Plataforma Ingeniería y Protocolo Experimental para el Diseño y Evaluación de una controlada por Neuralmente Powered transfemoral de prótesis

El objetivo general de este procedimiento es presentar una configuración experimental y un protocolo en un entorno de biblioteca para evaluar las piernas artificiales controladas neuralmente en pacientes con amputaciones de miembros inferiores. Esto se logra preparándose primero para la medición de la señal EMG de superficie de los músculos residuales de las extremidades inferiores del sujeto. A continuación, se alinea y calibra la pierna protésica motorizada del sujeto reclutado.

A continuación, se recopilan los datos de entrenamiento y se entrenan los clasificadores de la interfaz de la máquina neuronal. El paso final es probar el rendimiento del control neuronal de la pierna protésica motorizada en el sujeto amputado reclutado. En última instancia, la pierna protésica motorizada controlada neuralmente se utiliza para permitir que el sujeto realice diversas actividades, como estar de pie a nivel de pie, caminar en rampa, ascenso y descenso en rampa de forma segura y continua en el laboratorio.

La principal ventaja de esta plataforma de ingeniería de diseño es que cada bloque de función se puede depurar, modificar y actualizar fácilmente. Además, agregar o eliminar funciones o cambiar la conexión entre modelos se puede hacer fácilmente en el programa informático. El nuevo diseño de la interfaz del zócalo del electrodo puede proporcionar una grabación de señal EMG de alta calidad, una suspensión del zócalo hermético y una buena comodidad para el usuario.

Por lo tanto, este diseño se puede utilizar para investigar la propiedad o función muscular en el resto de las extremidades de los amputados de extremidades inferiores. La demostración del procedimiento se considerará uno. William Boatwright y Aaron Fleming.

Los estudiantes de nuestro laboratorio preparan al sujeto para la prueba poniéndose un arnés de detención de caídas de tamaño ajustado y fijándolo al sistema de rieles del techo. A continuación, seleccione siete sensores EMG inalámbricos completamente cargados. Ingrese el mon y coloque los sensores EMG en la toma de succión personalizada en las ubicaciones preparadas.

Anote el número de pedido de los sensores y asócielos a las ubicaciones de EMG. Después de limpiar la piel del muñón del sujeto con alcohol isopropílico, fije la prótesis motorizada a la cavidad de succión con un adaptador piramidal. Ayude a un sujeto a ponerse el encaje de succión y verifique que el encaje esté firmemente conectado al muñón del sujeto.

A continuación, encienda el software de transmisión de datos analógicos EMG en tiempo real. A continuación, pida al sujeto que realice la flexión y extensión de la cadera, la abducción y la abducción de la cadera, y que imagine la flexión y la extensión de la rodilla, y que examine las señales de EMG para verificar el contacto del electrodo EMG y la transmisión de datos para alinear y calibrar la prótesis de potencia. Comience con el sujeto En una posición de pie sosteniendo un andador de asistencia, ajuste un juego de tornillos de rotación en el adaptador hasta que la posición de la prótesis esté alineada geométricamente con el encaje.

Pida al sujeto que levante la prótesis del suelo y calibre la célula de carga en el pilón protésico. Instruya al sujeto para que practique caminar en diferentes terrenos: nivelado el terreno, ascenso en rampa y descenso en rampa. Cuando use la pierna protésica motorizada, haga que el sujeto continúe hasta que se sienta seguro al caminar con el dispositivo motorizado y produzca un patrón de marcha consistente.

En cada actividad, explique al sujeto el camino predefinido para caminar e indíquele que se pare en el lugar de inicio del camino para caminar. A continuación, encienda la prótesis de potencia y cargue los parámetros en el controlador intrínseco. Ejecute un programa informático de recopilación de datos de entrenamiento y configure el control intrínseco en modo de pie haciendo clic en el botón de pie en la interfaz gráfica de usuario o pegajoso.

A continuación, indíquele al sujeto que camine sobre un terreno llano a la velocidad que él mismo seleccionó para caminar cómodamente. Al mismo tiempo, haga clic en el botón de caminar en la pegajosa antes de despegar la pata delantera del sujeto, lo que establece automáticamente el control intrínseco en el modo de caminar nivelado con el suelo. Cuando el sujeto se acerque al borde de la rampa, haga clic en el botón de ascenso de la rampa en la sustancia pegajosa antes de que la punta del pie se desprenda de la pierna protésica, pisando la rampa, que cambia el control intrínseco a la rampa como modo de aroma por seguridad.

Permita que el sujeto use un pasamanos cuando camine por la rampa. Cuando el sujeto llegue al borde de la rampa, vuelva a hacer clic en el botón de caminar. Antes de que el talón de la pierna protésica golpee la plataforma nivelada, que cambia el control intrínseco de la prótesis al modo de caminar nivelado sobre el suelo.

Al final del camino, indique al sujeto que se detenga y permanezca de pie al mismo tiempo. Haga clic en el botón de pie antes de la fase de doble postura, que cambia el control intrínseco de nuevo al modo de pie. Después de aproximadamente cinco segundos, finalice la recopilación de datos haciendo clic en el botón Detener.

Repita el procedimiento mientras el sujeto camina en una ruta inversa de regreso a la ubicación inicial. La única diferencia es cambiar el control intrínseco al modo de descenso en rampa. Cuando el sujeto camine por la rampa de bajada, repita la caminata hacia arriba y hacia abajo de la rampa 10 veces y luego examine la calidad de la señal del conjunto de datos de entrenamiento recopilados.

A continuación, entrene los clasificadores de reconocimiento de patrones en la interfaz de la máquina neuronal a través de un módulo de entrenamiento fuera de línea. Utilice las señales EMG y mecánicas recopiladas, los modos de actividad etiquetados durante el procedimiento de entrenamiento y las fases detectadas para crear un patrón dependiente de la fase. Los clasificadores guardan los parámetros de los clasificadores automáticamente para una sesión de prueba en línea posterior.

Comience la siguiente serie de pruebas instruyendo al sujeto para que se pare en el punto de inicio del camino para caminar. Después de encender la prótesis motorizada, cargue el clasificador entrenado en el módulo de pruebas en línea y los parámetros en el controlador intrínseco. A continuación, instruya al sujeto para que comience las pruebas de prueba en posición de pie.

Luego, haga una transición continua a caminar por el suelo nivelado, caminar por la rampa nivelada, volver a caminar por el suelo y, finalmente, detenerse. Al final del camino, instruya al sujeto para que realice cada actividad a un ritmo cómodo. Permita períodos de descanso entre ensayos para evitar fatiga durante cada ensayo de prueba.

Visualice los modos de actividad de las lecturas de la prótesis y el ángulo de la articulación de la rodilla en un monitor, guarde todas las mediciones y las salidas de control para fines de evaluación posteriores. Las señales EMG brutas registradas desde los músculos del muslo del muñón del sujeto exhiben un patrón característico cuando el sujeto alterna entre la flexión y la extensión de la cadera. Las señales EMG sin procesar registradas cuando el sujeto caminaba por un camino de paso nivelado se muestran aquí a partir de estas figuras, se puede ver que la interfaz del zócalo del electrodo EMG puede proporcionar una interfaz de buena calidad.

Mediciones de señales EMG. Se le pidió al sujeto que comenzara en una posición de pie, pasara al nivel, a la rampa para caminar en el suelo, al nivel de ascenso, a caminar en el suelo y luego se detuviera al final del camino para caminar. A continuación, el sujeto llegó al punto de partida original a lo largo de la ruta inversa, el sujeto pudo cambiar suavemente el modo de control de la prótesis transfemoral de potencia en función de los modos de actividad previstos.

La línea discontinua roja indica el tiempo crítico definido de cada transición del modo de actividad para las transiciones de terreno nivelado, caminando a rampa, ascenso o descenso, y de pie a caminando. El momento crítico fue el comienzo de la fase de balanceo, es decir, las transiciones de rampa, ascenso o descenso a la caminata nivelada por el suelo y de caminar a estar de pie. El momento crítico fue el comienzo de la aceptación del peso, es decir, el contacto del talón en el terreno nivelado.

Aproximadamente a los 18 segundos de esta prueba, la prótesis cambió incorrectamente al modo de ascenso en rampa cuando el sujeto caminaba sobre un terreno nivelado debido al reconocimiento erróneo de la intención del usuario por parte de la interfaz de la máquina neuronal. Errores como este no provocaron un cambio significativo en la cinemática de la marcha del sujeto y no fueron percibidos por el sujeto. Sin embargo, se observaron algunos errores que alteraron la estabilidad de la marcha del sujeto en algunas pruebas, pero ninguno causó la caída del sujeto.

Nuestra plataforma de prueba de concepto, la configuración experimental y el protocolo podrían proporcionar herramientas convenientes para optimizar aún más el control neurológico y el control intrínseco de la prótesis de extremidades inferiores en polvo, y podrían ayudar a desarrollar una verdadera prótesis biónica de extremidades inferiores que los usuarios puedan operar de manera fácil, confiable e intuitiva. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo aplicar la plataforma de ingeniería desarrollada para evaluar pacientes con piernas artificiales neurocontroladas con amputación de extremidades inferiores de manera segura y eficiente en un entorno de laboratorio.