Mühendisliği Platformu ve Nöral kontrollü Enerjili Transfemoral Protez Tasarım ve Değerlendirme Deneysel Protokol
Summary
Sinir-makine arayüzleri (UME), kullanıcının hareket modunu tanımlamak için geliştirilmiştir. Bu UME'ler potansiyel enerjili yapay bacakların sinir kontrolü için kullanışlıdır, ancak tam olarak kanıtlanmamıştır. Kolay uygulanması ve nöral kontrolünün geliştirilmesi güçlendirilmiş alt ekstremite protezleri için ve güvenli bir şekilde alt ekstremite amputasyon olan hastalarda sinirsel kontrollü yapay bacaklar değerlendirmek için bir laboratuar ortamında (2) deneysel bir kurulum ve protokol için (1) bizim tasarlanan mühendislik platformu sunulan bu kağıt ve verimli bir şekilde.
Abstract
Enerjili yapay bacaklar sezgisel çalışmasını sağlamak için, kullanıcının hareketi niyetini tanıyabilir kullanıcı ve protez arasında bir arayüz arzu edilir. Önceki çalışmamızda geliştirilen nöromüsküler-mekanik füzyon dayalı bir roman nöral-makine arayüzü (UME) doğru Transfemoral amputees amaçlanan hareketini belirlemek için büyük bir potansiyel göstermiştir. Ancak, bu arayüzü henüz gerçek nöral kontrolü için bir güç protez bacak ile entegre olmamıştır. (1) esnek bir platform uygulamak ve optimize güçlendirilmiş alt ekstremite protez nöral kontrolünü ve (2) deneysel bir kurulum ve protokol alt ekstremite amputasyon olan hastalarda nöral protez kontrolünü değerlendirmek için rapor amaçlanmıştır. Önce bir PC ve bir görsel programlama ortamına dayalı bir platform NMI eğitim algoritması, NMI online test algoritması ve içsel kontrol algoritması dahil protez kontrol algoritmaları, uygulamak için geliştirilmiştir. Göstermek içinBu platform işlevi, bu çalışmada nöromüsküler mekanik füzyon göre NMI hiyerarşik bir prototip Transfemoral protezin içsel kontrolü ile entegre edilmiştir. Bir tek taraflı Transfemoral amputasyon ile bir hasta gibi duran, seviye zemin yürüyüş, rampa çıkış gibi faaliyetleri gerçekleştirirken bizim uygulanan nöral denetleyicisi değerlendirmek, ve laboratuarda sürekli iniş rampa işe alındı. Bir roman deney düzeneği ve protokol güvenli ve verimli yeni protez kontrolünü test etmek amacıyla geliştirilmiştir. Sunulan proof-of-concept platformu ve deneysel kurulum ve protokol Sinirsel kontrollü çalışan yapay bacak gelecekteki gelişimini ve uygulamaya yardımcı olabilir.
Introduction
Powered alt ekstremite protezleri ticari pazarda 1,2 ve araştırma topluluğu 3-5 hem de artan bir önem kazanmıştır. Geleneksel pasif protez bacaklar ile karşılaştırıldığında, motorlu protez eklem alt ekstremite amputasyon daha verimli pasif cihazlar takarken zor veya imkansız olan faaliyetlerini gerçekleştirmek için izin avantajı var. Ancak, şu anda, (merdiven çıkış için yürüyen seviye yerden örneğin) sorunsuz ve kesintisiz faaliyet geçiş hala enerjili protez bacak kullanıcıları için zorlu bir konudur. Bu zorluk, kullanıcının hareketi niyet "okumak" ve derhal sorunsuz faaliyet moduna geçmek için olanak sağlamak amacıyla protez kontrol parametrelerini ayarlayabilirsiniz bir kullanıcı-makine arayüzü eksikliğinden kaynaklanmaktadır.
Bu sorunları çözmek için, kullanıcı-makine arayüzü tasarımı çeşitli yaklaşımlar araştırılmıştır. NMI elektromiyografi (E dayalı olup,MG) sinyalleri güçlendirilmiş alt ekstremite protezlerinin sezgisel kontrol sağlamak için büyük bir potansiyel göstermiştir. İki yeni çalışmalar 6,7 oturarak sırasında kalıntı kasların kaydedilen EMG sinyallerini izleyerek Transfemoral amputees eksik diz amaçlanan hareketini çözme bildirdi. Au ve ark. 5 bir transtibial ampute iki hareket modları (seviye zemin yürüme ve merdiven iniş) tanımlamak için artık incik kasların ölçülen EMG sinyalleri kullanılır. Huang ve ark. 8. iki Transfemoral amputees üzerinde gösterildiği gibi yaklaşık% 90 doğruluk ile yedi etkinlik modları tanıyabileceği bir faz-bağımlı EMG örüntü tanıma yaklaşım önerdi. Iyi niyet-tanıma performansını artırmak için, nöromüsküler-mekanik füzyon dayalı bir NMI bizim grupta 9 tasarlanmış ve çevrimiçi niyet tanınması 10,11 pasif protez bacaklar giyen Transfemoral amputees değerlendirilmiştir. Bu NMI doğru belirleyebilirkullanıcının amaçlanan faaliyetleri ve güçlü yapay bacak sinir kontrolü için potansiyel olarak yararlı oldu etkinlik geçişleri 9, tahmin.
Bize bakan Mevcut soru sezgisel protez işletilmesini ve kullanıcının güvenliğini sağlamak amacıyla protez kontrol sistemi içine bizim NMI nasıl entegre olduğunu. Gerçek Sinirsel kontrollü yapay bacaklar gelişmekte kolay uygulanması ve protez kontrol algoritmaları optimizasyonu için laboratuarda esnek bir platform gerektirir. Bu nedenle, bu çalışmanın amacı, protez kontrol algoritmaları test ve optimize etmek için bizim laboratuarda geliştirilen esnek bir mühendislik platformu rapor etmektir. Buna ek olarak, yeni deneysel kurulum ve protokol güvenli ve verimli bir şekilde alt ekstremite amputasyon olan hastalarda sinirsel kontrollü çalışan Transfemoral protezleri değerlendirmek için sunulmaktadır. Bu çalışmada sunulan platformu ve deneysel tasarım gelecek deve yararlanabilirGerçek Sinirsel kontrollü, elektronik yapay bacaklar lopment.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bir mühendislik platformu Bu çalışmada kolay, uygulamak, optimize ve güçlendirilmiş protezlerin gerçek nöral kontrolünü geliştirmek için geliştirilmiştir. Tüm platform sanal enstrümantasyon tabanlı geliştirme ortamı programlanmış ve bir masaüstü PC üzerinde uygulanmıştır. Kontrol yazılımı, belirli bir işlevi (yani NMI niyet tanıma ve içsel kontrol) idam edildiği her, birkaç bağımsız ve değiştirilebilir modüllerden oluşmaktadır. Bu modüler tasarım avantajı, her fonk…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Ulusal Grant 0931820 altında Ulusal Bilim Vakfı tarafından kısmen Grant RHD064968A altında Sağlık Enstitüleri, 1.149.385 Grant ve Grant 1361549 tarafından kısmen desteklenen ve Grant H133G120165 altında Engellilik ve Rehabilitasyon Araştırma Ulusal Enstitüsü tarafından yapıldı. Yazarlar harika bir öneri ve bu çalışmada yardım için, Lin Du, Ding Wang ve Gerald Hefferman Rhode Island Üniversitesi'nde, ve Michael J. Nunnery Nunnery ortez at ve Protez Teknolojisi, LLC ederim.
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 |
References
- 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).
