منصة الهندسة وبروتوكول التجريبية للتصميم والتقييم لبدعم Transfemoral تعويضات تسيطر العصبي-

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
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Bioengineering

You must be subscribed to JoVE to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit," you agree to our policies.

 

Summary

وقد تم تطوير واجهات العصبية والآلة (NMI) لتحديد وضع تنقل المستخدم. هذه هي معاهد القياس الوطنية يمكن أن تكون مفيدة من أجل السيطرة العصبية للأرجل اصطناعية تعمل بالطاقة، ولكن لم يتم أثبتت تماما. هذه الورقة قدمت (1) لدينا منصة الهندسية المصممة لتنفيذ سهل وتطوير التحكم العصبي للانخفاض بالطاقة الأعضاء الاصطناعية و (2) على الإعداد التجريبية والبروتوكول في بيئة معملية لتقييم الساقين الاصطناعي تسيطر العصبي على المرضى الذين يعانون من بتر الأطراف السفلى بأمان وكفاءة.

Cite this Article

Copy Citation

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).

Please note that all translations are automatically generated through Google Translate.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

لتمكين عملية بديهية من الأرجل الاصطناعية بالطاقة، هو المطلوب واجهة بين المستخدم وبدلة التي يمكن التعرف على نوايا حركة المستخدم. وقد أثبت رواية واجهة العصبية آلة (NMI) على أساس العصبية والعضلية-الميكانيكية الانصهار وضعت في دراسة سابقة لدينا إمكانات كبيرة لتحديد دقيق لحركة المقصود من مبتوري الأطراف transfemoral. ومع ذلك، لم يتم دمج هذه الواجهة مع الساق الاصطناعية بالطاقة من أجل السيطرة العصبية الحقيقية. هذه الدراسة تهدف إلى تقديم تقرير (1) منصة مرنة لتنفيذ وتحسين التحكم العصبي في أقل بالطاقة بدلة أطرافهم و (2) على الإعداد التجريبية وبروتوكول لتقييم مراقبة بدلة العصبية في المرضى الذين يعانون من بتر الأطراف السفلية. تم تطوير أول منصة تستند على جهاز كمبيوتر وبيئة البرمجة المرئية لتنفيذ خوارزميات التحكم بدلة، بما في ذلك NMI خوارزمية التدريب، NMI خوارزمية اختبار عبر الإنترنت، وخوارزمية التحكم الجوهرية. للتدليل علىوظيفة من هذا المنبر، في هذه الدراسة NMI استنادا-العصبية والعضلية الميكانيكية الانصهار تم دمج هرميا مع التحكم الجوهرية لبدلة transfemoral تنميط. تم تجنيده مريض واحد مع بتر transfemoral من جانب واحد لتقييم موقعنا تحكم العصبية تنفيذها عند تنفيذ الأنشطة، مثل الوقوف والمشي مستوى الأرض، منحدر الصعود، والطريق المنحدر أصل مستمر في المختبر. ووضعت الإعداد التجريبية الرواية والبروتوكول من أجل اختبار عنصر التحكم بدلة جديدة بأمان وكفاءة. وقدمت إثبات صحة مفهوم منصة والإعداد التجريبية وبروتوكول يمكن أن تساعد على التنمية المستقبلية وتطبيق التحكم العصبي الساقين الاصطناعي بالطاقة.

Introduction

اكتسبت بالطاقة أقل الاصطناعية الطرف اهتماما متزايدا في كل من السوق التجاري ومجتمع البحوث 1،2 3-5. مقارنة الساقين الاصطناعية السلبي التقليدية والمفاصل الاصطناعية الآلية لديها ميزة السماح أقل مبتوري الأطراف الطرف لتنفيذ الأنشطة التي يصعب أو يستحيل عند ارتداء أجهزة السلبي بشكل أكثر كفاءة. ومع ذلك، في الوقت الراهن، على نحو سلس وسلس الانتقال النشاط (على سبيل المثال، من مستوى سطح الأرض يسير إلى درج الصعود) لا تزال قضية صعبة بالنسبة للمستخدمين الساق الاصطناعية بالطاقة. ويرجع ذلك أساسا إلى عدم وجود واجهة المستخدم والآلة التي يمكن "قراءة" نية الحركة للمستخدم وعلى الفور ضبط معايير الرقابة بدلة من أجل تمكين المستخدمين من التبديل بسهولة وضع النشاط هذه الصعوبة.

لمعالجة هذه التحديات، تم استكشاف الطرق المختلفة في تصميم واجهة المستخدم والآلة. حيث NMI على أساس electromyographic (Eوقد أثبتت MG) إشارات إمكانات كبيرة للسماح للسيطرة بديهية بالطاقة أقل الأعضاء الاصطناعية. ذكرت دراستان حديثتان 6،7 فك الحركة المقصود من الركبة المفقودة من مبتوري الأطراف transfemoral من خلال رصد إشارات EMG المسجلة من العضلات المتبقية خلال وضع الجلوس. الاتحاد الافريقي وآخرون. 5 تستخدم إشارات EMG يقاس من عضلات الساق المتبقية لتحديد وضعين تنقل (المشي مستوى الأرض ودرج النسب) من مبتوري الأطراف transtibial واحدة. اقترح هوانغ وآخرون. 8 لEMG نهج التعرف على الأنماط التي تعتمد على المرحلة التي يمكن التعرف على سبعة أنماط النشاط مع دقة حوالي 90٪ كما هو موضح على اثنين من مبتوري الأطراف transfemoral. زيادة تحسين أداء نية الاعتراف، تم تصميم NMI على أساس العصبية والعضلية-الميكانيكية الانصهار في مجموعتنا 9 وتقييمها على مبتوري الأطراف transfemoral يرتدي الساقين الاصطناعية السلبي للاعتراف نية 10،11 الانترنت. هذا NMI يمكن التعرف بدقةأنشطة تهدف للمستخدم وتوقع التحولات النشاط الذي كان يمكن أن تكون مفيدة للسيطرة العصبية من الأرجل الاصطناعية بالطاقة.

السؤال الحالية التي تواجهنا هي كيفية دمج دينا NMI في نظام التحكم بدلة من أجل تمكين عملية بدلة بديهية وضمان سلامة المستخدم. تطوير حقيقي الساقين الاصطناعي تسيطر العصبي يتطلب منصة مرنة في المختبر لتنفيذ سهلة وتعظيم الاستفادة من خوارزميات التحكم بدلة. وبالتالي، فإن الهدف من هذه الدراسة هو أن يقدم منصة مرنة الهندسة المتقدمة في المختبر لاختبار وتحسين خوارزميات التحكم بدلة. بالإضافة إلى ذلك، يتم عرض الإعداد التجريبية الجديدة وبروتوكول لتقييم الاصطناعية transfemoral بالطاقة التحكم العصبي على المرضى الذين يعانون من بتر الأطراف السفلى بأمان وكفاءة. منصة والتصميم التجريبي المقدم في هذه الدراسة يمكن أن تفيد ديفي المستقبلlopment من صحيح تسيطر العصبي، تعمل بالطاقة ساقين اصطناعيتين.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. منهاج تنفيذ التحكم من العصبية بالطاقة Transfemoral الاصطناعية

وقد وضعت على منصة في هذه الدراسة الهندسية لتنفيذ وتقييم التحكم العصبي في الساقين الاصطناعي بالطاقة. وشملت الأجهزة جهاز كمبيوتر سطح المكتب مع وحدة المعالجة المركزية 2.8 غيغاهرتز و 4 غيغابايت من ذاكرة الوصول العشوائي، ومتعددة الوظائف متن الحصول على البيانات مع كل من التناظرية إلى الرقمية محولات (ADCS) والمحولات الرقمية إلى تناظرية (DACS)، وحدة تحكم المحرك، وأنا الرقمي / الإخراج، وبدلة transfemoral بالطاقة تنميط مصممة في مجموعتنا 12. تم ترقيم المدخلات التناظرية استشعار أول مرة من قبل ADCS والمتدفقة في أجهزة الكمبيوتر المكتبية لمعالجة الإشارات. واستخدمت لجنة المساعدة الإنمائية لإخراج السيطرة لقيادة السيارات في العاصمة بدلة من خلال وحدة تحكم المحرك. واستخدمت الرقمية الإدخال / الإخراج لتمكين / تعطيل وحدة تحكم المحرك. والمربوطة بدلة بالطاقة لأجهزة الكمبيوتر المكتبية وتشغيله من خلال 24 امدادات الطاقة الخامس.

كان مبرمجا البرنامج في الإعلانالبيئة التطور، ومناسبة لالأجهزة الظاهرية التي تعمل على أجهزة الكمبيوتر المكتبية. واستند بيئة التطوير على الأجهزة الظاهرية، والذي يجمع بين الفعالية سواء برامج المعرفة والأجهزة لتنفيذ منصة مخصصة. باستخدام بنية مخطط كتلة الرسومية، ويمكن مختلفة العقد وظيفة وحدات بسهولة وتنفيذها بكفاءة وتحديثها. من أجل إظهار وظيفة منصة للسيطرة على الانترنت من الأرجل الاصطناعية بالطاقة، تم تنفيذ الرقابة بدلة مصممة مبدئيا على هذه المنصة. تضمن نظام مراقبة وتحكم العصبية وحدة تحكم الفعلية. تتألف وحدة تحكم العصبية لدينا تصميم NMI السابقة استنادا-العصبية والعضلية الميكانيكية الانصهار، الذي اعترف وضع النشاط المستخدم. وحدة تحكم العصبية كوحدة تحكم رفيع المستوى كان متصلا بشكل هرمي مع التحكم بالطاقة الذاتية لانخفاض السيطرة بدلة أطرافهم.

بنية تابعويتضح البرمجيات رول على منصة في الشكل 1 NMI يحتوي على قسمين:. حاليا وحدة التدريب وحدة اختبار عبر الإنترنت. تم تصميم وحدة التدريب حاليا لجمع البيانات والتدريب وبناء المصنفين في NMI. تم preprocessed أولا الأقنية سطح إشارات EMG جمعها والقياسات الميكانيكية ومجزأة في النوافذ المنزلقة المستمر. في كل نافذة، تم استخراج السمات التي تميز أنماط إشارة ثم تنصهر في ناقلات ميزة واحدة. وصفت ناقلات ميزة في كل نافذة مع وسائط النشاط (فئات) ومؤشر المرحلة على أساس الأنشطة من أداء المستخدم بدلة ودول بدلة خلال جمع البيانات والتدريب. ثم استخدمت ناقلات ميزة وصفت لبناء نمط المصنف تعتمد على المرحلة، والذي يحتوي على العديد من المصنفات الفرعية المترابطة مع فردي مراحل. تم حفظ المصنف خلق ونقل إلى وحدة الاختبار عبر الإنترنت لتقييم عبر الإنترنت في وقت لاحق. </ ع>

واستخدمت وحدة اختبار عبر الإنترنت على التعرف على الانترنت نية حركة المستخدم والتبديل وسائط النشاط في وحدة تحكم الفعلية. تم بث الأقنية العصبية والعضلية والقياسات الميكانيكية في وقت واحد في وحدة الاختبار عبر الإنترنت وتحويلها إلى نواقل الميزة. ثم تم تغذية النواقل ميزة في المصنف تعتمد على المرحلة التي بنيت بالفعل في وحدة التدريب حاليا. استنادا إلى المرحلة الحالية في تحكم الجوهرية، وقد تحولت المناظرة-المصنف الفرعية على استخدام والاعتراف نية للمستخدم. وكذلك آخر المجهزة إخراج تصنيف وأرسلت إلى وحدة تحكم الجوهرية للتبديل وسائط النشاط.

وقد نفذت تحكم مقاومة آلة الدولة محدود (ولايات ميكرونيزيا الموحدة) استنادا لمراقبة الجوهرية من الأرجل الاصطناعية بالطاقة. وحدة تحكم مقاومة ولدت المطلوب عزم الدوران الناتج على مفاصل الركبة. آلة الدولة محدود المعدلة مقاومة مشتركة وفقا لالوضع الحالي للأداء النشاط. للأنشطة تحرك (أي المشي مستوى الأرض ومنحدر الصعود / النسب)، تألف من خمس ولايات ولايات ميكرونيزيا الموحدة المقابلة لخمس مراحل مشية: ثني الموقف (STF)، والإرشاد الموقف (STE)، قبل سوينغ (PSW)، والتأرجح انثناء ( SWF)، والإرشاد البديل (السويد)؛ لمكانة ثابتة، وشملت ولايات ميكرونيزيا الموحدة مرحلتين: تحمل الوزن (WB) وغير الحاملة للوزن (NWB). وقد أثار التحولات بين الدول من قبل قوة رد فعل الارض وموقف مفصل الركبة. تمت السيطرة على الانتقال بين وسائط النشاط الناتج من وحدة الاختبار على الانترنت. لجميع الوحدات الثلاث التي نوقشت أعلاه، واجهة المستخدم الرسومية (GUI) بنيت، مما سمح المجربون في مختبر لضبط بسهولة المعلمات السيطرة، نظام مراقبة الأداء، وإجراء تجارب التقييم.

2. الإعداد التجريبية

  1. سطح الكهربائي (sEMG)
    إشارات EMG السطحية من عضلات الفخذ من مبتوري الأطراف subjectRوسجلت ليالي أطرافهم المتبقية عن طريق نظام الحصول على EMG اللاسلكية؛ 17. شملت عضلات الفخذ المستقيمة الفخذية استهدفت (RF)، laeralis المتسعة (VL)، العضلة المتسعة الإنسية (VM)، العضلة ذات الرأسين الفخذية طويلة (BFL)، سارتوريوس (SAR)، الوترية (SEM)، والمقربة الكبيرة (ADM). من الجدير بالذكر أن تستهدف على وجه التحديد محددة من العضلات ليس من الضروري 8 لأن خوارزمية التعرف على الأنماط المستخدمة في NMI يبحث أنماط تنشيط عضلات متعددة لتتعرف على وضع النشاط. طالما أن معلومات التحكم العصبي العضلي قياس الورك والركبة لمراقبة كافية، محادثات عبر التسجيلات بين EMG يكون له تأثير يذكر على أداء NMI.
    1. وطرح هذا الموضوع لأداء ثني الورك / الإرشاد، والتقريب الورك / اختطاف، ومحاولة لثني / تمديد مفصل الركبة بترت عندما يكون في وضعية الوقوف.
    2. تقريب وتحديد مواقع مواضع العضلات الكهربائي بواسطة الجس ود فحص التسجيلات EMG.
    3. تضمين الأقطاب في تصميم واجهة الكهربائي EMG المقبس الجديد، كما هو مبين في الشكل 2، للراحة هذا الموضوع وموثوق بها الاتصال الكهربائي والجلد.
  2. القياسات الميكانيكية من تعويضات مدعوم
    وتنصهر قوات رد فعل الارض الميكانيكية واللحظات التي تقاس خلية الحمل 6 DOF من الصرح الاصطناعية مع إشارات EMG للاعتراف حركة النية في هذا الموضوع. بالإضافة إلى ذلك، والمجهزة مقياس الجهد على مفصل الركبة لقياس زاوية مفصل الركبة وكان على علاقة ترميز إلى العاصمة المحرك لحساب السرعة الزاوية في الركبة. وتستخدم هذه القياسات مثل إشارات ردود الفعل من أجل السيطرة الذاتية.
    1. جبل خلية الحمل ستة درجة-الحرية على الصرح الاصطناعية.
    2. محاذاة X-المحور، Y-المحور، وZ-محور الخلية الحمل مع الاتجاه الناصف الوحشي والتوجيه الأمامي الخلفي، والاتجاه superoinferior من بدلة، منهالاي.
  3. إعداد بيئة المختبر
    من أجل تقييم السيطرة العصبية للساقين اصطناعيتين بالطاقة على مبتوري الأطراف transfemoral، بنيت عقبة بالطبع في المختبر، كما هو موضح في الشكل 3. شملت بيئة الاختبار الممشى 5 م على التوالي، 4 م منحدر طويل مع الميل زاوية 8 °، ومنصة المستوى مع منحدر بإحكام. على طول الطريق المنحدر، تم تركيب درابزين يد لتعزيز سلامة هذا الموضوع. بالإضافة إلى ذلك، تم توفير نظام السقف السكك الحديدية مع تسخير سقوط اعتقال لحماية الموضوع من السقوط أثناء التجربة.

3. بروتوكول التجريبية

وقد أجريت هذه الدراسة مع موافقة مجلس مراجعة المؤسسية (IRB) في جامعة رود ايلاند وللموافقة المسبقة عن الموضوع المعينين. واحدة من الذكور من جانب واحد transfemoral المبتور (سبب البتر: الصدمة؛ العمر: 57 سنة، مدة البتر: 32 سنةتم تجنيده ق) في هذه الدراسة. بلغت هذه النسبة بين طول العضو المتبقي (تقاس من الحدبة الإسكية إلى نهاية البعيدة للأطرافهم المتبقية) لطول الجانب غير ضعاف (تقاس من الحدبة الإسكية إلى اللقيمة الفخذ) 51٪. موضوع ترتدي المعالجات الدقيقة التي تسيطر عليها الاصطناعية في الركبة خلال التعليق مأخذ الشفط في حياته اليومية. قبل التجربة في هذه الدراسة، تلقى هذا الموضوع عدة دورات تدريبية بقيادة العلاج الطبيعي من أجل السماح لهذا الموضوع للتكيف مع الجهاز بالطاقة ومعايرة مقاومة المطلوب في كل وضع النشاط.

  1. موضوع التحضير
    1. قياس هذا الموضوع في الوزن، والطول، وسجل له نوع الجنس والسن.
    2. وطرح هذا الموضوع لوضع على سرواله القصير في غرفة خاصة إعداد خاصة.
    3. وضع المجهزة حجم سقوط اعتقال تسخير حول هذا الموضوع ونعلق عليه إلى نظام السقف السكك الحديدية.
  2. استعدادا لتسجيل EMG
    1. حدد سبعة مشحونة بالكامل وأجهزة الاستشعار اللاسلكية وEMG قم بتشغيلها.
    2. وضع أجهزة الاستشعار EMG في المقبس شفط مخصصة في مواقع استعداد. كتابة رقم الطلب من أجهزة الاستشعار وربطها مع مواقع EMG.
    3. تنظيف البشرة من طرف الشخص المعني المتبقية مع منصات ايزوبروبيل.
    4. مساعدة هذا الموضوع في ارتداء مأخذ شفط والتحقق من أن يتم إرفاق مأخذ بحزم العضو المتبقي من الموضوع.
    5. بدوره على الوقت الحقيقي البرمجيات تدفق البيانات EMG التناظرية.
    6. وطرح هذا الموضوع على أداء الورك الانحناء / الإرشاد، والتقريب الورك / اختطاف، وثني الركبة / تمديد وفحص إشارات EMG للتحقق EMG القطب الاتصال ونقل البيانات.
  3. المواءمة والمعايرة الأولية من مدعوم الترقيعي الساق
    1. تعليمات الموضوع إلى البقاء في وضع الوقوف بينما عقد وكر المساعدة.
    2. إرفاق بدلة بالطاقة إلى المقبس شفط مع اداب الهرمتور. ضبط مجموعة من مسامير تناوب على المحول حتى يتم محاذاة موقف بدلة هندسيا مع المقبس. تم تنفيذ هذا الإجراء من قبل أخصائيي الأطراف الاصطناعية.
    3. وطرح هذا الموضوع لرفع بدلة بعيدا عن الارض ومعايرة خلية الحمل على الصرح الاصطناعية.
    4. إرشاد تخضع لممارسة المشي على تضاريس مختلفة (على سبيل المثال، مستوى الأرض، منحدر الصعود، والطريق المنحدر النسب) عند ارتداء الساق الاصطناعية بالطاقة. يستمر هذا الإجراء حتى يشعر بالثقة في هذا الموضوع المشي مع الجهاز بالطاقة وغلة نمط مشية ثابتة في كل أداء النشاط.
  4. تدريب جمع البيانات لتدريب المصنفات في NMI
    1. إرشاد هذا الموضوع للوقوف على الموقع بدءا من مسار المشي محددة سلفا، كما هو موضح في الشكل 3.
    2. بدوره على بدلة بالطاقة وتحميل المعلمات إلى وحدة تحكم الفعلية.
    3. تشغيل كوم جمع البيانات والتدريببرنامج الحاسوبية وتعيين السيطرة الذاتية إلى وضع الوقوف بالضغط على زر "يقف" على واجهة المستخدم الرسومية (GUI).
    4. بدء جمع البيانات من خلال النقر على زر "ابدأ تسجيل" على واجهة المستخدم الرسومية. تعليمات الموضوع إلى البقاء في وضعية الوقوف لمدة 5 ثوانى.
    5. تعليمات الموضوع إلى المشي فوق مستوى الأرض في له / لها مريحة سرعة المشي مختارة ذاتيا؛ في نفس الوقت، انقر فوق الزر "المشي" على واجهة المستخدم الرسومية قبل أخمص القدمين الخروج من المحطة الرائدة في هذا الموضوع، وتعيين عنصر التحكم الجوهرية لوضع المشي مستوى الأرض.
    6. عندما يكون الموضوع كان يقترب من حافة منحدر الصعود، انقر فوق الزر "منحدر الصعود" على واجهة المستخدم الرسومية قبل أخمص القدمين الخروج من الساق الاصطناعية ندوس على منحدر والتبديل السيطرة الذاتية لزيادة وضع الصعود. للسلامة، والسماح للموضوع لاستخدام اليد حديدي عند المشي على منحدر.
    7. عندما يأتي هذا الموضوع إلى نهاية المنحدر، انقر فوق الزر "المشي"مرة أخرى قبل الاضراب كعب الساق الاصطناعية يخطو على منصة مستوى والتبديل السيطرة الذاتية بدلة لوضع المشي على مستوى الأرض.
    8. في نهاية المسار والمشي، وتكليف هذا الموضوع لوقف والبقاء في وضعية الوقوف. في نفس الوقت، انقر فوق الزر "الدائمة" قبل المرحلة موقف ضعف والتبديل السيطرة الذاتية مرة أخرى إلى وضع الوقوف.
    9. بعد حوالي 5 ثوان، وإنهاء جمع البيانات عن طريق النقر على زر "إيقاف". التسمية جمع البيانات بأنها "بيانات التدريب مجموعة 1".
    10. كرر الإجراء 3.4.4-3.4.9 عندما يمشي هذا الموضوع في الطريق العكسي مرة أخرى إلى الموقع بدءا؛ والفرق الوحيد هو التحول السيطرة الذاتية لزيادة وضع النسب عندما يمشي هذا الموضوع على منحدر أسفل.
    11. تكرار 3.4.4-3.4.10 حتى يتم جمع عشر مجموعات البيانات كاملة التدريب. فحص جودة الإشارة من جمعها تدريب مجموعة البيانات.
    12. يسمح هذا الموضوع لفترة راحة بعد عشره دورة جمع البيانات.
    13. تدريب المصنفات التعرف على الأنماط في NMI حاليا عبر وحدة التدريب (الشكل 1). استخدام EMG جمعها والإشارات الميكانيكية، وسائط النشاط (فئات) وصفت أثناء إجراء التدريب، والكشف عن مراحل لبناء نمط المصنفات التي تعتمد على المرحلة. حفظ المعلمات من المصنفات تلقائيا في وقت لاحق جلسة الاختبار على الانترنت.
  5. اختبار عبر الإنترنت من التحكم من العصبية بالطاقة Transfemoral تعويضات
    1. إرشاد هذا الموضوع للوقوف في نقطة الانطلاق لمسار المشي.
    2. بدوره على بدلة بالطاقة. تحميل المصنف تدريبهم على الانترنت وحدة الاختبار والمعلمات إلى وحدة تحكم الفعلية.
    3. إرشاد تخضع لبدء المحاكمات اختبار في وضع الوقوف، ثم الانتقال إلى المشي بشكل مستمر مستوى الأرض، المنحدر المشي، والمشي مستوى الأرض، وأخيرا وقف وإنهاء هذه المحاكمة في نهاية مسار المشي. إرشاد تخضع لتنفيذ كل نشاط بوتيرة مريحة. تسمح فترات الراحة بين التجارب لتجنب التعب.
    4. خلال كل محاكمة اختبار، وعرض وسائط نشاط بدلة والركبة قراءات زاوية مشتركة على شاشة التلفزيون. حفظ جميع القياسات والمخرجات السيطرة لغرض التقييم في وقت لاحق.
    5. كرر الخطوات 3.5.1-3.5.4 حتى تنتهي عشرة كاملة المحاكمات الاختبار.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ويبين الشكل 4a سبع قنوات إشارات EMG السطحية من قياس عضلات الفخذ من أطرافهم المتبقية هذا الموضوع عندما كان يقوم ثني الورك / تمديد، كما هو موضح في البروتوكول 3.2.6. الشكل يبين 4B ست دورات مشية إشارات EMG المسجلة عندما مشى على هذا الموضوع مسار المشي على مستوى الأرض، وأثناء بروتوكول 3.3.4. من هذا الرقم، فإنه يمكن أن نرى أن تصميم واجهة الكهربائي EMG المقبس الجديدة يمكن أن توفر نوعية جيدة من القياسات إشارة EMG السطح.

يوضح الشكل 5 طرق التحكم، الكشف عن مراحل، وأسفرت الركبة زاوية مشتركة من بدلة transfemoral بالطاقة التحكم العصبي في واحد ممثل الاختبار على الانترنت المحاكمة. وسئل هذا الموضوع أن تبدأ في وضع الوقوف، المشي التحول إلى مستوى الأرض، منحدر الصعود، والمشي مستوى الأرض، ثم توقف في نهاية مسار المشي. ثم عاد هذا الموضوع إلى نقطة البداية الأصلية على طول رانه عكس الطريق. كما هو مبين في الشكل 5، مع التحكم العصبي، كان موضوع تجنيد قادرة على التحول بسلاسة وضع التحكم بدلة transfemoral بالطاقة استنادا له وسائط النشاط المقصود. وأشارت خط أحمر لدينا اندفاعة محددة التوقيت الحرج من كل نشاط طريقة انتقال. للانتقال من مستوى الأرض المشي لزيادة صعود / هبوط من الوقوف والمشي ل، توقيت حرج كان بداية لمرحلة التحول (أي اصبع القدم إيقاف) في الفترات الانتقالية؛ للانتقال من منحدر الصعود / النسب قريبة من مستوى الأرض والمشي لواقفا، وكان توقيت حرج بداية من الوزن القبول (أي كعب الاتصال) على مستوى الأرض. حوالي 18 ثانية في هذه المحاكمة تمثيلية، بدلة تحولت بشكل غير صحيح إلى منحدر الصعود عندما مشى وضع هذا الموضوع على مستوى الأرض بسبب الاعتراف الخاطئة للنوايا المستخدم من قبل NMI. لم هذه الأخطاء لا تثير تغيير كبير في الحركيات قريبة من سوbject ولم ينظر بها الموضوع. ومع ذلك، فإننا لم نلاحظ بعض الأخطاء التي بالانزعاج الاستقرار مشية هذا الموضوع في بعض التجارب الاختبار. لكن أيا من هذه الأخطاء الناجمة الموضوع إلى الانخفاض.

الشكل 1
الشكل 1. بنية برنامج التحكم على منصة اختبار لتقييم التحكم العصبي على الانترنت من بدلة transfemoral بالطاقة تنميط. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 2
الشكل 2 أ) وعرض أمامي السهمي من لياليubject يرتدي بدلة transfemoral بالطاقة مع EMG والإعداد القياس الميكانيكية؛ ب) عربة جمع البيانات مع أجهزة الكمبيوتر المكتبية، لاسلكي محطة قاعدة EMG، لوحة دق متعددة الوظائف، وإمدادات الطاقة الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 3
الرقم 3. بالطبع عقبة التجريبية التي بنيت في بيئة معملية.

الرقم 4
الشكل 4. إشارات EMG الخام سجلت من عضلات الفخذ من أطرافهم المتبقية الموضوع، وعندما يكون الموضوع (ب) سار على مسار المشي مستوى الأرض.

الرقم 5
الشكل 5. مثال من وسائط السيطرة، والكشف عن مراحل، والناتجة الركبة بالطاقة زاوية مشتركة من بدلة transfemoral بالطاقة التحكم العصبي في واحد ممثل الاختبار على الانترنت المحاكمة. الخط الأحمر يشير اندفاعة توقيت حرج محددة من كل نشاط طريقة انتقال.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

وقد وضعت على منصة في هذه الدراسة الهندسية لتنفيذ بسهولة، وتحسين، وتطوير السيطرة العصبية الحقيقي للالاصطناعية بالطاقة. كان مبرمجا النظام الأساسي بأكمله في بيئة التنمية القائمة على الأجهزة الافتراضية وتنفيذها على جهاز كمبيوتر سطح المكتب. كان يتألف البرنامج من عدة وحدات تحكم مستقلة وقابلة للتبديل، في كل واحدة منها تم تنفيذ وظائف محددة (أي NMI الاعتراف النية، والسيطرة الذاتية). ميزة هذا تصميم وحدات هي أن كل كتلة وظيفة يمكن تصحيحه بسهولة، تعديل، وتحديثها. بالإضافة إلى ذلك، إضافة أو حذف أو تغيير وظائف الاتصالات بين وحدات يمكن القيام به بسهولة في هذا البرنامج الكمبيوتر. وبالتالي، فإن منصة يمكن تطبيقها بسهولة لتنفيذ NMI أخرى مختلفة تقوم على معلومات التحكم العصبي أو على أساس تقنيات التعرف على نوايا مستخدم مختلف. على سبيل المثال، عندما يتم وضع أساس EEG-واجهة العصبية والآلة، ويمكن أن يكون بسهولة implemented على هذا المنبر عن طريق تعديل وحدة وحدة والحصول على البيانات الاعتراف القصد؛ عندما تم تطوير واجهة العصبية والآلة بناء على طريقة فك نوايا جديدة، فإنه يمكن تطبيقها ببساطة عن طريق استبدال وحدة الاعتراف القصد. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن البرنامج من هذا المنبر الهندسة صمم على أساس الهيكل الهرمي الذي كان يربط وحدة نمطية الاعتراف نية رفيعة المستوى مع وحدة تحكم بدلة ذات المستوى المنخفض. لذلك، إلا واجهة العصبية والآلة التي يمكن فك وإخراج نية الحركة للمستخدم ويمكن تطبيقها بسهولة على هذه المنصة. بالإضافة إلى ذلك، لاحظ أن هذه المنصة يستخدم فقط لإثبات هذا المفهوم. مرة واحدة وقد تم الانتهاء من السيطرة العصبية للساقين اصطناعيتين بالطاقة، أساسا ينبغي أن تنفذ وحدات التحكم في نظام الكمبيوتر جزءا لا يتجزأ قوية ومتكاملة داخل بدلة من أجل جعل الساقين الاصطناعي عملية والمحمولة للاستخدام على أسس يومية.

وبةوقد تم تصميم الإعداد rimental لاختبار وحدة تحكم العصبية للأرجل اصطناعية تعمل بالطاقة على المرضى الذين يعانون من بتر transfemoral. ويسلط الضوء على جانبين مهمين في الإعداد لدينا. أولا، ضمان سلامة موضوع تجنيد ضروري. وذلك لأن misclassifications في NMI (كمثال هو مبين في الشكل 5) أو أخطاء في السيطرة الذاتية قد تحدث في السيطرة بدلة مصممة في البداية، والتي يمكن أن تعكر صفو الاستقرار المشي للمستخدم بدلة (يتم الاحتفال به في هذه الدراسة على الرغم من أن ليس كل الأخطاء NMI يزعج المشي الاستقرار)، يؤدي إلى السقوط، وتهديد سلامتهم. وبالتالي، في الإعداد لدينا السور اليد تم تثبيتها لتضاريس متفاوتة. بالإضافة إلى ذلك، تم بناء سقف نظام السكك الحديدية مع تسخير سقوط اعتقال، الذي غطى المنطقة بأكملها التجريبية في المختبر وتم تطبيق الحد الأقصى لحماية سلامة الشخص المعني. الثانية، فمن الأهمية بمكان لتطوير الراحة وموثوق بها EMG اجهة المقبس الكهربائي. إدراج أجهزة الاستشعار في prosthمآخذ ETIC قد بناء ارتفاع الضغط أو الاحتكاك ضد مناطق معينة من أطرافه المتبقية، الأمر الذي يؤدي إلى عدم الراحة في المشي وضعف نمط المشية في هذا الموضوع. قد النهج التي تخفف الضغط / الاحتكاك، ومع ذلك، تسبب اتصال فضفاض بين الأقطاب والأطراف المتبقية، مما أدى إلى تسجيلات EMG صاخبة. في هذه الدراسة، قدمنا ​​واجهة المقبس الكهربائي الجديد القائم على أقطاب EMG اللاسلكية، التي تتيح جودة عالية في إشارات EMG للاعتراف دقيقة النية (كما هو موضح في الشكل 4)، وضيق مأخذ التعليق، وحسن راحة المستخدم. على الرغم من أن بعض المحادثات عبر لوحظت في عدد قليل من القنوات (أي قناة 3 و 6 في الشكل 4B)، لديهم تأثير يذكر على أداء NMI. فذلك لأن خوارزمية التعرف على الأنماط المصممة في NMI يبحث أنماط تنشيط عضلات متعددة لتتعرف على وضع النشاط. قد يكون هذا الإعداد أيضا الاستفادة البحوث السريرية أو المجموعات الأخرى، الذين يخططون للتحقيق في مuscle الملكية أو وظيفة في أطرافه المتبقية من مبتوري الأطراف السفلية أطرافهم.

من أجل تقييم كفاءة الساقين الاصطناعي تسيطر العصبي، وقد صممت التجارب التجريبية لتشمل جميع وسائط النشاط مدروسة والتحولات واسطة. من الجدير بالذكر أن المشية والتدريب ميزان أقل مبتوري الأطراف أطرافهم في استخدام الأطراف الاصطناعية بالطاقة ضروري قبل التجربة قدمت من أجل جعل NMI دقيقة في الاعتراف وضع النشاط المستخدم. هذا هو لأنه يتم استخدام نمط الاعتراف في منطقتنا NMI، الذي يعترف وضع النشاط المختلفة من خلال البحث في نمط EMG والإشارات الميكانيكية التي هي متسقة لوضع نشاط واحد ولكنها مختلفة من وسائط أخرى. الدورات التدريبية ضمان حصول المستخدمين على التكيف مع الأجهزة التي تعمل بالطاقة التي تعيد تعريف الديناميات في إنتاج نمط المشي والمشي متناسقة عند أداء نفس النشاط. بالإضافة إلى ذلك، لنفس الغرض، ينبغي إيلاء موضوع الساعة في بداية عمليeriment ليتأقلم مع بدلة بالطاقة وتحقيق نمط المشي على نحو سلس وثابت.

أخيرا، نريد أن نؤكد أن منصة مرنة الاختبار، الإعداد التجريبية، وبروتوكول التجريبية التي قدمت في هذه الدراسة كانت مفيدة لتطوير المختبرات وتقييم التحكم العصبي للأرجل اصطناعية بالطاقة. من أجل جعل الساقين نهائية اصطناعية تسيطر العصبي، عملية للاستخدام اليومي، والتنمية جزءا لا يتجزأ من منصة الهندسة وإجراء المعايرة سهلة الاستخدام والتقييم في البيئات الواقعية ضرورية في المستقبل. بالإضافة إلى ذلك، قدم التحكم العصبي في هذه الدراسة أولية وتستخدم للتدليل على وظيفة لدينا منصة الاختبار والتصميم التجريبي فقط؛ أنها ليست السيطرة النهائية لأجهزة تعمل بالطاقة كما أننا لم نلاحظ أخطاء في NMI التي تعطل نمط المشي من أقل مبتوري الأطراف أطرافهم، التي ينبغي القضاء عليها. تقديم برنامجنا والتقييم والإبلاغ عن إعداد بروتوكول جأدوات onvenient إلى زيادة الاستخدام الأمثل للتحكم والسيطرة العصبية الذاتية وتطوير الكترونية أقل بدلة الأطراف الحقيقية التي يمكن تشغيلها بسهولة من قبل المستخدمين، موثوق بها، وبشكل حدسي.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

أعلن عن أي تضارب في المصالح.

Acknowledgements

وأيد هذا العمل في جزء من المعاهد الوطنية للصحة في إطار منحة RHD064968A، في جزء منه من قبل مؤسسة العلوم الوطنية في إطار المنحة 0931820، 1149385 المنحة، ومنحة 1361549، وجزئيا من قبل المعهد الوطني للإعاقة وإعادة التأهيل تحت بحوث غرانت H133G120165. المؤلفين أشكر لين دو، أقرع وانغ وجيرالد Hefferman في جامعة رود آيلاند، ومايكل ج دير في دير تقويم العظام والأطراف الاصطناعية التكنولوجيا، ذ م م، لاقتراح عظيم والمساعدة في هذه الدراسة.

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

  1. The POWER KNEE. http://www.ossur.com/prosthetic-solutions/products/knees-and-legs/bionic-knees/power-knee (2014).
  2. Walk. BiOM Ankle System. http://www.biom.com (2014).
  3. Martinez-Villalpando, E. C., Herr, H. Agonist-antagonist active knee prosthesis: a preliminary study in level-ground walking. J Rehabil Res Dev. 46, 361-373 (2009).
  4. Sup, F., Bohara, A., Goldfarb, M. Design and Control of a Powered Transfemoral Prosthesis. Int J Rob Res. 27, 263-273 (2008).
  5. Au, S., Berniker, M., Herr, H. Powered ankle-foot prosthesis to assist level-ground and stair-descent gaits. Neural Netw. 21, 654-666 (2008).
  6. Hargrove, L. J., Simon, A. M., Lipschutz, R. D., Finucane, S. B., Kuiken, T. A. Real-time myoelectric control of knee and ankle motions for transfemoral amputees. JAMA. 305, 1542-1544 (2011).
  7. Ha, K. H., Varol, H. A., Goldfarb, M. Volitional control of a prosthetic knee using surface electromyography. IEEE Trans Biomed Eng. 58, 144-151 (2011).
  8. Huang, H., Kuiken, T. A., Lipschutz, R. D. A strategy for identifying locomotion modes using surface electromyography. IEEE Trans Biomed Eng. 56, 65-73 (2009).
  9. Huang, H., et al. Continuous Locomotion Mode Identification for Prosthetic Legs based on Neuromuscular-Mechanical Fusion. IEEE Trans Biomed Eng. 58, 2867-2875 (2011).
  10. Zhang, F., Dou, Z., Nunnery, M., Huang, H. Real-time implementation of an intent recognition system for artificial legs. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2011, 2997-3000 (2011).
  11. Zhang, F., Huang, H. Source Selection for Real-time User Intent Recognition towards Volitional. Control of Artificial Legs IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics. PP, (2013).
  12. Liu, M., Datseris, P., Huang, H. A prototype for smart prosthetic legs: analysis and mechanical design. Proceedings of the International Conference on Control, Robotics and Cybernetics. March 21-23, New Delhi, India, 139-143 (2011).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats