엔지니어링 플랫폼 및 Neurally 통제 강화 대퇴 보철물의 설계 및 평가를위한 실험 프로토콜

이 절차의 전반적인 목표는 하지 절단 환자의 신경 조절 의족을 평가하기 위해 도서관 환경에서 실험 설정 및 프로토콜을 제시하는 것입니다. 이것은 먼저 피험자의 잔여 하지 근육에서 표면 EMG 신호 측정을 준비함으로써 수행됩니다. 그런 다음 모집된 피험자에게 동력이 공급되는 의족이 정렬되고 보정됩니다.

다음으로, 훈련 데이터가 수집되고 신경 머신 인터페이스의 분류기가 훈련됩니다. 마지막 단계는 모집된 절단 환자에서 전동 의족의 신경 제어 성능을 테스트하는 것입니다. 궁극적으로, 신경으로 제어되는 동력 의족은 피험자가 실험실에서 안전하고 지속적으로 서 있는 수준, 지상 보행 경사로, 상승 및 경사로 하강과 같은 다양한 활동을 수행할 수 있도록 하는 데 사용됩니다.

이 설계 엔지니어링 플랫폼의 주요 장점은 각 기능 블록을 쉽게 디버깅, 수정 및 업데이트할 수 있다는 것입니다. 또한 기능을 추가 또는 삭제하거나 모델 간의 연결을 변경하는 것은 컴퓨터 프로그램에서 쉽게 수행할 수 있습니다. 새로운 전극 소켓 인터페이스 설계는 고품질 EMG 신호 기록, 단단한 소켓 서스펜션 및 우수한 사용자 편안함을 제공할 수 있습니다.

따라서 이 디자인은 하지 절단 환자의 나머지 사지에서 근육 특성이나 기능을 조사하는 데 사용할 수 있습니다. 절차를 시연하는 것은 하나로 간주됩니다. 윌리엄 보트라이트와 아론 플레밍.

우리 연구실의 학생들은 크기가 맞는 추락 방지 벨트를 착용하고 천장 레일 시스템에 부착하여 테스트를 위해 피험자를 준비합니다. 그런 다음 완전히 충전된 7개의 무선 EMG 센서를 선택합니다. EMG 센서를 준비된 위치의 맞춤형 흡입 소켓에 넣습니다.

센서의 주문 번호를 기록하고 EMG 위치와 연결합니다. 피험자의 절단단 피부를 이소프로필 알코올로 세척한 후, 피라미드 어댑터로 전동 보철물을 흡입구에 부착한다. 피험자가 흡입구를 착용하는 것을 돕고 소켓이 피험자의 절단단에 단단히 부착되어 있는지 확인합니다.

다음으로 실시간 EMG 아날로그 데이터 스트리밍 소프트웨어를 켭니다. 그런 다음 피험자에게 고관절 굴곡 및 신전, 고관절 외전 및 외전을 수행하고 무릎 굴곡 및 신전을 상상하고 근전도 신호를 검사하여 근전도 전극 접촉 및 데이터 전송을 확인하여 동력 보철물을 정렬하고 보정하도록 요청합니다. 주제로 시작 보조 보행기 보행기를 들고 서 있는 자세에서 보철물의 위치가 소켓과 기하학적으로 정렬될 때까지 어댑터의 회전 나사 세트를 조정합니다.

피험자에게 보철물을 땅에서 들어 올리고 보철 철탑의 로드 셀을 보정하도록 요청합니다. 피험자에게 다양한 지형, 즉 평지, 지면 경사로, 오르막, 경사로 하강 등 걷는 연습을 하라고 지시합니다. 전동식 의족을 착용할 때, 피험자가 전동 장치로 걷는 데 자신감을 느끼고 일관된 걸음걸이 패턴을 보일 때까지 계속하도록 합니다.

각 활동에서, 피험자에게 미리 정의된 보행 경로를 설명하고 피험자에게 보행 경로의 시작 위치에 서도록 지시합니다. 다음으로, 동력 보철물을 켜고 매개변수를 내장 컨트롤러에 로드합니다. 교육 데이터 수집 컴퓨터 프로그램을 실행하고 그래픽 사용자 인터페이스 또는 끈적끈적한 상태에서 대기 버튼을 클릭하여 내장 제어를 대기 모드로 설정합니다.

그런 다음 피험자에게 자신이 선택한 편안한 보행 속도로 평평한 땅을 걷도록 지시합니다. 동시에 피사체의 앞다리에서 발가락을 떼기 전에 끈적끈적한 보행 버튼을 클릭하면 내장 컨트롤이 자동으로 수평 지면 보행 모드로 설정됩니다. 피험자가 경사로의 가장자리에 접근하면 의족의 발가락이 떨어지기 전에 끈적끈적한 경사로 상승 버튼을 클릭하고 경사로를 밟으면 안전을 위해 냄새 모드로 램프로 기본 제어 장치가 전환됩니다.

피험자가 경사로를 걸을 때 난간을 사용하도록 허용합니다. 피험자가 경사로 가장자리에 도착하면 보행 버튼을 다시 클릭합니다. 의족의 뒤꿈치가 수평 플랫폼에 부딪히기 전에 의족 고유 제어 장치가 수평 지면 보행 모드로 전환됩니다.

보행로가 끝나면 피험자에게 멈추고 동시에 서 있으라고 지시합니다. 더블 스탠스 단계 전에 스탠딩 버튼을 클릭하면 고유 컨트롤이 스탠딩 모드로 다시 전환됩니다. 약 5초 후에 중지 단추를 클릭하여 데이터 수집을 종료합니다.

피험자가 시작 위치로 되돌아가는 역경로를 걸을 때 절차를 반복합니다. 유일한 차이점은 내장 컨트롤을 램프 하강 모드로 전환하는 것입니다. 피험자가 하강 경사로를 걸을 때 경사로를 오르내리는 과정을 10회 반복한 다음 수집된 훈련 데이터 세트의 신호 품질을 검사합니다.

다음으로, 오프라인 교육 모듈을 통해 신경 기계 인터페이스에서 패턴 인식 분류기를 학습시킵니다. 수집된 EMG 및 기계적 신호, 훈련 절차 중에 레이블이 지정된 활동 모드 및 감지된 단계를 사용하여 위상 종속 패턴을 구축합니다. 분류자는 나중에 온라인 테스트 세션을 위해 분류자의 매개 변수를 자동으로 저장합니다.

피험자에게 보행로의 시작점에 서라고 지시함으로써 다음 실험을 시작한다. 전동 보철물을 켠 후 훈련된 분류기를 온라인 테스트 모듈에 로드하고 매개변수를 내장 컨트롤러에 로드합니다. 다음으로, 피험자에게 서 있는 자세로 실험을 시작하도록 지시합니다.

그런 다음 수평 지상 보행, 경사로 보행 수준, 다시 지상 보행, 마지막으로 정지로 지속적으로 전환합니다. 걷는 길의 끝에서, 피험자에게 편안한 속도로 각 활동을 수행하도록 지시한다. 각 테스트 시도 중 피로를 피하기 위해 시행 사이에 휴식 시간을 허용합니다.

보철물의 활동 모드와 무릎 관절 각도 판독값을 모니터에 표시하고, 나중에 평가할 수 있도록 모든 측정 및 제어 출력을 저장합니다. 피험자의 절단단의 허벅지 근육에서 기록된 원시 근전도 신호는 피험자가 고관절 굴곡과 고관절 신전을 번갈아 가며 할 때 특징적인 패턴을 보인다. 피험자가 평지 보행로를 걸었을 때 기록된 원시 EMG 신호가 이 그림에서 여기에 표시되며, EMG 전극 소켓 인터페이스가 우수한 품질의 인터페이스를 제공할 수 있음을 알 수 있습니다.

EMG 신호 측정. 피험자는 서 있는 자세에서 시작하여, 평지로 전환하고, 지면 보행 경사로, 올라가는 층, 지상 보행으로 전환한 다음, 보행로의 끝에서 멈추도록 요청받았다. 그런 다음 피험자는 반대 경로를 따라 원래의 시작 지점으로 이동했고, 피험자는 자신이 의도한 활동 모드에 따라 동력 대퇴 경인공 제어 모드를 부드럽게 전환할 수 있었습니다.

빨간색 점선은 평지, 걷기에서 경사로, 오르막 또는 내리막으로, 서 있는 상태에서 걷기로 전환하기 위한 각 활동 모드 전환의 정의된 임계 타이밍을 나타냅니다. 임계 타이밍은 경사로, 오르막 또는 내리막에서 평지 걷기로, 걷기에서 서 있는 것으로 전환하기 위한 스윙 단계의 시작이었습니다. 중요한 타이밍은 평지에서 발뒤꿈치가 닿는 체중 수용의 시작이었습니다.

이 실험이 시작되고 약 18초 후, 피험자가 평지를 걸을 때 인공 기관이 경사로 상승 모드로 잘못 전환되었는데, 이는 신경 기계 인터페이스가 사용자의 의도를 잘못 인식했기 때문입니다. 이와 같은 오류는 피험자의 보행 운동학에 큰 변화를 일으키지 않았으며 피험자에 의해 인식되지 않았습니다. 그러나, 일부 실험에서 피험자의 보행 안정성을 방해하는 몇 가지 오류가 관찰되었으나, 피험자가 넘어지게 한 오류는 없었다.

당사의 개념 증명 플랫폼 실험 설정 및 프로토콜은 분말 하지 보철물의 신경 제어 및 고유 제어를 더욱 최적화할 수 있는 편리한 도구를 제공할 수 있으며, 사용자가 쉽고 안정적이며 직관적으로 작동할 수 있는 진정한 생체 공학 하지 보철물을 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 비디오를 시청한 후에는 실험실 환경에서 하지 절단이 있는 신경 제어 의족 환자를 안전하고 효율적으로 평가하기 위해 개발된 엔지니어링 플랫폼을 적용하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다.