इंजीनियरिंग मंच और एक neurally नियंत्रित संचालित transfemoral कृत्रिम अंग के डिजाइन और मूल्यांकन के लिए प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल
Summary
तंत्रिका की मशीन इंटरफेस (NMI) उपयोगकर्ता हरकत मोड की पहचान करने के लिए विकसित किया गया है. ये NMIs संभावित संचालित कृत्रिम पैर के तंत्रिका नियंत्रण के लिए उपयोगी होते हैं, लेकिन पूरी तरह से प्रदर्शन किया गया नहीं है. आसान कार्यान्वयन और तंत्रिका नियंत्रण के विकास शक्ति कम अंग कृत्रिम अंग के लिए और सुरक्षित रूप से कम अंग अंगविच्छेद जैसी शल्यक्रियाओं के साथ मरीजों पर neurally नियंत्रित कृत्रिम पैर का मूल्यांकन करने के लिए एक प्रयोगशाला वातावरण में (2) एक प्रयोगात्मक सेटअप और प्रोटोकॉल के लिए (1) हमारे डिजाइन इंजीनियरिंग मंच प्रस्तुत इस पत्र और कुशलतापूर्वक.
Abstract
संचालित कृत्रिम पैर का सहज ज्ञान युक्त आपरेशन सक्षम करने के लिए, उपयोगकर्ता के आंदोलन मंशा को पहचान सकते हैं कि उपयोगकर्ता और कृत्रिम अंग के बीच एक अंतरफलक वांछित है. हमारे पिछले अध्ययन में विकसित neuromuscular यांत्रिक फ्यूजन पर आधारित एक उपन्यास तंत्रिका मशीन इंटरफेस (NMI) सही transfemoral amputees के इरादा आंदोलन की पहचान करने के लिए एक महान क्षमता का प्रदर्शन किया है. हालांकि, इस इंटरफेस अभी तक सच तंत्रिका नियंत्रण के लिए एक संचालित कृत्रिम पैर के साथ एकीकृत नहीं किया गया है. (1) एक लचीला मंच को लागू करने और अनुकूलन शक्ति कम अंग कृत्रिम अंग के तंत्रिका नियंत्रण और (2) एक प्रयोगात्मक सेटअप और प्रोटोकॉल कम अंग अंगविच्छेद जैसी शल्यक्रियाओं के साथ मरीजों पर तंत्रिका कृत्रिम अंग नियंत्रण का मूल्यांकन करने के लिए रिपोर्ट करने के उद्देश्य से यह अध्ययन. सबसे पहले एक पीसी और एक दृश्य प्रोग्रामिंग वातावरण पर आधारित एक मंच NMI प्रशिक्षण एल्गोरिथ्म, NMI ऑनलाइन परीक्षण एल्गोरिथ्म, और आंतरिक नियंत्रण एल्गोरिथ्म सहित कृत्रिम अंग नियंत्रण एल्गोरिदम को लागू करने के लिए विकसित किए गए. प्रदर्शित करने के लिएइस मंच के समारोह में, इस अध्ययन में neuromuscular यांत्रिक फ्यूजन पर आधारित NMI पदानुक्रम एक प्रोटोटाइप transfemoral कृत्रिम अंग के आंतरिक नियंत्रण के साथ एकीकृत किया गया था. एकतरफा transfemoral विच्छेदन के साथ एक रोगी में इस तरह खड़ा है, स्तर से जमीन घूमना, रैंप चढ़ाई के रूप में गतिविधियों, जब प्रदर्शन हमारे कार्यान्वित तंत्रिका नियंत्रक का मूल्यांकन, और प्रयोगशाला में लगातार वंश रैंप के लिए भर्ती किया गया था. एक उपन्यास प्रयोगात्मक सेटअप और प्रोटोकॉल सुरक्षित रूप से और कुशलता से नए कृत्रिम अंग नियंत्रण का परीक्षण करने के क्रम में विकसित किए गए. प्रस्तुत सबूत की अवधारणा मंच और प्रयोगात्मक सेटअप और प्रोटोकॉल neurally नियंत्रित संचालित कृत्रिम पैरों के भविष्य के विकास और आवेदन सहायता कर सकते हैं.
Introduction
Powered कम अंग कृत्रिम अंग वाणिज्यिक बाजार 1,2 और अनुसंधान समुदाय 3-5 दोनों में बढ़ती ध्यान अर्जित किया है. पारंपरिक निष्क्रिय कृत्रिम पैरों की तुलना में, मोटर चालित कृत्रिम जोड़ों कम अंग amputees और अधिक कुशलता से निष्क्रिय उपकरणों पहने जब मुश्किल या असंभव है कि गतिविधियों के प्रदर्शन की अनुमति का लाभ दिया है. हालांकि, वर्तमान में, (सीढ़ी चढ़ाई करने के लिए चलने के स्तर से जमीन से जैसे,) चिकनी और सहज गतिविधि संक्रमण अभी भी संचालित कृत्रिम पैर के उपयोगकर्ताओं के लिए एक चुनौतीपूर्ण मुद्दा है. इस कठिनाई को उपयोगकर्ता के आंदोलन आशय "पढ़ें" और तुरंत seamlessly गतिविधि मोड स्विच करने के लिए उपयोगकर्ताओं को सक्षम बनाने के लिए कृत्रिम अंग नियंत्रण के मानकों समायोजित कर सकते हैं कि एक उपयोगकर्ता मशीन इंटरफेस की कमी की वजह से है.
इन चुनौतियों का सामना करने के लिए, उपयोगकर्ता मशीन इंटरफेस डिजाइन करने में विभिन्न तरीकों का पता लगाया गया है. NMI electromyographic (ई पर आधारित है, जिसमेंएमजी) संकेत शक्ति कम अंग कृत्रिम अंग की सहज ज्ञान युक्त नियंत्रण की अनुमति के लिए एक महान क्षमता का प्रदर्शन किया है. दो हाल ही के अध्ययन 6,7 एक बैठा स्थिति के दौरान अवशिष्ट मांसपेशियों से दर्ज EMG संकेतों की निगरानी के द्वारा transfemoral amputees के लापता घुटने का इरादा गति डिकोडिंग की सूचना दी. Au एट अल. 5 एक transtibial ऐम्प्युटी की दो हरकत मोड (स्तर से जमीन चलने और सीढ़ी वंश) की पहचान करने के लिए अवशिष्ट टांग की मांसपेशियों से मापा EMG संकेतों का इस्तेमाल किया. हुआंग एट अल. 8 दो transfemoral amputees पर प्रदर्शन के रूप में लगभग 90% सटीकता के साथ सात गतिविधि मोड को पहचान सकते हैं कि एक चरण पर निर्भर EMG पैटर्न मान्यता दृष्टिकोण का प्रस्ताव रखा. बेहतर मंशा मान्यता के प्रदर्शन में सुधार करने के लिए, neuromuscular यांत्रिक फ्यूजन पर आधारित एक NMI हमारे समूह 9 में बनाया गया है और ऑनलाइन आशय मान्यता 10,11 के लिए निष्क्रिय कृत्रिम पैर पहने transfemoral amputees पर मूल्यांकन किया गया था. इस NMI सही पहचान कर सकते हैंउपयोगकर्ता का इरादा गतिविधियों और संचालित कृत्रिम पैर के तंत्रिका नियंत्रण के लिए संभावित रूप से उपयोगी था जो गतिविधि बदलाव 9, भविष्यवाणी.
हमें सामना करना पड़ वर्तमान प्रश्न सहज ज्ञान युक्त कृत्रिम अंग संचालन को सक्षम और उपयोगकर्ता की सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए कृत्रिम अंग नियंत्रण प्रणाली में हमारे NMI एकीकृत करने के लिए है. सच neurally नियंत्रित कृत्रिम पैर का विकास आसान कार्यान्वयन और कृत्रिम अंग नियंत्रण एल्गोरिदम के अनुकूलन के लिए प्रयोगशाला में एक लचीला मंच की आवश्यकता है. इसलिए, इस अध्ययन का उद्देश्य कृत्रिम अंग नियंत्रण एल्गोरिदम परीक्षण और अनुकूलन के लिए हमारी प्रयोगशाला में विकसित एक लचीला इंजीनियरिंग मंच रिपोर्ट करने के लिए है. इसके अलावा, नए प्रयोगात्मक सेटअप और प्रोटोकॉल सुरक्षित रूप से और कुशलता से कम अंग अंगविच्छेद जैसी शल्यक्रियाओं के साथ मरीजों पर neurally नियंत्रित संचालित transfemoral कृत्रिम अंग के मूल्यांकन के लिए प्रस्तुत कर रहे हैं. इस अध्ययन में प्रस्तुत मंच और प्रयोगात्मक डिजाइन भविष्य एच.डी. फायदा हो सकता हैसच neurally नियंत्रित, संचालित कृत्रिम पैर की lopment.
Protocol
Representative Results
Discussion
एक इंजीनियरिंग मंच इस अध्ययन को आसानी से लागू अनुकूलन, और संचालित कृत्रिम अंग का सच तंत्रिका नियंत्रण को विकसित करने में विकसित किया गया था. पूरे प्लेटफार्म एक आभासी इंस्ट्रूमेंटेशन आधारित विकास के व…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
यह काम राष्ट्रीय अनुदान 0931820 के तहत राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन द्वारा भाग में अनुदान RHD064968A तहत स्वास्थ्य संस्थान, 1149385 अनुदान, और अनुदान 1361549 द्वारा समर्थित है, और अनुदान H133G120165 तहत विकलांगता और पुनर्वास अनुसंधान पर राष्ट्रीय संस्थान के हिस्से में गया था. लेखक अपने महान सुझाव और इस अध्ययन में सहायता के लिए, लिन दू, डिंग वैंग और गेराल्ड Hefferman रोड आइलैंड के विश्वविद्यालय में, और माइकल जे आश्रम आश्रम Orthotic पर और प्रोस्थेटिक प्रौद्योगिकी, LLC धन्यवाद.
Materials
| Trigno Wireless EMG Sensors | Delsys, Inc. | 7 | |
| Trigno Wireless EMG Base Station | Delsys, Inc. | 1 | |
| Multi-functional DAQ card (PCI-6259) | National Instruments, Inc. | 1 | |
| Potentiometer (RDC503013A) | ALPS Electric CO., LTD | 1 | |
| Encoder (MR series) | Maxon Precision Motors, Inc. | 1 | |
| Motor controller (ADS50/10) | Maxon Precision Motors, Inc. | 1 | |
| 24 V Power Supply (DPP480) | TDK-Lambda Americas, Inc. | 1 | |
| 6 DOF Load Cell (Mini58) | ATI Industrial Automation | 1 | |
| Ceiling Rail System | RoMedic, Inc. | 1 | |
| NI LabView 2011 | National Instruments, Inc. | 1 |
Riferimenti
- Martinez-Villalpando, E. C., Herr, H. Agonist-antagonist active knee prosthesis: a preliminary study in level-ground walking. J Rehabil Res Dev. 46, 361-373 (2009).
- Sup, F., Bohara, A., Goldfarb, M. Design and Control of a Powered Transfemoral Prosthesis. Int J Rob Res. 27, 263-273 (2008).
- Au, S., Berniker, M., Herr, H. Powered ankle-foot prosthesis to assist level-ground and stair-descent gaits. Neural Netw. 21, 654-666 (2008).
- Hargrove, L. J., Simon, A. M., Lipschutz, R. D., Finucane, S. B., Kuiken, T. A. Real-time myoelectric control of knee and ankle motions for transfemoral amputees. JAMA. 305, 1542-1544 (2011).
- Ha, K. H., Varol, H. A., Goldfarb, M. Volitional control of a prosthetic knee using surface electromyography. IEEE Trans Biomed Eng. 58, 144-151 (2011).
- Huang, H., Kuiken, T. A., Lipschutz, R. D. A strategy for identifying locomotion modes using surface electromyography. IEEE Trans Biomed Eng. 56, 65-73 (2009).
- Huang, H., et al. Continuous Locomotion Mode Identification for Prosthetic Legs based on Neuromuscular-Mechanical Fusion. IEEE Trans Biomed Eng. 58, 2867-2875 (2011).
- Zhang, F., Dou, Z., Nunnery, M., Huang, H. Real-time implementation of an intent recognition system for artificial legs. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2011, 2997-3000 (2011).
- Zhang, F., Huang, H. Source Selection for Real-time User Intent Recognition towards Volitional. Control of Artificial Legs IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics. PP, (2013).
- Liu, M., Datseris, P., Huang, H. A prototype for smart prosthetic legs: analysis and mechanical design. Proceedings of the International Conference on Control, Robotics and Cybernetics. , 139-143 (2011).
