A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
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.
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.
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 9، 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.
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.
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
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.
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 ع?...
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 و?...
أعلن عن أي تضارب في المصالح.
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.
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 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved