experimentell inställning

Stimulator

stimuleringssystemet för simning som visas i Fig. 2 sysselsätter en CE-certifierad stimulator (RehaMove3, Hasomed GmbH, Tyskland) med anpassad firmware. En enda strömkälla är integrerad i enheten, och källans utgång är demultiplexerad för upp till 4 kanaler. Stimulatorn placeras inuti en vattentät väska under simmarens t-shirt. Alla stimuleringskablar tunnas genom påsen och dräneras med silikon för att förhindra vattenintrång., Väskan är fäst med ett band på simmarens rygg mellan axelbladet.

Stimuleringsassisterat simsystem inklusive en vattentät stimulator, vattentät IMUs, flyter vid varje skaft och vattentäta elektroder

stimulatorn kan styras via membranet knappsatsen, t.ex. stimuleringsprogrammet kan väljas, startas/stoppas och stimuleringsintensiteten kan justeras., Stimulatorn är batteridriven och högspänningskällan är galvaniskt isolerad från batteriet. Därför är den nuvarande ledningen alltid begränsad mellan den positiva och den negativa elektroden hos varje stimuleringskanal.

vattentäta stimuleringselektroder

på grund av det faktum att klorerat vatten i simbassänger har en konduktans på 2,5–3ms/cm, vilket resulterar i resistens av 333-400 Ohm, skulle en direkt stimulering med icke-vattentäta elektroder producera en parasitisk kortslutning mellan elektroder under stimulering., Därför kan den enhetsintegrerade elektrodfeldetekteringen inte upptäcka en dålig anslutning mellan elektroden och huden. Om båda elektroderna flyter i vatten, skulle musklerna inte stimuleras, eftersom strömmen alltid tar vägen för minst motstånd direkt genom vattnet och inte kroppen. Om endast en elektrod flyter i vatten, kommer strömmen fortfarande att passera genom den återstående fastsatta elektroden och kommer fortfarande att orsaka en muskelkontraktion under denna elektrod., Den enda potentiellt farliga situationen skulle uppstå när den ledande sidan av en fristående och flytande elektrod oavsiktligt skulle pressas fast mot överkroppens hud, eftersom elektriska strömmar kan strömma genom känsliga organ, som hjärtat. För att minimera denna risk och på grund av den begränsade elektrodfeldetekteringen måste elektroderna vara säkert och ordentligt fastsatta på huden. Dessutom måste elektrodsidan vänd bort från kroppen isoleras mot vatten. Möjliga åtgärder är vattentät transparent film dressing, remmar eller baddukar.,

för närvarande finns det inga vattentäta stimuleringselektroder tillgängliga på marknaden. De flesta transkutana elektroder består av ett ledande hydrogellim som är anslutet via ledande film till en blytråd eller metall snap stud och isolerad med ett isolerande lock. Om hydrogellimet kommer i kontakt med vatten börjar det absorbera vatten medan tjockleken ökar. Därför ökar området med direkt kontakt med vattnet. Vidare reduceras elektrodens adhesiva funktion., Metoder för undervattens EMG mätning i används flera lager av vattentät sår gips med tunnlade hål för ledningstrådarna till vattentäta standard lim EMG elektroder. Samma procedur kan användas för stimuleringselektroder där standardelektroder är vattentäta med självhäftande filmer, som TegadermTM eller OpSiteTM.

för utbildningarna i vår pilotstudie, som beskrivs i nästa underavsnitt, speciella elektroder som utvecklats av Axelgaard Manufacturing Co. Ltd har använts, såsom visas i Fig. 3a., En enda elektrod består av en standardelektrod med en överdimensionerad vattentät baksida. Snäppadaptern är tunnlad genom detta underlag. Den återstående uppgiften är då att ansluta elektrodledningen (omvandlare från snäppadaptern till 2 mm-uttaget) och försegla den med en vattentät transparent filmförband (3M Tegaderm, 3M Co., USA). Alla kablar och kabelanslutningar måste också vara vattentäta. Annars uppstår parasitiska kortslutningar. Avtagbara täta silikonrör visade sig vara effektiva för att täcka anslutningen mellan elektrodledningen och stimuleringskabeln.,

elektroder som används i vatten: en Axelgaard Ultrastim®snapelektrod med oversize vattentät baksida med en elektrodavdelning på 22.,m2 för tSCS (4 elektroder elektriskt anslutna för buken och en över ryggraden) och FES (två elektroder för varje quadriceps), B till D säkerhet silikon elektroder (VITAtronic Limited, Tyskland) bestående av ett isolerande och vattentätt täckmaterial och ett ledande bottenmaterial för tSCS (2 x (B) elektriskt ansluten för buken och 1 x (d) för ryggen) och för FES (2 x (C) för varje quadriceps)

en nackdel med LIMELEKTRODER med överdimensionerad vattentät baksida är att efter en enda kontakt med vatten kan de inte återanvändas., Därför behövs en ny uppsättning elektroder för varje simningssession. För att minska kostnaderna och för att rädda miljön, lämpligheten av återanvändbara säkerhet silikon elektroder visas i Fig. 3b till d har undersökts i en bedömning efter träning. Dessa elektroder finns i olika storlekar (VITAtronic Limited, Tyskland) och kan anslutas direkt via en standard 2 mm elektrodkontakt till simuleringskabeln., På grund av den icke-ledande övre sidan och den inramade isoleringen på den ledande hudsidan kan ingen parasitisk kortslutning uppstå när elektroderna är ordentligt fastsatta på huden. Materialet är icke-lim, vilket minskar hudirritation under doffingfasen men innebär att det måste fixeras med snäva ärmar, remmar, vattentät transparent film dressing eller med snäva knä längd baddräkter. Under simning finns en liten vattenfilm mellan huden och den ledande delen av silikonelektroden. Därför tillsattes ingen ytterligare hydrogel., Remmar och baddräkter med Knälång har använts i denna studie för benelektroderna. Elektroderna för tSCS har fixerats av vattentät transparent film dressing.

ämnen, utbildningsprotokoll och utfallsåtgärder

denna genomförbarhetsstudie genomfördes vid behandlingscentret för ryggmärgsskador i BerlinFootnote 1. Syftet med studien var att undersöka effekterna av stimuleringsstödd simning hos två SCI-patienter med fullständig förlamning av nedre extremiteterna efter ryggradstrauma med en lesion över Th10. Deltagarna måste vara skickliga främre crawl simmare.,

båda rekryterade försökspersoner (a: ålder 40, tid sedan skada 10 år, b: ålder 58, tid sedan skada 36 år) är ASIA impairment scale a med lesion nivå Th5/6 och gav skriftligt informerat samtycke. De båda klagar över en måttlig klonus i de nedre extremiteterna och buken under positionsförändringar, och utsätta en upplevelser ben extensor spasmer från tid till annan. Ämne B lider av en höftledskontraktur.

efter rekryteringen och den inledande bedömningen ombads ämnena att genomföra en fyraveckors cykelträning hemma., Under denna markutbildning tränade de minst tre gånger i veckan i 30 min med en standard Fes cykelergometer (RehaMove, Hasomed GmbH, Tyskland). Denna preliminära Fes Cykling Utbildning behövdes för att bygga upp en definierad baslinje styrka och uthållighet för simning fasen. Under simningsfasen reducerades Fes-cyklaktiviteten till två gånger i veckan.

hela simträningen varade i 10 veckor. Försökspersonerna ombads att delta i svagt simma träning som varade mellan 30 till 45 min (exklusive påtagning och doffing)., Som en säkerhetsåtgärd åtföljdes simsessionerna alltid av en utbildad poolvakt. Dessutom kan alla rekryterade ämnen simma utan stimulering. Utbildningen gjordes vid en 16 M pool. Ämne en används en snorkel under främre krypa simning.

innan den första användningen av tSCS under simning identifierades elektrodpositionen vid ryggmärgen och stimuleringsintensiteten för spasticitetsbehandling enligt och dokumenterades. Den funna konstanta stimuleringsintensiteten applicerades i alla träningssessioner när tSCS var på.,

stimuleringsförstärkningarna för båda quadricepsna var identiska och har valts för att orsaka en nästan full knäförlängning medan ämnena vilade vid kanten av poolen med en upprätt överkropp. Före varje varv omvärderades benrörelsen och stimuleringsamplituden ökade, om nödvändigt, för att kompensera för muskeltrötthet. En paus på minst en minut hölls mellan varv.

i början av varje simträningspass mättes varvtiderna. Därför instruerades ämnena att simma varje 16 M varv så fort som möjligt., När jämförande mätningar gjordes, togs först tiderna för simning utan stöd, sedan med FES-stöd och slutligen tiderna för FES plus tSCS-stöd. Vi använde denna order så att resultaten för försök med ökande mängd stöd påverkas mer av muskeltrötthet än försöken med mindre eller inget stöd. Efter denna första bedömning ägde träning med det föredragna stödet (FES eller FES plus tSCS) rum för resten av sessionen vid självvald simhastighet., Om FES plus tSCS har valts som preferred support, var tSCS alltid aktiv även i rasterna mellan varv, medan FES stängdes av under dessa raster.

det finns tre huvudfrågor som ska besvaras i denna pilotstudie:

• ökar simhastigheten, bedömd av varvtider, jämfört med icke-assisterad simning?

• förbättrar ämnets allmänna välbefinnande under rättegången?

• hur accepterar användaren tekniken?,

patienterna ombads att betygsätta behandlingen på grundval av fördefinierade uttalanden med hjälp av en femgradig skala mellan fullständig överenskommelse och ingen överenskommelse. Med hjälp av resultatet av frågeformuläret kan de två sista frågorna besvaras.,

IMU-baserad rörelseanalys under simning

efterträning bedömning

nio månader efter slutförandet av hela simma träningsfasen, efter att vi hade förvärvat ett lämpligt mätsystem, vi utförde en extra simning session med var och en av de två ämnena för att övervaka effekterna av de olika stimuleringsprogram på benet och stammen rörelse. Båda ämnena instruerades att repetitivt simma varv utan stöd, tscs-stöd, Fes-stöd och FES plus tSCS-stöd så fort som möjligt.

Sensorinställning

en bärbar sensorinställning användes., Det använda systemet WaveTrack (Cometa srl, Italien) är ett trådlöst och vattentätt tröghetssensorsystem som består av flera tidssynkroniserade tröghetsmätningsenheter (IMUs). Dessa tröghetssensorer ger tredimensionella mätningar av acceleration, vinkelhastighet och magnetfältvektor med en frekvens av 286 Hz. Sensordata användes för att bestämma de gemensamma vinklarna på båda knäna och båda höfterna samt rullriktningsvinklarna på stammen på livmoderhals-och ländryggsnivån., För detta ändamål var fyra IMUs bilateralt fastsatta på utsidan lår och skaft, och två IMUs var placerade på övre och nedre delen av ryggen, som visas i Fig. 4a och B. Observera att endast det vänstra benet är avbildat. För både IMUs på höger ben pekar de lokala x-axeln i längdriktningen mot fötterna, men z-axeln pekar i sidled till höger, vilket innebär att Y-axeln pekar framåt.

en IMU-justering och plats på vänster ben., De lokala X-axlarna är i linje med den längsgående kroppsaxeln. Z-axeln pekar i sidled till vänster. b IMU-justering och placering på övre och nedre delen av ryggen. Den lokala X-axeln är i linje med den längsgående kroppsaxeln, medan y-axeln pekar åt höger

eftersom alla sensorer är placerade under hela mätningen är trådlös dataöverföring (streaming) inget alternativ. Därför utförs en offline datainspelning. Datainsamling och tidssynkronisering av sensorerna initieras med hjälp av fjärrkontroll., Inspelningen börjar innan ämnet går in i poolen. Efter att ha lämnat poolen stoppas inspelningen och data överförs från sensorerna till en dator. Programvaran EMGandMotionTools (Cometa srl, Italien) användes för dataöverföring och sensorinställningar. Visserligen, på grund av förlusten av kommunikation mellan sensorerna när de ligger under vattnet, utbildas en synkroniseringsdrift. Eftersom denna drift inte överstiger några millisekunder per timme och alla förvärv varar mellan cirka 30 och 45 min, anses effekten på uppgifterna vara irrelevant.,

alla sensorer fästes på huden med hjälp av dubbelhäftande tejp för grov fixering. Därefter användes en transparent 3M Tegaderm-film för att förhindra rörelse och lossning av sensorerna under simningsprocessen.

uppskattning av LED-och rullvinkel

för varje kroppssegment används IMU-avläsningarna för att uppskatta segmentets orientering med avseende på en tröghetsram av referens., För att undvika antagandet av ett homogent magnetfält inuti byggnaden och speciellt inuti vattnet, avstår vi från att använda magnetfältvektormätningarna och säkrar endast de uppmätta accelerationerna och vinkelhastigheterna genom att använda en modulär kvaternionbaserad sensorfusionsalgoritm . Det bör noteras att inriktningar som erhålls genom en sådan 6-axlig sensorfusion inte kan användas för beräkning av ledvinkel direkt eftersom de uppvisar en godtycklig kursavvikelse och långsamt driver runt den vertikala axeln., Med exakt bias uppskattning, att drift kan vara så långsam som en grad i tio sekunder, men det kommer inte att reduceras till perfekt noll.

för att övervinna denna nackdel med den magnetometerfria metoden utnyttjar vi ungefärliga kinematiska begränsningar i höft-och knälederna. Under den betraktade fladder spark rörelse av benen, höft och knä flytta ungefär som gångjärn lederna – flexion/förlängning är den dominerande rörelsen, medan adduktion/bortförande och inre rotation sker endast i begränsad grad., Vi utnyttjar dessa ungefärliga kinematiska begränsningar genom att använda en nyligen utvecklad relative-heading tracking algoritm . Den algoritmen tar orienteringskvaternionerna i båda segmenten intill fogen och korrigerar rubriken för distalsegmentets orientering så att den gemensamma begränsningen uppfylls i en viktad minsta kvadrats mening. Vi tillämpar denna metod upprepade gånger, från nedre delen av ryggen och rör sig distalt mot shankarna.,

följaktligen får vi sju kvartärningar som beskriver kroppssegmentriktningarna med avseende på en gemensam tröghetsram av referens. Vi kan alltså beräkna gemensamma vinklar från dessa kvartärningar. De relativa gemensamma orienteringarna hittas genom att multiplicera konjugatet av den proximala orienteringen med distal orienteringen. De gemensamma vinklarna beräknas sedan genom inneboende Euler vinkel nedbrytning av denna relativa orientering kvaternion. Observera att både höft-och knäförlängningsvinklarna definieras så att de är 180 grader för ett perfekt rakt ben.,

slutligen bestäms rullvinkeln på övre och nedre delen av ryggen från motsvarande orientering quaternion. Detta uppnås genom att omvandla den lokala vänster-till-höger-axeln, dvs. IMU: S Y-axel, till den tröghetsram av referens och sedan bestämma vinkeln mellan den axeln och horisontalplanet, såsom visas i Fig. 5. Observera att denna vinkel definieras positivt när den högra sidan av stammen är lägre än vänster sida.

Definition av knä-och höftförlängningsvinkeln samt bagagerullvinkeln

en segmentering av de inspelade data utförs baserat på normen för 3D-accelerationsvektorn genom att detektera vila-och rörelsefaser. Endast det första varvet av varje stödmodalitet exporteras och undersöks. Från de extraherade varvdata har en tidskurs över 7 slag i mitten av knäet valts för att analysera fogen och rullningsvinklarna med hjälp av boxplots., Följaktligen utesluts start-och stoppfaserna för varje varv från dataanalys.