इंजीनियरिंग मंच और एक neurally नियंत्रित संचालित transfemoral कृत्रिम अंग के डिजाइन और मूल्यांकन के लिए प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल

1Joint Department of Biomedical Engineering, North Carolina State University & University of North Carolina at Chapel Hill, 2Department of Physical Medicine and Rehabilitation, University of North Carolina School of Medicine, 3Atlantic Prosthetics & Orthotics, LLC
Published 7/22/2014
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Bioengineering

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Summary

तंत्रिका की मशीन इंटरफेस (NMI) उपयोगकर्ता हरकत मोड की पहचान करने के लिए विकसित किया गया है. ये NMIs संभावित संचालित कृत्रिम पैर के तंत्रिका नियंत्रण के लिए उपयोगी होते हैं, लेकिन पूरी तरह से प्रदर्शन किया गया नहीं है. आसान कार्यान्वयन और तंत्रिका नियंत्रण के विकास शक्ति कम अंग कृत्रिम अंग के लिए और सुरक्षित रूप से कम अंग अंगविच्छेद जैसी शल्यक्रियाओं के साथ मरीजों पर neurally नियंत्रित कृत्रिम पैर का मूल्यांकन करने के लिए एक प्रयोगशाला वातावरण में (2) एक प्रयोगात्मक सेटअप और प्रोटोकॉल के लिए (1) हमारे डिजाइन इंजीनियरिंग मंच प्रस्तुत इस पत्र और कुशलतापूर्वक.

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Zhang, F., Liu, M., Harper, S., Lee, M., Huang, H. Engineering Platform and Experimental Protocol for Design and Evaluation of a Neurally-controlled Powered Transfemoral Prosthesis. J. Vis. Exp. (89), e51059, doi:10.3791/51059 (2014).

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Abstract

संचालित कृत्रिम पैर का सहज ज्ञान युक्त आपरेशन सक्षम करने के लिए, उपयोगकर्ता के आंदोलन मंशा को पहचान सकते हैं कि उपयोगकर्ता और कृत्रिम अंग के बीच एक अंतरफलक वांछित है. हमारे पिछले अध्ययन में विकसित neuromuscular यांत्रिक फ्यूजन पर आधारित एक उपन्यास तंत्रिका मशीन इंटरफेस (NMI) सही transfemoral amputees के इरादा आंदोलन की पहचान करने के लिए एक महान क्षमता का प्रदर्शन किया है. हालांकि, इस इंटरफेस अभी तक सच तंत्रिका नियंत्रण के लिए एक संचालित कृत्रिम पैर के साथ एकीकृत नहीं किया गया है. (1) एक लचीला मंच को लागू करने और अनुकूलन शक्ति कम अंग कृत्रिम अंग के तंत्रिका नियंत्रण और (2) एक प्रयोगात्मक सेटअप और प्रोटोकॉल कम अंग अंगविच्छेद जैसी शल्यक्रियाओं के साथ मरीजों पर तंत्रिका कृत्रिम अंग नियंत्रण का मूल्यांकन करने के लिए रिपोर्ट करने के उद्देश्य से यह अध्ययन. सबसे पहले एक पीसी और एक दृश्य प्रोग्रामिंग वातावरण पर आधारित एक मंच NMI प्रशिक्षण एल्गोरिथ्म, NMI ऑनलाइन परीक्षण एल्गोरिथ्म, और आंतरिक नियंत्रण एल्गोरिथ्म सहित कृत्रिम अंग नियंत्रण एल्गोरिदम को लागू करने के लिए विकसित किए गए. प्रदर्शित करने के लिएइस मंच के समारोह में, इस अध्ययन में neuromuscular यांत्रिक फ्यूजन पर आधारित NMI पदानुक्रम एक प्रोटोटाइप transfemoral कृत्रिम अंग के आंतरिक नियंत्रण के साथ एकीकृत किया गया था. एकतरफा transfemoral विच्छेदन के साथ एक रोगी में इस तरह खड़ा है, स्तर से जमीन घूमना, रैंप चढ़ाई के रूप में गतिविधियों, जब प्रदर्शन हमारे कार्यान्वित तंत्रिका नियंत्रक का मूल्यांकन, और प्रयोगशाला में लगातार वंश रैंप के लिए भर्ती किया गया था. एक उपन्यास प्रयोगात्मक सेटअप और प्रोटोकॉल सुरक्षित रूप से और कुशलता से नए कृत्रिम अंग नियंत्रण का परीक्षण करने के क्रम में विकसित किए गए. प्रस्तुत सबूत की अवधारणा मंच और प्रयोगात्मक सेटअप और प्रोटोकॉल neurally नियंत्रित संचालित कृत्रिम पैरों के भविष्य के विकास और आवेदन सहायता कर सकते हैं.

Introduction

Powered कम अंग कृत्रिम अंग वाणिज्यिक बाजार 1,2 और अनुसंधान समुदाय 3-5 दोनों में बढ़ती ध्यान अर्जित किया है. पारंपरिक निष्क्रिय कृत्रिम पैरों की तुलना में, मोटर चालित कृत्रिम जोड़ों कम अंग amputees और अधिक कुशलता से निष्क्रिय उपकरणों पहने जब मुश्किल या असंभव है कि गतिविधियों के प्रदर्शन की अनुमति का लाभ दिया है. हालांकि, वर्तमान में, (सीढ़ी चढ़ाई करने के लिए चलने के स्तर से जमीन से जैसे,) चिकनी और सहज गतिविधि संक्रमण अभी भी संचालित कृत्रिम पैर के उपयोगकर्ताओं के लिए एक चुनौतीपूर्ण मुद्दा है. इस कठिनाई को उपयोगकर्ता के आंदोलन आशय "पढ़ें" और तुरंत seamlessly गतिविधि मोड स्विच करने के लिए उपयोगकर्ताओं को सक्षम बनाने के लिए कृत्रिम अंग नियंत्रण के मानकों समायोजित कर सकते हैं कि एक उपयोगकर्ता मशीन इंटरफेस की कमी की वजह से है.

इन चुनौतियों का सामना करने के लिए, उपयोगकर्ता मशीन इंटरफेस डिजाइन करने में विभिन्न तरीकों का पता लगाया गया है. NMI electromyographic (ई पर आधारित है, जिसमेंएमजी) संकेत शक्ति कम अंग कृत्रिम अंग की सहज ज्ञान युक्त नियंत्रण की अनुमति के लिए एक महान क्षमता का प्रदर्शन किया है. दो हाल ही के अध्ययन 6,7 एक बैठा स्थिति के दौरान अवशिष्ट मांसपेशियों से दर्ज EMG संकेतों की निगरानी के द्वारा transfemoral amputees के लापता घुटने का इरादा गति डिकोडिंग की सूचना दी. Au एट अल. 5 एक transtibial ऐम्प्युटी की दो हरकत मोड (स्तर से जमीन चलने और सीढ़ी वंश) की पहचान करने के लिए अवशिष्ट टांग की मांसपेशियों से मापा EMG संकेतों का इस्तेमाल किया. हुआंग एट अल. 8 दो transfemoral amputees पर प्रदर्शन के रूप में लगभग 90% सटीकता के साथ सात गतिविधि मोड को पहचान सकते हैं कि एक चरण पर निर्भर EMG पैटर्न मान्यता दृष्टिकोण का प्रस्ताव रखा. बेहतर मंशा मान्यता के प्रदर्शन में सुधार करने के लिए, neuromuscular यांत्रिक फ्यूजन पर आधारित एक NMI हमारे समूह 9 में बनाया गया है और ऑनलाइन आशय मान्यता 10,11 के लिए निष्क्रिय कृत्रिम पैर पहने transfemoral amputees पर मूल्यांकन किया गया था. इस NMI सही पहचान कर सकते हैंउपयोगकर्ता का इरादा गतिविधियों और संचालित कृत्रिम पैर के तंत्रिका नियंत्रण के लिए संभावित रूप से उपयोगी था जो गतिविधि बदलाव 9, भविष्यवाणी.

हमें सामना करना पड़ वर्तमान प्रश्न सहज ज्ञान युक्त कृत्रिम अंग संचालन को सक्षम और उपयोगकर्ता की सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए कृत्रिम अंग नियंत्रण प्रणाली में हमारे NMI एकीकृत करने के लिए है. सच neurally नियंत्रित कृत्रिम पैर का विकास आसान कार्यान्वयन और कृत्रिम अंग नियंत्रण एल्गोरिदम के अनुकूलन के लिए प्रयोगशाला में एक लचीला मंच की आवश्यकता है. इसलिए, इस अध्ययन का उद्देश्य कृत्रिम अंग नियंत्रण एल्गोरिदम परीक्षण और अनुकूलन के लिए हमारी प्रयोगशाला में विकसित एक लचीला इंजीनियरिंग मंच रिपोर्ट करने के लिए है. इसके अलावा, नए प्रयोगात्मक सेटअप और प्रोटोकॉल सुरक्षित रूप से और कुशलता से कम अंग अंगविच्छेद जैसी शल्यक्रियाओं के साथ मरीजों पर neurally नियंत्रित संचालित transfemoral कृत्रिम अंग के मूल्यांकन के लिए प्रस्तुत कर रहे हैं. इस अध्ययन में प्रस्तुत मंच और प्रयोगात्मक डिजाइन भविष्य एच.डी. फायदा हो सकता हैसच neurally नियंत्रित, संचालित कृत्रिम पैर की lopment.

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Protocol

1. संचालित transfemoral कृत्रिम अंग के तंत्रिका नियंत्रण के कार्यान्वयन के लिए प्लेटफार्म

एक इंजीनियरिंग मंच संचालित कृत्रिम पैर के तंत्रिका नियंत्रण लागू करने और मूल्यांकन करने के लिए इस अध्ययन में विकसित किया गया था. हार्डवेयर 2.8 गीगा सीपीयू और 4 जीबी रैम, एनालॉग से डिजिटल कन्वर्टर्स (ADCs) और डिजिटल करने वाली अनुरूप कन्वर्टर्स (जिला सलाहकार समितियों) दोनों के साथ एक बहुआयामी डाटा अधिग्रहण बोर्ड, एक मोटर नियंत्रक, डिजिटल मैं के साथ एक डेस्कटॉप पीसी शामिल / ओएस, और हमारे समूह 12 में बनाया गया एक प्रोटोटाइप संचालित transfemoral कृत्रिम अंग. एनालॉग सेंसर आदानों पहले ADCs द्वारा डिजीटल और सिग्नल प्रोसेसिंग के लिए डेस्कटॉप पीसी में प्रदर्शित किया गया. डैक एक मोटर नियंत्रक के माध्यम से कृत्रिम अंग में डीसी मोटर ड्राइव नियंत्रण उत्पादन के लिए इस्तेमाल किया गया था. डिजिटल मैं / ओएस को निष्क्रिय / मोटर नियंत्रक को सक्षम करने के लिए इस्तेमाल किया गया. संचालित कृत्रिम अंग डेस्कटॉप पीसी के लिए सीमित और 24 वी बिजली की आपूर्ति के द्वारा संचालित किया गया था.

सॉफ्टवेयर विज्ञापन में प्रोग्राम थाडेस्कटॉप पीसी पर चल आभासी उपकरण के लिए उपयुक्त evelopment वातावरण. विकास के वातावरण को प्रभावी ढंग से अनुकूलित मंच को लागू करने के लिए उपयोगकर्ता परिभाषित सॉफ्टवेयर और हार्डवेयर दोनों को जोड़ती है जो आभासी उपकरण, के आधार पर किया गया था. एक चित्रमय ब्लॉक आरेख की संरचना का उपयोग करके, अलग मॉड्यूलर समारोह नोड्स आसानी से हो सकता है और कुशलता से लागू किया और अद्यतन कर सकते हैं. संचालित कृत्रिम पैर की ऑनलाइन नियंत्रण के लिए मंच की कार्यक्षमता प्रदर्शित करने के लिए, प्रारंभिक डिजाइन किए कृत्रिम अंग नियंत्रण इस प्लेटफार्म पर लागू किया गया था. नियंत्रण प्रणाली एक तंत्रिका नियंत्रक और अभिन्न नियंत्रक शामिल थे. तंत्रिका नियंत्रक उपयोगकर्ता की गतिविधि मोड में मान्यता प्राप्त है, जो neuromuscular यांत्रिक संलयन, के आधार पर हमारे पिछले बनाया गया NMI शामिल थे. एक उच्च स्तरीय नियंत्रक के रूप में तंत्रिका नियंत्रक पदानुक्रम शक्ति कम अंग कृत्रिम अंग नियंत्रण के लिए आंतरिक नियंत्रण के साथ जुड़ा था.

आगे की वास्तुकलामंच पर rol सॉफ्टवेयर चित्रा 1 में सचित्र है NMI दो भागों में शामिल है. ऑफ़लाइन प्रशिक्षण मॉड्यूल और ऑनलाइन परीक्षण मॉड्यूल. ऑफ़लाइन प्रशिक्षण मॉड्यूल प्रशिक्षण डेटा इकट्ठा करने और NMI में classifiers का निर्माण करने के लिए डिजाइन किया गया था. एकत्र मल्टीचैनल सतह EMG संकेतों और यांत्रिक माप पहले preprocessed और निरंतर स्लाइडिंग खिड़कियों में विभाजित किया गया. प्रत्येक विंडो में, संकेत पैटर्न विशेषताएँ जो सुविधाओं निकाले गए थे और उसके बाद एक फीचर वेक्टर में जुड़े. प्रत्येक विंडो सुविधा वेक्टर प्रशिक्षण डेटा संग्रह के दौरान गतिविधि मोड (वर्ग) और चरण सूचकांक कृत्रिम अंग उपयोगकर्ता की गतिविधियों के प्रदर्शन पर आधारित है और कृत्रिम अंग के राज्यों के साथ चिह्नित किया गया. लेबल सुविधा वैक्टर तो अलग - अलग चरणों के साथ सहसंबद्ध कई उप classifiers शामिल है एक चरण पर निर्भर पैटर्न क्लासिफायरफ़ाइल, निर्माण करने के लिए इस्तेमाल किया गया. बनाया वर्गीकारक बचाया और बाद में ऑनलाइन मूल्यांकन के लिए ऑनलाइन परीक्षण मॉड्यूल के लिए स्थानांतरित किया गया था. </ P>

ऑनलाइन परीक्षण मॉड्यूल ऑनलाइन उपयोगकर्ता के आंदोलन मंशा को समझते हैं और आंतरिक नियंत्रक में गतिविधि मोड स्विच करने के लिए इस्तेमाल किया गया था. मल्टीचैनल neuromuscular और यांत्रिक माप एक साथ ऑनलाइन परीक्षण मॉड्यूल में प्रदर्शित और सुविधा वैक्टर में तब्दील हो गया. फिर सुविधा वैक्टर पहले से ही ऑफ़लाइन प्रशिक्षण मॉड्यूल में बनाया गया था जो चरण पर निर्भर क्लासिफायरफ़ाइल में खिलाया गया. आंतरिक नियंत्रक में मौजूदा दौर के आधार पर, इसी उप क्लासिफायरफ़ाइल पर बंद और उपयोगकर्ता की मंशा पहचान करने के लिए इस्तेमाल किया गया था. वर्गीकरण उत्पादन आगे बाद संसाधित और गतिविधि मोड स्विच करने के लिए आंतरिक नियंत्रक के लिए भेजा गया था.

एक परिमित राज्य मशीन (FSM) आधारित प्रतिबाधा नियंत्रक संचालित कृत्रिम पैर की आंतरिक नियंत्रण के लिए लागू किया गया था. उत्पन्न प्रतिबाधा नियंत्रक घुटने के जोड़ों पर टोक़ उत्पादन वांछित. परिमित राज्य मशीन के अनुसार संयुक्त प्रतिबाधा समायोजित कियाप्रदर्शन गतिविधि की वर्तमान स्थिति. रुख मोड़ (एसटीएफ), रुख एक्सटेंशन (Ste), पूर्व स्विंग (PSW), बल स्विंग (: हरकत गतिविधियों (यानी स्तर से जमीन घूमना और रैंप चढ़ाई / वंश) के लिए, FSM पाँच चाल चरणों के संगत पांच राज्यों के शामिल swf), और स्विंग विस्तार (SWE); वजन असर (पश्चिम बंगाल) और (NWB) असर गैर वजन: स्थिर खड़े करने के लिए, FSM दो चरणों शामिल थे. राज्यों के बीच संक्रमण जमीन प्रतिक्रिया बल और संयुक्त घुटने स्थिति से चालू होने वाले थे. गतिविधि मोड के बीच संक्रमण ऑनलाइन परीक्षण मॉड्यूल से उत्पादन द्वारा नियंत्रित किया गया था. ऊपर चर्चा की सभी तीन मॉड्यूल के लिए, ग्राफिकल यूजर इंटरफेस (जीयूआई) प्रयोगशाला में प्रयोगकर्ताओं आसानी से नियंत्रण के मानकों, निगरानी प्रणाली के प्रदर्शन को समायोजित, और मूल्यांकन के प्रयोगों का संचालन करने की अनुमति दी है, जो बनाया गया था.

2. प्रयोगात्मक सेटअप

  1. सतह Electromyography (sEMG)
    ऐम्प्युटी की जांघ की मांसपेशियों से सतह EMG संकेतों subjectR17; के अवशिष्ट अंग एक वायरलेस EMG अधिग्रहण प्रणाली द्वारा दर्ज की गई हैं. लक्षित जांघ की मांसपेशियों rectus ग्रीवा (आरएफ), vastus laeralis (वीएल), vastus medialis (वीएम), मछलियां लंबी (BFL), Sartorius (एसएआर), (SEM) semitendinosus, और अभिवर्तक मैगनस (एडीएम) ग्रीवा शामिल थे. यह NMI में इस्तेमाल पैटर्न मान्यता एल्गोरिथ्म गतिविधि मोड पहचान करने के लिए कई मांसपेशियों की सक्रियता पैटर्न खोजता है क्योंकि ठीक विशिष्ट मांसपेशियों को लक्षित 8 आवश्यक नहीं है कि उल्लेखनीय है. जब तक कूल्हे और घुटने के नियंत्रण के लिए मापा neuromuscular नियंत्रण जानकारी के रूप में पर्याप्त है, EMG रिकॉर्डिंग के बीच पार से वार्ता NMI प्रदर्शन पर थोड़ा असर पड़ेगा.
    1. हिप बल / विस्तार, हिप प्रस्तुतीकरण / अपहरण, और वह स्थिति में खड़े है जब विस्तार / काट संयुक्त घुटने फ्लेक्स के लिए प्रयास प्रदर्शन करने के विषय में पूछते हैं.
    2. लगभग और मांसपेशियों टटोलने का कार्य एक से इलेक्ट्रोड प्लेसमेंट के स्थानों का निर्धारणEMG रिकॉर्डिंग के डी परीक्षा.
    3. विषय के आराम और विश्वसनीय इलेक्ट्रोड त्वचा से संपर्क दोनों के लिए, चित्रा 2 में दिखाया गया है, एक नए डिजाइन EMG इलेक्ट्रोड सॉकेट अंतरफलक में इलेक्ट्रोड शामिल करें.
  2. संचालित प्रोस्थेसिस से मैकेनिकल माप
    कृत्रिम तोरण से एक 6 DOF लोड सेल द्वारा मापा यांत्रिक जमीन प्रतिक्रिया बलों और क्षणों विषय के आंदोलन मंशा पहचान करने के लिए EMG संकेतों के साथ जुड़े हुए हैं. इसके अलावा, एक नापने संयुक्त घुटने के कोण को मापने के लिए संयुक्त घुटने पर instrumented है और एक एनकोडर घुटने कोणीय वेग की गणना करने के लिए डीसी मोटर से जुड़ा था. इन मापों आंतरिक नियंत्रण के लिए प्रतिक्रिया संकेत के रूप में इस्तेमाल कर रहे हैं.
    1. कृत्रिम तोरण पर एक छह डिग्री स्वतंत्रता लोड सेल माउंट.
    2. Mediolateral दिशा, अग्रपश्चस्थ दिशा, और कृत्रिम अंग की superoinferior दिशा साथ एक्स अक्ष, Y-अक्ष, और लोड सेल के Z-अक्ष संरेखित, संबंधितly.
  3. पर्यावरण प्रयोगशाला सेटअप
    चित्रा 3 में दिखाया गया है transfemoral amputees पर संचालित कृत्रिम पैर के तंत्रिका नियंत्रण का मूल्यांकन करने के लिए, एक बाधा कोर्स, प्रयोगशाला में बनाया गया था. परीक्षण पर्यावरण एक 5-M सीधे रास्ता, एक झुकाव के साथ एक 4 मीटर लंबा रैंप शामिल 8 डिग्री, और रैंप के साथ एक स्तर मंच के कोण सुरक्षित रूप से संलग्न. रैंप पर साथ साथ, हाथ रेलिंग विषय की सुरक्षा बढ़ाने के लिए स्थापित किया गया था. इसके अलावा, एक गिर गिरफ्तारी दोहन के साथ एक छत रेल प्रणाली प्रयोग के दौरान गिरने से विषय की रक्षा के लिए प्रदान किया गया.

3. प्रायोगिक प्रोटोकॉल

इस अध्ययन रोड आइलैंड के विश्वविद्यालय में संस्थागत समीक्षा बोर्ड (आईआरबी) के अनुमोदन से और भर्ती विषय के सूचित सहमति के साथ आयोजित किया गया. एक पुरुष एकतरफा transfemoral ऐम्प्युटी विच्छेदन की (कारण: आघात, उम्र: 57 साल, विच्छेदन की अवधि: 32 वर्षs) इस अध्ययन में भर्ती किया गया था. (ऊरु अधिस्थूलक को इस्कियल गाठदारपन से मापा) गैर बिगड़ा पक्ष की लंबाई के लिए (अवशिष्ट अंग के बाहर का अंत करने के लिए इस्कियल गाठदारपन से मापा) अवशिष्ट अंग की लंबाई के बीच का अनुपात 51% थी. विषय अपने दैनिक जीवन में एक सक्शन निलंबन सॉकेट के माध्यम से एक माइक्रोप्रोसेसर नियंत्रित कृत्रिम घुटने पहनता है. इस अध्ययन से पहले में प्रयोग करने के लिए, इस विषय विषय संचालित डिवाइस के लिए अनुकूल है और प्रत्येक गतिविधि मोड में वांछित प्रतिबाधा जांच करने के लिए जाने के क्रम में एक भौतिक चिकित्सक के नेतृत्व में कई प्रशिक्षण सत्र प्राप्त किया.

  1. विषय की तैयारी
    1. विषय के वजन, ऊंचाई मापने, और उसके लिंग और उम्र रिकॉर्ड.
    2. एक निजी तैयारी के कमरे में अपने ही शॉर्ट्स पर डाल करने के विषय में पूछते हैं.
    3. इस विषय पर एक आकार फिट गिर गिरफ्तारी दोहन रखो और छत रेल प्रणाली को देते हैं.
  2. EMG रिकॉर्डिंग के लिए तैयार
    1. सात पूरी तरह से चार्ज वायरलेस EMG सेंसर का चयन करें और उन पर बारी.
    2. तैयार स्थानों पर अनुकूलित सक्शन सॉकेट में EMG सेंसर रखें. सेंसर के क्रम संख्या लिख ​​लें और EMG स्थानों के साथ उनके सहयोगी.
    3. Isopropyl शराब पैड के साथ इस विषय के अवशिष्ट अंग की त्वचा को साफ.
    4. सक्शन सॉकेट धारण में विषय असिस्ट और सॉकेट मजबूती विषय के अवशिष्ट अंग से जुड़ा हुआ है, यह सत्यापित.
    5. वास्तविक समय EMG अनुरूप डेटा स्ट्रीमिंग सॉफ्टवेयर ऑन करें.
    6. हिप बल / विस्तार, हिप प्रस्तुतीकरण / अपहरण, और घुटने के बल / विस्तार प्रदर्शन और EMG इलेक्ट्रोड संपर्क और डेटा प्रसारण सत्यापित करने के लिए EMG संकेतों की जांच करने के लिए विषय से पूछो.
  3. संरेखण और संचालित कृत्रिम पैर की प्रारंभिक अंशांकन
    1. एक सहायक वाकर दबाए हुए एक खड़ी स्थिति में रहने के विषय आज्ञा.
    2. एक पिरामिड ADAP साथ सक्शन सॉकेट संचालित कृत्रिम अंग अटैचटो. कृत्रिम अंग की स्थिति ज्यामितीय सॉकेट के साथ गठबंधन किया है जब तक एडाप्टर पर रोटेशन शिकंजा का एक सेट को समायोजित करें. यह प्रक्रिया एक prosthetist द्वारा किया गया था.
    3. जमीन से कृत्रिम अंग उठा और कृत्रिम तोरण पर लोड सेल जांच करने के लिए विषय से पूछो.
    4. संचालित कृत्रिम पैर पहने जब ​​विभिन्न क्षेत्रों पर चलने का अभ्यास (जैसे, स्तर जमीन, रैंप चढ़ाई, और वंश रैंप) के अधीन निर्देश दें. विषय संचालित डिवाइस और प्रत्येक गतिविधि प्रदर्शन में पैदावार लगातार चाल पैटर्न के साथ चलने में विश्वास लगता है जब तक यह प्रक्रिया जारी है.
  4. NMI में classifiers प्रशिक्षण के लिए डेटा संग्रह प्रशिक्षण
    1. 3 चित्र में दिखाया गया है, एक पूर्वनिर्धारित पैदल पथ का मूल्य उस स्थान पर खड़ा करने के लिए विषय आज्ञा.
    2. संचालित कृत्रिम अंग पर मुड़ें और आंतरिक नियंत्रक में मापदंडों लोड.
    3. एक प्रशिक्षण डेटा संग्रह कॉम भागोकंप्यूटर प्रोग्राम और ग्राफिक यूजर इंटरफेस (जीयूआई) पर "खड़े" बटन पर क्लिक करके मोड खड़ा करने के लिए आंतरिक नियंत्रण की स्थापना की.
    4. जीयूआई पर "प्रारंभ रिकॉर्डिंग" बटन पर क्लिक करके डेटा संग्रह शुरू. 5 सेकंड के लिए स्थिति में खड़े रहने के लिए विषय आज्ञा.
    5. उसकी / उसके स्वयं चयनित आराम से चलने गति से जमीनी स्तर पर चलने के अधीन हिदायत; एक ही समय में, विषय की अग्रणी पैर की अंगुली बंद से पहले जीयूआई पर "चलना" बटन पर क्लिक करें और स्तर जमीन चलने मोड के लिए आंतरिक नियंत्रण की स्थापना की.
    6. विषय रैंप चढ़ाई के किनारे तक आ गया था, जब रैंप पर कदम कृत्रिम पैर की अंगुली बंद से पहले जीयूआई पर "रैंप चढ़ाई" बटन पर क्लिक करें और चढ़ाई मोड रैंप के लिए आंतरिक नियंत्रण स्विच. सुरक्षा के लिए, एक रैंप पर चलते समय विषय एक हाथ रेलिंग उपयोग करने के लिए अनुमति देते हैं.
    7. विषय रैंप के अंत की बात आती है, "चलना" बटन पर क्लिक करेंफिर कृत्रिम पैर की एड़ी हड़ताल स्तर मंच पर कदम और स्तर से जमीन चलने मोड के लिए कृत्रिम अंग आंतरिक नियंत्रण स्विच से पहले.
    8. पैदल पथ के अंत में, बंद करो और स्थिति में खड़े रहने के लिए विषय हिदायत. इसी समय, डबल रुख चरण से पहले "स्थायी" बटन पर क्लिक करें और वापस खड़े मोड के लिए आंतरिक नियंत्रण स्विच.
    9. लगभग 5 सेकंड के बाद, "बंद करो" बटन पर क्लिक करके डेटा संग्रह को समाप्त. लेबल "प्रशिक्षण डेटा सेट 1" के रूप में डेटा एकत्र की.
    10. विषय शुरू करने के स्थान पर वापस एक रिवर्स मार्ग में चलता है जब प्रक्रिया 3.4.4-3.4.9 दोहराने; फर्क सिर्फ इतना है अधीन नीचे रैंप पर चलता है जब वंश मोड रैंप के लिए आंतरिक नियंत्रण स्विचन है.
    11. दोहराएँ 3.4.4-3.4.10 दस पूरा प्रशिक्षण सेट डेटा एकत्र कर रहे हैं जब तक. एकत्र प्रशिक्षण डेटा सेट के संकेत गुणवत्ता की जांच करना.
    12. विषय वीं के बाद शेष समय में करने की अनुमतिई डेटा संग्रह सत्र.
    13. ऑफ़लाइन प्रशिक्षण मॉड्यूल (चित्रा 1) के माध्यम से NMI में पैटर्न मान्यता classifiers ट्रेन. एकत्र EMG और यांत्रिक संकेतों, प्रशिक्षण प्रक्रिया के दौरान लेबल गतिविधि मोड (वर्ग) का प्रयोग करें, और चरण पर निर्भर पैटर्न classifiers का निर्माण करने के लिए चरणों का पता चला. बाद में ऑनलाइन परीक्षण सत्र के लिए स्वचालित रूप से classifiers के मापदंडों को बचाओ.
  5. संचालित transfemoral कृत्रिम अंग के तंत्रिका नियंत्रण की ऑनलाइन परीक्षण
    1. पैदल मार्ग का प्रारंभिक बिंदु पर खड़ा करने के लिए विषय आज्ञा.
    2. संचालित कृत्रिम अंग पर मुड़ें. ऑनलाइन परीक्षण मॉड्यूल और आंतरिक नियंत्रक करने के लिए मापदंडों को प्रशिक्षित वर्गीकारक लोड करें.
    3. फिर लगातार स्तर से जमीन घूमना, रैंप पर चलने के स्तर से जमीन चलने के लिए संक्रमण, और अंत में बंद करो और पैदल पथ के अंत में यह परीक्षण खत्म, एक खड़ी स्थिति में परीक्षण परीक्षण शुरू करने के विषय आज्ञा. के अधीन हिदायतएक सहज गति से प्रत्येक गतिविधि प्रदर्शन करते हैं. परीक्षणों के बीच बाकी समय थकान से बचने के लिए अनुमति दें.
    4. प्रत्येक परीक्षण के परीक्षण के दौरान, एक टीवी मॉनीटर पर कृत्रिम अंग की गतिविधि मोड और संयुक्त घुटने के कोण रीडिंग प्रदर्शित करते हैं. बाद में मूल्यांकन प्रयोजन के लिए माप और नियंत्रण outputs के सभी सहेजें.
    5. चरणों को दोहराएँ 3.5.1-3.5.4 दस पूर्ण परीक्षण परीक्षण खत्म हो रहे हैं जब तक.

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Representative Results

चित्रा -4 ए वह कूल्हे बल / विस्तार प्रदर्शन किया जब प्रोटोकॉल 3.2.6 में वर्णित है,. 4b विषय पर चला गया जब दर्ज EMG संकेतों के छह चाल चक्र से पता चलता है विषय के अवशिष्ट अंग की जांघ की मांसपेशियों से मापा सतह EMG संकेतों के सात चैनलों से पता चलता है एक स्तर से जमीन पैदल पथ, प्रोटोकॉल 3.3.4 के दौरान. इस आंकड़े से यह नया बनाया गया EMG इलेक्ट्रोड सॉकेट अंतरफलक सतह EMG संकेत माप की अच्छी गुणवत्ता प्रदान कर सकते हैं कि देखा जा सकता है.

चित्रा 5 नियंत्रण मोड दर्शाता है, चरणों का पता चला, और घुटने एक प्रतिनिधि ऑनलाइन परीक्षण परीक्षण में neurally नियंत्रित संचालित transfemoral कृत्रिम अंग के संयुक्त कोण हुई. विषय एक खड़ी स्थिति में शुरू करने के लिए कहा गया था, तब स्तर से जमीन घूमना, रैंप चढ़ाई, स्तर से जमीन घूमना, और करने के लिए संक्रमण पैदल पथ के अंत में बंद. विषय तो टी के साथ मूल प्रारंभिक बिंदु को लौटवह मार्ग को उल्टा. तंत्रिका नियंत्रण के साथ, चित्रा 5 में दिखाया गया है, भर्ती विषय सुचारू उसका इरादा गतिविधि मोड के आधार पर संचालित transfemoral कृत्रिम अंग नियंत्रण मोड में स्विच करने में सक्षम था. लाल पानी का छींटा लाइन प्रत्येक गतिविधि मोड संक्रमण के बारे में हमारी परिभाषित महत्वपूर्ण समय संकेत दिया. चढ़ाई / वंश रैंप पर चलने के स्तर से जमीन से और चलने के लिए खड़े से संक्रमण के लिए, महत्वपूर्ण समय संक्रमणकालीन अवधि में स्विंग चरण (यानी, पैर की अंगुली बंद) की शुरुआत की गई थी; रैंप पर चढ़ाई / वंश से संक्रमण के स्तर से जमीन चलने और खड़े करने के लिए चलने के लिए, महत्वपूर्ण समय जमीनी स्तर पर वजन स्वीकृति (यानी, एड़ी संपर्क) की शुरुआत थी. इस प्रतिनिधि परीक्षण में के बारे में 18 सेकंड, कृत्रिम अंग गलत तरीके से इस विषय के कारण NMI द्वारा उपयोगकर्ता का आशय की गलत पहचान करने के स्तर से जमीन पर चला गया जब चढ़ाई मोड रैंप के लिए बंद कर दिया. इन त्रुटियों को सु से पैदल कीनेमेटीक्स में महत्वपूर्ण बदलाव नहीं आयाbject और विषय द्वारा कथित नहीं थे. बहरहाल, हम कुछ परीक्षण परीक्षण में इस विषय की चाल स्थिरता परेशान जो कुछ त्रुटियों का निरीक्षण किया था. लेकिन इन त्रुटियों में से कोई भी विषय में गिरावट का कारण बना.

चित्रा 1
चित्रा 1. एक प्रोटोटाइप संचालित transfemoral कृत्रिम अंग की ऑनलाइन तंत्रिका नियंत्रण के मूल्यांकन के लिए परीक्षण मंच पर नियंत्रण सॉफ्टवेयर की वास्तुकला. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.

चित्रा 2
चित्रा 2.) ललाट और एस के बाण के समान देखेंubject EMG और यांत्रिक माप स्थापना के साथ शक्ति transfemoral कृत्रिम अंग पहने;. ख) डेस्कटॉप पीसी, वायरलेस EMG बेस स्टेशन, multifunctional DAQ बोर्ड, और बिजली की आपूर्ति के साथ डाटा संग्रह गाड़ी इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.

चित्रा 3
पर्यावरण प्रयोगशाला में बनाया चित्रा 3. प्रायोगिक बाधा कोर्स.

चित्रा 4
चित्रा 4. जब इस विषय (एक कच्चे EMG संकेतों, विषय के अवशिष्ट अंग की जांघ की मांसपेशियों से दर्ज (ख) एक स्तर से जमीन पैदल पथ पर चला गया.

चित्रा 5
नियंत्रण मोड के चित्रा 5. उदाहरण, चरणों का पता चला, और एक प्रतिनिधि ऑनलाइन परीक्षण परीक्षण में neurally नियंत्रित संचालित transfemoral कृत्रिम अंग संचालित घुटने संयुक्त कोण जिसके परिणामस्वरूप. लाल पानी का छींटा लाइन प्रत्येक गतिविधि मोड संक्रमण की परिभाषित महत्वपूर्ण समय को इंगित करता है.

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Discussion

एक इंजीनियरिंग मंच इस अध्ययन को आसानी से लागू अनुकूलन, और संचालित कृत्रिम अंग का सच तंत्रिका नियंत्रण को विकसित करने में विकसित किया गया था. पूरे प्लेटफार्म एक आभासी इंस्ट्रूमेंटेशन आधारित विकास के वातावरण में बनाया है और आप एक डेस्कटॉप पीसी पर लागू किया गया था. नियंत्रण सॉफ्टवेयर एक विशिष्ट कार्यक्षमता (यानी NMI आशय मान्यता, और आंतरिक नियंत्रण) मार डाला गया था, जिनमें से प्रत्येक में, कई स्वतंत्र और विनिमेय मॉड्यूल से बना था. इस मॉड्यूलर डिजाइन का लाभ प्रत्येक समारोह ब्लॉक आसानी से debugged, संशोधित और अद्यतन किया जा सकता है. इसके अलावा, जोड़ने या कार्यों को हटाने या मॉड्यूल के बीच कनेक्शन बदलते आसानी से इस कंप्यूटर प्रोग्राम में किया जा सकता है. इसलिए, मंच आसानी से अलग तंत्रिका नियंत्रण जानकारी के आधार पर अन्य NMI को लागू करने के लिए लागू या अलग उपयोगकर्ता आशय मान्यता तकनीक के आधार पर किया जा सकता है. एक ईईजी आधारित तंत्रिका मशीन इंटरफेस विकसित की है जब उदाहरण के लिए, यह आसानी से लागू किया जा सकता हैडाटा अधिग्रहण मॉड्यूल और इरादे मान्यता मॉड्यूल को संशोधित करके इस मंच पर mented; एक नए इरादे डिकोडिंग पद्धति पर आधारित एक तंत्रिका मशीन इंटरफेस विकसित किया है, यह बस आशय मान्यता मॉड्यूल की जगह से लागू किया जा सकता है. हालांकि, यह इस इंजीनियरिंग मंच के सॉफ्टवेयर एक निम्न स्तर के कृत्रिम अंग नियंत्रक के साथ एक उच्च स्तरीय आशय मान्यता मॉड्यूल से जुड़ा है, जो एक सौपानिक संरचना के आधार पर तैयार किया गया था कि ध्यान दिया जाना चाहिए. इसलिए, उपयोगकर्ता के आंदोलन मंशा व्याख्या करना और उत्पादन कर सकते हैं कि केवल तंत्रिका मशीन इंटरफेस आसानी से इस प्लेटफार्म पर लागू किया जा सकता है. इसके अतिरिक्त, इस मंच केवल अवधारणा को साबित करने के लिए प्रयोग किया जाता है कि ध्यान दें. संचालित कृत्रिम पैर के तंत्रिका नियंत्रण को अंतिम रूप दे दिया गया है, अनिवार्य रूप से नियंत्रकों एक शक्तिशाली एम्बेडेड कंप्यूटर सिस्टम पर लागू किया है और दैनिक आधार पर इस्तेमाल के लिए कृत्रिम पैर व्यावहारिक और पोर्टेबल बनाने के क्रम में कृत्रिम अंग के भीतर एकीकृत किया जाना चाहिए.

एक अनुभवrimental सेटअप transfemoral अंगविच्छेद जैसी शल्यक्रियाओं के साथ रोगियों पर संचालित कृत्रिम पैरों के लिए तंत्रिका नियंत्रक परीक्षण करने के लिए डिजाइन किया गया था. हमारे सेटअप में दो महत्वपूर्ण पहलुओं पर प्रकाश डाला जाता है. सबसे पहले, भर्ती विषय की सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए आवश्यक है. (चित्रा 5 में दिखाया गया है एक उदाहरण के रूप में) NMI में misclassifications या आंतरिक नियंत्रण में त्रुटियों नहीं सभी NMI त्रुटियों चलने परेशान हालांकि इस अध्ययन में मनाया कृत्रिम अंग उपयोगकर्ता के चलने स्थिरता (परेशान कर सकता है, जो शुरू में बनाया गया कृत्रिम अंग नियंत्रण में हो सकता है, क्योंकि यह वह जगह है स्थिरता), फॉल्स के लिए नेतृत्व, और खतरा उनकी सुरक्षा. इसलिए, हमारे सेटअप हाथ रेलिंग में असमान इलाकों के लिए स्थापित किया गया था. इसके अलावा, एक गिर गिरफ्तारी दोहन के साथ एक छत रेल प्रणाली प्रयोगशाला में पूरे प्रयोगात्मक क्षेत्र को कवर किया और ज़्यादा से ज़्यादा विषय की सुरक्षा की रक्षा करने के लिए लागू किया गया था, जो बनाया गया था. दूसरा, यह एक आराम और विश्वसनीय EMG इलेक्ट्रोड सॉकेट इंटरफेस विकसित करने के लिए महत्वपूर्ण है. Prosth में सेंसर डालनेetic कुर्सियां ​​चलने और इस विषय में गरीब चाल पैटर्न में बेचैनी की ओर जाता है जो अवशिष्ट अंग, के कुछ क्षेत्रों के खिलाफ उच्च दबाव या घर्षण का निर्माण हो सकता है. दबाव / घर्षण को कम दृष्टिकोण है कि, हालांकि, शोर EMG रिकॉर्डिंग में जिसके परिणामस्वरूप, इलेक्ट्रोड और अवशिष्ट अंग के बीच ढीला संपर्क हो सकता है. इस अध्ययन में, हम सही इरादे मान्यता (चित्रा 4 में प्रदर्शन के रूप में), तंग सॉकेट निलंबन, और अच्छा उपयोगकर्ता आराम के लिए EMG संकेतों में उच्च गुणवत्ता प्रदान की है जो वायरलेस EMG इलेक्ट्रोड पर आधारित एक नए इलेक्ट्रोड सॉकेट अंतरफलक, प्रस्तुत किया. कुछ पार वार्ता कुछ चैनलों में मनाया गया हालांकि (यानी चैनल 3 और चित्रा में 6 4 बी), वे NMI के प्रदर्शन पर बहुत कम प्रभाव पड़ता है. NMI में डिजाइन पैटर्न मान्यता एल्गोरिथ्म गतिविधि मोड पहचान करने के लिए कई मांसपेशियों की सक्रियता पैटर्न की खोज करता है क्योंकि यह है. इस सेटअप भी मीटर की जांच करने की योजना है, जो अन्य शोध या नैदानिक ​​समूहों, लाभ हो सकता हैनिचले अंग amputees के अवशिष्ट अंग में uscle संपत्ति या कार्य करते हैं.

कुशलतापूर्वक neurally नियंत्रित कृत्रिम पैर का मूल्यांकन करने के लिए, प्रयोगात्मक परीक्षण सभी अध्ययन गतिविधि मोड और मोड बदलाव शामिल करने के लिए डिजाइन किए गए थे. यह चाल और संचालित कृत्रिम अंग का उपयोग करने में कम अंग amputees के संतुलन प्रशिक्षण उपयोगकर्ता की गतिविधि मोड पहचानने में NMI सटीक बनाने के क्रम में पूर्व प्रस्तुत प्रयोग करने के लिए आवश्यक है कि उल्लेखनीय है. पैटर्न मान्यता एक गतिविधि मोड के लिए संगत लेकिन अन्य साधनों से अलग है कि EMG और यांत्रिक संकेत पैटर्न की खोज ने विभिन्न क्रियाकलाप मोड पहचानता है जो हमारे NMI, में प्रयोग किया जाता है क्योंकि यह है. प्रशिक्षण सत्र उपयोगकर्ताओं को एक ही गतिविधि प्रदर्शन जब चलने में उनकी गतिशीलता को फिर से परिभाषित और लगातार चाल पैटर्न है कि उत्पादन संचालित उपकरणों के लिए अनुकूल करने के लिए किया जाता है. इसके अतिरिक्त, एक ही उद्देश्य के लिए, विषय विस्तार के शुरुआत में समय दिया जाना चाहिएसंचालित कृत्रिम अंग के लिए acclimate और एक चिकनी और लगातार चलने पैटर्न को प्राप्त करने के लिए eriment.

अंत में, हम लचीला परीक्षण मंच, प्रयोगात्मक सेटअप, और इस अध्ययन में प्रस्तुत प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल संचालित कृत्रिम पैरों के लिए तंत्रिका नियंत्रण की प्रयोगशाला विकास और मूल्यांकन के लिए उपयोगी थे कि जोर देना चाहते हैं. दैनिक उपयोग के लिए अंतिम रूप दिया neurally नियंत्रित कृत्रिम पैर व्यावहारिक बनाने के लिए, यथार्थवादी वातावरण में एम्बेडेड इंजीनियरिंग मंच और उपयोगकर्ता के अनुकूल अंशांकन प्रक्रिया और मूल्यांकन के विकास के लिए भविष्य में आवश्यक हैं. इसके अतिरिक्त, इस अध्ययन में प्रस्तुत तंत्रिका नियंत्रण प्रारंभिक और हमारे परीक्षण मंच और केवल प्रयोगात्मक डिजाइन की कार्यक्षमता प्रदर्शित करने के लिए प्रयोग किया जाता है; यह हम समाप्त किया जाना चाहिए जो कम अंग amputees के चलने के पैटर्न को बाधित कि NMI में त्रुटियों का निरीक्षण किया था के रूप में संचालित उपकरणों के लिए अंतिम नियंत्रण नहीं है. हमारी सूचना दी मंच और मूल्यांकन सेटअप और प्रोटोकॉल सी प्रदान कीonvenient औजार आगे तंत्रिका नियंत्रक और आंतरिक नियंत्रण अनुकूलन और intuitively मज़बूती से, आसानी से उपयोगकर्ताओं के द्वारा संचालित है, और हो सकता है कि एक सच्चे बायोनिक कम अंग कृत्रिम अंग विकसित करने के लिए.

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Disclosures

ब्याज की कोई संघर्ष की घोषणा की.

Acknowledgements

यह काम राष्ट्रीय अनुदान 0931820 के तहत राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन द्वारा भाग में अनुदान RHD064968A तहत स्वास्थ्य संस्थान, 1149385 अनुदान, और अनुदान 1361549 द्वारा समर्थित है, और अनुदान H133G120165 तहत विकलांगता और पुनर्वास अनुसंधान पर राष्ट्रीय संस्थान के हिस्से में गया था. लेखक अपने महान सुझाव और इस अध्ययन में सहायता के लिए, लिन दू, डिंग वैंग और गेराल्ड Hefferman रोड आइलैंड के विश्वविद्यालय में, और माइकल जे आश्रम आश्रम Orthotic पर और प्रोस्थेटिक प्रौद्योगिकी, LLC धन्यवाद.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Trigno Wireless EMG Sensors Delsys, Inc. 7
Trigno Wireless EMG Base Station Delsys, Inc. 1
Multi-functional DAQ card (PCI-6259) National Instruments, Inc. 1
Potentiometer (RDC503013A) ALPS Electric CO., LTD 1
Encoder (MR series) Maxon Precision Motors, Inc. 1
Motor controller (ADS50/10)  Maxon Precision Motors, Inc. 1
24 V Power Supply (DPP480) TDK-Lambda Americas, Inc. 1
6 DOF Load Cell (Mini58) ATI Industrial Automation 1
Ceiling Rail System RoMedic, Inc. 1
NI LabView 2011 National Instruments, Inc. 1

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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