stimularea electrică Funcțională suport

Bazează pe lucrările anterioare, am decis să utilizeze FES induse de lovituri flutter pentru competenți crawl față de înotători. Mai mult, flotoarele sunt atașate la glezne care duc la flexia genunchiului și la o mișcare ascendentă a gleznei într-un picior ne-stimulat., Pe de o parte, aceasta are ca rezultat o poziție mai raționalizată în apă. Pe de altă parte, aceasta implică faptul că mișcarea dorită a genunchiului poate fi realizată alternând între extensia genunchiului indusă de FES și flexia pasivă a genunchiului cauzată de flotoare. Prin urmare, sunt necesare doar două canale de stimulare. Mușchii cvadriceps ai ambelor picioare sunt stimulați alternativ acolo unde electrozii de stimulare au fost plasați la partea proximală a rectus femoris și la punctul motor al vastus medialis al fiecărui picior., Stimularea, care se aplică cu o frecvență a impulsului de stimulare de 25 Hz, este pornită și oprită la o viteză de 1 sau 2 Hz, ceea ce duce la aproximativ una sau două lovituri de picior pe cursa brațului, în funcție de frecvența cursei brațului. Amplitudinea și lățimea pulsului pot fi variate în intervalele 0-100 mA și, respectiv, 0-500 µs. Ambele valori sunt crescute / scăzute simultan pentru a controla contracția musculară generată.stimularea transcutanată a măduvei spinării este utilizată cu scopul de a reduce spasticitatea membrelor inferioare în timpul și după înot., Prin urmare, stimulăm fibrele aferente rădăcinilor posterioare L2-s2 continuu la 50 Hz folosind impulsuri bifazice cu lățimea pulsului 1 ms peste regiunea T11/12 la măduva spinării conform . Poziția electrodului la spate și amplitudinea de stimulare a fost determinată așa cum este prezentat în . Prin pornirea tSCS, musculatura trunchiului este activată la nivelul motorului ca efect secundar pozitiv. Acest lucru îmbunătățește stabilitatea trunchiului și îndreaptă corpul superior. Așa cum se arată în Fig. 1, o poziție de înot raționalizată poate fi obținută cu FES și tSCS în comparație cu lipsa stimulării la un subiect paraplegic.,

Paraplegic subiect (Th5/6, ASIA scară A) cu și fără stimulare (FES+tSCS) folosind plutește la glezne și un tub de oxigen. Compararea videoclipuri pentru înot cu și fără stimulare sprijin sunt disponibile pentru ambele discipline de studiu ca fișierele suplimentare (a se Vedea fișiere Suplimentare 1 & 2)

configurare experimentală

Stimulator

sistemul de stimulare pentru înot prezentat în Fig. 2 utilizează un stimulator certificat CE (RehaMove3, Hasomed GmbH, Germania) cu firmware personalizat. O singură sursă de curent este integrată în dispozitiv, iar ieșirea sursei este demultiplexată pentru până la 4 canale. Stimulatorul este plasat în interiorul unei pungi impermeabile sub tricoul înotătorului. Toate cablurile de stimulare sunt tunelate prin pungă și drenate cu silicon pentru a preveni pătrunderea apei., Punga este atașată cu o curea pe spatele înotătorului între lamele umărului.

Stimularea asistată sistem de înot, inclusiv un impermeabil stimulator, rezistent la apa IMUs, plutește la fiecare coadă, rezistent la apă și la electrozi

stimulator poate fi controlat prin membrana tastatura de exemplu, stimularea program poate fi selectat, pornit/oprit și stimularea de intensitate pot fi ajustate., Stimulatorul este alimentat de la baterie, iar sursa de înaltă tensiune este izolată galvanic de puterea bateriei. Prin urmare, conducerea curentă este întotdeauna constrânsă între electrodul pozitiv și cel negativ al fiecărui canal de stimulare.

rezistent la apa de stimulare electrozi

Datorită faptului că apa cu clor din piscine are o conductanță de 2,5–3mS/cm, ceea ce duce la o rezistență de 333-400 Ohm, o stimulare directă cu non-rezistent la apa electrozi ar produce un parazitare scurtcircuit între electrozi în timpul stimulării., Prin urmare, detectarea erorii electrodului integrat în dispozitiv s-ar putea să nu detecteze o conexiune proastă între electrod și piele. Dacă ambii electrozi plutesc în apă, atunci mușchii nu ar fi stimulați, deoarece curentul ia întotdeauna calea cea mai mică rezistență direct prin apă și nu prin corp. Dacă un singur electrod plutește în apă, atunci curentul va trece în continuare prin electrodul rămas fixat ferm și va provoca în continuare o contracție musculară sub acest electrod., Singura situație potențial periculoasă ar apărea atunci când partea conductivă a unui electrod detașat și plutitor ar fi accidental presată ferm pe pielea corpului superior, deoarece atunci curenții electrici ar putea curge prin organe sensibile, cum ar fi inima. Pentru a minimiza acest risc și din cauza detectării erorii limitate a electrodului, electrozii trebuie să fie fixați în siguranță și ferm pe piele. Mai mult, partea electrodului orientată departe de corp trebuie izolată împotriva apei. Măsurile posibile sunt îmbrăcămintea transparentă impermeabilă, curelele sau cârpele de înot.,în prezent, nu există electrozi de stimulare impermeabili disponibili pe piață. Majoritatea electrozilor transcutanați constau dintr-un adeziv hidrogel conductiv care este conectat prin peliculă conductivă la un fir de plumb sau un știft metalic și izolat cu un capac izolator. Dacă adezivul hidrogel intră în contact cu apa, acesta începe să absoarbă apa în timp ce grosimea crește. Prin urmare, zona cu contact direct cu apa crește. Mai mult, funcția adezivă a electrodului este redusă., Abordări pentru măsurarea EMG subacvatică în mai multe straturi de tencuială rezistentă la apă cu găuri tunelate pentru firele de plumb la electrozi EMG adezivi standard impermeabili. Aceeași procedură poate fi utilizată și pentru electrozii de stimulare unde electrozii standard sunt impermeabilizați cu filme adezive, cum ar fi TegadermTM sau OpSiteTM.pentru sesiunile de instruire ale studiului nostru pilot, care este descris în subsecțiunea următoare, electrozi speciali dezvoltați de Axelgaard Manufacturing Co. Ltd au fost utilizate, așa cum se arată în Fig. 3a., Un singur electrod constă dintr-un electrod standard cu un suport impermeabil supradimensionat. Adaptorul snap este tunelat prin acest suport. Sarcina rămasă este apoi conectarea plumbului electrodului (convertorul de la adaptorul de fixare la priza de 2 mm)și sigilarea acestuia cu un pansament transparent impermeabil (3m Tegaderm, 3M Co., SUA). Toate cablurile și conexiunile prin cablu trebuie să fie impermeabile. În caz contrar, apar scurtcircuite parazitare. Tuburile de silicon strânse detașabile s-au dovedit a fi eficiente în acoperirea conexiunii dintre plumbul electrodului și cablul de stimulare.,

Electrozi utilizat în apă: un Axelgaard Ultrastim®snap electrod cu gabarit impermeabilă cu un electrod de suprafață de 22.,m2 pentru tSCS (4 electrozi conectat electric pentru abdomen și unul de-a lungul coloanei vertebrale) și FES (doi electrozi pentru fiecare cvadriceps), b a d de Siguranță silicon electrozi (VITAtronic Limitat, Germania) constând dintr-o insulative și rezistent la apa de material de acoperire și un conductor de jos material pentru tSCS (2 x (b) conectate electric pentru abdomen și 1 x (d) pentru spate) și FES (2 x (c) pentru fiecare cvadriceps)

Un dezavantaj de electrozi cu adeziv supradimensionate impermeabilă este că, după un singur contact cu apa, ele nu pot fi refolosite., Prin urmare, pentru fiecare sesiune de înot, este necesar un nou set de electrozi. Pentru a reduce costurile și pentru a salva mediul, adecvarea electrozilor siliconici de siguranță reutilizabili prezentată în Fig. 3b – d a fost investigat într-o sesiune de evaluare post-formare. Acești electrozi sunt disponibili în diferite dimensiuni (VITAtronic Limited, Germania) și pot fi conectați direct printr-un conector standard de electrod de 2 mm la cablul de simulare., Datorită părții superioare care nu conduce și a izolației încadrate pe partea conductivă a pielii, nu poate apărea niciun scurtcircuit parazitar atunci când atașați ferm electrozii pe piele. Materialul este neadeziv, ceea ce reduce iritarea pielii în timpul fazei de doffing, dar implică faptul că trebuie fixat cu mâneci strânse, curele, pansament transparent impermeabil sau cu costume de baie strânse la genunchi. În timpul înotului este prezentă o mică peliculă de apă între piele și partea conductivă a electrodului siliconic. Prin urmare, nu a fost adăugat niciun hidrogel suplimentar., Curele și costume de baie pentru genunchi au fost utilizate în acest studiu pentru electrozii picioarelor. Electrozii pentru TSC-uri au fost fixați prin pansament transparent impermeabil.

subiecte, protocol de instruire și măsuri de rezultat

Acest studiu de fezabilitate a fost realizat la Centrul de tratament pentru leziuni ale măduvei spinării din BerlinFootnote 1. Scopul studiului a fost de a investiga efectele de stimulare a sprijinit-înot în două SCI pacienții cu paralizie completă a membrelor inferioare, după traumatisme vertebrale, cu o leziune de mai sus Th10. Participanții trebuie să fie competenți înotători cu crawlere în față.,ambii subiecți recrutați (A: vârsta 40, timpul de la rănire 10 ani, B: vârsta 58, timpul de la rănire 36 ani) sunt scala de depreciere a Asiei cu nivelul leziunii Th5/6 și au dat consimțământul informat în scris. Ambii se plâng de un clonus moderat al extremităților inferioare și abdomenului în timpul schimbărilor de poziție și supun din când în când spasme extensoare ale piciorului. Subiectul B suferă de o contractură a articulației șoldului.după recrutarea și evaluarea inițială, subiecții au fost rugați să efectueze o pregătire de ciclism FES de patru săptămâni la domiciliu., În acest teren de formare, au pregătit cel puțin trei ori pe săptămână, timp de 30 min cu un standard de FES bicicleta ergometru (RehaMove, Hasomed GmbH, Germania). Acest antrenament preliminar de ciclism FES a fost necesar pentru a construi o rezistență și o rezistență de bază definite pentru faza de înot. În timpul fazei de înot, activitatea de ciclism FES a fost redusă la două ori pe săptămână.întregul antrenament de înot a durat 10 săptămâni. Subiecții au fost rugați să participe la sesiunea de antrenament slab de înot, care a durat între 30 și 45 min (excluzând îmbrăcarea și doffingul)., Ca măsură de siguranță, sesiunile de înot au fost întotdeauna însoțite de o gardă de piscină instruită. Mai mult, toți subiecții recrutați sunt capabili să înoate fără stimulare. Antrenamentul s-a făcut la o piscină de 16 m. Subiectul a folosit un snorkel în timpul înotului cu crawlere față.înainte de prima utilizare a tSCS în timpul înotului, poziția electrodului la nivelul măduvei spinării și intensitatea stimulării pentru tratamentul spasticității au fost identificate conform și documentate. Intensitatea constantă de stimulare constatată a fost aplicată în toate sesiunile de formare atunci când tSCS era pornit.,amplitudinile de stimulare pentru ambele cvadriceps au fost identice și au fost alese pentru a provoca o extensie aproape completă a genunchiului, în timp ce subiecții s-au odihnit la marginea piscinei cu un corp superior vertical. Înainte de fiecare tură, mișcarea piciorului a fost reevaluată și amplitudinea de stimulare a crescut, dacă este necesar, pentru a compensa oboseala musculară. O pauză de cel puțin un minut a fost păstrată între ture.

la începutul fiecărei sesiuni de antrenament de înot, au fost măsurate timpii de tur. Prin urmare, subiecții au fost instruiți să înoate fiecare tur de 16 m cât mai repede posibil., Când s-au efectuat măsurători comparative, mai întâi au fost luate orele pentru înot fără sprijin, apoi cu sprijinul FES și, în final, orele pentru sprijinul fes plus tSCS. Am folosit această ordine, astfel încât rezultatele studiilor cu o cantitate tot mai mare de sprijin să fie mai afectate de oboseala musculară decât studiile cu mai puțin sau fără sprijin. După această evaluare inițială, au avut loc antrenamente cu suportul preferat (FES sau fes plus tSCS) pentru restul sesiunii la viteza de înot auto-selectată., Dacă fes plus tSCS a fost selectat ca suport preferat, atunci tSCS a fost întotdeauna activ și în pauzele dintre ture, în timp ce FES a fost oprit în timpul acestor pauze.există trei întrebări principale la care se va răspunde în acest studiu pilot: crește viteza de înot, evaluată prin timpi de tură, comparativ cu înotul neasistat?se îmbunătățește bunăstarea generală a subiectului în timpul procesului?

cum este acceptarea tehnologiei de către utilizator?,subiecții au fost rugați să evalueze terapia pe baza declarațiilor predefinite folosind o scală de cinci grade între acordul deplin și Acordul fără acord. Folosind rezultatul chestionarului se pot răspunde la ultimele două întrebări.,

IMU bazat pe analiza mișcării în timpul înotului

Post-evaluare de formare

la Nouă luni după finalizarea întregului înot faza de formare, după ce ne-am dobândit-o potrivit sistem de măsurare, am efectuat o suplimentare de sesiune de înot cu fiecare din cele două subiecte a monitoriza efectele diferitelor programe de stimulare pe picior și portbagaj mișcare. Ambii subiecți au fost instruiți să înoate în mod repetat ture fără sprijin, sprijin tSCS, sprijin FES și sprijin fes plus TSC cât mai repede posibil.

configurarea senzorului

a fost utilizată o configurare a senzorului Purtabil., Sistemul angajat WaveTrack (Cometa srl, Italia) este un sistem de senzori inerțiali fără fir și rezistent la apă, format din mai multe unități de măsură inerțiale sincronizate în timp (IMU). Acești senzori inerțiali oferă măsurători tridimensionale ale accelerației, vitezei unghiulare și vectorului câmpului magnetic la o frecvență de 286 Hz. Datele senzorilor au fost utilizate pentru a determina unghiurile articulare ale ambelor genunchi și ambele șolduri, precum și unghiurile de orientare a rolei trunchiului la nivelul cervical și lombar., În acest scop, patru IMU au fost atașate bilateral la coapsa și gamba exterioară, iar doi IMU au fost localizați pe partea superioară și inferioară a spatelui, așa cum se arată în Fig. 4a și b. rețineți că este descris doar piciorul stâng. Pentru ambele IMU pe piciorul drept, axa locală x indică longitudinal spre picioare, dar axa z indică lateral spre dreapta, ceea ce implică faptul că axa y indică anterior.

o aliniere IMU și locația pe piciorul stâng., Axele X locale sunt aliniate cu axa longitudinală a corpului. Axa z indică lateral spre stânga. B aliniere IMU și locație pe partea superioară și inferioară a spatelui. Locale axa x este aliniat cu planul longitudinal axul corpului, în timp ce axa y puncte de la dreapta

Ca toți senzorii sunt situate sub apă pe parcursul întregii măsurare, wireless de transfer de date (streaming) nu este o opțiune. Prin urmare, se efectuează o înregistrare offline a datelor. Achiziția de date și sincronizarea timpului senzorilor este inițiată prin intermediul telecomenzii., Înregistrarea începe înainte ca subiectul să intre în piscină. După părăsirea bazinului, înregistrarea este oprită și datele sunt transferate de la senzori la un computer. Software-ul EMGandMotionTools (Cometa srl, Italia) a fost utilizat pentru transferul de date și setările senzorilor. Desigur, din cauza pierderii comunicării dintre senzori atunci când sunt localizați sub apă, este educată o derivă de sincronizare. Cu toate acestea, deoarece această derivă nu depășește câteva milisecunde pe oră și toate achizițiile durează între aproximativ 30 și 45 de minute, efectul asupra datelor este considerat irelevant.,toți senzorii au fost atașați pe piele cu ajutorul unei benzi adezive pe două fețe pentru fixare aspră. Ulterior, a fost utilizată o peliculă transparentă de 3M Tegaderm pentru a preveni mișcarea și slăbirea senzorilor în timpul procesului de înot.

estimarea unghiului de îmbinare și de rulare

pentru fiecare segment al corpului, citirile IMU sunt utilizate pentru a estima orientarea segmentului în raport cu un cadru de referință inerțial., Pentru a evita ipoteza unui câmp magnetic omogen în interiorul clădirii și, mai ales, în apă, ne-am abține de la utilizarea campului magnetic vector măsurători și siguranța numai accelerațiile măsurate și unghiulare ratele folosind un sistem modular quaternion pe baza de senzor de fuziune algoritm . Trebuie remarcat faptul că orientările obținute printr-o astfel de fuziune a senzorilor cu 6 axe nu pot fi utilizate direct pentru calculul unghiului de îmbinare, deoarece prezintă o deplasare arbitrară a poziției și derivă încet în jurul axei verticale., Cu o estimare precisă a prejudecății, această derivă poate fi la fel de lentă ca un grad în zece secunde, dar nu va fi redusă la zero perfectă.pentru a depăși acest dezavantaj al abordării fără magnetometru, exploatăm constrângerile cinematice aproximative ale articulațiilor șoldului și genunchiului. În timpul mișcării de lovire a picioarelor, șoldul și genunchiul se mișcă aproximativ ca articulațiile balamalei – flexia/extensia este mișcarea dominantă, în timp ce adducția/răpirea și rotația internă apar doar într-o măsură limitată., Exploatăm aceste constrângeri cinematice aproximative folosind un algoritm recent dezvoltat de urmărire a poziției relative . Acest algoritm ia orientarea cuaternionilor ambelor segmente adiacente îmbinării și corectează poziția orientării segmentului distal, astfel încât constrângerea articulației să fie îndeplinită într-un sens ponderat cel mai puțin pătrat. Aplicăm această metodă în mod repetat, pornind de la segmentul inferior al spatelui și deplasându-ne distal spre gambe.,în consecință, obținem șapte cuaternioni care descriu orientările segmentului corpului în raport cu un cadru de referință inerțial comun. Astfel, putem calcula unghiurile comune din aceste cuaternioni. Orientările relative ale articulațiilor se găsesc prin înmulțirea conjugatului orientării proximale cu orientarea distală. Unghiurile de îmbinare sunt apoi calculate prin descompunerea intrinsecă a unghiului Euler al acestui cuaternion de orientare relativă. Rețineți că atât unghiurile de extensie a șoldului, cât și a genunchiului sunt definite astfel încât să fie de 180 de grade pentru un picior perfect drept.,în cele din urmă, unghiul de rulare al spatelui superior și inferior este determinat din cuaternionul de orientare corespunzător. Acest lucru se realizează prin transformarea axei locale de la stânga la dreapta, adică axa y a IMU, în cadrul inerțial de referință și apoi determinarea unghiului dintre axa respectivă și planul orizontal, așa cum este ilustrat în Fig. 5. Rețineți că acest unghi este definit pozitiv atunci când partea dreaptă a trunchiului este mai mică decât partea stângă.

Definiție a genunchiului și a coapsei extensia unghiul precum trunchiul rola unghi

O segmentare a datelor înregistrate se realizează pe baza normei de accelerare 3D vector prin detectarea odihnă și mișcare faze. Numai primul tur al fiecărei modalități de sprijin este exportat și investigat. Din datele extrase tur, un curs de timp de peste 7 lovituri în mijlocul turei a fost selectat pentru a analiza unghiurile comune și rola prin utilizarea boxplots., În consecință, fazele de pornire și oprire ale fiecărui tur sunt excluse din analiza datelor.