Ce travail a été financé en partie par les Instituts nationaux de la santé en vertu de Grant RHD064968A, en partie par la National Science Foundation sous Grant 0931820, 1149385, Grant et Grant 1361549, et en partie par l&#39;Institut national de recherche sur le handicap et la réadaptation, subvention H133G120165. Les auteurs remercient Lin Du, Wang Ding et Gerald Hefferman à l&#39;Université de Rhode Island, et Michael J. couvent au couvent Orthèses et prothèses Technology, LLC, pour leur excellente suggestion et de l&#39;aide dans cette étude.

1. Plate-forme pour la mise en œuvre de Neural contrôle des Propulsé Prothèses transfémoraux Une plate-forme d&#39;ingénierie a été développé dans cette étude pour mettre en œuvre et évaluer le contrôle neural de jambes artificielles alimentées. Le matériel comprenait un PC de bureau avec 2,8 GHz et 4 Go de RAM, une carte d&#39;acquisition de données multi-fonctionnel avec deux convertisseurs analogique-numérique (CAN) et les convertisseurs numérique-analogique (DAC), un contrôleur de moteur, je numérique / S, et une prothèse transfémorale alimenté prototype conçu dans notre groupe 12. Les entrées de capteurs analogiques ont d&#39;abord été numérisées par les ADC et diffusés dans le PC de bureau pour le traitement du signal. Le CMV a été utilisé pour la sortie de commande pour entraîner le moteur à courant continu dans la prothèse à travers un contrôleur de moteur. E / S numériques ont été utilisés pour activer / désactiver le contrôleur de moteur. La prothèse a été effectuée attaché à l&#39;ordinateur de bureau et alimenté par une alimentation de 24 V. Le logiciel a été programmé en annonceenvironnement de éveloppement approprié pour l&#39;instrumentation virtuelle s&#39;exécutant sur le PC de bureau. L&#39;environnement de développement est basée sur l&#39;instrumentation virtuelle, qui combine efficacement les logiciels et le matériel défini par l&#39;utilisateur à mettre en œuvre la plate-forme personnalisée. En utilisant la structure d&#39;un bloc-diagramme graphique, les différents noeuds de fonction modulaire peut être facilement et efficacement mis en oeuvre et mis à jour. Afin de démontrer la fonction de plate-forme pour le contrôle en ligne des jambes artificielles motorisés, préalablement conçu un contrôle de la prothèse a été mise en œuvre sur cette plate-forme. Le système de commande comprend un contrôleur de neurones et un contrôleur intrinsèque. Le contrôleur neuronal est composée de notre précédente NMI conçu sur la base neuromusculaire mécanique fusion, qui a reconnu le mode de l&#39;activité de l&#39;utilisateur. Le contrôleur de neurones en tant que contrôleur de haut niveau a été hiérarchiquement connecté avec le contrôle intrinsèque pour alimenté inférieure contrôle de prothèse de membre. L&#39;architecture de suitelogiciel rol sur la plate-forme est illustrée dans la Figure 1 Le NMI comprend deux parties:. déconnecté modules de formation et des modules de test en ligne. Le module de formation en ligne a été conçue pour recueillir des données de formation et de construire les classificateurs dans NMI. Les signaux multicanaux EMG de surface prélevés et mesures mécaniques ont d&#39;abord été prétraitées et segmentés en fenêtres coulissantes en continu. Dans chaque fenêtre, traits qui caractérisent les modèles de signaux ont été extraites et ensuite fusionnés en un vecteur de caractéristiques. Le vecteur de caractéristique dans chaque fenêtre a été marqué avec les modes d&#39;activité (classes) et l&#39;indice de phase sur la base des activités du spectacle de l&#39;utilisateur de la prothèse et les états de la prothèse lors de la collecte de données de formation. Les vecteurs de caractéristiques marquées ont été ensuite utilisées pour construire un modèle de classification dépendant de la phase, qui contient plusieurs sous-classificateurs corrélés avec des phases individuellement. Le classificateur créé a été enregistré et transféré au module de test en ligne pour l&#39;évaluation en ligne plus tard. &lt;/ P&gt; Le module d&#39;essai en ligne a été utilisée pour reconnaître ligne mouvement l&#39;intention de l&#39;utilisateur et changer les modes d&#39;activité en contrôleur intrinsèque. Le neuromusculaire multicanal et mesures mécaniques ont été diffusées simultanément dans le module d&#39;essai en ligne et transformés en vecteurs de caractéristiques. Ensuite, les vecteurs de caractéristiques ont été introduits dans le séparateur de phase-dépendants qui a déjà été construite dans le module d&#39;entraînement hors-ligne. Sur la base de la phase actuelle de contrôleur intrinsèque, le sous-classificateur correspondant a été allumé et utilisé pour reconnaître l&#39;intention de l&#39;utilisateur. La sortie de classification a en outre été post-traitée et envoyée au contrôleur intrinsèque de changer de mode d&#39;activité. Contrôleur d&#39;impédance Une machine à états finis (FSM) a été mis en fonction pour le contrôle intrinsèque de jambes artificielles alimentées. Le contrôleur d&#39;impédance souhaitée générée sortie de couple sur l&#39;articulation du genou. La machine à états finis ajustée à l&#39;impédance d&#39;articulation selon l&#39;l&#39;état actuel de l&#39;activité du spectacle. Pour les activités de locomotion (c&#39;est à dire de marche au niveau du sol et la rampe de montée / descente), le FSM est composée de cinq états correspondant à cinq phases de la démarche: la position de flexion (STF), l&#39;extension de la position (STE), pré-battantes (PSW), balançoire flexion ( SWF), et l&#39;extension de swing (SWE); pour debout statique, le FSM comprenait deux phases: palier de poids (BM) et non-port de poids (NWB). Transitions entre les états ont été déclenchées par la force de réaction du sol et la position du genou. La transition entre les modes d&#39;activité a été commandé par la sortie du module de test en ligne. Pour les trois modules évoqués ci-dessus, l&#39;interface utilisateur graphique (GUI) ont été construits, ce qui a permis expérimentateurs dans le laboratoire d&#39;ajuster facilement les paramètres de contrôle, les performances du système de surveillance, et mener des expériences d&#39;évaluation. 2. Installation expérimentale <ol><li> électromyographie de surface (EMG de surface) signaux d&#39;EMG de surface des muscles de la cuisse de l&#39;amputé subjectR17; s moignon sont enregistrées par un système d&#39;acquisition sans fil EMG. Les muscles de la cuisse ciblées inclus le droit antérieur (RF), laeralis vaste externe (VL), vaste médial (VM), biceps fémoral longue (BFL), couturier (SAR), magnus-tendineux (SEM), et adducteurs (ADM). Il est à noter que le ciblage précisément le muscle spécifique n&#39;est pas nécessaire, car 8 l&#39;algorithme de reconnaissance de formes utilisé dans les recherches sur NMI modèles d&#39;activation de plusieurs muscles à reconnaître le mode d&#39;activité. Tant que les informations de contrôle neuromusculaire mesurée pour la hanche et le genou commande est suffisante, croisées pourparlers entre les enregistrements EMG ont peu d&#39;impact sur la performance de la MNI. <ol><li> Demandez au sujet de réaliser hanche flexion / extension, la hanche en adduction / abduction, et tenter de fléchir / étendre l&#39;articulation du genou amputé quand il est en position debout. </li><li> Rapprocher et déterminer les emplacements de positionnement des électrodes par le muscle palpation uned examen des enregistrements EMG. </li><li> Incluez les électrodes dans une nouvelle interface électrode-socket EMG conçu, comme le montre la figure 2, pour le confort du sujet et fiable de contact électrode-peau. </li></ol></li><li> Mesures mécaniques de la prothèse Powered Les forces de réaction au sol et les moments mécaniques mesurées par un capteur à 6 degrés de liberté à partir du pylône prothétique sont fusionnées avec des signaux EMG de reconnaître le mouvement de l&#39;intention du sujet. En outre, un potentiomètre est instrumenté sur l&#39;articulation du genou pour mesurer l&#39;angle d&#39;articulation de genou et d&#39;un codeur est relié au moteur à courant continu pour calculer la vitesse angulaire du genou. Ces mesures sont utilisées comme signaux de retour pour le contrôle intrinsèque. <ol><li> Monter une cellule de charge à six degrés de liberté sur le pylône prothétique. </li><li> Aligner l&#39;axe X, l&#39;axe Y et l&#39;axe Z de la cellule de charge avec la direction médio-latérale, de la direction antéro-postérieure et la direction superoinferior de la prothèse, respectivementment. </li></ol></li><li> Laboratoire de l&#39;environnement d&#39;installation Afin d&#39;évaluer le contrôle neural de jambes artificielles alimentées sur amputés transfémoraux, un parcours d&#39;obstacles a été construit dans le laboratoire, comme le montre la figure 3. L&#39;environnement de test inclus 5 m passerelle droite, une longue rampe de 4 m avec une inclinaison angle de 8 °, et une plate-forme au niveau de la rampe solidement fixé. Le long de la rampe, garde-corps ont été installés pour améliorer la sécurité de l&#39;objet. En outre, un système de rail de plafond avec un harnais antichute a été prévu pour protéger l&#39;objet de tomber pendant l&#39;expérience. </li></ol> 3. Protocole expérimental Cette étude a été réalisée avec l&#39;approbation de l&#39;Institutional Review Board (IRB) de l&#39;Université de Rhode Island et avec le consentement éclairé du sujet recruté. Un mâle transfémoral unilatérale amputé (cause de l&#39;amputation: traumatisme, âge: 57 ans, la durée de l&#39;amputation: 32 annéess) a été recruté dans cette étude. Le rapport entre la longueur du membre résiduel (mesuré à partir de la tubérosité ischiatique à l&#39;extrémité distale du membre résiduel) à la longueur de la partie non réduite (mesurée à partir de la tubérosité ischiatique de l&#39;épicondyle fémoral) était de 51%. Le sujet porte une prothèse du genou microprocesseur par une prise de suspension d&#39;aspiration dans sa vie quotidienne. Avant l&#39;expérience dans cette étude, ce sujet a reçu plusieurs sessions de formation dirigées par un physiothérapeute afin de laisser le sujet à s&#39;adapter à l&#39;appareil sous tension et calibrer l&#39;impédance souhaitée dans chaque mode d&#39;activité. <ol><li> Préparation Objet <ol><li> Mesurer le poids, la hauteur de l&#39;objet, et enregistrer son sexe et l&#39;âge. </li><li> Demandez au sujet de mettre sur ses propres courts métrages dans une salle de préparation privé. </li><li> Mettez un harnais antichute de taille équipée sur le sujet et l&#39;attacher au système de rail de plafond. </li></ol></li><li> Préparation pour l&#39;enregistrement EMG <ol><li> Sélectionner sept capteurs EMG sans fil à pleine charge et allumez-les. </li><li> Placez les capteurs EMG dans la prise d&#39;aspiration adapté à des emplacements préparés. Notez le numéro de commande des capteurs et les associer à des endroits EMG. </li><li> Nettoyer la peau de moignon de sujet avec des tampons d&#39;alcool isopropylique. </li><li> Aider le sujet à enfiler la prise d&#39;aspiration et vérifiez que la prise est fermement attaché à moignon du sujet. </li><li> Mettez le logiciel en temps réel des données EMG analogique en streaming. </li><li> Demandez au sujet de réaliser hanche flexion / extension, la hanche en adduction / abduction, et le genou flexion / extension et examiner signaux EMG pour vérifier EMG contact des électrodes et la transmission de données. </li></ol></li><li> Alignement et étalonnage initial de prothèse de jambe Powered <ol><li> Demandez le sujet à rester dans une position debout tout en maintenant un marcheur assistance. </li><li> Fixer la prothèse motorisée à la prise d&#39;aspiration avec une adaptation de la pyramideteur. Ajuster un ensemble de vis à rotation sur l&#39;adaptateur jusqu&#39;à ce que la position de la prothèse est géométriquement aligné avec la douille. Cette procédure a été réalisée par un prothésiste. </li><li> Demandez au sujet de soulever la prothèse sur le sol et de calibrer la cellule de charge sur le pylône prothétique. </li><li> Demandez le sujet à pratiquer la marche sur des terrains différents (par exemple, au niveau du sol, rampe montée, et la rampe de descente) en portant la prothèse de jambe motorisée. Cette procédure se poursuit jusqu&#39;à ce que le sujet se sent en confiance à marcher avec l&#39;appareil sous tension et les rendements schéma de marche cohérente dans chaque représentation de l&#39;activité. </li></ol></li><li> Formation Collecte de données pour les classificateurs Formation en NMI <ol><li> Charger l&#39;objet à monter sur le lieu de départ d&#39;un chemin de marche prédéfini, comme le montre la figure 3. </li><li> Mettez la prothèse motorisée et charger les paramètres dans le contrôleur intrinsèque. </li><li> Exécuter une collecte de données de formation comprogramme informatique et définir le contrôle intrinsèque au mode debout en cliquant sur le bouton &quot;Debout&quot; sur l&#39;interface utilisateur graphique (GUI). </li><li> Commencer la collecte de données en cliquant sur le bouton &quot;Start Recording&quot; dans l&#39;interface graphique. Demandez le sujet à rester en position debout pendant 5 sec. </li><li> Demandez l&#39;objet de marcher sur un sol de niveau à son / sa vitesse de marche auto-sélectionné; en même temps, cliquez sur le bouton &quot;marche&quot; sur l&#39;interface graphique avant décollement des orteils de la jambe de premier plan du sujet et réglez la commande intrinsèque au mode de marche niveau-sol. </li><li> Lorsque le sujet a été s&#39;approche du bord de la rampe ascension, cliquez sur le bouton &quot;Montée rampe&quot; sur l&#39;interface graphique avant le décollement des orteils de la jambe prothétique de marcher sur la rampe et passer le contrôle intrinsèque à la rampe mode montée. Par mesure de sécurité, laisser le sujet à utiliser une main courante lors de la marche sur une rampe. </li><li> Lorsque le sujet est à la fin de la rampe, cliquez sur le bouton &quot;marche&quot;nouveau avant la grève de talon de la jambe prothétique de monter sur la plate-forme de niveau et passer le contrôle intrinsèque de la prothèse en mode de marche au niveau du sol. </li><li> A la fin de la trajectoire de marche, donne instruction au sujet de s&#39;arrêter et de rester en position debout. Dans le même temps, cliquez sur le bouton &quot;permanent&quot; avant la phase à double position et passer le contrôle intrinsèque revenir au mode debout. </li><li> Après environ 5 secondes, mettre fin à la collecte de données en cliquant sur le bouton &quot;Stop&quot;. Étiquette de recueillir des données comme des «données de formation mis en 1&quot;. </li><li> Répétez la procédure 3.4.4-3.4.9 lorsque le sujet marche dans un chemin inverse de retour au point de départ; la seule différence est de changer le contrôle intrinsèque à la rampe mode de descente lorsque le sujet marche sur la rampe vers le bas. </li><li> Répétez jusqu&#39;à ce que 3.4.4-3.4.10 dix ensembles de données complets de formation sont collectées. Examiner la qualité des données collectées formation ensemble de signaux. </li><li> Permettre à la personne d&#39;avoir une période de repos après ee collecte de données session. </li><li> Former les classificateurs de reconnaissance de formes dans NMI via déconnecté module de formation (figure 1). Utilisez l&#39;EMG recueillis et signaux mécaniques, les modes d&#39;activité (classes) marqués au cours de la procédure de formation, et détecté phases de construire les classificateurs de modèle dépendant de la phase. Sauvegarder les paramètres des classificateurs automatiquement plus tard séance de tests en ligne. </li></ol></li><li> Tests en ligne de Contrôle neural de Powered Transfemoral Prothèse <ol><li> Demandez le sujet à se tenir au point de la trajectoire de la marche de départ. </li><li> Mettez la prothèse motorisée. Chargez le classificateur formés au module d&#39;essai en ligne et les paramètres de la commande intrinsèque. </li><li> Demandez le sujet pour commencer les essais de test dans une position debout, puis la transition continue de la marche au niveau du sol, rampe marche, au niveau du sol marche, et finalement arrêter et terminer cet essai à la fin du chemin à pied. Demandez le sujeteffectuer chaque activité à un rythme confortable. Permettent des périodes de repos entre les essais pour éviter la fatigue. </li><li> Au cours de chaque essai de test, voir les modes d&#39;activité de la prothèse du genou et des lectures d&#39;angle commune sur un écran de télévision. Enregistrer toutes les mesures et les sorties de contrôle à des fins d&#39;évaluation plus tard. </li><li> Répétez les étapes 3.5.1-3.5.4 jusqu&#39;à dix essais de tests complets sont finis. </li></ol></li></ol>

<ol>
	<li>Martinez-Villalpando, E. C., Herr, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Agonist-antagonist+active+knee+prosthesis:+a+preliminary+study+in+level-ground+walking.">Agonist-antagonist active knee prosthesis: a preliminary study in level-ground walking.</a> J Rehabil Res Dev. 46, 361-373 (2009).</li><li>Sup, F., Bohara, A., Goldfarb, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+Control+of+a+Powered+Transfemoral+Prosthesis.">Design and Control of a Powered Transfemoral Prosthesis.</a> Int J Rob Res. 27, 263-273 (2008).</li><li>Au, S., Berniker, M., Herr, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Powered+ankle-foot+prosthesis+to+assist+level-ground+and+stair-descent+gaits.">Powered ankle-foot prosthesis to assist level-ground and stair-descent gaits.</a> Neural Netw. 21, 654-666 (2008).</li><li>Hargrove, L. J., Simon, A. M., Lipschutz, R. D., Finucane, S. B., Kuiken, T. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+myoelectric+control+of+knee+and+ankle+motions+for+transfemoral+amputees.">Real-time myoelectric control of knee and ankle motions for transfemoral amputees.</a> JAMA. 305, 1542-1544 (2011).</li><li>Ha, K. H., Varol, H. A., Goldfarb, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Volitional+control+of+a+prosthetic+knee+using+surface+electromyography.">Volitional control of a prosthetic knee using surface electromyography.</a> IEEE Trans Biomed Eng. 58, 144-151 (2011).</li><li>Huang, H., Kuiken, T. A., Lipschutz, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+strategy+for+identifying+locomotion+modes+using+surface+electromyography.">A strategy for identifying locomotion modes using surface electromyography.</a> IEEE Trans Biomed Eng. 56, 65-73 (2009).</li><li>Huang, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Continuous+Locomotion+Mode+Identification+for+Prosthetic+Legs+based+on+Neuromuscular-Mechanical+Fusion.">Continuous Locomotion Mode Identification for Prosthetic Legs based on Neuromuscular-Mechanical Fusion.</a> IEEE Trans Biomed Eng. 58, 2867-2875 (2011).</li><li>Zhang, F., Dou, Z., Nunnery, M., Huang, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+implementation+of+an+intent+recognition+system+for+artificial+legs.">Real-time implementation of an intent recognition system for artificial legs.</a> Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2011, 2997-3000 (2011).</li><li>Zhang, F., Huang, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Source+Selection+for+Real-time+User+Intent+Recognition+towards+Volitional.">Source Selection for Real-time User Intent Recognition towards Volitional.</a> Control of Artificial Legs IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics. PP, (2013).</li><li>Liu, M., Datseris, P., Huang, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+prototype+for+smart+prosthetic+legs:+analysis+and+mechanical+design.">A prototype for smart prosthetic legs: analysis and mechanical design.</a> Proceedings of the International Conference on Control, Robotics and Cybernetics. , 139-143 (2011).</li></ol>

Aucun conflit d&#39;intérêt déclaré.

Une plate-forme d&#39;ingénierie a été développé dans cette étude pour mettre en œuvre facilement, optimiser et développer un véritable contrôle neuronal des prothèses actives. L&#39;ensemble de la plate-forme a été programmé dans un environnement de développement basé sur l&#39;instrumentation virtuelle et mis en œuvre sur un PC de bureau. Le logiciel de commande est composé de plusieurs modules indépendants et interchangeables, dans chacune desquelles une fonctionnalité spécifique a été exécut?...

Propulsé prothèses des membres inférieurs ont gagné une attention croissante à la fois dans le marché commercial de 1,2 et de la recherche 3-5. Par rapport à des prothèses de jambes passives traditionnelles, les prothèses articulaires motorisées ont l&#39;avantage de permettre amputés des membres inférieurs de fonctionner plus efficacement des activités qui sont difficiles ou impossibles lorsque l&#39;on porte des dispositifs passifs. Toutefois, actuellement, la transition sans heurt activité (par exemple, du niveau de rez-de-pied de l&#39;escalier montée) est toujours une question difficile pour les motorisés utilisateurs de prothèse de jambe. Cette difficulté est due principalement à l&#39;absence d&#39;une interface homme-machine qui peut «lire» le mouvement de l&#39;intention de l&#39;utilisateur et rapidement ajuster les paramètres de contrôle de la prothèse afin de permettre aux utilisateurs de basculer de façon transparente le mode d&#39;activité. Pour relever ces défis, diverses approches dans la conception de l&#39;interface homme-machine ont été explorées. Dans lequel NMI basé sur électromyographique (ESignaux MG) ​​a démontré un grand potentiel pour permettre un contrôle intuitif de motorisés prothèses des membres inférieurs. Deux études récentes ont rapporté 6,7 décoder le mouvement prévu du genou manquant d&#39;amputés transfémoraux en surveillant les signaux EMG enregistrées à partir de muscles résiduels au cours d&#39;une position assise. Au et al. 5 utilisé signaux EMG mesurés à partir de muscles de jambe résiduels d&#39;identifier deux modes de locomotion (marche au niveau du sol et escalier de descente) d&#39;un amputé tibial. Huang et al. 8 a proposé un modèle EMG approche de reconnaissance dépendant de la phase qui peut reconnaître sept modes d&#39;activité avec environ 90% de précision comme l&#39;a démontré sur deux amputés transfémoraux. Pour mieux améliorer la performance intention de reconnaissance, une NMI basé sur la fusion neuromusculaire-mécanique a été conçu dans notre groupe 9 et en ligne une évaluation sur amputés transfémoraux portant des prothèses de jambes passives de reconnaissance intention 10,11. Cette NMI peut identifier avec précisionLes activités prévues de l&#39;utilisateur et de prédire les transitions d&#39;activité 9, ce qui est potentiellement utile pour le contrôle neural de jambes artificielles alimentées. La question actuelle nous sommes confrontés est de savoir comment intégrer notre NMI dans le système de contrôle de la prothèse afin de permettre le fonctionnement de la prothèse intuitive et assurer la sécurité de l&#39;utilisateur. Développer des jambes artificielles neurale contrôlées véritables nécessite une plate-forme flexible dans le laboratoire pour la mise en œuvre et l&#39;optimisation des algorithmes de contrôle de la prothèse facile. Par conséquent, l&#39;objectif de cette étude est de rapporter une plate-forme d&#39;ingénierie souple développée dans notre laboratoire pour tester et optimiser les algorithmes de contrôle de la prothèse. En outre, le nouveau dispositif expérimental et protocole sont présentées pour évaluer les prothèses transfémoraux alimentés neurale contrôlées chez les patients ayant subi une amputation des membres inférieurs en toute sécurité et efficacement. La plate-forme et la conception expérimentale présentée dans cette étude pourraient bénéficier le déve avenirment de jambes artificielles, véritables neurale contrôlées alimentés.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="823">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:248px;">Trigno Wireless EMG Sensors</td>
			<td style="width:221px;">Delsys, Inc.</td>
			<td style="width:143px;">7</td>
			<td style="width:211px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:248px;">Trigno Wireless EMG Base Station</td>
			<td style="width:221px;">Delsys, Inc.</td>
			<td style="width:143px;">1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:248px;">Multi-functional DAQ card (PCI-6259)</td>
			<td style="width:221px;">National Instruments, Inc.</td>
			<td style="width:143px;">1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:248px;">Potentiometer (RDC503013A)</td>
			<td style="width:221px;">ALPS Electric CO., LTD</td>
			<td style="width:143px;">1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:248px;">Encoder (MR series)</td>
			<td style="width:221px;">Maxon Precision Motors, Inc.</td>
			<td style="width:143px;">1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Motor controller (ADS50/10)&#160;</td>
			<td style="width:221px;">Maxon Precision Motors, Inc.</td>
			<td style="width:143px;">1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:248px;">24 V Power Supply (DPP480)</td>
			<td style="width:221px;">TDK-Lambda Americas, Inc.</td>
			<td style="width:143px;">1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:248px;">6 DOF Load Cell (Mini58)</td>
			<td style="width:221px;">ATI Industrial Automation</td>
			<td style="width:143px;">1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:248px;">Ceiling Rail System</td>
			<td style="width:221px;">RoMedic, Inc.</td>
			<td style="width:143px;">1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:248px;">NI LabView 2011</td>
			<td style="width:221px;">National Instruments, Inc.</td>
			<td style="width:143px;">1</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

engineering platform and experimental protocol for design and evaluation of a neurally-controlled powered transfemoral prosthesis

Pour permettre une utilisation intuitive de jambes artificielles alimentées, une interface entre l&#39;utilisateur et la prothèse qui peut reconnaître le mouvement de l&#39;intention de l&#39;utilisateur est souhaitée. Une interface neuronale machine roman (NMI) basé sur la fusion neuromusculaire-mécanique développé dans notre étude précédente a démontré un grand potentiel d&#39;identifier avec précision le mouvement prévu du amputés transfémoraux. Cependant, cette interface n&#39;a pas encore été intégré à une prothèse de jambe motorisée pour un véritable contrôle neural. Cette étude visait à signaler (1) une plate-forme flexible pour mettre en œuvre et optimiser le contrôle neuronal des alimenté prothèse de membre inférieur et (2) un dispositif expérimental et protocole pour évaluer le contrôle de prothèse neurale chez des patients ayant subi une amputation d&#39;un membre inférieur. D&#39;abord une plate-forme basée sur un PC et un environnement de programmation visuelle ont été développés pour mettre en œuvre les algorithmes de contrôle de la prothèse, y compris algorithme NMI de formation, NMI algorithme de test en ligne, et l&#39;algorithme de contrôle intrinsèque. Pour démontrer l&#39;fonction de cette plate-forme, dans cette étude, le NMI basé sur la fusion neuromusculaire-mécanique a été hiérarchiquement intégré avec contrôle intrinsèque d&#39;une prothèse transfémorale prototype. Un patient avec une amputation transfémorale unilatérale a été recruté pour évaluer notre contrôleur neuronal mis en œuvre lors de l&#39;exécution des activités, telles que la capacité, au niveau du sol marche, rampe montée, et la rampe de descente en continu dans le laboratoire. Un roman expérimental et protocole ont été élaborées afin de tester le nouveau contrôle de la prothèse en toute sécurité et efficacement. La plate-forme présentée la preuve de concept et expérimental et protocole pourraient aider au développement et à l&#39;application future de jambes artificielles alimentées neurale contrôlées.

La figure 4a montre sept canaux de signaux EMG de surface mesurés à partir des muscles de la cuisse du membre résiduel du sujet quand il a exécuté la hanche flexion / extension, tel que décrit dans le protocole 3.2.6. Figure 4b montre six cycles démarche de signaux EMG enregistrées lorsque le sujet marche sur un chemin de marche au niveau du sol, au cours de protocole 3.3.4. De cette figure, on peut voir que la nouvelle interface électrode-socket EMG conçu peut fournir une bon...

Watch this Scientific Journal Video about Engineering Platform and Experimental Protocol for Design and Evaluation of a Neurally-controlled Powered Transfemoral Prosthesis at JoVE.com

Engineering Platform and Experimental Protocol for Design and Evaluation of a Neurally-controlled Powered Transfemoral Prosthesis

Interfaces Neural-machine (INM) ont été développés pour identifier le mode de locomotion de l&#39;utilisateur. Ces laboratoires nationaux de métrologie sont potentiellement utiles pour le contrôle neural de jambes artificielles alimentées, mais n&#39;ont pas été pleinement démontrée. Ce document présenté (1) notre plate-forme d&#39;ingénierie conçu pour la mise en œuvre facile et le développement du contrôle neuronal pour motorisés prothèses des membres inférieurs et (2) un dispositif expérimental et protocole dans un environnement de laboratoire pour évaluer jambes artificielles neurale contrôlées chez les patients avec des amputations des membres inférieurs en toute sécurité et efficacement.

Plate-forme d&#39;ingénierie et de protocole expérimental pour la conception et l&#39;évaluation d&#39;un Propulsé Transfemoral Prothèse Neurally contrôlée

To enable intuitive operation of powered artificial legs, an interface between user and prosthesis that can recognize the user's movement intent is ...

engineering-platform-experimental-protocol-for-design-evaluation

Research

JoVE Journal

Bioengineering

16.2K vues.  North Carolina State University & University of North Carolina at Chapel Hill.  Interfaces Neural-machine (INM) ont été développés pour identifier le mode de locomotion de l'utilisateur. Ces laboratoires nationaux de métrologie sont potentiellement utiles pour le contrôle neural de jambes artificielles alimentées, mais n'ont pas été pleinement démontrée. Ce document présenté (1) notre plate-forme d'ingénierie conçu pour la mise en œuvre facile et le développement du contrôle neuronal pour motorisés prothèses des membr...

Vidéo: Engineering Platform and Experimental Protocol for Design and Evaluation of a Neurally-controlled Powered Transfemoral Prosthesis

Environmentally-controlled Microtensile Testing of Mechanically-adaptive Polymer Nanocomposites for ex vivo Characterization

Implantable microdevices are gaining significant attention for several biomedical applications1-4. Such devices have been made from a range of materials, each offering its own advantages and shortcomings5,6. Most prominently, due to the microscale device dimensions, a high modulus is required to facilitate implantation into living tissue. Conversely, the stiffness of the device should match the surrounding tissue to minimize induced local strain7-9. Therefore, we recently developed a new class of bio-inspired materials to meet these requirements by responding to environmental stimuli with a change in mechanical properties10-14. Specifically, our poly(vinyl acetate)-based nanocomposite (PVAc-NC) displays a reduction in stiffness when exposed to water and elevated temperatures (e.g. body temperature). Unfortunately, few methods exist to quantify the stiffness of materials in vivo15, and mechanical testing outside of the physiological environment often requires large samples inappropriate for implantation. Further, stimuli-responsive materials may quickly recover their initial stiffness after explantation. Therefore, we have developed a method by which the mechanical properties of implanted microsamples can be measured ex vivo, with simulated physiological conditions maintained using moisture and temperature control13,16,17. 
To this end, a custom microtensile tester was designed to accommodate microscale samples13,17 with widely-varying Young's moduli (range of 10 MPa to 5 GPa). As our interests are in the application of PVAc-NC as a biologically-adaptable neural probe substrate, a tool capable of mechanical characterization of samples at the microscale was necessary. This tool was adapted to provide humidity and temperature control, which minimized sample drying and cooling17. As a result, the mechanical characteristics of the explanted sample closely reflect those of the sample just prior to explantation.
The overall goal of this method is to quantitatively assess the in vivo mechanical properties, specifically the Young's modulus, of stimuli-responsive, mechanically-adaptive polymer-based materials. This is accomplished by first establishing the environmental conditions that will minimize a change in sample mechanical properties after explantation without contributing to a reduction in stiffness independent of that resulting from implantation. Samples are then prepared for implantation, handling, and testing (Figure 1A). Each sample is implanted into the cerebral cortex of rats, which is represented here as an explanted rat brain, for a specified duration (Figure 1B). At this point, the sample is explanted and immediately loaded into the microtensile tester, and then subjected to tensile testing (Figure 1C). Subsequent data analysis provides insight into the mechanical behavior of these innovative materials in the environment of the cerebral cortex.

Environmentally-controlled Microtensile Testing of Mechanically-adaptive Polymer Nanocomposites for ex vivo Characterization

A method is discussed by which the in vivo mechanical behavior of stimuli-responsive materials is monitored as a function of time. Samples are tested ex vivo using a microtensile tester with environmental controls to simulate the physiological environment. This work further promotes understanding the in vivo behavior of our material.

Test de microtension environnement contrôlé de nanocomposites polymères mécaniquement adaptatifs pour<em&gt; Ex vivo</em&gt; Caractérisation

Implantable microdevices are gaining significant attention for several biomedical applications1-4. Such devices have been made from a range of materials, ...

Recherche

Bio-ingénierie

Design of a Biaxial Mechanical Loading Bioreactor for Tissue Engineering

We designed a loading device that is capable of applying uniaxial or biaxial mechanical strain to a tissue engineered biocomposites fabricated for transplantation. While the device primarily functions as a bioreactor that mimics the native mechanical strains, it is also outfitted with a load cell for providing force feedback or mechanical testing of the constructs. The device subjects engineered cartilage constructs to biaxial mechanical loading with great precision of loading dose (amplitude and frequency) and is compact enough to fit inside a standard tissue culture incubator. It loads samples directly in a tissue culture plate, and multiple plate sizes are compatible with the system. The device has been designed using components manufactured for precision-guided laser applications. Bi-axial loading is accomplished by two orthogonal stages. The stages have a 50 mm travel range and are driven independently by stepper motor actuators, controlled by a closed-loop stepper motor driver that features micro-stepping capabilities, enabling step sizes of less than 50 nm. A polysulfone loading platen is coupled to the bi-axial moving platform. Movements of the stages are controlled by Thor-labs Advanced Positioning Technology (APT) software. The stepper motor driver is used with the software to adjust load parameters of frequency and amplitude of both shear and compression independently and simultaneously. Positional feedback is provided by linear optical encoders that have a bidirectional repeatability of 0.1 &mu;m and a resolution of 20 nm, translating to a positional accuracy of less than 3 &mu;m over the full 50 mm of travel. These encoders provide the necessary position feedback to the drive electronics to ensure true nanopositioning capabilities. In order to provide the force feedback to detect contact and evaluate loading responses, a precision miniature load cell is positioned between the loading platen and the moving platform. The load cell has high accuracies of 0.15% to 0.25% full scale.

We designed a novel mechanical loading bioreactor that can apply uniaxial or biaxial mechanical strain to a cartilage biocomposite prior to transplantation into an articular cartilage defect.

Conception d&#39;un bioréacteur de chargement mécanique biaxial pour l&#39;ingénierie tissulaire

We  designed a loading device that is capable of applying uniaxial or biaxial  mechanical strain to a tissue engineered biocomposites fabricated for  ...

A Protocol for Bioinspired Design: A Ground Sampler Based on Sea Urchin Jaws

Bioinspired design is an emerging field that takes inspiration from nature to develop high-performance materials and devices. The sea urchin mouthpiece, known as the Aristotle's lantern, is a compelling source of bioinspiration with an intricate network of musculature and calcareous teeth that can scrape, cut, chew food and bore holes into rocky substrates. We describe the bioinspiration process as including animal observation, specimen characterization, device fabrication and mechanism bioexploration. The last step of bioexploration allows for a deeper understanding of the initial biology. The design architecture of the Aristotle's lantern is analyzed with micro-computed tomography and individual teeth are examined with scanning electron microscopy to identify the microstructure. Bioinspired designs are fabricated with a 3D printer, assembled and tested to determine the most efficient lantern opening and closing mechanism. Teeth from the bioinspired lantern design are bioexplored via finite element analysis to explain from a mechanical perspective why keeled tooth structures evolved in the modern sea urchins we observed. This circular approach allows for new conclusions to be drawn from biology and nature.

A protocol for bioinspired design is described for a sampling device based on the jaws of a sea urchin. The bioinspiration process includes observing the sea urchins, characterizing the mouthpiece, 3D printing of the teeth and their assembly, and bioexploring the tooth structure.

Un protocole pour bioinspirée Conception: Rez-de-Sampler Basé sur Sea Urchin Jaws

Bioinspired design is an emerging field that takes inspiration from nature to develop high-performance materials and devices. The sea urchin mouthpiece, ...

A Microfluidic Platform for High-throughput Single-cell Isolation and Culture

Studying the heterogeneity of single cells is crucial for many biological questions, but is technically difficult. Thus, there is a need for a simple, yet high-throughput, method to perform single-cell culture experiments. Here, we report a microfluidic chip-based strategy for high-efficiency single-cell isolation (~77%) and demonstrate its capability of performing long-term single-cell culture (up to 7 d) and cellular heterogeneity analysis using clonogenic assay. These applications were demonstrated with KT98 mouse neural stem cells, and A549 and MDA-MB-435 human cancer cells. High single-cell isolation efficiency and long-term culture capability are achieved by using different sizes of microwells on the top and bottom of the microfluidic channel. The small microwell array is designed for precisely isolating single-cells, and the large microwell array is used for single-cell clonal culture in the microfluidic chip. This microfluidic platform constitutes an attractive approach for single-cell culture applications, due to its flexibility of adjustable cell culture spaces for different culture strategies, without decreasing isolation efficiency.

Here, we present a protocol for isolating and culturing single cells with a microfluidic platform, which utilizes a new microwell design concept to allow for high-efficiency single cell isolation and long-term clonal culture.

Une plate-forme microfluidique pour l&#39;isolement à haut débit unique cellule et Culture

Studying the heterogeneity of single cells is crucial for many biological questions, but is technically difficult. Thus, there is a need for a simple, yet ...

An Experimental and Finite Element Protocol to Investigate the Transport of Neutral and Charged Solutes across Articular Cartilage

Osteoarthritis (OA) is a debilitating disease that is associated with degeneration of articular cartilage and subchondral bone. Degeneration of articular cartilage impairs its load-bearing function substantially as it experiences tremendous chemical degradation, i.e. proteoglycan loss and collagen fibril disruption. One promising way to investigate chemical damage mechanisms during OA is to expose the cartilage specimens to an external solute and monitor the diffusion of the molecules. The degree of cartilage damage (i.e. concentration and configuration of essential macromolecules) is associated with collisional energy loss of external solutes while moving across articular cartilage creates different diffusion characteristics compared to healthy cartilage. In this study, we introduce a protocol, which consists of several steps and is based on previously developed experimental micro-Computed Tomography (micro-CT) and finite element modeling. The transport of charged and uncharged iodinated molecules is first recorded using micro-CT, which is followed by applying biphasic-solute and multiphasic finite element models to obtain diffusion coefficients and fixed charge densities across cartilage zones.

We propose a protocol to investigate the transport of charged and uncharged molecules across articular cartilage with the aid of recently developed experimental and numerical methods.

Un expérimental et Finite Element Protocole pour Enquêter sur la transport des solutés neutres et chargés dans Cartilage Articulaire

Osteoarthritis (OA) is a debilitating disease that is associated with degeneration of articular cartilage and subchondral bone. Degeneration of articular ...

Microfluidic Platform with Multiplexed Electronic Detection for Spatial Tracking of Particles

Microfluidic processing of biological samples typically involves differential manipulations of suspended particles under various force fields in order to spatially fractionate the sample based on a biological property of interest. For the resultant spatial distribution to be used as the assay readout, microfluidic devices are often subjected to microscopic analysis requiring complex instrumentation with higher cost and reduced portability. To address this limitation, we have developed an integrated electronic sensing technology for multiplexed detection of particles at different locations on a microfluidic chip. Our technology, called Microfluidic CODES, combines Resistive Pulse Sensing with Code Division Multiple Access to compress 2D spatial information into a 1D electrical signal. In this paper, we present a practical demonstration of the Microfluidic CODES technology to detect and size cultured cancer cells distributed over multiple microfluidic channels. As validated by the high-speed microscopy, our technology can accurately analyze dense cell populations all electronically without the need for an external instrument. As such, the Microfluidic CODES can potentially enable low-cost integrated lab-on-a-chip devices that are well suited for the point-of-care testing of biological samples.

We demonstrate a microfluidic platform with an integrated surface electrode network that combines resistive pulse sensing (RPS) with code division multiple access (CDMA), to multiplex detection and sizing of particles in multiple microfluidic channels.

Plate-forme microfluidique avec multiplexée Détection électronique pour le suivi spatial des particules

Microfluidic processing of biological samples typically involves differential manipulations of suspended particles under various force fields in order to ...

A Protocol for Decellularizing Mouse Cochleae for Inner Ear Tissue Engineering

In mammals, mechanosensory hair cells that facilitate hearing lack the ability to regenerate, which has limited treatments for hearing loss. Current regenerative medicine strategies have focused on transplanting stem cells or genetic manipulation of surrounding support cells in the inner ear to encourage replacement of damaged stem cells to correct hearing loss. Yet, the extracellular matrix (ECM) may play a vital role in inducing and maintaining function of hair cells, and has not been well investigated. Using the cochlear ECM as a scaffold to grow adult stem cells may provide unique insights into how the composition and architecture of the extracellular environment aids cells in sustaining hearing function. Here we present a method for isolating and decellularizing cochleae from mice to use as scaffolds accepting perfused adult stem cells. In the current protocol, cochleae are isolated from euthanized mice, decellularized, and decalcified. Afterward, human Wharton&#39;s jelly cells (hWJCs) that were isolated from the umbilical cord were carefully perfused into each cochlea. The cochleae were used as bioreactors, and cells were cultured for 30 days before undergoing processing for analysis. Decellularized cochleae retained identifiable extracellular structures, but did not reveal the presence of cells or noticeable fragments of DNA. Cells perfused into the cochlea invaded most of the interior and exterior of the cochlea and grew without incident over a duration of 30 days. Thus, the current method can be used to study how cochlear ECM affects cell development and behavior.

The goal of this protocol is to demonstrate an effective method to decellularize and decalcify mouse cochleae for utilization as scaffolds for tissue engineering applications.

Un protocole pour Decellularizing limaçon de souris pour l’ingénierie tissulaire oreille interne

In mammals, mechanosensory hair cells that facilitate hearing lack the ability to regenerate, which has limited treatments for hearing loss. Current ...

A Novel Surgical Technique As a Foundation for In Vivo Partial Liver Engineering in Rat

Organ engineering is a novel strategy to generate liver organ substitutes that can potentially be used in transplantation. Recently, in vivo liver engineering, including in vivo organ decellularization followed by repopulation, has emerged as a promising approach over ex vivo liver engineering. However, postoperative survival was not achieved. The aim of this study is to develop a novel surgical technique of in vivo selective liver lobe perfusion in rats as a prerequisite for in vivo liver engineering. We generate a circuit bypass only through the left lateral lobe. Then, the left lateral lobe is perfused with heparinized saline. The experiment is performed with 4 groups (n = 3 rats per group) based on different perfusion times of 20 min, 2 h, 3 h, and 4 h. Survival, as well as the macroscopically visible change of color and the histologically determined absence of blood cells in the portal triad and the sinusoids, is taken as an indicator for a successful model establishment. After selective perfusion of the left lateral lobe, we observe that the left lateral lobe, indeed, turned from red to faint yellow. In a histological assessment, no blood cells are visible in the branch of the portal vein, the central vein, and the sinusoids. The left lateral lobe turns red after reopening the blocked vessels. 12/12 rats survived the procedure for more than one week. We are the first to report a surgical model for in vivo single liver lobe perfusion with a long survival period of more than one week. In contrast to the previously published report, the most important advantage of the technique presented here is that perfusion of 70% of the liver is maintained throughout the whole procedure. The establishment of this technique provides a foundation for in vivo partial liver engineering in rats, including decellularization and recellularization.

A Novel Surgical Technique As a Foundation for In Vivo Partial Liver Engineering in Rat

We establish a novel surgical technique for an in vivo single liver lobe perfusion model in rat as a prerequisite for further studying in vivo partial liver engineering in the future.

Une nouvelle Technique chirurgicale comme fondement pour In Vivo partielle génie hépatique chez le Rat

Organ engineering is a novel strategy to generate liver organ substitutes that can potentially be used in transplantation. Recently, in vivo liver ...

Design and Synthesis of a Reconfigurable DNA Accordion Rack

DNA nanostructure-based mechanical systems or DNA nanomachines, which produce complex nanoscale motion in 2D and 3D in the nanometer to &#229;ngstr&#246;m resolution, show great potential in various fields of nanotechnology such as the molecular reactors, drug delivery, and nanoplasmonic systems. The reconfigurable DNA accordion rack, which can collectively manipulate a 2D or 3D nanoscale network of elements, in multiple stages in response to the DNA inputs, is described. The platform has potential to increase the number of elements that DNA nanomachines can control from a few elements to a network scale with multiple stages of reconfiguration.
In this protocol, we describe the entire experimental process of the reconfigurable DNA accordion rack of 6 by 6 meshes. The protocol includes a design rule and simulation procedure of the structures and a wet-lab experiment for synthesis and reconfiguration. In addition, analysis of the structure using TEM (transmission electron microscopy) and FRET (fluorescence resonance energy transfer) is included in the protocol. The novel design and simulation methods covered in this protocol will assist researchers to use the DNA accordion rack for further applications.

We describe the detailed protocol for design, simulation, wet-lab experiments, and analysis for a reconfigurable DNA accordion rack of 6 by 6 meshes.

Conception et synthèse d’un support accordéon ADN reconfigurables

DNA nanostructure-based mechanical systems or DNA nanomachines, which produce complex nanoscale motion in 2D and 3D in the nanometer to &#229;ngstr&#246;m ...

A Microfluidic Platform for Stimulating Chondrocytes with Dynamic Compression

Mechanical stimuli are known to modulate biological functions of cells and tissues. Recent studies have suggested that compressive stress alters growth plate cartilage architecture and results in growth modulation of long bones of children. To determine the role of compressive stress in bone growth, we created a microfluidic device actuated by pneumatic pressure, to dynamically (or statically) compress growth plate chondrocytes embedded in alginate hydrogel cylinders. In this article, we describe detailed methods for fabricating and characterizing this device. The advantages of our protocol are: 1) Five different magnitudes of compressive stress can be generated on five technical replicates in a single platform, 2) It is easy to visualize cell morphology via a conventional light microscope, 3) Cells can be rapidly isolated from the device after compression to facilitate downstream assays, and 4) The platform can be applied to study mechanobiology of any cell type that can grow in hydrogels.

This article provides detailed methods for fabricating and characterizing a pneumatically actuating microfluidic device for chondrocyte compression.

Une plate-forme microfluidique pour stimuler les chondrocytes avec compression dynamique

Mechanical stimuli are known to modulate biological functions of cells and tissues. Recent studies have suggested that compressive stress alters growth ...