この作品は、1149385を付与し、グラント0931820の下で国立科学財団によって部分的に、グラントRHD064968A下国立衛生研究所によって部分的にサポートし、1361549を付与し、一部は助成H133G120165下障害者リハビリテーション研究に関する研究所がした。著者らは、この研究では彼らの偉大な提案と支援のために、尼僧矯正および補綴技術、LLCの林デュ、鼎王、ジェラルドHeffermanロードアイランド大学、そしてマイケル·J·尼僧に感謝します。

1。パワードTransfemoral補綴の神経制御の実現のためのプラットフォームエンジニアリング·プラットフォームは、動力義足の神経制御を実装し、評価するために、本研究で開発されました。ハードウェアは、2.8 GHzのCPUおよび4 GB RAM、アナログ - ディジタルコンバータ（ADC）及びデジタル - アナログコンバータ（DAC）の両方を有する多官能性データ収集ボード、モータコントローラ、デジタルI備えたデスクトップPCが含まれ/ Oは、我々のグループ12で設計し、プロトタイプパワードtransfemoral人工器官。アナログセンサ入力が最初のADCによってデジタル化され、信号処理用のデスクトップPCにストリーミングした。 DACは、モータ制御装置を介してプロテーゼにDCモータを駆動するための制御出力のために使用した。デジタルI / Oは無効/モータコントローラを有効にするために使用した。電源プロテーゼはデスクトップPCにつながおよび24 Vの電源から電力を供給されました。 ソフトウェアは、広告にプログラムされていたデスクトップPC上で動作している仮想計測に適しevelopment環境。開発環境を効果的にカスタマイズされたプラットフォームを実現するために、ユーザ定義のソフトウェアとハ​​ードウェアの両方を組み合わせた仮想計測、に基づいていた。グラフィカルなブロックダイアグラムの構造を用いることにより、異なるモジュラー機能ノードは、容易かつ効率的に実施され、更新することができる。動力義足のオンライン制御のためのプラットフォームとしての機能を発揮するためには、予め設計された人工器官制御は、このプラットフォーム上で実装されました。制御システムは、神経コントローラおよび固有のコントローラを含んでいた。神経コントローラは、ユーザの行動モードを認識し、神経筋 - 機械融合に基づく我々の以前に設計された、NMIで構成されていた。高レベルのコントローラとして、ニューラルコントローラは、階層的にパワード下肢人工関節制御のための組み込みのコントロールで接続した。 CONTのアーキテクチャプラットフォーム上ROLソフトウェアは、図1に示されているNMIは2つの部分が含まれます。オフライン訓練モジュールとオンラインテストモジュールを。オフライン訓練モジュールは、訓練データを収集し、NMIに分類器を構築するために設計された。収集されたマルチチャンネル表面筋電図信号と機械測定が最初に前処理され、連続スライディングウィンドウに分割された。各ウィンドウには、信号パターンを特徴付ける特徴を抽出し、次いで、1の特徴ベクトルに融合。各ウィンドウ内の特徴ベクトルは、訓練データ収集中にプロテーゼユーザの行う活動やプロテーゼの状態に基づいて、活性モード（クラス）と位相指数で標識した。標識された特徴ベクトルは、次に、個々の相と相関複数のサブ識別器が含まれている位相依存性パターン分類器を構築するために使用した。作成された分類器を保存し、後でオンライン評価のためのオンラインテストモジュールに移した。&lt;/ pの&gt; オンラインテストモジュールは、オンラインユーザの移動の意図を認識し、本質的なコントローラーの活動モードを切り替えるために使用された。マルチチャネル神経筋および機械的測定が同時にオンラインテストモジュールにストリーミングし、特徴ベクトルに形質転換した。そして、特徴ベクトルは、すでにオフライン訓練モジュールに建設された位相依存分類器に供給した。真性コントローラの現在の位相に基づいて、対応するサブ分類器はオンになり、ユーザの意図を認識するために使用した。分類出力は、さらに後処理され、活動モードを切り替える真性コントローラに送られた。 有限状態機械（FSM）ベースのインピーダンス制御部は、動力義足の固有の制御のために実施された。インピーダンス制御部は、膝関節に所望のトルク出力を生成した。有限状態マシンは、に応じて、関節インピーダンスを調整実行アクティビティの現在の状態。スタンス屈曲（STF）、スタンス拡張（STE）、揺動前（PSW）、スイング屈曲（：運動活動（ すなわち 、レベル地面ウォーキングやランプ上昇/下降）のために、FSMは5歩行位相に対応する5つの州で構成されSWF）、スイング拡張子（SWE）;体重負荷（WB）及び（NWB）を有する非重さ：静的立ちのために、FSMは、2つのフェーズが含まれていました。状態間の遷移は、床反力と膝関節位置によってトリガされた。活性モード間の遷移は、オンライン試験モジュールからの出力によって制御した。上述の3つのモジュールすべて、グラフィカルユーザインタフェース（GUI）のための実験室の実験者が容易に、制御パラメータを調整するシステムのパフォーマンスを監視し、評価実験を行うこと可能にした、造られた。 2。実験装置<ol><li>表面筋電（筋電図） 切断者の太ももの筋肉からの表面筋電信号subjectR17;の断端は、無線EMG収集システムによって記録されている。目標と太も ​​もの筋肉は大腿直筋 （RF）、 外側広laeralis（VL）、内側広筋 （VM）を含め、 上腕二頭筋は、長い （BFL）、 ザルトリウス （SAR）、 半腱様筋 （SEM）、および転マグナス （ADM）を大腿 。なお、NMIで使用されるパターン認識アルゴリズムは、活性モードを認識するために、複数の筋肉の活性化パターンを正確に検索するための特定の筋肉を標的にする8不要であることに注目すべきである。限り股関節と膝制御のための測定された神経筋制御情報として十分であり、筋電図の記録の中で、クロストークは、NMIのパフォーマンスにほとんど影響を与えない。 <ol><li>股関節屈曲/伸展、股関節内転/外転、と彼は立位のときに拡張/切断膝関節を曲げるための試みを実行するために、被写体を依頼してください。 </li><li>おおよそや筋肉の触診ANにより電極配置の位置を決定筋電図の記録のD検討。 </li><li>被験者の快適性と信頼性の高い電極-皮膚接触の両方のために、 図2に示すように、新たに設計されたEMG電極-ソケットインタフェースに電極を埋め込 ​​む。 </li></ol></li><li>パワードプロテーゼからの機械的測定 補綴パイロンから6自由度のロードセルによって測定機械床反力及びモーメントは、対象の動きの意図を認識するためにEMG信号と融合される。また、ポテンショメータが、膝関節角度を測定するために、膝関節上で計測し、エンコーダは、膝角速度を計算するためにDCモータに接続した。これらの測定値は、固有の制御用のフィードバック信号として用いられる。 <ol><li>補綴パイロンに6度、自由のロードセルを取り付けます。 </li><li>内外側方向、前後方向、およびプロテーゼのsuperoinferior方向にX軸、Y軸、ロードセルのZ軸方向の位置を合わせ、それぞれのLY。 </li></ol></li><li>実験室の環境設定 図3に示すようにtransfemoral切断者にパワー義足の神経制御を評価するために、障害物コースは、実験室で造られた。テスト環境は、5メートルストレート歩道、傾斜付き4メートルの長ランプが含まれてい8°の角度、しっかりと取り付けられ、ランプとのレベルのプラットフォーム。傾斜路に沿って、一方の手すりは、被験者の安全性を向上させるために設置された。また、落下停止ハーネス天井レールシステムは、実験中に落下する被験体を保護するために提供された。 </li></ol> 3。実験プロトコールこの研究は、ロードアイランド大学の治験審査委員会（IRB）の承認を得て、および募集対象者のインフォームドコンセントを行った。男性1一方的なtransfemoral切断者（切断の原因：外傷;年齢：57歳、切断の期間：32年S）は、この研究で採用されました。 （大腿骨顆に坐骨結節から測定）は、非障害側の長さ（残存肢の遠位端に坐骨結節から測定）残留肢の長さとの比は51％であった。被験者は、彼の日常生活の中で吸引サスペンションソケットを介してマイクロプロセッサ制御人工膝を身に着けている。前に本研究では実験のために、この主題は、被験者が受電装置に適応し、各アクティビティモードで所望のインピーダンスを校正するようにするために、理学療法士が率いるいくつかのトレーニングセッションを受けた。 <ol><li>件名の準備<ol><li>被験者の体重、身長を測定し、彼の性別と年齢を記録します。 </li><li>プライベート準備室で、彼自身の短パンを置くために、被写体を依頼してください。 </li><li>被写体にサイズフィットフォールアレストハーネスを入れて、天井レールシステムに接続します。 </li></ol></li><li>筋電図の記録のための準備<ol><li> 7完全に充電ワイヤレス筋電センサーを選択して、電源を入れます。 </li><li>準備された場所でカスタマイズされた吸引ソケットに筋電センサーを配置します。センサーの注文番号を書き留めて、筋電図の場所に関連付けます。 </li><li>イソプロピルアルコールパッドと対象者の断端の皮をきれいにしてください。 </li><li>吸引ソケットを着用に件名を支​​援し、ソケットがしっかりと対象者の断端に接続されていることを確認します。 </li><li>リアルタイムの筋電図のアナログデータストリーミングソフトウェアをオンにします。 </li><li>股関節屈曲/伸展、股関節内転/外転、膝屈曲/伸展を行い、筋電図電極コンタクトとデータ伝送を検証するために筋電信号を検討する対象を依頼。 </li></ol></li><li>アライメントとパワード人工脚の初期キャリブレーション<ol><li>支援ウォーカーを保持した状態で立った姿勢のままに対象を指示する。 </li><li>ピラミッドADAPで吸引ソケットに電源が補綴物を取り付けTOR。プロテーゼの位置は幾何学的にソケットと位置合わせされるまで、アダプタ上で回転するスクリューのセットを調整します。この手順は、義肢装具士によって行われた。 </li><li>地面からプロテーゼを持ち上げ、補綴​​パイロンにロードセルを校正するために、被写体を依頼してください。 </li><li>動力義足を身に着けているときに別の地形の上を歩いて練習する主題を指示する（ 例えば 、レベル地下、ランプの上昇、および下降をランプ）。被験者は各アクティビティのパフォーマンスの受電装置および収率一貫した歩行パターンを持って歩くに自信を持って感じているまで、この手順が続行されます。 </li></ol></li><li> NMIに分類器を訓練するためのデータ収集を訓練<ol><li> 図3に示すように、あらかじめ定義された散策路の開始位置に立って、被写体を指示する。 </li><li>パワード補綴物の電源をオンにして、本来のコントローラにパラメータをロード。 </li><li>トレーニングデータ収集コムを実行するコンピューター·プログラム、グラフィック·ユーザ·インタフェース（GUI）の「立ち」ボタンをクリックしてモードを放置する固有のコントロールを設定する。 </li><li> GUI上の「記録開始」ボタンをクリックして、データ収集を開始します。 5秒間立位に滞在する主題を指示する。 </li><li>彼/彼女の自己選択された快適な歩行速度で平地の上を歩くために、被写体に指示。同時に、対象のリーディング脚のつま先オフの前にGUI上の「歩行」ボタンをクリックして、平地歩行モードに固有のコントロールを設定します。 </li><li>被験者は、ランプの上昇の端に近づいていたときに、ランプを踏ん義足のつま先オフする前に、GUIの「ランプアセント」ボタンをクリックして、上昇モードをランプに組み込みのコントロールを切り替えます。安全のため、ランプの上を歩いたとき、被験者が手の手すりを使用することができます。 </li><li>被験者はランプの最後になると、「歩行」ボタンをクリックしてください再びレベルのプラットフォーム上にステップ義足のヒールストライキ前と平地歩行モードに人工関節固有制御を切り替える。 </li><li>歩行パスの最後に、停止し、立位のままに対象を指示します。同時に、両脚支持期の前に「立ち」ボタンをクリックして立ちバックモードに固有の制御を切り替える。 </li><li>約5秒後、「停止」ボタンをクリックすることによりデータ収集を終了する。 「トレーニングデータセット1」とラベルがデータを収集した。 </li><li>対象は、開始位置に戻る逆のルートで歩くときの手順3.4.4-3.4.9を繰り返します。唯一の違いは、対象がダウンし、ランプの上を歩くとき、下りモードをランプに固有スイッチング制御されている。 </li><li>繰り返し3.4.4-3.4.10 10完全な訓練データセットが収集されるまで。収集されたトレーニングデータセットの信号品質を検査する。 </li><li>被写体が目の後に休止期間を持つことができるようEデータ収集セッション。 </li><li>オフライン訓練モジュール（ 図1）を介してNMIにおけるパターン認識分類器を訓練する。収集された筋電図と機械的な信号、トレーニング手順の間に標識活動モード（クラス）を使用し、位相依存パターン分類器を構築するためのフェーズを検出しました。後でオンラインテストセッションのために自動的に分類器のパラメータを保存します。 </li></ol></li><li>パワードTransfemoralプロテーゼの神経制御のオンラインテスト<ol><li>遊歩道のスタート地点に立つために対象を指示する。 </li><li>パワード人工器官をオンにします。オンラインテストモジュールおよび固有のコントローラへのパラメータに訓練された分類をロードします。 </li><li>その後、継続的にレベルグラウンドウォーキング、ランプ·ウォーキング、平地歩行に移行し、最終的に停止し、歩行パスの最後にこの試験を終了し、立位での試験試験を開始するために対象を指示する。被験者に指示快適なペースで各アクティビティを実行します。試験間の休止期間が疲労を避けることができます。 </li><li>各テストの裁判中に、TVモニタプロテーゼの活動モードと膝関節角度の測定値を表示します。後で、評価目的のための測定と制御出力のすべてを保存します。 </li><li>の手順を繰り返し3.5.1-3.5.4 10完全なテスト試験が終了するまで。 </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>

利害の対立が宣言されていません。

エンジニアリング·プラットフォームを容易に実装、最適化、およびパワード補綴物の真の神経制御を開発するために、本研究で開発されました。プラットフォーム全体を仮想計測ベースの開発環境でプログラムおよびデスクトップPCに実装されました。制御ソフトウェアは、特定の機能（ すなわち NMI意図認識し、固有の制御）を実施したこれらの各々において、いくつかの独立した?...

アトス下肢義肢は、商業市場、1,2と研究コミュニティ3-5の両方でますます注目を集めている。従来の受動的な義足に比べて、電動式人工関節は下肢切断患者がより効率的に受動的なデバイスを身に着けているときには困難または不可能であるアクティビティを実行することを可能にするという利点を有する。しかしながら、現在、（階段登りに歩いて、レベル地上から例えば 、）スムーズでシームレスな活動の移行がまだパワード義足ユーザーのための挑戦的な課題である。この困難性は、主に、ユーザの運動の意図を「読み取り」と迅速にシームレスに活性モードの切り替えをユーザーに可能にするために、プロテーゼ制御パラメータを調整することができるユーザ·マシン·インターフェースの欠如によるものである。 これらの課題に対処するために、ユーザ·マシン·インタフェースを設計する際の様々なアプローチが検討されている。 NMIは、E（電図に基づく請求MG）の信号は、電源が入っ下肢義肢の直感的なコントロールを可能にするために大きな可能性を実証しています。二つの最近の研究6,7は着座位置時の残留の筋肉から記録されたEMG信号を監視することにより、transfemoral切断者の行方不明の膝の意図した動きをデコードすると報告した。 AU ら 5は、1下腿切断者の2歩行モード（レベルグラウンドウォーキングや階段の降下）を識別するために、残留シャンクの筋肉から測定EMG信号を使用していました。 Huang ら 8は、2つのtransfemoral切断者に実証されるように約90％の精度で7活性モードを認識することができる位相依存EMGパターン認識手法を提案した。より良い意思認識性能を向上させるために、神経筋-機械融合に基づくNMIは我々のグループ9で設計され、オンラインの意図認識10,11のための受動的な義足を着けtransfemoral切断者を評価した。このNMIは正確に識別することができますユーザーの意図活動やパワード義足の神経制御のための潜在的に有用だったアクティビティ遷移9を予測。 ボランティアに面する現在の質問は、直感的なプロテーゼ動作をイネーブルし、ユーザーの安全を確保するためにプロテーゼ制御システムに私達のNMIを統合する方法である。真の神経的制御義足の開発は容易な実装と人工関節の制御アルゴリズムの最適化のための研究室で柔軟なプラットフォームを必要とします。そこで、本研究の目的は、人工関節の制御アルゴリズムをテストし、最適化するための私たちの研究室で開発柔軟なエンジニアリングプラットフォームを報告することです。さらに、新しい実験装置およびプロトコルが安全かつ効率的に下肢切断の患者に対する神経的制御のパワーtransfemoral補綴物を評価するために表示されている。本研究で提示プラットフォームと実験計画は、将来のDEVEを利益を得ることができる真の神経的制御、動力義足のlopment。

<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

動力義足の直感的な操作を可能にするために、ユーザの運動の意図を認識することができ、ユーザとプロテーゼとの間のインターフェースが望まれている。我々の以前の研究で開発された神経筋 - 機械融合に基づく新規の神経·マシン·インターフェース（NMI）を正確にtransfemoral切断者の意図した動きを識別するための大きな可能性を実証しています。しかし、このインタフェースは、まだ真の神経制御のための動力義足に統合されていません。この研究は、パワード下肢人工関節の神経制御を実施し、最適化するための（1）柔軟なプラットフォームおよび下肢切断の患者に対する神経補綴コントロールを評価する（2）実験およびプロトコルを報告することを目的とした。最初のPCとビジュアルプログラミング環境に基づいたプラットフォームは、NMIの学習アルゴリズム、NMIオンラインテストアルゴリズム、および固有制御アルゴリズムを含む、人工関節の制御アルゴリズムを実装するために開発された。実証するために、このプラットフォームの機能は、この研究では、神経筋 - 機械融合に基づく、NMIは、階層的にプロトタイプtransfemoralプロテーゼの組み込みのコントロールに統合されました。一方的なtransfemoral切断した一人の患者は、立ち、平地歩行、傾斜上昇などの活動を行う際に私たちの実装を用いたニューラルネットワークモデルの評価、および実験室で連続して下降をランプに採用されました。小説実験およびプロトコルは、安全かつ効率的に新しい人工関節コントロールをテストするために開発された。提示概念実証プラットフォームと実験とプロトコルは、神経的に制御されたパワー義足の今後の開発と応用を支援することができます。

議定書3.2.6で説明したように、彼は、股関節屈曲/伸展を実行したときに図4aは、対象者の断端の太ももの筋肉から測定した表面筋電信号の7チャンネルを示しています。 図4bは、被写体が上を歩いたときに記録されたEMG信号の6歩行サイクルを示しています平地歩行パス、プロトコル3.3.4の間。この図から、新たに設計されたEMG電極ソケットインターフェイスは、表面EMG...

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

ニューラル·マシン·インターフェース（NMI）は、ユーザの移動モードを同定するために開発されてきた。これらのNMIは、動力義足の神経制御のための潜在的に有用であるが、十分に発揮されていない。本稿では、安全に下肢切断の患者に対する神経的制御の義足を評価するために、実験室環境での容易な実装と開発神経制御のパワー下肢義肢および（2）実験およびプロトコルのための（1）私たちの設計し、エンジニアリング·プラットフォームを発表かつ効率的に。

エンジニアリング·プラットフォームおよび神経的に制御されたパワードTransfemoral人工関節の設計と評価のための実験プロトコール

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 ビュー.  North Carolina State University & University of North Carolina at Chapel Hill. ニューラル·マシン·インターフェース（NMI）は、ユーザの移動モードを同定するために開発されてきた。これらのNMIは、動力義足の神経制御のための潜在的に有用であるが、十分に発揮されていない。本稿では、安全に下肢切断の患者に対する神経的制御の義足を評価するために、実験室環境での容易な実装と開発神経制御のパワー下肢義肢および（2）...

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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.

機械的に適応型ポリマーナノコンポジットの環境制御のMicrotensileテスト<em&gt; ex vivoで</em&gt;キャラ

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

生物工学

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.

組織工学のための二軸メカニカルローディングバイオリアクターの設計

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.

バイオインスパイアードデザインのためのプロトコル：グランドサンプラーウニジョーズに基づいて、

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.

ハイスループットシングルセルの単離および培養のためのマイクロ流体プラットフォーム

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.

実験および有限要素議定書は、関節軟骨全体で中性および荷電溶質の輸送を調査します

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.

粒子の空間追跡のための多重化された電子の検出とマイクロ流体プラットフォーム

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.

内耳組織工学用マウス蝸牛を Decellularizing するためのプロトコル

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.

ラットでの肝部分工学生体内での基盤として新しい手術手技

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.

再構成可能な DNA アコーディオン ラックの設計と合成

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.

動的圧縮で軟性細胞を刺激するマイクロ流体プラットフォーム

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