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

L'obiettivo generale di questa procedura è presentare un allestimento sperimentale e un protocollo in un ambiente di laboratorio per valutare protesi artificiali controllate neuralmente su pazienti con amputazioni degli arti inferiori. Questo viene realizzato preparando innanzitutto la misurazione del segnale EMG di superficie dai muscoli residui dell'arto inferiore del soggetto. Successivamente, la protesi motorizzata sull'arto del soggetto reclutato viene allineata e calibrata.

Successivamente, vengono raccolti i dati di addestramento e i classificatori nell'interfaccia neurale vengono addestrati. L'ultimo passaggio consiste nel testare le prestazioni del controllo neurale della protesi della gamba motorizzata sul soggetto amputato reclutato. In definitiva, la protesi della gamba motorizzata controllata in modo neurale viene utilizzata per consentire al soggetto di svolgere in modo sicuro e continuativo diverse attività come stare in piedi su superfici piane, camminare su terreno pianeggiante, salire rampe e scendere da rampe in laboratorio.

Il principale vantaggio di questa piattaforma di progettazione ingegneristica è che ciascun blocco funzionale può essere facilmente sottoposto a debug, modificato e aggiornato. Inoltre, l'aggiunta o l'eliminazione di funzioni o la modifica della connessione tra modelli possono essere eseguite facilmente nel programma informatico. La nuova progettazione dell'interfaccia del connettore per l'elettrodo può garantire una registrazione del segnale EMG di alta qualità, una sospensione stabile del connettore e un buon comfort per l'utente.

Pertanto, questa progettazione può essere utilizzata per studiare le proprietà o la funzione muscolare negli arti rimanenti degli amputati degli arti inferiori. La procedura sarà dimostrata da uno di loro: William Boatwright e Aaron Fleming.

Gli studenti del nostro laboratorio preparano il soggetto per il test indossando un imbracatura anticaduta della misura corretta e agganciandola al sistema di binari sul soffitto. Successivamente, selezionano sette sensori wireless per elettromiografia (EMG) completamente carichi. Entrano nel mon e posizionano i sensori EMG nell'apposito alloggiamento a ventosa nei punti precedentemente preparati.

Trascrivere il numero d'ordine dei sensori e associarli alle posizioni dell'EMG. Dopo aver pulito la pelle del moncone del soggetto con alcol isopropilico, fissare la protesi alimentata al socket a depressione mediante un adattatore a piramide. Aiutare il soggetto a indossare il socket a depressione e verificare che lo stesso sia saldamente attaccato al moncone del soggetto.

Successivamente, attivare il software di trasmissione in tempo reale dei dati analogici dell'EMG. Chiedere quindi al soggetto di eseguire flessione ed estensione dell'anca, abduzione e adduzione dell'anca, e di immaginare flessione ed estensione del ginocchio, ed esaminare i segnali di EMG per verificare il contatto degli elettrodi EMG e la trasmissione dei dati al fine di allineare e calibrare la protesi motorizzata. Iniziare con il soggetto in posizione eretta che tiene un deambulatore di supporto, regolare un set di viti di rotazione sull'adattatore finché la posizione della protesi non risulti geometricamente allineata con l'invasatura.

Chiedere al soggetto di sollevare la protesi da terra e calibrare la cella di carico sul pilone protesico. Istruire il soggetto a esercitarsi a camminare su diversi tipi di terreno: superficie piana, salita su rampa e discesa da rampa. Quando indossa la gamba protesica motorizzata, far continuare il soggetto finché non si sente sicuro nel camminare con il dispositivo motorizzato e ottiene un pattern di andatura costante.

In ogni attività, spiegare al soggetto il percorso di cammino predefinito e istruirlo a posizionarsi sul punto di partenza del percorso. Successivamente, accendere la protesi motorizzata e caricare i parametri nel controllore intrinseco. Avviare un programma informatico per la raccolta di dati di allenamento e impostare il controllo intrinseco sulla modalità in piedi cliccando sul pulsante "in piedi" nell'interfaccia grafica utente o gooey.

Quindi chiedere al soggetto di camminare su un terreno pianeggiante alla propria velocità di cammino comoda e autoselezionata. Allo stesso tempo, fare clic sul pulsante di cammino sul gooey prima del distacco della punta del piede della gamba anteriore del soggetto, il che imposta automaticamente il controllo intrinseco sulla modalità di cammino su terreno pianeggiante. Quando il soggetto si avvicina al bordo della rampa, fare clic sul pulsante di salita della rampa sul gooey prima del distacco della punta del piede della gamba protesica, mentre si sale sulla rampa, il che commuta il controllo intrinseco in modalità di salita della rampa per motivi di sicurezza.

Consentire al soggetto di utilizzare una ringhiera quando cammina sulla rampa. Quando il soggetto raggiunge il bordo della rampa, fare nuovamente clic sul pulsante di camminata. Prima che il tallone della gamba protesica colpisca la piattaforma piana, il che commuta il controllo intrinseco della protesi in modalità di camminata su terreno piano.

Alla fine del percorso di cammino, chiedere al soggetto di fermarsi e di rimanere in piedi contemporaneamente. Fare clic sul pulsante in piedi prima della fase di doppio appoggio, il che riporta il controllo intrinseco alla modalità in piedi. Dopo circa cinque secondi, terminare l'acquisizione dei dati facendo clic sul pulsante di arresto.

Ripetere la procedura mentre il soggetto percorre a ritroso il tragitto fino alla posizione iniziale. L'unica differenza consiste nell'impostare il controllo intrinseco sulla modalità di discesa della rampa. Quando il soggetto cammina lungo la rampa in discesa, ripetere l'andamento in salita e in discesa per 10 volte, quindi esaminare la qualità del segnale del set di dati di addestramento raccolti.

Successivamente, addestrare i classificatori di riconoscimento dei pattern nell'interfaccia neurale tramite un modulo di addestramento offline. Utilizzare i segnali EMG e meccanici raccolti, le modalità di attività etichettate durante la procedura di addestramento e le fasi rilevate per costruire un pattern dipendente dalla fase. I classificatori salvano automaticamente i parametri per le successive sessioni di test in tempo reale.

Iniziare il successivo insieme di test chiedendo al soggetto di posizionarsi al punto di partenza del percorso di camminata. Dopo aver acceso la protesi alimentata, caricare il classificatore addestrato nel modulo di test in linea e i parametri nel controllore intrinseco. Successivamente, chiedere al soggetto di iniziare le prove di test mantenendosi in posizione eretta.

Quindi passare continuamente alla camminata su terreno pianeggiante, camminata su rampa a livello, nuovamente camminata su terreno pianeggiante e infine fermarsi. Alla fine del percorso di camminata, chiedere al soggetto di eseguire ciascuna attività a un ritmo confortevole. Consentire periodi di riposo tra le prove per evitare affaticamento durante ciascuna sessione di test.

Visualizzare su un monitor le modalità di attività della protesi e le letture dell'angolo articolare del ginocchio, salvando tutte le misurazioni e le uscite di controllo per successive valutazioni. I segnali EMG grezzi registrati dai muscoli della coscia del moncone del soggetto mostrano un modello caratteristico quando il soggetto alterna flessione ed estensione dell'anca. I segnali EMG grezzi registrati mentre il soggetto cammina su un percorso piano sono mostrati in queste figure, dalle quali si può osservare che l'interfaccia tra l'elettrodo EMG e il connettore può fornire un'interfaccia di buona qualità.

Misurazioni del segnale EMG. Al soggetto è stato chiesto di iniziare in posizione eretta, passare a una camminata su terreno pianeggiante, salire su una rampa, proseguire con una camminata su terreno pianeggiante e quindi fermarsi alla fine del percorso. Successivamente, tornando al punto di partenza lungo il percorso inverso, il soggetto è stato in grado di passare in modo fluido alla modalità di controllo della protesi transfemorale elettrica in base alle modalità di attività previste.

La linea tratteggiata rossa indica il momento critico definito per ciascuna transizione tra modalità di attività, per passaggi dalla camminata su terreno pianeggiante a rampa, salita o discesa, e da stazione eretta a camminata. Il momento critico corrispondeva all'inizio della fase di oscillazione, ovvero il distacco della punta del piede, per le transizioni da rampa, salita o discesa alla camminata su terreno pianeggiante e da camminata a stazione eretta. Il momento critico era l'inizio dell'accettazione del carico, ovvero il contatto del tallone con il terreno pianeggiante.

Circa 18 secondi dopo l'inizio di questa prova, la protesi è passata erroneamente alla modalità di salita su rampa mentre il soggetto camminava su terreno pianeggiante, a causa di un riconoscimento errato dell'intento dell'utente da parte dell'interfaccia neurale basata su macchine. Errori di questo tipo non hanno provocato cambiamenti significativi nella cinematica della deambulazione del soggetto e non sono stati percepiti dallo stesso. Tuttavia, in alcune prove sperimentali sono stati osservati alcuni errori che hanno compromesso la stabilità della deambulazione del soggetto, sebbene nessuno di essi abbia causato una caduta.

La nostra configurazione sperimentale e il protocollo della piattaforma dimostrativa potrebbero fornire strumenti pratici per ottimizzare ulteriormente il controllo neurologico e il controllo intrinseco delle protesi degli arti inferiori a polvere, e potrebbero contribuire a sviluppare una vera protesi bionica degli arti inferiori che possa essere utilizzata dagli utenti in modo semplice, affidabile e intuitivo. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come applicare la piattaforma ingegneristica sviluppata per valutare in modo sicuro ed efficiente, in un ambiente di laboratorio, i pazienti con protesi artificiali controllate neuralmente e amputazioni degli arti inferiori.