Verification of an automated cadence control for FES cycling

Abstract

Verletzungen des Rückenmarks können zu Komplikationen wie Atem- und Kreislaufproblemen, Verlust der Knochendichte und Lähmungen führen. FES-Radfahren verringert den Effekt dieser Komplikationen. Personen mit Paralyse können elektrische Stimulation nutzen, um kontrollierte Übungen durchzuführen. Um sicheres FES-Radfahren zu ermöglichen und FES-Radfahren Studien zu vereinfachen, muss die Trittfrequenz wählbar und stabil sein. Ein kommerziell erhältliches Liegedreirad wurde modifiziert, um autonomes FES-Radfahren zu ermöglichen. Speziell designte Griffe wurden 3D-gedruckt, um manuelle Stimulation verabreichen zu können und um Stimulationsparameter ad-hoc einzustellen. Ein empirisch ermittelter PI-Kontroller wurde designt, um die Trittfrequenz während automatischem FES-Radfahren zu kontrollieren. Um die Genauigkeit des PI-Kontrollers zu testen und um herauszufinden welche Stimulationsmodalität, Variation der Stromstärke (current control, CC) oder Variation der Strompulsbreite (pulse width control, PWC), zu bevorzugen ist, wurde das Dreirad an zehn körperlich gesunden Teilnehmern getestet. Die willentliche und stimulierte Kraft wurde verglichen. Die Stimulationstoleranz während FES-Radfahren wurde festgestellt. Wenn FES-Radfahren von 70 RPM möglich war, wurden drei, ca. 5.5 Minuten lange Trittfrequenzkontrolltests durchgeführt. Während diesen wurden spezifische Trittfrequenzen erzielt und temporär der Trittwiderstand erhöht. Einmal mit CC, einmal mit PWC und einmal ohne Stimulation mit willentlicher Kontrolle (voluntary control, VC). RMSE, ME, Trittfrequenzbereich und die Zeit bis zum Erreichen von Zielfrequenzen wurde untersucht. Sechs Teilnehmer konnten alle drei Tests durchführen. Der durchschnittliche RMSE war 3.9 RPM während CC, 4.1 RPM während PWC and 3.2 RPM während VC. CC und PWC zeigten keine signifikanten Unterschiede. CC und PWC wichen stärker von der Zielfrequenz ab als VC, signifikant während langsamem Pedalieren und bei Störungen. Jedoch waren CC und PWC im Durchschnitt genauer als VC, signifikant genauer bei hohen oder fallenden Zielfrequenzen. Teilnehmern war kontinuierliches FES-Radfahren zwischen 30 und 60 RPM möglich. Die Genauigkeit des PI-Kontroller zeigte keine Unterschiede zwischen CC und PWC. Der PI-Kontroller zeigte größere Schwankungen als VC, doch bessere Genauigkeit im Durchschnitt.

Spinal cord injury may lead to complications such as respiratory and cardiovascular problems, bone density loss and paralysis. FES Cycling has shown to decrease the effect of these complications. By stimulating the paralyzed leg muscles, people affected by paralysis can perform controlled exercise. To enable safe FES Cycling and to facilitate FES Cycling studies, the cadence during the exercise must be controllable and stable.A commercially available recumbent trike was modified to enable for autonomous FES Cycling. Custom designed handles were 3D-printed to allow for manual application of stimulation and ad-hoc customization of stimulation parameters. An empirically determined PI controller was designed to allow the control of cadence during automatic FES Cycling.To determine the accuracy of the PI controller and which stimulation modality, variable current control (CC) or variable pulse width control (PWC), is preferable, the trike was tested on ten able-bodied participants. Their voluntary strength was compared to their strength generated during stimulation. Their stimulation tolerance limit during FES Cycling was determined. If this limit allowed fluid FES Cycling up to 70 RPM, they completed three cadence control tests of roughly 5.5 minutes. These tests required cycling at specific cadences and momentary added resistance. They were done once with CC, once with PWC and once without stimulation using voluntary control (VC). RMSE, ME, cadence range and time until a desired cadence was reached were investigated.Six participants were able to complete all three cadence control tests. The mean RMSE was 3.9 RPM during CC, 4.1 RPM during PWC and 3.2 RPM during VC. CC and PWC showed no significant differences. CC and PWC deviate further from the desired cadence than VC, significantly at low cadences and during disturbance. However, CC and PWC were more accurate on average than VC, significantly so at high and falling cadences.Participants were able to FES cycle continuously at cadences between 30 and 60 RPM. The PI controller showed no differences in accuracy during CC and PWC. The PI controller showed larger deviations than VC, but higher accuracy on average.