizar uma formação de quatro semanas para ciclistas em casa., Durante este treinamento em terra, eles treinaram pelo menos três vezes por semana durante 30 minutos com um ergômetro de ciclismo FES padrão (RehaMove, Hasomed GmbH, Alemanha). Este treinamento preliminar de ciclismo FES foi necessário para construir uma força de base definida e resistência para a fase de natação. Durante a fase de natação, a atividade de ciclismo FES foi reduzida para duas vezes por semana.todo o treino de natação durou 10 semanas. Os participantes foram convidados a participar da sessão de treino de natação fraca, que durou entre 30 e 45 minutos (excluindo donning e doffing)., Como medida de segurança, as sessões de natação foram sempre acompanhadas por um guarda de piscina treinado. Além disso, todos os indivíduos recrutados são capazes de nadar sem estimulação. O treino foi feito numa piscina de 16 metros. O sujeito a usou um tubo de mergulho durante a natação.antes da primeira utilização de tSCS durante a natação, a posição dos eléctrodos na medula espinhal e a intensidade de estimulação para o tratamento da espasticidade foram identificadas e documentadas. A intensidade de estimulação constante encontrada foi aplicada em todas as sessões de treinamento quando tSCS estava ligado.,
as amplitudes de estimulação para ambos os quadriceps foram idênticas e foram escolhidas para causar uma extensão quase completa do joelho enquanto os indivíduos descansavam na borda da piscina com um corpo superior vertical. Antes de cada volta, o movimento da perna foi reavaliado e a amplitude da estimulação aumentou, se necessário, para compensar a fadiga muscular. Uma pausa de pelo menos um minuto foi mantida entre as voltas.no início de cada sessão de treino de natação, foram medidos tempos de volta. Portanto, os sujeitos foram instruídos a nadar a cada volta de 16 metros o mais rápido possível., Quando as medições comparativas foram feitas, primeiro as vezes para nadar sem suporte foram feitas, em seguida, com o suporte FES e, finalmente, o tempo para o suporte FES mais tSCS. Nós usamos esta ordem para que os resultados para ensaios com a quantidade crescente de suporte são mais afetados pela fadiga muscular, em seguida, os ensaios com menos ou nenhum suporte. Após esta avaliação inicial, o treinamento com o apoio preferido (FES ou FES mais tSCS) ocorreu para o resto da sessão em velocidade de natação self-selected., Se FES plus tSCS foi selecionado como suporte preferido, então tSCS foi sempre ativo também nas pausas entre as voltas, enquanto FES foi desligado durante essas pausas.existem três questões principais que devem ser respondidas neste estudo-piloto:
-
a velocidade de natação, avaliada em intervalos de tempo, aumenta em comparação com a natação não assistida?o bem-estar geral do sujeito melhora durante o ensaio?como é a aceitação da tecnologia pelo utilizador?,
foi pedido aos indivíduos que avaliassem a terapêutica com base em afirmações pré-definidas utilizando uma escala de cinco graus entre o acordo total e o Não acordo. Utilizando o resultado do questionário, as duas últimas perguntas podem ser respondidas.,9 meses após a conclusão de toda a fase de treino de natação, depois de termos adquirido um sistema de medição adequado, realizámos uma sessão adicional de natação com cada um dos dois indivíduos para monitorizar os efeitos dos diferentes programas de estimulação no movimento da perna e do tronco. Ambos os assuntos foram instruídos a nadar repetitivamente voltas sem suporte, suporte tSCS, suporte FES, e suporte Fes plus tscs o mais rápido possível.
configuração do Sensor
foi usada uma configuração do sensor móvel., O wavetrack (Cometa srl, Itália) é um sistema de sensor inercial inercial sem fio e impermeável que consiste em várias unidades de medição inercial sincronizadas no tempo (IMUs). Estes sensores inerciais fornecem medições tridimensionais da aceleração, velocidade angular e Vetor de campo magnético a uma frequência de 286 Hz. Os dados do sensor foram usados para determinar os ângulos das articulações de ambos os joelhos e ambos os quadris, bem como os ângulos de orientação do rolo do tronco no nível cervical e lombar., Para este fim, quatro IMUs foram bilateralmente ligados à coxa exterior e à haste, e dois IMUs foram localizados na parte superior e inferior das costas, como mostrado na figura. 4a e B. Note que apenas a perna esquerda é representada. Para ambos os IMUs na perna direita, o eixo X local aponta longitudinalmente para os pés, mas o eixo z aponta lateralmente para a direita, o que implica que o eixo y aponta aeriorly.
a IMU alignment and location on the left leg., Os eixos X locais estão alinhados com o eixo longitudinal do corpo. O eixo z aponta lateralmente para a esquerda. B alinhamento e localização do IMU nas costas superior e inferior. O eixo x local está alinhado com o eixo longitudinal eixo do corpo, enquanto o eixo y aponta para a direita
Como todos os sensores estão localizados subaquática durante toda a medição, transferência de dados sem fio (transmissão) não é uma opção. Portanto, um registro de dados offline é realizado. A aquisição de dados e sincronização de tempo dos sensores é iniciada por meio de controle remoto., A gravação começa antes do sujeito entrar na piscina. Depois de sair da piscina, a gravação é parada e os dados são transferidos dos sensores para um PC. O software EMGandMotionTools (Cometa srl, Itália) foi utilizado para a transferência de dados e configurações de sensores. Reconhecidamente, devido à perda de comunicação entre os sensores quando localizados Debaixo d’água, uma deriva de sincronização é educada. No entanto, uma vez que este desvio não excede alguns milissegundos por hora e que todas as aquisições duram entre cerca de 30 e 45 minutos, o efeito sobre os dados é considerado irrelevante.,todos os sensores estavam ligados à pele por meio de fita adesiva de dupla face para fixação grosseira. Posteriormente, um filme transparente de 3m Tegaderm foi usado para evitar o movimento e o afrouxamento dos sensores durante o processo de natação.
estimativa dos ângulos de articulação e de rolamento
para cada segmento do corpo, as leituras do IMU são utilizadas para estimar a orientação do segmento em relação a um referencial inercial., Para evitar a suposição de um campo magnético homogêneo dentro do edifício e, especialmente, dentro da água, abstemo-nos de usar as medições do vetor do campo magnético e fundimos apenas as acelerações e taxas angulares medidas usando um algoritmo de fusão de sensores com base em quaterniões modulares . Note-se que as orientações obtidas por essa fusão de sensores de 6 eixos não podem ser utilizadas diretamente para o cálculo do ângulo conjunto, uma vez que exibem um deslocamento arbitrário do rumo e deslizam lentamente em torno do eixo vertical., Com uma estimativa precisa de viés, essa deriva pode ser tão lenta como um grau em dez segundos, mas não será reduzida a zero perfeito.para superar esta desvantagem da abordagem sem magnetómetro, exploramos restrições cinemáticas aproximadas das articulações do quadril e do joelho. Durante o considerado movimento do chute das pernas, a anca e o joelho movem – se aproximadamente como articulações da dobradiça-flexão/extensão é o movimento dominante, enquanto a addução/abdução e rotação interna ocorrem apenas em um grau limitado., Nós exploramos essas restrições cinemáticas aproximadas usando um algoritmo de rastreamento relativo recentemente desenvolvido . Esse algoritmo leva os quaterniões de orientação de ambos os segmentos adjacentes à articulação e corrige o cabeçalho da orientação do segmento distal de tal forma que a restrição conjunta é cumprida em um sentido de mínimos quadrados ponderados. Nós aplicamos este método repetidamente, começando a partir do segmento inferior de costas e movendo-se distalmente em direção aos bancos.,consequentemente, obtemos sete quaterniões que descrevem as orientações do segmento do corpo em relação a um referencial inercial comum. Podemos assim calcular ângulos conjuntos a partir destes quaterniões. As orientações relativas conjuntas são encontradas multiplicando o conjugado da orientação proximal com a orientação distal. Os ângulos articulares são então calculados pela decomposição intrínseca do ângulo de Euler deste quaternião de orientação relativa. Note – se que tanto os ângulos de extensão da anca como do joelho são definidos de modo a que estejam 180 graus para uma perna perfeitamente rectilínea.,finalmente, o ângulo de rolamento das costas superior e inferior é determinado a partir do quaternião de orientação correspondente. Isto é conseguido transformando o eixo local da esquerda para a direita, ou seja, o eixo y do IMU, no referencial inercial de referência e, em seguida, determinando o ângulo entre esse eixo e o plano horizontal, como ilustrado na figura. 5. Note que este ângulo é definido positivo quando o lado direito do tronco é menor que o lado esquerdo.
Definição do joelho e extensão do quadril ângulo, bem como o tronco rolar ângulo
Uma segmentação de dados gravados é realizado com base na norma de aceleração 3D vetor de detecção de descanso e fases de movimento. Apenas a primeira volta de cada modalidade de suporte é exportada e investigada. A partir dos dados de volta extraídos, um curso de tempo ao longo de 7 traços no meio da volta foi selecionado para analisar os ângulos de articulação e rolo usando boxplots., Consequentemente, as fases de início e paragem de cada volta são excluídas da análise de dados.
