installation Expérimentale

Stimulateur

Le système de stimulation pour la baignade indiqué dans la Fig. 2 utilise un stimulateur certifié CE (RehaMove3, Hasomed GmbH, Allemagne) avec un micrologiciel personnalisé. Une seule source de courant est intégrée à l’appareil et la sortie de la source est démultiplexée jusqu’à 4 canaux. Le stimulateur est placé dans un sac étanche sous le T-shirt du nageur. Tous les câbles de stimulation sont percés dans le sac et drainés avec du silicone pour éviter toute intrusion d’eau., Le sac est attaché avec une sangle sur le dos du nageur entre les omoplates.

système de natation assisté par Stimulation comprenant un stimulateur étanche, des IMU imperméables, des flotteurs à chaque tige et des électrodes imperméables

Le stimulateur peut être contrôlé par le clavier à membrane, par exemple le programme de stimulation peut être sélectionné, démarré/arrêté et l’intensité de stimulation peut être ajustée., Le stimulateur est alimenté par batterie et la source haute tension est isolée galvaniquement de l’alimentation de la batterie. Par conséquent, la conduction du courant est toujours contrainte entre l’électrode positive et l’électrode négative de chaque canal de stimulation.

électrodes de stimulation étanches

en raison du fait que l’eau chlorée dans les piscines a une conductance de 2,5–3 ms / cm, ce qui entraîne une résistance de 333-400 Ohm, une stimulation directe avec des électrodes non étanches produirait un court-circuit parasite entre les électrodes pendant la stimulation., Par conséquent, la détection d’erreur d’électrode intégrée à l’appareil peut ne pas détecter une mauvaise connexion entre l’électrode et la peau. Si les deux électrodes flottent dans l’eau, alors les muscles ne seraient pas stimulés, car le courant prend toujours le chemin de la moindre résistance directement à travers l’eau et non le corps. Si une seule électrode flotte dans l’eau, le courant passera toujours à travers l’électrode restante fermement attachée et provoquera toujours une contraction musculaire sous cette électrode., La seule situation potentiellement dangereuse se produirait lorsque le côté conducteur d’une électrode détachée et flottante serait accidentellement fermement pressé contre la peau du haut du corps, car des courants électriques pourraient alors traverser des organes sensibles, tels que le cœur. Pour minimiser ce risque et en raison de la détection d’erreur d’électrode limitée, les électrodes doivent être fixées en toute sécurité et fermement à la peau. De plus, le côté de l’électrode tourné vers l’extérieur du corps doit être isolé contre l’eau. Les mesures possibles sont un pansement en film transparent imperméable, des sangles ou des chiffons de natation.,

Actuellement, il n’y a pas d’électrodes de stimulation imperméables disponibles sur le marché. La plupart des électrodes transcutanées sont constituées d’un adhésif hydrogel conducteur qui est connecté via un film conducteur à un fil conducteur ou à un goujon métallique et isolé avec un couvercle isolant. Si l’adhésif hydrogel entre en contact avec de l’eau, il commence à absorber l’eau tandis que l’épaisseur augmente. Par conséquent, la zone en contact direct avec l’eau augmente. De plus, la fonction adhésive de l’électrode est réduite., Approches pour la mesure EMG sous-marine En utilisé plusieurs couches de plâtre enroulé imperméable à l  » eau avec des trous percés pour les fils conducteurs pour imperméabiliser les électrodes EMG adhésives standard. La même procédure peut être utilisée pour les électrodes de stimulation où les électrodes standard sont imperméabilisées avec des films adhésifs, comme TegadermTM ou OpSiteTM.

pour les sessions de formation de notre étude pilote, qui est décrite dans la sous-section suivante, des électrodes spéciales développées par Axelgaard Manufacturing Co. Ltd ont été utilisés, comme le montre la Fig. 3a., Une seule électrode se compose d’une électrode standard avec un support étanche surdimensionné. L’adaptateur snap est percé d’un tunnel à travers ce support. La tâche restante consiste ensuite à connecter le fil d’électrode (convertisseur de l’adaptateur snap à la prise 2 mm) et à le sceller avec un habillage de film transparent étanche (3m Tegaderm, 3m Co., USA). Tous les câbles et les connexions de câble doivent également être étanches. Sinon, des courts-circuits parasites se produisent. Les tubes en silicone étanches amovibles se sont révélés efficaces pour couvrir la connexion entre le fil d’électrode et le câble de stimulation.,

électrodes utilisées dans l’eau: une électrode à pression Axelgaard Ultrastim®avec support étanche surdimensionné avec une surface d’électrode de 22.,m2 pour tSCS (4 électrodes électriquement connectées pour l’abdomen et une sur la colonne vertébrale) et FES (deux électrodes pour chaque quadriceps), électrodes en silicone de sécurité b à d (VITAtronic Limited, Allemagne) constituées d’un matériau de couverture isolant et étanche et d’un matériau de fond conducteur pour tSCS (2 x (b) connectés électriquement pour l’abdomen et 1 x (d) pour le dos) et pour FES (2 x (C) pour chaque quadriceps)

un inconvénient des électrodes adhésives avec un support étanche surdimensionné est qu’après un seul contact avec L’eau, elles ne peuvent pas être réutilisées., Par conséquent, pour chaque séance de natation, un nouvel ensemble d’électrodes est nécessaire. Pour réduire les coûts et pour sauver l’environnement, l’adéquation des électrodes de silicone de sécurité réutilisables illustrée à la Fig. Les points 3b à d ont été examinés dans le cadre d’une séance d’évaluation post-formation. Ces électrodes sont disponibles en différentes tailles (VITAtronic Limited, Allemagne) et peuvent être directement connectées via un connecteur d’électrode standard de 2 mm au câble de simulation., En raison de la face supérieure non conductrice et de l’isolation encadrée du côté conducteur de la peau, aucun court-circuit parasite ne peut se produire lors de la fixation ferme des électrodes sur la peau. Le matériau est non adhésif, ce qui réduit l’irritation de la peau pendant la phase de retrait, mais implique qu’il doit être fixé avec des manches serrées, des sangles, un pansement en film transparent imperméable ou avec des maillots de bain serrés jusqu’aux genoux. Pendant la natation, un petit film d’eau entre la peau et la partie conductrice de l’électrode en silicone est présent. Par conséquent, aucun hydrogel supplémentaire n’a été ajouté., Des sangles et des maillots de bain jusqu’aux genoux ont été utilisés dans cette étude pour les électrodes des jambes. Les électrodes pour tSCS ont été fixées par un habillage transparent imperméable de film.

sujets, protocole de formation et mesures des résultats

Cette étude de faisabilité a été réalisée au centre de traitement des lésions de la moelle épinière de Berlinnote de bas de page 1. L’objectif de l’étude était d’étudier les effets de la natation stimulée chez deux patients atteints de SCI présentant une paralysie complète des membres inférieurs après un traumatisme rachidien avec une lésion supérieure à Th10. Les Participants doivent être des nageurs de crawl avant compétents.,

Les deux sujets recrutés (a: 40 ans, temps écoulé depuis la blessure 10 ans, B: 58 ans, temps écoulé depuis la blessure 36 ans) sont de L’échelle de déficience asiatique a avec un niveau de lésion Th5/6 et ont donné un consentement éclairé écrit. Ils se plaignent tous deux d’un clonus modéré des membres inférieurs et de l’abdomen lors des changements de position, et subissent de temps en temps des spasmes extenseurs des jambes. Le sujet B souffre d’une contracture de l’articulation de la hanche.

Après le recrutement et l’évaluation initiale, les sujets ont été invités à effectuer un entraînement cycliste de quatre semaines à Fes à domicile., Au cours de cette formation terrestre, ils se sont entraînés au moins trois fois par semaine pendant 30 min avec un ergomètre standard FES cycling (RehaMove, Hasomed GmbH, Allemagne). Cet entraînement cycliste préliminaire à FES était nécessaire pour développer une force de base et une endurance définies pour la phase de natation. Pendant la phase de natation, L’activité cycliste de Fès a été réduite à deux fois par semaine.

L’entraînement complet de natation a duré 10 Semaines. Les sujets ont été invités à assister à la séance d’entraînement de natation faible qui a duré entre 30 et 45 min (à l’exclusion de l’enfilage et du retrait)., Par mesure de sécurité, les séances de natation étaient toujours accompagnées d’un garde de piscine formé. De plus, tous les sujets recrutés sont capables de nager sans stimulation. L’entraînement s’est fait dans une piscine de 16 m. Le sujet A a utilisé un tuba pendant la nage en crawl avant.

avant la première utilisation de tSCS pendant la natation, la position de l’électrode au niveau de la moelle épinière et l’intensité de stimulation pour le traitement de la spasticité ont été identifiées et documentées. L’intensité de stimulation constante trouvée a été appliquée dans toutes les séances d’entraînement lorsque le tSCS était activé.,

les amplitudes de stimulation pour les deux quadriceps étaient identiques et ont été choisies pour provoquer une extension presque complète du genou pendant que les sujets reposaient au bord de la piscine avec le haut du corps droit. Avant chaque tour, le mouvement des jambes était réévalué et l’amplitude de stimulation augmentée, si nécessaire, pour compenser la fatigue musculaire. Une pause d’au moins une minute a été maintenue entre les tours.

Au début de chaque séance d’entraînement de natation, les temps au tour ont été mesurés. Par conséquent, les sujets ont été invités à nager chaque tour de 16 m aussi vite que possible., Lorsque des mesures comparatives ont été prises, d’abord les temps de nage sans support ont été pris, puis avec le support FES et enfin les temps pour le support FES plus tSCS. Nous avons utilisé cet ordre afin que les résultats des essais avec une quantité croissante de soutien soient plus affectés par la fatigue musculaire que les essais avec moins ou pas de soutien. Après cette évaluation initiale, l’entraînement avec le support préféré (FES ou FES plus tSCS) a eu lieu pour le reste de la séance à la vitesse de nage auto-sélectionnée., Si FES plus tSCS a été sélectionné comme support préféré, alors tSCS était toujours actif également dans les pauses entre les tours, tandis que FES était éteint pendant ces pauses.

trois questions principales doivent être répondues dans cette étude pilote:

• la vitesse de nage, évaluée par les temps au tour, augmente-t-elle par rapport à la natation non assistée?

• le bien-être général de l’objet s’améliorer au cours de l’essai?

• Comment est l’acceptation de la technologie par l’utilisateur?,

Les sujets ont été invités à évaluer la thérapie sur la base d’énoncés prédéfinis en utilisant une échelle de cinq niveaux entre l’accord complet et l’absence d’accord. En utilisant le résultat du questionnaire, on peut répondre aux deux dernières questions.,

analyse de mouvement basée sur L’IMU pendant la natation

évaluation Post-entraînement

neuf mois après avoir terminé toute la phase d’entraînement de natation, après avoir acquis un système de mesure approprié, nous avons effectué une séance de natation supplémentaire avec chacun des deux sujets pour surveiller les effets des différents programmes de stimulation Les deux sujets ont reçu l’instruction de nager des tours répétitifs sans support, support tSCS, support FES et support FES plus tSCS aussi vite que possible.

configuration du Capteur

Un capteur portable installation a été utilisé., Le système utilisé WaveTrack (Cometa srl, Italie) est un système de capteurs inertiels sans fil et étanche composé de plusieurs unités de mesure inertielle synchronisées dans le temps (IMU). Ces capteurs inertiels fournissent des mesures tridimensionnelles de l’accélération, de la vitesse angulaire et du vecteur champ magnétique à une fréquence de 286 Hz. Les données du capteur ont été utilisées pour déterminer les angles articulaires des deux genoux et des deux hanches ainsi que les angles d’orientation du roulis du tronc au niveau cervical et lombaire., À cette fin, quatre IMU ont été fixées bilatéralement à l’extérieur de la cuisse et du jarret, et deux IMU ont été situées sur le haut et le bas du dos, comme le montre la Fig. 4a et B. notez que seule la jambe gauche est représentée. Pour les deux IMU sur la jambe droite, l’axe X local pointe longitudinalement vers les pieds, mais l’axe z pointe latéralement vers la droite, ce qui implique que l’axe y pointe vers l’avant.

un IMU l’alignement et l’emplacement sur la jambe gauche., Les axes X locaux sont alignés avec l’axe longitudinal du corps. L’axe z pointe latéralement vers la gauche. B alignement et emplacement de L’IMU sur le haut et le bas du dos. L’axe X local est aligné avec l’axe longitudinal du corps, tandis que l’axe y pointe vers la droite

Comme tous les capteurs sont situés sous l’eau pendant toute la mesure, le transfert de données sans fil (streaming) n’est pas une option. Par conséquent, un enregistrement de données hors ligne est effectué. L’acquisition de données et la synchronisation temporelle des capteurs sont initialisées au moyen d’une télécommande., L’enregistrement commence avant que le sujet entre dans la piscine. Après avoir quitté le pool, l’enregistrement est arrêté et les données sont transférées des capteurs vers un PC. Le logiciel EMGandMotionTools (Cometa srl, Italie) a été utilisé pour le transfert de données et les réglages des capteurs. Certes, en raison de la perte de communication entre les capteurs lorsqu’ils sont situés sous l’eau, une dérive de synchronisation est éduquée. Cependant, comme cette dérive ne dépasse pas quelques millisecondes par heure et que toutes les acquisitions durent environ 30 à 45 min, l’effet sur les données est considéré comme non pertinent.,

Tous les capteurs ont été fixés à la peau au moyen de ruban adhésif double face pour une fixation rugueuse. Par la suite, un film Tegaderm transparent de 3M a été utilisé afin d’empêcher le mouvement et le desserrage des capteurs pendant le processus de natation.

estimation de L’angle D’articulation et de roulis

pour chaque segment de corps, les lectures IMU sont utilisées pour estimer l’orientation du segment par rapport à un référentiel inertiel., Pour éviter l’hypothèse d’un champ magnétique homogène à l’intérieur du bâtiment et surtout à l’intérieur de l’eau, nous nous abstenons d’utiliser les mesures vectorielles du champ magnétique et ne fusionnons que les accélérations mesurées et les vitesses angulaires en utilisant un algorithme de fusion de capteurs modulaire basé sur les quaternions . Il est à noter que les orientations obtenues par une telle fusion de capteurs à 6 axes ne peuvent pas être utilisées directement pour le calcul de l’angle d’articulation car elles présentent un décalage de Cap arbitraire et dérivent lentement autour de l’axe vertical., Avec une estimation précise du biais, cette dérive peut être aussi lente qu’un degré en dix secondes, mais elle ne sera pas réduite à zéro parfait.

pour pallier cet inconvénient de l’approche sans magnétomètre, nous exploitons les contraintes cinématiques approximatives des articulations de la hanche et du genou. Pendant le mouvement de coup de pied de flutter considéré des jambes, la hanche et le genou se déplacent approximativement comme des articulations de charnière – la flexion/extension est le mouvement dominant, tandis que l’adduction/abduction et la rotation interne ne se produisent que dans une mesure limitée., Nous exploitons ces contraintes cinématiques approximatives en utilisant un algorithme de suivi de titre relatif récemment développé . Cet algorithme prend les quaternions d’orientation des deux segments adjacents à l’articulation et corrige l’en-tête de l’orientation du segment distal de telle sorte que la contrainte d’articulation soit remplie dans un sens des moindres carrés pondérés. Nous appliquons cette méthode à plusieurs reprises, en partant du segment inférieur du dos et en nous déplaçant distalement vers les jarrets.,

Par conséquent, nous obtenons sept quaternions qui décrivent les orientations des segments de corps par rapport à un référentiel inertiel commun. On peut ainsi calculer les angles d’articulation à partir de ces quaternions. Les orientations articulaires relatives sont trouvées en multipliant le conjugué de l’orientation proximale par l’orientation distale. Les angles communs sont ensuite calculés par décomposition intrinsèque de l’angle D’Euler de ce quaternion d’orientation relative. Notez que les angles d’extension de la hanche et du genou sont définis de telle sorte qu’ils soient à 180 degrés pour une jambe parfaitement droite.,

enfin, l’angle de roulis du haut et du bas du dos est déterminé à partir du quaternion d’orientation correspondant. Ceci est réalisé en transformant l’axe local de gauche à droite, c’est-à-dire l’axe y de L’IMU, en référentiel inertiel, puis en déterminant l’angle entre cet axe et le plan horizontal, comme illustré à la Fig. 5. Notez que cet angle est défini positif lorsque le côté droit du coffre est plus bas que le côté gauche.

définition de l’angle d’extension du genou et de la hanche ainsi que de l’angle de roulis du tronc

une segmentation des données enregistrées est effectuée sur la base de la norme de vecteur d’accélération 3D en détectant les phases de repos et de mouvement. Seul le premier tour de chaque modalité est exporté et étudié. À partir des données de tour extraites, un parcours de temps sur 7 coups au milieu du tour a été sélectionné pour analyser les angles d’articulation et de roulis à l’aide de boxplots., Par conséquent, les phases de départ et d’arrêt de chaque tour sont exclues de l’analyse des données.