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1. Plate-forme pour la mise en œuvre de Neural contrôle des Propulsé Prothèses transfémoraux
Une plate-forme d'ingénierie a été développé dans cette étude pour mettre en œuvre et évaluer le contrôle neural de jambes artificielles alimentées. Le matériel comprenait un PC de bureau avec 2,8 GHz et 4 Go de RAM, une carte d'acquisition de données multi-fonctionnel avec deux convertisseurs analogique-numérique (CAN) et les convertisseurs numérique-analogique (DAC), un contrôleur de moteur, je numérique / S, et une prothèse transfémorale alimenté prototype conçu dans notre groupe 12. Les entrées de capteurs analogiques ont d'abord été numérisées par les ADC et diffusés dans le PC de bureau pour le traitement du signal. Le CMV a été utilisé pour la sortie de commande pour entraîner le moteur à courant continu dans la prothèse à travers un contrôleur de moteur. E / S numériques ont été utilisés pour activer / désactiver le contrôleur de moteur. La prothèse a été effectuée attaché à l'ordinateur de bureau et alimenté par une alimentation de 24 V.
Le logiciel a été programmé en annonceenvironnement de éveloppement approprié pour l'instrumentation virtuelle s'exécutant sur le PC de bureau. L'environnement de développement est basée sur l'instrumentation virtuelle, qui combine efficacement les logiciels et le matériel défini par l'utilisateur à mettre en œuvre la plate-forme personnalisée. En utilisant la structure d'un bloc-diagramme graphique, les différents noeuds de fonction modulaire peut être facilement et efficacement mis en oeuvre et mis à jour. Afin de démontrer la fonction de plate-forme pour le contrôle en ligne des jambes artificielles motorisés, préalablement conçu un contrôle de la prothèse a été mise en œuvre sur cette plate-forme. Le système de commande comprend un contrôleur de neurones et un contrôleur intrinsèque. Le contrôleur neuronal est composée de notre précédente NMI conçu sur la base neuromusculaire mécanique fusion, qui a reconnu le mode de l'activité de l'utilisateur. Le contrôleur de neurones en tant que contrôleur de haut niveau a été hiérarchiquement connecté avec le contrôle intrinsèque pour alimenté inférieure contrôle de prothèse de membre.
L'architecture de suitelogiciel rol sur la plate-forme est illustrée dans la Figure 1 Le NMI comprend deux parties:. déconnecté modules de formation et des modules de test en ligne. Le module de formation en ligne a été conçue pour recueillir des données de formation et de construire les classificateurs dans NMI. Les signaux multicanaux EMG de surface prélevés et mesures mécaniques ont d'abord été prétraitées et segmentés en fenêtres coulissantes en continu. Dans chaque fenêtre, traits qui caractérisent les modèles de signaux ont été extraites et ensuite fusionnés en un vecteur de caractéristiques. Le vecteur de caractéristique dans chaque fenêtre a été marqué avec les modes d'activité (classes) et l'indice de phase sur la base des activités du spectacle de l'utilisateur de la prothèse et les états de la prothèse lors de la collecte de données de formation. Les vecteurs de caractéristiques marquées ont été ensuite utilisées pour construire un modèle de classification dépendant de la phase, qui contient plusieurs sous-classificateurs corrélés avec des phases individuellement. Le classificateur créé a été enregistré et transféré au module de test en ligne pour l'évaluation en ligne plus tard.
Le module d'essai en ligne a été utilisée pour reconnaître ligne mouvement l'intention de l'utilisateur et changer les modes d'activité en contrôleur intrinsèque. Le neuromusculaire multicanal et mesures mécaniques ont été diffusées simultanément dans le module d'essai en ligne et transformés en vecteurs de caractéristiques. Ensuite, les vecteurs de caractéristiques ont été introduits dans le séparateur de phase-dépendants qui a déjà été construite dans le module d'entraînement hors-ligne. Sur la base de la phase actuelle de contrôleur intrinsèque, le sous-classificateur correspondant a été allumé et utilisé pour reconnaître l'intention de l'utilisateur. La sortie de classification a en outre été post-traitée et envoyée au contrôleur intrinsèque de changer de mode d'activité.
Contrôleur d'impédance Une machine à états finis (FSM) a été mis en fonction pour le contrôle intrinsèque de jambes artificielles alimentées. Le contrôleur d'impédance souhaitée générée sortie de couple sur l'articulation du genou. La machine à états finis ajustée à l'impédance d'articulation selon l'l'état actuel de l'activité du spectacle. Pour les activités de locomotion (c'est à dire de marche au niveau du sol et la rampe de montée / descente), le FSM est composée de cinq états correspondant à cinq phases de la démarche: la position de flexion (STF), l'extension de la position (STE), pré-battantes (PSW), balançoire flexion ( SWF), et l'extension de swing (SWE); pour debout statique, le FSM comprenait deux phases: palier de poids (BM) et non-port de poids (NWB). Transitions entre les états ont été déclenchées par la force de réaction du sol et la position du genou. La transition entre les modes d'activité a été commandé par la sortie du module de test en ligne. Pour les trois modules évoqués ci-dessus, l'interface utilisateur graphique (GUI) ont été construits, ce qui a permis expérimentateurs dans le laboratoire d'ajuster facilement les paramètres de contrôle, les performances du système de surveillance, et mener des expériences d'évaluation.
2. Installation expérimentale
- électromyographie de surface (EMG de surface)
signaux d'EMG de surface des muscles de la cuisse de l'amputé subjectR17; s moignon sont enregistrées par un système d'acquisition sans fil EMG. Les muscles de la cuisse ciblées inclus le droit antérieur (RF), laeralis vaste externe (VL), vaste médial (VM), biceps fémoral longue (BFL), couturier (SAR), magnus-tendineux (SEM), et adducteurs (ADM). Il est à noter que le ciblage précisément le muscle spécifique n'est pas nécessaire, car 8 l'algorithme de reconnaissance de formes utilisé dans les recherches sur NMI modèles d'activation de plusieurs muscles à reconnaître le mode d'activité. Tant que les informations de contrôle neuromusculaire mesurée pour la hanche et le genou commande est suffisante, croisées pourparlers entre les enregistrements EMG ont peu d'impact sur la performance de la MNI. - Demandez au sujet de réaliser hanche flexion / extension, la hanche en adduction / abduction, et tenter de fléchir / étendre l'articulation du genou amputé quand il est en position debout.
- Rapprocher et déterminer les emplacements de positionnement des électrodes par le muscle palpation uned examen des enregistrements EMG.
- Incluez les électrodes dans une nouvelle interface électrode-socket EMG conçu, comme le montre la figure 2, pour le confort du sujet et fiable de contact électrode-peau.
- Mesures mécaniques de la prothèse Powered
Les forces de réaction au sol et les moments mécaniques mesurées par un capteur à 6 degrés de liberté à partir du pylône prothétique sont fusionnées avec des signaux EMG de reconnaître le mouvement de l'intention du sujet. En outre, un potentiomètre est instrumenté sur l'articulation du genou pour mesurer l'angle d'articulation de genou et d'un codeur est relié au moteur à courant continu pour calculer la vitesse angulaire du genou. Ces mesures sont utilisées comme signaux de retour pour le contrôle intrinsèque. - Monter une cellule de charge à six degrés de liberté sur le pylône prothétique.
- Aligner l'axe X, l'axe Y et l'axe Z de la cellule de charge avec la direction médio-latérale, de la direction antéro-postérieure et la direction superoinferior de la prothèse, respectivementment.
- Laboratoire de l'environnement d'installation
Afin d'évaluer le contrôle neural de jambes artificielles alimentées sur amputés transfémoraux, un parcours d'obstacles a été construit dans le laboratoire, comme le montre la figure 3. L'environnement de test inclus 5 m passerelle droite, une longue rampe de 4 m avec une inclinaison angle de 8 °, et une plate-forme au niveau de la rampe solidement fixé. Le long de la rampe, garde-corps ont été installés pour améliorer la sécurité de l'objet. En outre, un système de rail de plafond avec un harnais antichute a été prévu pour protéger l'objet de tomber pendant l'expérience.
3. Protocole expérimental
Cette étude a été réalisée avec l'approbation de l'Institutional Review Board (IRB) de l'Université de Rhode Island et avec le consentement éclairé du sujet recruté. Un mâle transfémoral unilatérale amputé (cause de l'amputation: traumatisme, âge: 57 ans, la durée de l'amputation: 32 annéess) a été recruté dans cette étude. Le rapport entre la longueur du membre résiduel (mesuré à partir de la tubérosité ischiatique à l'extrémité distale du membre résiduel) à la longueur de la partie non réduite (mesurée à partir de la tubérosité ischiatique de l'épicondyle fémoral) était de 51%. Le sujet porte une prothèse du genou microprocesseur par une prise de suspension d'aspiration dans sa vie quotidienne. Avant l'expérience dans cette étude, ce sujet a reçu plusieurs sessions de formation dirigées par un physiothérapeute afin de laisser le sujet à s'adapter à l'appareil sous tension et calibrer l'impédance souhaitée dans chaque mode d'activité.
- Préparation Objet
- Mesurer le poids, la hauteur de l'objet, et enregistrer son sexe et l'âge.
- Demandez au sujet de mettre sur ses propres courts métrages dans une salle de préparation privé.
- Mettez un harnais antichute de taille équipée sur le sujet et l'attacher au système de rail de plafond.
- Préparation pour l'enregistrement EMG
- Sélectionner sept capteurs EMG sans fil à pleine charge et allumez-les.
- Placez les capteurs EMG dans la prise d'aspiration adapté à des emplacements préparés. Notez le numéro de commande des capteurs et les associer à des endroits EMG.
- Nettoyer la peau de moignon de sujet avec des tampons d'alcool isopropylique.
- Aider le sujet à enfiler la prise d'aspiration et vérifiez que la prise est fermement attaché à moignon du sujet.
- Mettez le logiciel en temps réel des données EMG analogique en streaming.
- Demandez au sujet de réaliser hanche flexion / extension, la hanche en adduction / abduction, et le genou flexion / extension et examiner signaux EMG pour vérifier EMG contact des électrodes et la transmission de données.
- Alignement et étalonnage initial de prothèse de jambe Powered
- Demandez le sujet à rester dans une position debout tout en maintenant un marcheur assistance.
- Fixer la prothèse motorisée à la prise d'aspiration avec une adaptation de la pyramideteur. Ajuster un ensemble de vis à rotation sur l'adaptateur jusqu'à ce que la position de la prothèse est géométriquement aligné avec la douille. Cette procédure a été réalisée par un prothésiste.
- Demandez au sujet de soulever la prothèse sur le sol et de calibrer la cellule de charge sur le pylône prothétique.
- Demandez le sujet à pratiquer la marche sur des terrains différents (par exemple, au niveau du sol, rampe montée, et la rampe de descente) en portant la prothèse de jambe motorisée. Cette procédure se poursuit jusqu'à ce que le sujet se sent en confiance à marcher avec l'appareil sous tension et les rendements schéma de marche cohérente dans chaque représentation de l'activité.
- Formation Collecte de données pour les classificateurs Formation en NMI
- Charger l'objet à monter sur le lieu de départ d'un chemin de marche prédéfini, comme le montre la figure 3.
- Mettez la prothèse motorisée et charger les paramètres dans le contrôleur intrinsèque.
- Exécuter une collecte de données de formation comprogramme informatique et définir le contrôle intrinsèque au mode debout en cliquant sur le bouton "Debout" sur l'interface utilisateur graphique (GUI).
- Commencer la collecte de données en cliquant sur le bouton "Start Recording" dans l'interface graphique. Demandez le sujet à rester en position debout pendant 5 sec.
- Demandez l'objet de marcher sur un sol de niveau à son / sa vitesse de marche auto-sélectionné; en même temps, cliquez sur le bouton "marche" sur l'interface graphique avant décollement des orteils de la jambe de premier plan du sujet et réglez la commande intrinsèque au mode de marche niveau-sol.
- Lorsque le sujet a été s'approche du bord de la rampe ascension, cliquez sur le bouton "Montée rampe" sur l'interface graphique avant le décollement des orteils de la jambe prothétique de marcher sur la rampe et passer le contrôle intrinsèque à la rampe mode montée. Par mesure de sécurité, laisser le sujet à utiliser une main courante lors de la marche sur une rampe.
- Lorsque le sujet est à la fin de la rampe, cliquez sur le bouton "marche"nouveau avant la grève de talon de la jambe prothétique de monter sur la plate-forme de niveau et passer le contrôle intrinsèque de la prothèse en mode de marche au niveau du sol.
- A la fin de la trajectoire de marche, donne instruction au sujet de s'arrêter et de rester en position debout. Dans le même temps, cliquez sur le bouton "permanent" avant la phase à double position et passer le contrôle intrinsèque revenir au mode debout.
- Après environ 5 secondes, mettre fin à la collecte de données en cliquant sur le bouton "Stop". Étiquette de recueillir des données comme des «données de formation mis en 1".
- Répétez la procédure 3.4.4-3.4.9 lorsque le sujet marche dans un chemin inverse de retour au point de départ; la seule différence est de changer le contrôle intrinsèque à la rampe mode de descente lorsque le sujet marche sur la rampe vers le bas.
- Répétez jusqu'à ce que 3.4.4-3.4.10 dix ensembles de données complets de formation sont collectées. Examiner la qualité des données collectées formation ensemble de signaux.
- Permettre à la personne d'avoir une période de repos après ee collecte de données session.
- Former les classificateurs de reconnaissance de formes dans NMI via déconnecté module de formation (figure 1). Utilisez l'EMG recueillis et signaux mécaniques, les modes d'activité (classes) marqués au cours de la procédure de formation, et détecté phases de construire les classificateurs de modèle dépendant de la phase. Sauvegarder les paramètres des classificateurs automatiquement plus tard séance de tests en ligne.
- Tests en ligne de Contrôle neural de Powered Transfemoral Prothèse
- Demandez le sujet à se tenir au point de la trajectoire de la marche de départ.
- Mettez la prothèse motorisée. Chargez le classificateur formés au module d'essai en ligne et les paramètres de la commande intrinsèque.
- Demandez le sujet pour commencer les essais de test dans une position debout, puis la transition continue de la marche au niveau du sol, rampe marche, au niveau du sol marche, et finalement arrêter et terminer cet essai à la fin du chemin à pied. Demandez le sujeteffectuer chaque activité à un rythme confortable. Permettent des périodes de repos entre les essais pour éviter la fatigue.
- Au cours de chaque essai de test, voir les modes d'activité de la prothèse du genou et des lectures d'angle commune sur un écran de télévision. Enregistrer toutes les mesures et les sorties de contrôle à des fins d'évaluation plus tard.
- Répétez les étapes 3.5.1-3.5.4 jusqu'à dix essais de tests complets sont finis.