Methods for electrical stimulation control of lower limbs in individuals with spinal cord injury

Abstract

A lesão medular (LM) é uma das lesões mais graves das deficiências motoras. Portanto, existem conjuntos de exercícios de reabilitação para fortalecimento muscular, circulação, liberação de pressão e melhora da densidade óssea. Tecnologias avançadas podem fornecer melhorias de reabilitação para movimentos funcionais. Algumas dessas rotinas usam métodos tradicionais com estimulação elétrica funcional (FES), que produz estimulação nervosa através de sinais elétricos, permitindo que a contração dos músculos paralisados produza torque. Para controle de feedback, é necessário executar a modelagem matemática da planta, seguida pelo design do controlador com base nas unidades de medida disponíveis. Alguns dos desafios de controle do FES incluem não linearidades de operação, o que requer técnicas sofisticadas de controle de feedback. Podemos aumentar o número de estudos de reabilitação da FES com pacientes com LM completa se diminuirmos a dificuldade de projetar um sistema seguro e controlável. Neste trabalho, propomos novas técnicas para o controle da FES de membros inferiores de um paciente com LM completa. Mais precisamente, para este documento, pretendemos desenvolver e avaliar três características da reabilitação de membros inferiores para melhorar o controle da FES. Cada uma dessas características ocorre em diferentes perspectivas do sistema: (1) a estimativa do sensor, (2) os algoritmos de controle e (3) a planta. Para a estimativa do sensor (1), utilizamos a eletromiografia (EMG) para estimar as atividades voluntárias (vEMG) e evocadas (eEMG). Desenvolvemos métodos para detectar artefatos de estimulação para dois canais no mesmo membro, para, em seguida, estimar o vEMG e o eEMG. Esses métodos são sincronizados por software e apresentaram sucesso superior a 95%. Para os algoritmos de controle (2), criamos ambientes de simulação e estudamos estratégias de controle de FES para marcha e ciclismo. Usando o ambiente de marcha, simulamos quatro controladores de trajetória (bang-bang (BB), proporcional-integrativo-derivativo (PID), aprendizado iterativo do PID (PID-ILC) e ajuste do PID usando o controlador de busca extrema (PID-ES)) para rastrear movimento do joelho durante a marcha em baixa velocidade. O PID-ES apresentou coeficientes de correlação um pouco mais alto e menores erros de desvio máximo e

padrão. Além disso, usando o ambiente de ciclismo FES, simulamos um modelo músculo- esquelético detalhado para rastrear a cadência do pedal durante o ciclismo. O ambiente de

ciclismo por FES permitiu a investigação de parâmetros de órteses passivas de joelho para aumentar a cadência do pedal. Para a planta (3), comparamos como a adição de elementos passivos nas órteses de joelho pode alterar a cadência durante um treinamento de ciclismo por FES com um indivíduo com LM. Realizamos dois dias de experimentos com e sem molas e descobrimos que a velocidade média de ciclismo foi superior a 10% nos dois dias. A LM representa um fardo pesado para a qualidade de vida dessas pessoas, e a investigação de protocolos de estimulação para reabilitação varia significativamente. Essas abordagens visam complementar a literatura, levando em consideração a segurança do voluntário e a eficácia do sistema de controle, o que pode melhorar a reabilitação de pessoas com lesão medular completa.