Инжиниринг Платформа и Экспериментальный протокол для разработки и оценки в ЦНС контролируемой Powered Transfemoral протезирования
Summary
Neural-машинные интерфейсы (НМИ) были разработаны для идентификации режима локомоции пользователя. Эти НМИ потенциально полезны для нервной контролем силовых искусственные ноги, но не были в полной мере продемонстрировали. Это документ, представленный (1) наш разработан инженерно платформы для легкого внедрения и развития нервной контроля за питанием Протезы нижних конечностей и (2) экспериментальной установки и протокола в лабораторных условиях, чтобы оценить ЦНС-контролируемых протезы на пациентов с ампутаций нижних конечностей безопасно и эффективно.
Abstract
Чтобы включить интуитивного управления питанием искусственные ноги, интерфейс между пользователем и протеза, что может распознать намерения движения пользователя требуется. Роман интерфейс нейронная-машина (НМИ) на основе нервно-мышечной-механические слияния, разработанной в нашем предыдущем исследовании продемонстрировала большой потенциал, чтобы точно определить предполагаемую движение transfemoral ампутированными конечностями. Однако этот интерфейс до сих пор не интегрированы с питанием протеза ноги истинного нервной контролем. Это исследование с целью сообщить (1) гибкую платформу для реализации и оптимизации нейронной контроль питанием нижней протеза конечности и (2) Экспериментальная установка и протокол для оценки нейронной контроль протеза на пациентов с ампутаций нижних конечностей. Первая платформа, основанная на ПК и визуальной среде программирования были разработаны для реализации алгоритмов управления протез, в том числе НМИ алгоритма обучения, НМИ алгоритма онлайн тестирования и внутренней алгоритма управления. Для демонстрацииФункция этой платформы, в данном исследовании НМИ на основе нервно-мышечной-механические слияния был иерархически интегрированы с внутренней контролем прототипа transfemoral протеза. Один пациент с односторонним transfemoral ампутации был призван оценить наш реализованный нейронной контроллер при выполнении мероприятий, таких как положения, уровня первом ходьба, рампы подъема, и пандус спуск непрерывно в лаборатории. Роман Экспериментальная установка и протокол были разработаны для того, чтобы проверить новый элемент управления протеза безопасно и эффективно. Представленная доказательство правильности концепции платформы и экспериментальной установки и протокол может помочь дальнейшее развитие и применение ЦНС контролируемых активных искусственных ногах.
Introduction
Powered Протезы нижних конечностей получили все большее внимание как в коммерческом рынке 1,2 и исследования сообщества 3-5. По сравнению с традиционными пассивных протез ноги, моторизованные протезно суставы имеют то преимущество, что позволяет более низкие ампутированными конечностями конечностей, чтобы более эффективно осуществлять деятельность, которые трудно или невозможно при ношении пассивные устройства. Тем не менее, в настоящее время, гладкой и бесшовной деятельность переход (например, от уровня местах, чтобы идти к лестнице восхождения) все еще является сложной проблемой для активных протезов пользователей ног. Эта трудность в основном связано с отсутствием интерфейса пользовательских устройств, которые могут "читать" намерения движения пользователя и оперативно корректировать параметры управления протез для того, чтобы дать возможность пользователям легко переключаться в режим активности.
Для решения этих задач, различные подходы в проектировании интерфейса пользовательского устройства были изучены. В чем НМИ на основе электромиографии (EMG) сигналы продемонстрировала большой потенциал, чтобы позволить интуитивное управление подключенными к сети Протезы нижних конечностей. Два недавних исследования 6,7 сообщила декодирования, предназначенное движение пропавшего колена transfemoral с ампутированными конечностями, контролируя сигналы ЭМГ, записанные с остаточными мышц во время сидячем положении. Au и др.. 5 использовали сигналы ЭМГ измеренные от остаточных мышц голени определить два режима передвижения (уровень-земля пешеходные и лестницы спуска) одного transtibial ампутантов. Хуанг и др.. 8 предложил поэтапного зависит EMG шаблон подход распознавания, который может распознавать семь режимов деятельности с примерно 90%-ной точностью, как показано на двух transfemoral ампутированными конечностями. Чтобы лучше повысить производительность намерение распознавания, НМИ на основе нервно-мышечной-механические слияния была разработана в нашей группе 9 и онлайн оценены на transfemoral с ампутированными конечностями, носящих пассивных протезов ног для пристального признания 10,11. Это НМИ может точно определитьпредназначенные деятельность пользователя и предсказания активности переходы 9, который был потенциально полезны для нервной контролем силовых искусственных ногах.
Нынешний вопрос, стоящий перед нами, как интегрировать нашу NMI в систему управления протез, с тем чтобы интуитивно понятное управление протеза и обеспечения безопасности пользователя. Разработка истинные ЦНС-контролируемых протезы требуется гибкую платформу в лаборатории для легкого внедрения и оптимизации алгоритмов управления протез. Таким образом, целью данного исследования является отчет гибкую инженерной платформы, разработанной в нашей лаборатории для тестирования и оптимизации алгоритмов управления протез. Кроме того, новая экспериментальная установка и протокол представлены для оценки ЦНС-контролируемых приведенные в действие transfemoral протезы на пациентов с ампутаций нижних конечностей безопасно и эффективно. Платформа и опытно-конструкторских представлены в данном исследовании могут воспользоваться в будущем развитию верных ЦНС-контролируемых, питание искусственных ногах.
Protocol
Representative Results
Discussion
Инженерная платформа была разработана в этом исследовании легко реализовать, оптимизации и развития истинного нейронной управление подключенными к сети протезов. Вся платформа была запрограммирована в основе среды разработки виртуальных приборов и реализованы на настольном ПК. Про…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была частично поддержана Национальными Институтами Здоровья в рамках гранта RHD064968A, в части, установленными Национальным научным фондом под Грантом 0931820, Грант 1149385 и Грант 1361549, а в части Национальным институтом по проблемам инвалидности и реабилитации исследований при Грант H133G120165. Авторы благодарят Линь Ду, Дин Ван и Джеральд Хефферман в Университете Род-Айленда, и Майкл Дж. женский монастырь в женский монастырь ортопедических и протезирования технологии, ООО, для их большое предложение и помощь в работе.
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).
