Method Article

Ingegneria della piattaforma e protocollo sperimentale per la progettazione e la valutazione di un Powered transfemorale protesi neurale controllata

DOI:

10.3791/51059

July 22nd, 2014

In This Article

Summary

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Interfacce Neural-macchina (NMI) sono stati sviluppati per identificare la modalità locomozione dell'utente. Questi INM sono potenzialmente utili per il controllo neurale delle gambe artificiali alimentati, ma non sono stati pienamente dimostrato. Questo documento presentato (1) la nostra piattaforma di ingegneria progettato per una facile attuazione e lo sviluppo del controllo neurale per alimentati protesi di arto inferiore e (2) un setup sperimentale e il protocollo in un ambiente di laboratorio per valutare gambe artificiali neuro-controllato su pazienti con amputazioni degli arti inferiori in modo sicuro ed efficiente.

Abstract

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Per abilitare il funzionamento intuitivo di gambe artificiali alimentati, una interfaccia tra utente e protesi in grado di riconoscere il movimento intento dell'utente si desidera. Una nuova interfaccia neurale-macchina (NMI) sulla base neuromuscolare-meccanico fusione sviluppato nel nostro studio precedente ha dimostrato un grande potenziale per identificare con precisione il movimento previsto di utenti transfemorali. Tuttavia, questa interfaccia non è ancora stato integrato con una protesi della gamba alimentato per un vero controllo neurale. Questo studio ha lo scopo di segnalare (1) una piattaforma flessibile per implementare e ottimizzare il controllo neurale della alimentato protesi di arto inferiore e (2) un setup sperimentale e il protocollo per valutare il controllo protesi neurale su pazienti con amputazioni degli arti inferiori. In primo luogo una piattaforma basata su un PC e un ambiente di programmazione visuale sono stati sviluppati per implementare gli algoritmi di controllo protesi, tra cui l'algoritmo NMI formazione, algoritmo di test online NMI, e algoritmo di controllo intrinseco. Per dimostrare lafunzione di questa piattaforma, in questo studio il NMI basato su neuromuscolare-meccanico fusione era gerarchicamente integrato con controllo intrinseco di una protesi transfemorale prototipo. Un paziente con amputazione transfemorale unilaterale è stato reclutato per valutare il nostro controller neurale implementato durante l'esecuzione di attività, come ad esempio in piedi, piano terra walking, rampa di salita e rampa di discesa continuamente in laboratorio. Un setup sperimentale romanzo e il protocollo sono stati sviluppati al fine di testare il nuovo controllo protesi modo sicuro ed efficiente. La piattaforma presentata proof-of-concept e setup sperimentale e il protocollo potrebbero aiutare il futuro sviluppo e l'applicazione di gambe artificiali alimentati neuro-controllate.

Introduction

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Powered protesi degli arti inferiori hanno acquisito una crescente attenzione sia nel mercato commerciale 1.2 e comunità di ricerca 3-5. Rispetto alle gambe passive tradizionali protesi, protesi articolari motorizzati hanno il vantaggio di consentire amputati di arto inferiore per eseguire in modo più efficiente attività che sono difficili o impossibili quando indossa dispositivi passivi. Tuttavia, attualmente, transizione graduale e senza soluzione di continuità l'attività (ad esempio, dal piano terra a piedi da scale di risalita) è ancora un problema difficile per gli utenti alimentati protesi della gamba. Questa difficoltà è dovu....

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Protocol

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1. Piattaforma per l'attuazione del controllo neurale del Powered transfemorale Protesi

Una piattaforma di ingegneria è stato sviluppato in questo studio per implementare e valutare controllo neurale delle gambe artificiali alimentati. L'hardware comprendeva un PC desktop con CPU da 2,8 GHz e 4 GB di RAM, una scheda di acquisizione dati multi-funzionale con entrambe analogico-digitali (ADC) e convertitori digitali-analogici (DAC), un controller del motore, io digitale / O, e un prototipo di protesi transfemorale motorizzata dotata nel nostro gruppo 12. Gli ingressi dei sensori analogici sono stati digitalizzati dai ADC e ....

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Results

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Figura 4a mostra sette canali di segnali EMG di superficie misurata dai muscoli della coscia dell'arto residuo del soggetto quando si è esibito hip flessione / estensione, come descritto nel protocollo 3.2.6. Figura 4b mostra sei cicli del passo di segnali EMG registrati quando il soggetto calpestato un percorso piano terra a piedi, durante il protocollo 3.3.4. Da questa figura, si può notare che il nuovo EMG interfaccia elettrodo-presa progettato può fornire una buona qualità di superf.......

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Discussion

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Una piattaforma di ingegneria è stato sviluppato in questo studio per implementare facilmente, ottimizzare e sviluppare la vera controllo neurale delle protesi alimentati. L'intera piattaforma è stata programmata in un ambiente di sviluppo basato su strumentazione virtuale e implementato su un PC desktop. Il software di controllo era costituito da diversi moduli indipendenti e intercambiabili, in ciascuna delle quali una specifica funzionalità viene eseguita (cioè NMI riconoscimento intento e controllo intr.......

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Disclosures

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Nessun conflitto di interessi dichiarati.

Acknowledgements

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Questo lavoro è stato supportato in parte dal National Institutes of Health nel quadro di Grant RHD064968A, in parte dalla National Science Foundation sotto Grant 0.931.820, Grant 1.149.385 e 1.361.549 di Grant, e in parte dal National Institute on Disability and Rehabilitation Research sotto Grant H133G120165. Gli autori ringraziano Lin Du, Wang Ding e Gerald Hefferman presso l'Università di Rhode Island, e Michael J. Convento presso il monastero Orthotic e Protesi Technology, LLC, per la loro grande suggestione e l'assistenza in questo studio.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Sensori EMG wireless TrignoDelsys, Inc.
Stazione base EMG wireless TrignoDelsys, Inc.
scheda DAQ multifunzione (PCI-6259)National Instruments, Inc.
Potenziometro (RDC503013A)ALPS Electric CO., LTD1
Encoder (serie MR)Maxon Precision Motors, Inc.
Controllore motore (ADS50/10) Maxon Precision Motors, Inc.
Alimentatore 24 V (DPP480)TDK-Lambda Americas, Inc.
Cella di carico da 6 DOF (Mini58)ATI Industrial Automation1
Sistema di guide a soffittoRoMedic, Inc.
NI LabView 2011National Instruments, Inc.
71111111

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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