Method Article

Technische Plattform und experimentelles Protokoll für Entwurf und Evaluation eines Neural-kontrollierten Powered Oberschenkelprothese

DOI:

10.3791/51059

July 22nd, 2014

In This Article

Summary

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Neural-Maschine-Schnittstellen (NMI) wurden entwickelt, um Bewegungsmodus des Benutzers zu identifizieren. Diese NMI sind potentiell nützlich für neuronale Steuerung von Geräten und künstlichen Beinen, aber noch nicht vollständig nachgewiesen. Dieses Papier präsentiert (1) unsere Engineering-Plattform entwickelt, für die einfache Implementierung und Entwicklung von neuronalen Steuerung für Motorbeinprothesen und (2) einem Versuchsaufbau und Protokoll in einer Laborumgebung zu neural gesteuerte künstliche Beine auf Patienten mit Amputationen der unteren Extremitäten sicher beurteilen und effizient.

Abstract

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Um eine intuitive Bedienung von Geräten und künstlichen Beine zu ermöglichen, wird eine Schnittstelle zwischen Anwender und Prothese, die Bewegung der Absicht des Benutzers erkennen kann, gewünscht. Eine neuartige neuronale-Maschine-Schnittstelle (NMI), basierend auf neuromuskuläre mechanischen Fusion in unserer früheren Studie entwickelt hat ein großes Potenzial, um die beabsichtigte Bewegung der Oberschenkelamputierte genau zu identifizieren, demonstriert. Doch diese Schnittstelle noch nicht mit einer angetriebenen Beinprothese für echte neuronale Steuerung integriert. Ziel dieser Studie war zu berichten, (1) eine flexible Plattform zu implementieren und zu optimieren neuronalen Steuerung von Geräten und Unterschenkelprothese und (2) ein Versuchsaufbau und-Protokoll, um neuronale Prothese Kontrolle bei Patienten mit Amputationen der unteren Extremitäten beurteilen. Zunächst wird eine Plattform auf der Basis eines PC und einer visuellen Programmierumgebung entwickelt wurden, um die Prothese Regelalgorithmen, einschließlich NMI Trainingsalgorithmus, NMI Online-Test-Algorithmus und Eigenkontrollalgorithmus zu implementieren. Um zu demonstrieren, dieFunktion der Plattform, die in dieser Studie das NMI auf der Grundlage neuromuskuläre mechanischen Fusion wurde hierarchisch mit intrinsischer Kontrolle eines prototypischen Oberschenkelprothese integriert. Ein Patient mit einer einseitigen Oberschenkelamputation wurde rekrutiert, um unsere implementiert neuronalen Steuerung auswerten bei der Durchführung von Aktivitäten, wie Stehen, Level-Boden-Gehen, Rampe Aufstieg, Abstieg und Rampe kontinuierlich im Labor. Eine neuartige Versuchsaufbau und Protokoll wurden, um die neue Prothesensteuerung sicher und effizient zu testen, entwickelt. Die vorgestellte Proof-of-Concept-Plattform und Versuchsaufbau und Protokoll könnte die zukünftige Entwicklung und Anwendung von neural-gesteuerte Stromversorgung künstlichen Beine zu helfen.

Introduction

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Powered Beinprothesen haben zunehmende Aufmerksamkeit sowohl in der kommerziellen Markt-und Forschungsgemeinschaft 1,2 3-5 gewonnen. Im Vergleich zu herkömmlichen passiven Beinprothesen, motorisierte Gelenkprothesen haben den Vorteil, dass der unteren Gliedmaßen Amputierte, effizienter zu Aktivitäten, die schwierig oder unmöglich sind, wenn das Tragen passiven Geräten durchzuführen. , Derzeit ist jedoch glatte und nahtlose Übergang Aktivität (zB von Level-Boden Fuß zu Treppen Aufstieg) immer noch ein schwieriges Thema für angetriebene Beinprothese Nutzer. Diese Schwierigkeit ist vor allem aufgrund des Fehlens einer Anwender-Maschine-Schnittstelle,....

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Protocol

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1. Plattform für die Umsetzung des Neuronale Kontrolle von Powered Oberschenkelprothesen

Ein Engineering-Plattform wurde in dieser Studie zur Durchführung und Bewertung neuronalen Steuerung von Geräten und Beinprothesen entwickelt. Die Hardware enthalten einen Desktop-PC mit 2,8 GHz und 4 GB RAM, ein Multifunktionsdatenerfassungsplatine mit den beiden Analog-Digital-Wandler (ADCs) und Digital-Analog-Wandler (DACs), eine Motorsteuerung, digitale I / Os und eine prototypische angetriebene Oberschenkelprothese in unserer Gruppe 12 ausgelegt. Die analogen Sensoreingänge wurden zuerst von den ADCs digitalisiert und in die Desktop-PC f....

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Results

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4a zeigt sieben Kanäle des Oberflächen-EMG-Signale von der Oberschenkelmuskulatur von Stumpf des Patienten gemessen wird, wenn er Hüfte Flexion / Extension durchgeführt, wie in Protokoll 3.2.6 beschrieben. Abbildung 4b zeigt sechs Gangzyklen der EMG-Signale aufgezeichnet, wenn das Thema ging auf ein Niveau-Boden-Wanderweg, während Protokoll 3.3.4. Aus dieser Figur ist ersichtlich, dass die neu gestalteten EMG-Elektroden-Socket-Schnittstelle können gute Qualität von Oberflächen-EMG-Signa.......

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Discussion

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Ein Engineering-Plattform wurde in dieser Studie die einfache Implementierung, Optimierung und Entwicklung wahr neuronalen Steuerung von Geräten und Prothesen entwickelt. Die gesamte Plattform wurde in einem virtuellen Instrumentierung basierte Entwicklungsumgebung programmiert und auf einem Desktop-PC implementiert. Die Steuersoftware wurde von mehreren unabhängigen und austauschbaren Modulen zusammengesetzt ist, in denen jeweils eine bestimmte Funktion ausgeführt wurde (dh NMI Absicht Erkennung und Eigenkontr.......

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Disclosures

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Keine Interessenskonflikte erklärt.

Acknowledgements

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Diese Arbeit wurde zum Teil durch die National Institutes of Health unter Grants RHD064968A, zum Teil von der National Science Foundation unter Grants 0931820, 1149385 Gewähren, und Grant 1361549 zum Teil von der National Institute on Disability and Rehabilitation Forschung unter Grants H133G120165 unterstützt und. Die Autoren danken Lin Du, Ding Wang und Gerald Hefferman an der Universität von Rhode Island, und Michael J. Nonnenkloster an der Nonnen Orthesen und Prothesen Technology, LLC, für die tolle Anregung und Unterstützung in dieser Studie.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Trigno Wireless EMG SensorenDelsys, Inc.
Trigno Wireless EMG BasisstationDelsys, Inc.
multifunktionale Datenerfassungskarte (PCI-6259)National Instruments, Inc.
Potentiometer (RDC503013A)ALPS Electric CO., LTD1
Drehgeber (MR-Serie)Maxon Precision Motors, Inc.
Motorsteuerung (ADS50/10)Maxon Precision Motors, Inc.
24 V Netzteil (DPP480)TDK-Lambda Americas, Inc.
Wägezelle mit 6 Freiheitsgraden (Mini58)ATI Industrial Automation1
DeckenschienensystemRoMedic, Inc.
NI LabView 2011von National Instruments, Inc.
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References

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  1. The POWER KNEE. , http://www.ossur.com/prosthetic-solutions/products/knees-and-legs/bionic-knees/power-knee (2014).
  2. Walk. BiOM Ankle System. , http://www.biom.com (2014).
  3. Martinez-Villalpando, E. C., Herr, H. Agonist-antagonist active knee prosthesis: a preliminary stu....

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Neural Machine InterfacePowered Prosthetic LegSurface EMG MeasurementProsthesis Alignment CalibrationTraining Data CollectionClassifier TrainingNeural Control TestingActivity Mode TransitionsExperimental Setup ProtocolLower Limb Amputation

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