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 quello di presentare una configurazione sperimentale e un protocollo in un ambiente di libreria per valutare le gambe artificiali controllate neuralmente su pazienti con amputazioni degli arti inferiori. Ciò si ottiene preparandosi prima per la misurazione del segnale EMG di superficie dai muscoli residui degli arti inferiori del soggetto. Quindi la gamba protesica potenziata sul soggetto reclutato viene allineata e calibrata.

Successivamente, vengono raccolti i dati di training e vengono addestrati i classificatori nell'interfaccia del computer neurale. Il passo finale consiste nel testare le prestazioni del controllo neurale della gamba protesica alimentata sul soggetto amputato reclutato. In definitiva, la gamba protesica potenziata a controllo neurale viene utilizzata per consentire al soggetto di eseguire varie attività come stare in piedi, camminare a terra, salire e scendere sulla rampa in modo sicuro e continuo in laboratorio.

Il vantaggio principale di questa piattaforma di ingegneria di progettazione è che ogni blocco funzione può essere facilmente debuggato, modificato e aggiornato. Inoltre, l'aggiunta o l'eliminazione di funzioni o la modifica della connessione tra i modelli possono essere facilmente eseguite nel programma per computer. Il nuovo design dell'interfaccia della presa dell'elettrodo può fornire una registrazione del segnale EMG di alta qualità, una sospensione stretta della presa e un buon comfort per l'utente.

Pertanto, questo design può essere utilizzato per studiare la proprietà o la funzione muscolare negli arti a riposo degli amputati degli arti inferiori. La dimostrazione della procedura sarà considerata tale. William Boatwright e Aaron Fleming.

Gli studenti del nostro laboratorio preparano il soggetto per il test indossando un'imbracatura anticaduta di dimensioni adeguate e fissandola al sistema di binari a soffitto. Quindi, seleziona sette sensori EMG wireless completamente carichi. Inserire il mon posizionare i sensori EMG nella presa di aspirazione personalizzata nei punti preparati.

Annotare il numero d'ordine dei sensori e associarli alle posizioni EMG. Dopo aver pulito la pelle dell'arto residuo del soggetto con alcol isopropilico, collegare la protesi motorizzata all'alveolo di aspirazione con un adattatore piramidale. Assistere un soggetto nell'indossare l'alveolo di aspirazione e verificare che l'incavo sia saldamente fissato al moncone dell'arto del soggetto.

Quindi attiva il software di streaming dati analogico EMG in tempo reale. Quindi chiedi al soggetto di eseguire la flessione e l'estensione dell'anca, l'abduzione e l'abduzione dell'anca e di immaginare la flessione e l'estensione del ginocchio ed esaminare i segnali EMG per verificare il contatto dell'elettrodo EMG e la trasmissione dei dati per allineare e calibrare la protesi di potenza. Iniziare con il soggetto In posizione eretta con un deambulatore assistito, regolare una serie di viti di rotazione sull'adattatore fino a quando la posizione della protesi non è geometricamente allineata con l'invasatura.

Chiedere al soggetto di sollevare la protesi da terra e di calibrare la cella di carico sul pilone protesico. Istruisci il soggetto a esercitarsi a camminare su terreni diversi: terreno pianeggiante, salita su rampa e discesa su rampa. Quando si indossa la gamba protesica potenziata, chiedere al soggetto di continuare fino a quando non si sente sicuro nel camminare con il dispositivo motorizzato e produce un modello di andatura coerente.

In ogni attività, spiega al soggetto il percorso pedonale predefinito e chiedi al soggetto di posizionarsi sulla posizione iniziale del percorso pedonale. Quindi, accendi la protesi di potenza e carica i parametri nel controller intrinseco. Eseguire un programma informatico per la raccolta dei dati di addestramento e impostare il controllo intrinseco in modalità in piedi facendo clic sul pulsante in piedi sull'interfaccia utente grafica o appiccicoso.

Quindi istruire il soggetto a camminare su un terreno pianeggiante alla velocità di camminata confortevole che ha scelto da lui. Allo stesso tempo, fare clic sul pulsante di camminata sull'appiccicoso prima di staccare la zampa anteriore del soggetto, che imposta automaticamente il controllo intrinseco sulla modalità di camminata a terra piana. Quando il soggetto si avvicina al bordo della rampa, fare clic sul pulsante di salita della rampa sul gooey prima che la punta del piede si stacchi dalla gamba protesica, salendo sulla rampa, che commuta il controllo intrinseco sulla rampa come modalità di profumo per la sicurezza.

Consentire al soggetto di utilizzare un corrimano quando cammina sulla rampa. Quando il soggetto arriva al bordo della rampa, fai nuovamente clic sul pulsante di camminata. Prima che il tallone della gamba protesica colpisca la piattaforma piana, che commuta il controllo intrinseco della protesi in modalità di camminata a terra piana.

Alla fine del percorso pedonale, istruire il soggetto a fermarsi e rimanere in piedi allo stesso tempo. Fare clic sul pulsante in piedi prima della fase di doppia posizione, che riporta il controllo intrinseco alla modalità in piedi. Dopo circa cinque secondi, terminare la raccolta dei dati facendo clic sul pulsante di arresto.

Ripetere la procedura mentre il soggetto percorre un percorso inverso per tornare alla posizione di partenza. L'unica differenza è il passaggio del controllo intrinseco alla modalità di discesa della rampa. Quando il soggetto cammina sulla rampa di discesa, ripetere la camminata su e giù per la rampa 10 volte e quindi esaminare la qualità del segnale del set di dati di allenamento raccolti.

Successivamente, addestra i classificatori di riconoscimento dei modelli nell'interfaccia della macchina neurale tramite un modulo di addestramento offline. Utilizzare i segnali EMG e meccanici raccolti, le modalità di attività etichettate durante la procedura di allenamento e le fasi rilevate per costruire un modello dipendente dalla fase. I classificatori salvano automaticamente i parametri dei classificatori per una successiva sessione di test online.

Inizia la prossima serie di test istruendo il soggetto a stare al punto di partenza del percorso pedonale. Dopo aver acceso la protesi alimentata, caricare il classificatore addestrato sul modulo di test online e i parametri sul controller intrinseco. Quindi, istruire il soggetto a iniziare le prove di test in posizione eretta.

Quindi passa continuamente alla camminata su terreno pianeggiante, alla camminata su rampa livellata, di nuovo a terra e infine all'arresto. Alla fine del percorso a piedi, istruisci il soggetto a svolgere ogni attività a un ritmo confortevole. Consentire periodi di riposo tra le prove per evitare affaticamento durante ogni prova di test.

Visualizza le modalità di attività della protesi e le letture dell'angolo dell'articolazione del ginocchio su un monitor, salva tutte le misurazioni e controlla le uscite per una successiva valutazione. I segnali EMG grezzi registrati dai muscoli della coscia dell'arto residuo del soggetto mostrano un modello caratteristico quando il soggetto alternava tra flessione dell'anca ed estensione dell'anca. I segnali EMG grezzi registrati quando il soggetto camminava su un percorso pedonale pianeggiante sono mostrati qui da queste figure, si può vedere che l'interfaccia della presa dell'elettrodo EMG può fornire un'interfaccia di buona qualità.

Misure del segnale EMG. Al soggetto è stato chiesto di iniziare in posizione eretta, passare al livello, alla rampa di camminata a terra, al livello di salita, alla camminata a terra e poi fermarsi alla fine del percorso pedonale. Il soggetto ha quindi raggiunto il punto di partenza originale lungo il percorso inverso, il soggetto è stato in grado di cambiare senza problemi la modalità di controllo della protesi transfemorale di potenza in base alle modalità di attività previste.

La linea rossa del tratteggio indica il tempo critico definito di ogni transizione della modalità di attività per le transizioni da un terreno pianeggiante, camminata a rampa, salita o discesa e da posizione eretta a camminata. Il momento critico è stato l'inizio della fase di oscillazione, cioè la convergenza per le transizioni dalla rampa, salita o discesa alla camminata in piano e dalla camminata alla posizione eretta. Il momento critico è stato l'inizio dell'accettazione del peso, cioè del contatto del tallone su un terreno pianeggiante.

A circa 18 secondi dall'inizio di questa prova, la protesi è passata erroneamente alla modalità di salita su rampa quando il soggetto camminava su un terreno pianeggiante a causa dell'errato riconoscimento dell'intento dell'utente da parte dell'interfaccia della macchina neurale. Errori come questo non hanno suscitato cambiamenti significativi nella cinematica di deambulazione del soggetto e non sono stati percepiti dal soggetto. Tuttavia, alcuni errori che hanno disturbato la stabilità dell'andatura del soggetto sono stati osservati in alcune prove di test, ma nessuno ha causato la caduta del soggetto.

La nostra configurazione sperimentale e il nostro protocollo di piattaforma proof of concept potrebbero fornire strumenti convenienti per ottimizzare ulteriormente il controllo neurologico e il controllo intrinseco della protesi dell'arto inferiore in polvere e potrebbero aiutare a sviluppare una vera protesi bionica dell'arto inferiore che può essere utilizzata dagli utenti in modo semplice, affidabile e intuitivo. Dopo aver guardato questo video, dovresti avere una buona comprensione di come applicare la piattaforma ingegneristica sviluppata per valutare i pazienti con gamba artificiale neurocontrollata con amputazione degli arti inferiori in modo sicuro ed efficiente in un ambiente di laboratorio.