July 22nd, 2014
Interfejsy neuronowe (NMI) zostały opracowane w celu identyfikacji trybu lokomocji użytkownika. Te NMI są potencjalnie przydatne do neuronalnej kontroli napędzanych sztucznych nóg, ale nie zostały w pełni zademonstrowane. W tym artykule przedstawiono (1) zaprojektowaną przez nas platformę inżynieryjną do łatwego wdrażania i rozwoju sterowania neuronowego dla zasilanych protez kończyn dolnych oraz (2) eksperymentalną konfigurację i protokół w środowisku laboratoryjnym do bezpiecznej i efektywnej oceny sterowanych neuronal
Ogólnym celem tej procedury jest przedstawienie eksperymentalnej konfiguracji i protokołu w środowisku bibliotecznym w celu oceny sterowanych nerwowo sztucznych nóg u pacjentów po amputacji kończyn dolnych. Osiąga się to poprzez uprzednie przygotowanie się do powierzchniowego pomiaru sygnału EMG z pozostałych mięśni kończyn dolnych pacjenta. Następnie zasilana proteza nogi u zrekrutowanego podmiotu jest ustawiana i kalibrowana.
Następnie zbierane są dane treningowe i trenowane są klasyfikatory w interfejsie neuronowym maszyny. Ostatnim krokiem jest przetestowanie wydajności kontroli neuronalnej zasilanej protezy nogi u zrekrutowanej osoby po amputacji. Ostatecznie, sterowana nerwowo proteza nogi z napędem jest używana, aby umożliwić pacjentowi bezpieczne i ciągłe wykonywanie różnych czynności, takich jak stanie na poziomie, rampa do chodzenia po ziemi, wchodzenie i schodzenie z rampy w laboratorium.
Główną zaletą tej platformy inżynieryjnej jest to, że każdy blok funkcyjny można łatwo debugować, modyfikować i aktualizować. Ponadto dodawanie lub usuwanie funkcji lub zmianę połączenia między modelami można łatwo wykonać w programie komputerowym. Nowa konstrukcja interfejsu gniazda elektrody może zapewnić wysokiej jakości zapis sygnału EMG, szczelne zawieszenie gniazda i dobry komfort użytkowania.
Dlatego ten projekt może być wykorzystany do zbadania właściwości lub funkcji mięśni w pozostałych kończynach kończyn dolnych po amputacji. Wykazanie procedury zostanie uznane za jedno. Williama Boatwrighta i Aarona Fleminga.
Studenci z naszego laboratorium przygotowują obiekt do testów, zakładając dopasowaną uprząż zabezpieczającą przed upadkiem z wysokości i mocując ją do systemu szyn sufitowych. Następnie wybierz siedem w pełni naładowanych bezprzewodowych czujników EMG. Wprowadź mon, umieść czujniki EMG w niestandardowym gnieździe ssącym w przygotowanych miejscach.
Zapisz numer porządkowy czujników i skojarz je z lokalizacjami EMG. Po oczyszczeniu skóry kikuta badanego alkoholem izopropylowym, przymocuj zasilaną protezę do leja ssącego za pomocą adaptera piramidowego. Pomóż testerowi w założeniu leja ssącego i sprawdź, czy lej jest mocno przymocowany do kikuta pacjenta.
Następnie włącz oprogramowanie do strumieniowego przesyłania danych analogowych EMG w czasie rzeczywistym. Następnie poproś pacjenta, aby wykonał zgięcie i wyprost biodra, odwodzenie i odwodzenie biodra oraz wyobrażenie sobie zgięcia i wyprostu kolana, a także zbadał sygnały EMG, aby zweryfikować kontakt z elektrodą EMG i transmisję danych w celu wyrównania i kalibracji protezy mocy. Zacznij od tematu W pozycji stojącej, trzymając wspomagający chodzik, wyreguluj zestaw obrotowych na adapterze, aż pozycja protezy zostanie geometrycznie wyrównana z lejem.
Poproś pacjenta, aby podniósł protezę z ziemi i skalibrował ogniwo obciążnikowe na pylonie protezowym. Poinstruuj badanego, aby ćwiczył chodzenie po różnych terenach, równym terenie, wchodzeniu na rampę i zejściu z rampy. Podczas noszenia zasilanej protezy nogi poproś pacjenta, aby kontynuował pracę, dopóki nie poczuje się pewnie w chodzeniu z zasilanym urządzeniem i nie uzyska spójnego wzorca chodu.
W każdym ćwiczeniu wyjaśnij osobie badanej wstępnie zdefiniowaną ścieżkę spacerową i poinstruuj osobę, aby stanęła w miejscu początkowym ścieżki spacerowej. Następnie włącz protezę zasilającą i załaduj parametry do sterownika wewnętrznego. Uruchom program komputerowy do zbierania danych treningowych i ustaw sterowanie wewnętrzne w trybie stojącym, klikając przycisk stania na graficznym interfejsie użytkownika lub lepki.
Następnie poinstruuj badanego, aby szedł po równym terenie z wybraną, wygodną przez siebie prędkością chodu. W tym samym czasie kliknij przycisk chodzenia na lepkiej podłodze przed oderwaniem palców od przedniej nogi obiektu, co automatycznie ustawia wewnętrzną kontrolę na tryb chodzenia po równym terenie. Gdy obiekt zbliży się do krawędzi rampy, kliknij przycisk wchodzenia na rampę na lepkiej podłodze przed palcem od protezy nogi, wchodząc na rampę, co przełącza wewnętrzną kontrolę na rampę jako tryb zapachu dla bezpieczeństwa.
Pozwól osobie badanej korzystać z poręczy podczas chodzenia po rampie. Gdy obiekt zbliży się do krawędzi rampy, ponownie kliknij przycisk chodzenia. Zanim pięta protezy nogi uderzy w poziomą platformę, która przełącza wewnętrzną kontrolę protezy w tryb chodzenia po równym terenie.
Na końcu ścieżki spacerowej poinstruuj osobę, aby zatrzymała się i pozostała w pozycji stojącej w tym samym czasie. Kliknij przycisk stania przed fazą podwójnej postawy, która przełącza wewnętrzną kontrolę z powrotem w tryb stania. Po około pięciu sekundach zakończ zbieranie danych, klikając przycisk zatrzymania.
Powtórz procedurę, gdy badany idzie odwrotną trasą z powrotem do miejsca początkowego. Jedyna różnica polega na przełączeniu kontroli wewnętrznej na tryb zjazdu z rampy. Gdy badany będzie chodził po rampie zjazdowej, powtórz chodzenie w górę i w dół rampy 10 razy, a następnie zbadaj jakość sygnału zebranego zestawu danych treningowych.
Następnie wytrenuj klasyfikatory rozpoznawania wzorców w neuronowym interfejsie maszyny za pomocą modułu trenowania w trybie offline. Wykorzystaj zebrane sygnały EMG i mechaniczne, tryby aktywności oznaczone podczas procedury treningowej oraz wykryte fazy, aby zbudować wzorzec zależny od fazy. Klasyfikatory automatycznie zapisują parametry klasyfikatorów do późniejszej sesji testowej online.
Rozpocznij następny zestaw testów, instruując badanego, aby stanął w punkcie początkowym ścieżki spacerowej. Po włączeniu zasilanej protezy należy załadować przeszkolony klasyfikator do modułu testów online, a parametry do kontrolera wewnętrznego. Następnie poinstruuj badanego, aby rozpoczął próby testowe w pozycji stojącej.
Następnie nieprzerwanie przechodź do równego chodzenia po ziemi, chodzenia po rampie, ponownego chodzenia po ziemi i wreszcie zatrzymywania się. Na końcu ścieżki spacerowej poinstruuj badanego, aby wykonywał każdą czynność w wygodnym tempie. Zapewnij okresy odpoczynku między próbami, aby uniknąć zmęczenia podczas każdej próby testowej.
Wyświetlaj tryby aktywności odczytów protezy i kąta nachylenia stawu kolanowego na monitorze, zapisuj wszystkie pomiary i dane wyjściowe sterujące do późniejszej oceny. Surowe sygnały EMG zarejestrowane z mięśni ud kikuta badanego wykazują charakterystyczny wzór, gdy badany zmieniał się między zgięciem biodra a wyprostem biodra. Surowe sygnały EMG zarejestrowane, gdy badany chodził po równej ścieżce spacerowej, są pokazane tutaj na tych rysunkach, można zobaczyć, że interfejs gniazda elektrody EMG może zapewnić interfejs dobrej jakości.
Pomiary sygnału EMG. Badany został poproszony o rozpoczęcie w pozycji stojącej, przejście do poziomu, rampę do chodzenia po ziemi, poziom wzniesienia, chodzenie po ziemi, a następnie zatrzymanie się na końcu ścieżki spacerowej. Badany następnie do pierwotnego punktu początkowego wzdłuż odwrotnej trasy, badany był w stanie płynnie przełączać tryb sterowania protezą przezudową w oparciu o zamierzone tryby aktywności.
Czerwona linia przerywana wskazuje zdefiniowany krytyczny czas przejścia każdego trybu aktywności dla przejścia z płaskiego terenu, chodzenia na rampę, wchodzenia lub schodzenia oraz ze stania do chodzenia. Krytycznym momentem był początek fazy wymachu, która polega na przejściu z rampy, wzniesienia lub zejścia do równego chodzenia po ziemi i od chodzenia do stania. Krytycznym momentem był początek akceptacji ciężaru, czyli kontaktu pięty z równym podłożem.
Około 18 sekund po rozpoczęciu tej próby, proteza nieprawidłowo przełączyła się w tryb wznoszenia po rampie, gdy badany chodził po równym podłożu z powodu błędnego rozpoznania intencji użytkownika przez interfejs neuronowy maszyny. Błędy takie jak ten nie powodowały znaczących zmian w kinematyce chodu badanego i nie były przez niego dostrzegane. Jednak pewne błędy, które zakłóciły stabilność chodu badanego, zostały zaobserwowane w niektórych próbach testowych, ale żaden z nich nie spowodował upadku badanego.
Nasza eksperymentalna konfiguracja i protokół platformy proofofyce koncepcji może zapewnić wygodne narzędzia do dalszej optymalizacji kontroli neurologicznej i wewnętrznej kontroli protezy kończyn dolnych w proszku, a także mogą pomóc w opracowaniu prawdziwej bionicznej protezy kończyny dolnej, która może być obsługiwana przez użytkowników łatwo, niezawodnie i intuicyjnie. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak zastosować opracowaną platformę inżynieryjną do bezpiecznej i skutecznej oceny pacjentów ze sztuczną nogą z neuro kontrolowaną amputacją kończyny dolnej w środowisku laboratoryjnym.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Niniejsze badanie przedstawia konfigurację eksperymentalną i protokół do oceny sterowanych nerwowo sztucznych protez nóg dla pacjentów z amputacjami kończyn dolnych. Celem badań jest zwiększenie funkcjonalności zasilanych protez przy użyciu interfejsów nerwowo-maszynowych (NMI).
This work establishes a flexible engineering platform for evaluating neurally-controlled powered lower limb prostheses, addressing a critical gap in translating neural-machine interface (NMI) research into functional prosthetic systems. By integrating NMI with intrinsic prosthetic control and validating performance in amputee subjects during ambulation tasks, the platform enables mechanistic de-risking of neural control strategies prior to preclinical and clinical development. The approach supports predictive confidence in target validation for motor intent decoding and informs portfolio decisions on neuroprosthetic investments by providing a reproducible, scalable system for early-stage functional assessment.
The platform bridges discovery biology (neural signal interpretation) to lead identification (control algorithm optimization) and preclinical work (safety and reproducibility testing), positioning it as a reusable capability in the neuroprosthetic development continuum.