用于设计与评估神经控制动力型股骨上假肢的工程平台及实验方案

本实验方案的总体目标是在实验室环境中展示一种实验装置和操作流程，用于评估神经控制型假肢腿在下肢截肢患者中的应用效果。首先，准备采集受试者残肢肌肉的表面肌电信号；随后，对招募受试者所使用的动力假肢腿进行对准和校准。

接下来，收集训练数据并训练神经机器接口中的分类器。最后一步是测试动力假肢腿在招募的截肢受试者身上进行神经控制的性能。最终，在实验室中利用神经控制的动力假肢腿，使受试者能够安全、连续地完成多种活动，例如平地站立、平地行走、斜坡上行和斜坡下行。

该设计工程平台的主要优势在于，每个功能模块均可轻松进行调试、修改和更新。此外，在计算机程序中添加或删除功能，或更改模型之间的连接关系，均可方便地实现。新型电极接口设计能够提供高质量的肌电（EMG）信号记录、牢固的接受腔悬吊以及良好的使用者舒适性。

因此，该设计可用于研究下肢截肢者残肢肌肉的特性或功能。演示该操作流程的人员为一。William Boatwright 和 Aaron Fleming。

我们实验室的学生通过为受试者穿戴合适尺寸的防坠落安全带并将其连接到天花板轨道系统来准备测试。接下来，选择七个已充满电的无线表面肌电（EMG）传感器。进入单通道，将EMG传感器放入已准备好的位置上的定制吸杯插座中。

记录传感器的编号，并将其与肌电图（EMG）采集位置相对应。使用异丙醇清洁受试者残肢的皮肤后，通过锥形适配器将带电源的假肢连接至吸着式接受腔。协助受试者穿戴吸着式接受腔，并确认接受腔已牢固地固定在受试者的残肢上。

接下来，启动实时EMG模拟数据流软件。然后让受试者执行髋关节屈曲和伸展、髋关节外展和内收动作，并想象膝关节屈曲和伸展，同时观察EMG信号，以验证EMG电极接触情况和数据传输是否正常，从而对动力假肢进行对齐和校准。让受试者首先保持站立姿势，扶住助行器，调节适配器上的一组旋转螺钉，直至假肢的位置与接受腔在几何上对齐。

要求受试者将假肢抬离地面，并校准假肢连接杆上的负荷传感器。指导受试者在不同地形上行走练习，包括平地、斜坡上行和斜坡下行。当穿戴动力假肢腿时，让受试者持续练习，直至其对使用动力装置行走感到自信，并能够形成稳定的步态模式。

在每一项活动中，向受试者说明预设的行走路径，并指导受试者站在行走路径的起始位置。接着，打开动力假肢电源，并将参数载入内置控制器中。运行训练数据采集计算机程序，并通过图形用户界面（或称“gooey”）上的站立按钮，将内置控制设置为站立模式。

然后指示受试者以自己选择的舒适速度在平地上行走。同时，在受试者迈步前（即前导腿脚尖离地之前），点击 gooey 界面上的“行走”按钮，系统将自动将内在控制设置为平地行走模式。当受试者接近斜坡边缘时，在假肢腿脚尖离地、即将踏上斜坡之前，点击 gooey 界面上的“上坡”按钮，以确保安全切换至斜坡上升模式。

允许受试者在斜坡上行走时使用扶手。当受试者到达斜坡边缘时，再次点击行走按钮。在假肢足跟接触水平平台之前，假肢的内置控制将切换至平地行走模式。

在步行路径的末端，指示受试者停止行走并同时保持站立状态。在双支撑相之前点击“站立”按钮，将内在控制切换回站立模式。约五秒后，点击停止按钮以终止数据采集。

当受试者沿原路返回起点时，重复上述步骤。唯一不同的是将固有控制切换至下坡模式。当受试者在下坡段行走时，重复上下坡行走10次，然后检查所采集训练数据集的信号质量。

接下来，通过离线训练模块在神经机器接口中训练模式识别分类器。利用采集的肌电（EMG）信号和机械信号、训练过程中标注的活动模式以及检测到的相位，构建相位依赖的模式。分类器将自动保存其参数，用于后续的在线测试阶段。

开始下一组测试时，指示受试者站在行走路径的起点处。打开动力假肢电源后，将训练好的分类器加载到在线测试模块中，并将参数加载到内置控制器中。随后，指示受试者以站立姿势开始测试试验。

然后持续过渡到平地行走、斜坡行走、再次平地行走，最后停止。在行走路径的末端，指示受试者以舒适的速度完成每一项活动。每次试验之间允许休息，以避免每次测试过程中出现疲劳。

在显示器上显示假体的活动模式和膝关节角度读数，并保存所有测量数据和控制输出，以供后续评估使用。当受试者在髋关节屈曲与伸展之间交替时，从其残肢大腿肌肉记录到的原始肌电信号（EMG）呈现出特征性模式。此处展示了受试者在平地上行走路径时记录的原始肌电信号，从这些图中可以看出，肌电电极插座接口能够提供高质量的信号采集界面。

肌电（EMG）信号测量。受试者首先保持站立姿势，随后开始在平地行走，进入斜坡上升段，继续在平地行走，最后在行走路径末端停止。然后受试者沿原路返回至起始位置，在此过程中，受试者能够根据预期的活动模式，平稳地切换动力型经股截肢假肢的控制模式。

红色虚线表示从平地行走转换到斜坡、上坡或下坡，以及从站立转换到行走时，每种活动模式转换所定义的关键时刻。该关键时刻在从斜坡、上坡或下坡转换到平地行走以及从行走转换到站立时，对应摆动相的起始点，即足趾离地；在从平地行走转换时，对应负重接受阶段的起始点，即足跟触地。

在本次试验进行到约18秒时，由于神经机器接口对使用者意图的误判，假肢在受试者于平地行走时错误地切换至爬坡上升模式。此类错误并未引起受试者步态运动学的显著变化，受试者自身也未察觉。然而，在部分测试试验中观察到一些影响受试者步态稳定性的错误，但均未导致受试者跌倒。

我们的概念验证平台实验装置与方案可为优化粉末下肢假体的神经控制和内在控制提供便捷工具，并有助于开发出真正仿生的下肢假体，使用户能够方便、可靠且直观地操作。观看本视频后，您应能充分理解如何在实验室环境中安全、高效地应用所开发的工程平台，评估接受神经控制人工腿的下肢截肢患者。