Questo lavoro è stato supportato in parte dal National Institutes of Health nel quadro di Grant RHD064968A, in parte dalla National Science Foundation sotto Grant 0.931.820, Grant 1.149.385 e 1.361.549 di Grant, e in parte dal National Institute on Disability and Rehabilitation Research sotto Grant H133G120165. Gli autori ringraziano Lin Du, Wang Ding e Gerald Hefferman presso l&#39;Università di Rhode Island, e Michael J. Convento presso il monastero Orthotic e Protesi Technology, LLC, per la loro grande suggestione e l&#39;assistenza in questo studio.

1. Piattaforma per l&#39;attuazione del controllo neurale del Powered transfemorale Protesi Una piattaforma di ingegneria è stato sviluppato in questo studio per implementare e valutare controllo neurale delle gambe artificiali alimentati. L&#39;hardware comprendeva un PC desktop con CPU da 2,8 GHz e 4 GB di RAM, una scheda di acquisizione dati multi-funzionale con entrambe analogico-digitali (ADC) e convertitori digitali-analogici (DAC), un controller del motore, io digitale / O, e un prototipo di protesi transfemorale motorizzata dotata nel nostro gruppo 12. Gli ingressi dei sensori analogici sono stati digitalizzati dai ADC e in streaming sul PC desktop per l&#39;elaborazione del segnale. Il DAC è stato utilizzato per l&#39;uscita di controllo per azionare il motore a corrente continua in protesi attraverso un controllo del motore. Digital I / O sono stati usati per attivare / disattivare il controller del motore. La protesi è stata alimentata legato al PC desktop e alimentato da un alimentatore a 24 V. Il software è stato programmato in annuncioviluppo ambiente adatto per strumentazione virtuale in esecuzione sul PC desktop. L&#39;ambiente di sviluppo è basata su strumentazione virtuale, che combina efficacemente entrambi i software definito dall&#39;utente e hardware per implementare la piattaforma personalizzata. Utilizzando la struttura di un diagramma a blocchi grafica, diversi nodi di funzione modulare possono essere facilmente ed efficacemente attuato e aggiornato. Al fine di dimostrare la funzione di piattaforma per il controllo in linea di gambe artificiali alimentati, controllo protesi preliminarmente progettato è stato realizzato su questa piattaforma. Il sistema di controllo includeva un controllore neurale ed un controllore intrinseca. Il controllore neurale consisteva nostra precedente NMI progettato sulla base neuromuscolare-meccanico fusione, che riconosce la modalità attività dell&#39;utente. Il controllore neurale come controller di alto livello è stato gerarchicamente collegato con il controllo intrinseco per alimentata inferiori controllo protesi di arto. L&#39;architettura di contsoftware rol sulla piattaforma è illustrato in Figura 1 Il NMI contiene due parti:. modulo di formazione in linea e modulo test online. Il modulo di formazione in linea è stato progettato per raccogliere dati di allenamento e costruire classificatori in NMI. Le multicanale segnali EMG di superficie raccolti e misure meccaniche sono stati pre-elaborati e suddivisi in finestre scorrevoli continui. In ogni finestra, caratteristiche che caratterizzano i modelli di segnale sono stati estratti e poi fusi in una funzione vettoriale. Il vettore funzionalità in ogni finestra è stato etichettato con modalità di attività (classi) e l&#39;indice di fase in base alle attività degli utenti che effettuano protesi e gli stati di protesi durante la raccolta dei dati di allenamento. La funzione vettori marcati sono stati poi utilizzati per costruire un modello di classificatore fase-dipendente, che contiene più sotto-classificatori correlati con fasi individualmente. Il classificatore creato è stato salvato e trasferito al modulo di test on-line per la successiva valutazione in linea. &lt;/ P&gt; Il modulo di test online è stato utilizzato per riconoscere il movimento on-line l&#39;intento dell&#39;utente e cambiare le modalità di attività nel regolatore intrinseco. Il neuromuscolare multicanale e le misure meccaniche sono state simultaneamente in streaming nel modulo di test online e trasformate in vettori di feature. Poi i vettori di feature sono stati inseriti nel classificatore fase-dipendente che è stato già costruito nel modulo di formazione in linea. Sulla base della fase attuale regolatore intrinseco, il corrispondente sub-classificatore è stato acceso e utilizzato per riconoscere l&#39;intenzione dell&#39;utente. L&#39;uscita classificazione è stata ulteriormente post-elaborato e inviato al regolatore intrinseco di cambiare modalità di attività. Controllore di impedenza Una macchina a stati finiti (FSM) basato stata effettuata per il controllo intrinseco di gambe artificiali alimentati. Il controller impedenza generato desiderata uscita di coppia sulle articolazioni del ginocchio. La macchina a stati finiti regolare l&#39;impedenza giunto secondolo stato attuale dell&#39;attività esecuzione. Per le attività di locomozione (cioè camminare piano terra e la rampa di salita / discesa), il FSM consisteva in cinque stati corrispondenti a cinque fasi del passo: la posizione di flessione (STF), ampliamento posizione (STE), pre-altalena (PSW), altalena flessione ( SWF), e l&#39;estensione oscillazione (SWE); per stare in piedi statica, il FSM ha incluso due fasi: cuscinetto di peso (WB) e non peso cuscinetto (NWB). Le transizioni tra gli stati sono stati innescati dalla forza di reazione al suolo e il ginocchio posizione comune. Il passaggio tra le modalità di attività è stato comandato dall&#39;uscita dal modulo di test online. Per tutti e tre i moduli di cui sopra, l&#39;interfaccia utente grafica (GUI) sono stati costruiti, che ha permesso sperimentatori nel laboratorio di regolare facilmente i parametri di controllo, le prestazioni del sistema monitor, e condurre esperimenti di valutazione. 2. Setup sperimentale <ol><li> Elettromiografia di superficie (sEMG) Segnali EMG di superficie dei muscoli della coscia del amputato subjectR17; s moncone sono registrate da un sistema di acquisizione EMG wireless. I muscoli della coscia mirati inclusi il retto femorale (RF), laeralis vasto (VL), vasto mediale (VM), il bicipite femorale lungo (BFL), Sartorius (SAR), semitendinoso (SEM), e adduttore (ADM). È interessante notare che mira precisamente il muscolo specifico non è necessario 8 perché l&#39;algoritmo di riconoscimento di pattern utilizzato in NMI ricerche pattern di attivazione di muscoli multipli di riconoscere la modalità attività. Finché le informazioni di controllo neuromuscolare misurato per anca e ginocchio controllo è sufficiente, incrociati colloqui tra EMG hanno un impatto minimo sulle prestazioni NMI. <ol><li> Chiedere al soggetto di eseguire hip flessione / estensione, adduzione / abduzione, e il tentativo di flettere / estendere il ginocchio amputato quando è in posizione eretta. </li><li> Approssimative e determinare le posizioni di posizionamento degli elettrodi dal muscolo palpazione und esame delle registrazioni EMG. </li><li> Incorporare gli elettrodi in una nuova EMG interfaccia elettrodo-presa creazione, come mostrato nella Figura 2, sia il comfort del soggetto e del contatto elettrodo-pelle affidabili. </li></ol></li><li> Misure meccaniche da protesi Powered Le forze di reazione del terreno meccaniche e momenti misurati mediante una cella di carico 6-DOF dal pilone protesica sono fusi con segnali EMG riconoscere movimento intento del soggetto. Inoltre, un potenziometro è strumentato sul ginocchio per misurare l&#39;angolo ginocchio e un encoder è collegato al motore DC per calcolare la velocità angolare del ginocchio. Queste misurazioni sono usati come segnali di retroazione per il controllo intrinseco. <ol><li> Montare una cella di carico a sei gradi di libertà sul pilone protesica. </li><li> Allineare asse X, Y, e Z della cella di carico con direzione medio-laterale, direzione antero-posteriore, e la direzione superoinferior della protesi, rispettivaly. </li></ol></li><li> Laboratorio Ambiente di installazione Per valutare il controllo neurale della alimentati gambe artificiali su utenti transfemorali, un percorso ad ostacoli stato costruito in laboratorio, come mostrato nella Figura 3. Dell&#39;ambiente di test includeva 5 m passerella rettilineo, lungo una rampa 4 m con un&#39;inclinazione angolo di 8 °, ed una piattaforma di livello con la rampa fissato saldamente. Lungo la rampa, inferriate della mano sono stati installati per migliorare la sicurezza del soggetto. Inoltre, un sistema di guida a soffitto con un&#39;imbracatura anticaduta state fornite per proteggere la persona caduta durante l&#39;esperimento. </li></ol> 3. Protocollo sperimentale Questo studio è stato condotto con l&#39;approvazione di Institutional Review Board (IRB) all&#39;Università di Rhode Island e con il consenso informato del soggetto assunto. Un maschio transfemorale unilaterale amputato (causa di amputazione: trauma, l&#39;età: 57 anni, la durata di amputazione: 32 annis) è stato reclutato in questo studio. Il rapporto tra la lunghezza del moncone (misurata dalla tuberosità ischiatica all&#39;estremità distale del moncone) alla lunghezza del lato non alterata (misurata dalla tuberosità ischiatica all&#39;epicondilo femorale) era del 51%. Il soggetto indossa una protesi di ginocchio microprocessore attraverso una presa di sospensione di aspirazione nella sua vita quotidiana. Prima dell&#39;esperimento in questo studio, questo soggetto ha ricevuto varie sessioni guidati da un fisioterapista per permettere al soggetto di adattarsi al dispositivo alimentato e calibrare l&#39;impedenza desiderato in ogni modo l&#39;attività. <ol><li> Oggetto Preparazione <ol><li> Misurare il soggetto di peso, l&#39;altezza e registrare il suo sesso ed età. </li><li> Chiedere al soggetto di mettere sui propri corti in una stanza di preparazione privata. </li><li> Mettere un imbracatura anticaduta size-montato sul soggetto e collegarlo al sistema ferroviario soffitto. </li></ol></li><li> Preparazione per la registrazione EMG <ol><li> Selezionare sette sensori EMG wireless completamente cariche e accenderli. </li><li> Posizionare i sensori EMG nella presa di aspirazione personalizzato in luoghi preparati. Annotare il numero d&#39;ordine dei sensori e associarli con sedi EMG. </li><li> Pulire la pelle del moncone del soggetto con tamponi imbevuti di alcool isopropilico. </li><li> Assistere il soggetto indossare la presa di aspirazione e verificare che la presa sia saldamente attaccato al moncone del soggetto. </li><li> Accendere il software di streaming di dati EMG analogico in tempo reale. </li><li> Chiedere al soggetto di eseguire hip flessione / estensione, adduzione / abduzione, e del ginocchio flessione / estensione ed esaminare i segnali EMG per verificare EMG elettrodo di contatto e la trasmissione dei dati. </li></ol></li><li> Allineamento e calibrazione iniziale delle Powered Protesica Leg <ol><li> Istruire il soggetto di rimanere in posizione eretta mentre si tiene un camminatore assistive. </li><li> Fissare la protesi alimentato alla presa di aspirazione con un adattatore piramidetor. Regolare una serie di viti rotazione sull&#39;adattatore finché la posizione della protesi è geometricamente allinei con la presa. Tale procedura è stata eseguita da un tecnico ortopedico. </li><li> Chiedere al soggetto di sollevare la protesi da terra e calibrare la cella di carico sul pilone protesica. </li><li> Istruire il soggetto di praticare camminare su terreni diversi (ad esempio, piano terra, rampa di salita e rampa di discesa) quando si indossa la protesi della gamba alimentato. Questa procedura continua fino a quando il soggetto si sente sicuro nel camminare con il dispositivo alimentato e rese coerenti schema del passo in ogni performance attività. </li></ol></li><li> Formazione Raccolta dati per la formazione dei Classificatori in NMI <ol><li> Istruire il soggetto di stare sulla posizione iniziale di un percorso predefinito piedi, come mostrato nella Figura 3. </li><li> Accendere la protesi alimentato e caricare i parametri nel controllore intrinseca. </li><li> Eseguire un com raccolta dati formazioneprogramma di computer e impostare il controllo intrinseco al modo in piedi facendo clic sul pulsante &quot;Standing&quot; sull&#39;interfaccia utente grafica (GUI). </li><li> Inizia la raccolta dei dati cliccando sul pulsante &quot;Start Recording&quot; a GUI. Istruire il soggetto di rimanere in posizione eretta per 5 sec. </li><li> Istruire il soggetto di camminare in piano al suo / la sua comoda velocità di auto-selezionati a piedi; allo stesso tempo, fare clic sul pulsante &quot;Walking&quot; sulla GUI prima punta-off della gamba leader del soggetto e impostare il controllo intrinseco di modalità a piedi livello-terra. </li><li> Quando il soggetto si stava avvicinando al bordo della rampa di salita, fare clic sul pulsante &quot;Rampa Salita&quot; sulla GUI prima punta-off della protesi della gamba salire sulla rampa e passare il controllo intrinseco alla rampa modalità di salita. Per motivi di sicurezza, permettono al soggetto di utilizzare una ringhiera mano quando si cammina su una rampa. </li><li> Quando il soggetto arriva alla fine della rampa, fare clic sul pulsante &quot;Walking&quot;ancora prima che il tallone di protesi della gamba passo sulla piattaforma di livello e passare il controllo intrinseco protesi modalità a piedi livello del suolo. </li><li> Alla fine del percorso a piedi, istruire il soggetto di fermarsi e rimanere in posizione eretta. Allo stesso tempo, fare clic sul pulsante &quot;permanente&quot; prima della fase di doppio appoggio e passare il controllo intrinseco alla modalità in piedi. </li><li> Dopo circa 5 secondi, terminare la raccolta di dati facendo clic sul pulsante &quot;Stop&quot;. Etichetta dati raccolti come &quot;set di dati di training 1&quot;. </li><li> Ripetere la procedura 3.4.4-3.4.9 quando il soggetto entra in un percorso inverso verso la posizione di partenza; l&#39;unica differenza sta passando il controllo intrinseco di rampa modalità di discesa quando il soggetto cammina sulla rampa verso il basso. </li><li> Ripetere 3.4.4-3.4.10 fino a dieci serie complete dei dati di allenamento vengono raccolti. Esaminare la qualità di raccolta set di dati di training segnale. </li><li> Permettere al soggetto di avere un periodo di riposo dopo the sessione di raccolta dei dati. </li><li> Formare i classificatori di pattern recognition in NMI tramite modulo di formazione in linea (Figura 1). Utilizzare la raccolta EMG e segnali meccanici, i modi di attività (classi) etichettati durante la procedura di formazione, e rilevato fasi per costruire le classificatori modello fase-dipendente. Salvare i parametri dei classificatori automaticamente per la successiva sessione di test online. </li></ol></li><li> Test on-line di Neural controllo Powered transfemorale Protesi <ol><li> Istruire il soggetto di stare al punto di partenza del percorso a piedi. </li><li> Accendere la protesi alimentato. Caricare il classificatore addestrato per il modulo di test online ed i parametri al controller intrinseca. </li><li> Istruire il soggetto per iniziare le prove di collaudo in posizione eretta, poi la transizione continuamente a camminare piano terra, rampa a piedi, livello del suolo a piedi, e finalmente smettere e finire questo processo alla fine del percorso a piedi. Istruire il soggetto asvolgere ogni attività ad un ritmo confortevole. Consentire periodi di riposo tra prove per evitare l&#39;affaticamento. </li><li> Durante ogni prova test, visualizzare i modi di attività della protesi del ginocchio e letture angolari comune su un monitor TV. Salvare tutte le misure e le uscite di controllo fini successiva valutazione. </li><li> Ripetere i passaggi 3.5.1-3.5.4 fino a dieci prove di collaudo complete sono finiti. </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>

Nessun conflitto di interessi dichiarati.

Una piattaforma di ingegneria è stato sviluppato in questo studio per implementare facilmente, ottimizzare e sviluppare la vera controllo neurale delle protesi alimentati. L&#39;intera piattaforma è stata programmata in un ambiente di sviluppo basato su strumentazione virtuale e implementato su un PC desktop. Il software di controllo era costituito da diversi moduli indipendenti e intercambiabili, in ciascuna delle quali una specifica funzionalità viene eseguita (cioè NMI riconoscimento intento e controllo ...

Powered protesi degli arti inferiori hanno acquisito una crescente attenzione sia nel mercato commerciale 1.2 e comunità di ricerca 3-5. Rispetto alle gambe passive tradizionali protesi, protesi articolari motorizzati hanno il vantaggio di consentire amputati di arto inferiore per eseguire in modo più efficiente attività che sono difficili o impossibili quando indossa dispositivi passivi. Tuttavia, attualmente, transizione graduale e senza soluzione di continuità l&#39;attività (ad esempio, dal piano terra a piedi da scale di risalita) è ancora un problema difficile per gli utenti alimentati protesi della gamba. Questa difficoltà è dovuta principalmente alla mancanza di una interfaccia utente-macchina in grado di &quot;leggere&quot; movimento intento dell&#39;utente e prontamente regolare i parametri di controllo protesi al fine di consentire agli utenti di passare facilmente alla modalità attività. Per affrontare queste sfide, sono stati esplorati vari approcci nella progettazione di interfaccia utente-macchina. In cui NMI basa su elettromiografico (EMG) segnali ha dimostrato un grande potenziale per consentire il controllo intuitivo del alimentati protesi degli arti inferiori. Due recenti studi hanno riportato 6,7 decodificare il movimento previsto del ginocchio mancante degli amputati transfemorali monitorando i segnali EMG registrati dai muscoli residui durante una posizione seduta. Au et al. 5 utilizzati segnali EMG misurati dai muscoli tibia residui di identificare due modalità di locomozione (a piedi piano terra e la scala discesa) di un amputato transtibiale. Huang et al. 8 proposto un EMG approccio pattern recognition fase-dipendente in grado di riconoscere sette modalità di attività con circa il 90% di precisione come dimostrato su due amputati transfemorali. Per migliorare le prestazioni migliori intento di riconoscimento, un NMI sulla base neuromuscolare-meccanico di fusione è stato progettato nel nostro gruppo 9 e on-line valutata utenti transfemorali che indossano protesi alle gambe passivi per il riconoscimento intento 10,11. Questo NMI può identificare con precisioneattività volte dell&#39;utente e prevedono le transizioni di attività 9, che era potenzialmente utile per il controllo neurale di gambe artificiali alimentati. Il problema attuale ci troviamo ad affrontare è come integrare il nostro NMI nel sistema di controllo protesi al fine di consentire il funzionamento della protesi intuitivo e garantire la sicurezza dell&#39;utente. Lo sviluppo di vere e proprie gambe artificiali neuro-controllate richiede una piattaforma flessibile in laboratorio per una facile implementazione e l&#39;ottimizzazione di algoritmi di controllo protesi. Pertanto, l&#39;obiettivo di questo studio è quello di segnalare una piattaforma di progettazione flessibile sviluppato nel nostro laboratorio per testare e ottimizzare gli algoritmi di controllo protesi. Inoltre, il nuovo setup sperimentale e il protocollo sono presentate per la valutazione dei alimentati protesi transfemorale neuro-controllato su pazienti con amputazioni degli arti inferiori in modo sicuro ed efficiente. La piattaforma e il disegno sperimentale presentato in questo studio potrebbero trarre beneficio futuro sviluppo di veri neuro-controllati, alimentati gambe artificiali.

<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

Per abilitare il funzionamento intuitivo di gambe artificiali alimentati, una interfaccia tra utente e protesi in grado di riconoscere il movimento intento dell&#39;utente si desidera. Una nuova interfaccia neurale-macchina (NMI) sulla base neuromuscolare-meccanico fusione sviluppato nel nostro studio precedente ha dimostrato un grande potenziale per identificare con precisione il movimento previsto di utenti transfemorali. Tuttavia, questa interfaccia non è ancora stato integrato con una protesi della gamba alimentato per un vero controllo neurale. Questo studio ha lo scopo di segnalare (1) una piattaforma flessibile per implementare e ottimizzare il controllo neurale della alimentato protesi di arto inferiore e (2) un setup sperimentale e il protocollo per valutare il controllo protesi neurale su pazienti con amputazioni degli arti inferiori. In primo luogo una piattaforma basata su un PC e un ambiente di programmazione visuale sono stati sviluppati per implementare gli algoritmi di controllo protesi, tra cui l&#39;algoritmo NMI formazione, algoritmo di test online NMI, e algoritmo di controllo intrinseco. Per dimostrare lafunzione di questa piattaforma, in questo studio il NMI basato su neuromuscolare-meccanico fusione era gerarchicamente integrato con controllo intrinseco di una protesi transfemorale prototipo. Un paziente con amputazione transfemorale unilaterale è stato reclutato per valutare il nostro controller neurale implementato durante l&#39;esecuzione di attività, come ad esempio in piedi, piano terra walking, rampa di salita e rampa di discesa continuamente in laboratorio. Un setup sperimentale romanzo e il protocollo sono stati sviluppati al fine di testare il nuovo controllo protesi modo sicuro ed efficiente. La piattaforma presentata proof-of-concept e setup sperimentale e il protocollo potrebbero aiutare il futuro sviluppo e l&#39;applicazione di gambe artificiali alimentati neuro-controllate.

Figura 4a mostra sette canali di segnali EMG di superficie misurata dai muscoli della coscia dell&#39;arto residuo del soggetto quando si è esibito hip flessione / estensione, come descritto nel protocollo 3.2.6. Figura 4b mostra sei cicli del passo di segnali EMG registrati quando il soggetto calpestato un percorso piano terra a piedi, durante il protocollo 3.3.4. Da questa figura, si può notare che il nuovo EMG interfaccia elettrodo-presa progettato può fornire una buona qualità d...

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

Interfacce Neural-macchina (NMI) sono stati sviluppati per identificare la modalità locomozione dell&#39;utente. Questi INM sono potenzialmente utili per il controllo neurale delle gambe artificiali alimentati, ma non sono stati pienamente dimostrato. Questo documento presentato (1) la nostra piattaforma di ingegneria progettato per una facile attuazione e lo sviluppo del controllo neurale per alimentati protesi di arto inferiore e (2) un setup sperimentale e il protocollo in un ambiente di laboratorio per valutare gambe artificiali neuro-controllato su pazienti con amputazioni degli arti inferiori in modo sicuro ed efficiente.

Ingegneria della piattaforma e protocollo sperimentale per la progettazione e la valutazione di un Powered transfemorale protesi neurale controllata

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 Views.  North Carolina State University & University of North Carolina at Chapel Hill.  Interfacce Neural-macchina (NMI) sono stati sviluppati per identificare la modalità locomozione dell'utente. Questi INM sono potenzialmente utili per il controllo neurale delle gambe artificiali alimentati, ma non sono stati pienamente dimostrato. Questo documento presentato (1) la nostra piattaforma di ingegneria progettato per una facile attuazione e lo sviluppo del controllo neurale per alimentati protesi di arto inferiore e (2) un setup sperimentale e il protoco...

Video: 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 microtrazione Environmentally-controllato di meccanica-adattivi nanocompositi polimerici per<em&gt; Ex vivo</em&gt; Caratterizzazione

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

Ricerca

Bioingegneria

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.

Progettazione di un biassiale Carico meccanico bioreattore per l&#39;ingegneria tissutale

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 protocollo per bioispirati Design: A terra Sampler Sulla base di 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.

Una piattaforma Microfluidic per l&#39;isolamento Single-cell high-throughput e cultura

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.

Uno Sperimentale e Finite Element protocollo per indagare il trasporto di soluti neutri e carichi attraverso cartilagine articolare

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.

Piattaforma microfluidica con multiplex di rilevamento elettronico per spaziale monitoraggio di particelle

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 protocollo per Decellularizing Mouse coclee per l'ingegneria dei tessuti dell'orecchio interno

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.

Una nuova tecnica chirurgica come una Fondazione per In Vivo parziale ingegneria del fegato nel ratto

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.

Progettazione e sintesi di un Rack di fisarmonica di DNA riconfigurabile

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.

Una piattaforma microfluidica per stimolare i condrociti con la compressione dinamica

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