Este trabalho foi financiado em parte pelos Institutos Nacionais de Saúde sob Grant RHD064968A, em parte pela National Science Foundation, Grant 0.931.820, 1.149.385, e Grant Grant 1.361.549, e em parte pelo Instituto Nacional sobre Deficiência e Reabilitação de Investigação no âmbito Grant H133G120165. Os autores agradecem Lin Du, Ding Wang e Gerald Hefferman da Universidade de Rhode Island, e Michael J. Convento no Convento Ortopédica e Protética Technology, LLC, por sua grande sugestão e assistência no estudo.

1. Plataforma de Implementação de Controle Neural de powered Transfemurais Próteses Uma plataforma de engenharia foi desenvolvido neste trabalho para implementar e avaliar o controle neural de pernas artificiais alimentados. O hardware inclui um PC desktop com CPU de 2,8 GHz e 4 GB de RAM, uma placa de aquisição de dados multi-funcional, com os dois analógicos para digital conversores (ADCs) e conversores digital-analógico (DACs), um controlador de motor, digitais / Os, e uma prótese transfemoral alimentado protótipo projetado em nosso grupo 12. As entradas de sensores analógicos foram digitalizados pela primeira vez pelos ADCs e transmitidos para o PC desktop para o processamento do sinal. O DAC foi utilizado para a saída de controlo para accionar o motor de corrente contínua na prótese por meio de um controlador do motor. Digital I / Os foram utilizados para ativar / desativar o controlador do motor. A prótese foi alimentado tethered para o desktop PC e alimentado por uma fonte de alimentação de 24 V. O software foi programado em anúncioesenvolvimento ambiente adequado para instrumentação virtual em execução na área de trabalho do PC. O ambiente de desenvolvimento foi baseado em instrumentação virtual, o que efetivamente combina software e hardware definido pelo usuário para implementar a plataforma personalizada. Ao utilizar a estrutura de um diagrama de blocos gráfica, diferentes nós de função modular pode ser facilmente e eficazmente aplicadas e actualizada. A fim de demonstrar a função de plataforma de controle on-line de pernas artificiais alimentados, preliminarmente projetada controle prótese foi implementado nesta plataforma. O sistema de controle inclui um controlador e um controlador neural intrínseco. O controlador neural consistiu em nosso anterior NMI projetado com base na fusão neuromuscular-mecânico, que reconheceu o modo de atividade do usuário. O controlador neural como um controlador de alto nível foi hierarquicamente relacionados com o controlo intrínseco de potência menor controle de próteses de membros. A arquitetura de contsoftware rol sobre a plataforma encontra-se ilustrada na Figura 1 A NMI contém duas partes:. módulo de formação off-line e on-line do módulo de teste. O módulo de treinamento off-line foi projetado para coletar dados de treinamento e construir os classificadores em NMI. Os sinais EMG coletados multicanal de superfície e medições mecânicas foram pré-processados ​​e segmentado em janelas de correr contínuas primeiro. Em cada janela, características que caracterizam os padrões de sinal foram extraídos e, em seguida, fundidos em um vetor de características. O vetor de características em cada janela foi marcado com os modos de atividade (classes) e índice de fase com base nas atividades que executam usuário de prótese e os estados da prótese durante a coleta de dados de treinamento. Os vectores característicos marcadas foram então utilizados para construir um classificador padrão dependentes de fase, que contém vários sub-classificadores correlacionadas com as fases individualmente. O classificador criado foi salvo e transferido para módulo de teste on-line para avaliação on-line mais tarde. &lt;/ P&gt; O módulo de testes on-line on-line foi usado para reconhecer intenção movimento do usuário e mudar os modos de atividade no controlador intrínseco. O neuromuscular multicanal e medições mecânicas foram simultaneamente transmitido em módulo de teste on-line e transformados em vetores de características. Em seguida, os vectores característicos, foram alimentados para o classificador dependente da fase que já foi construída no módulo de formação desligada. Com base na atual fase em controlador intrínseco, o sub-classificador correspondente foi ligado e utilizado para reconhecer a intenção do usuário. A saída de classificação foi ainda pós-processados ​​e enviados para controlador intrínseca para alternar os modos de atividade. Controlador de impedância Uma máquina de estados finitos (FSM) com base foi implementada para o controle intrínseco de pernas artificiais alimentados. O controlador de impedância gerada desejada saída de torque nas articulações do joelho. A máquina de estado finito ajustado a impedância conjunta de acordo como estado atual da atividade realizando. Para as atividades de locomoção (caminhar nível do solo e rampa de subida / descida), o FSM consistiu em cinco estados correspondentes a cinco fases da marcha: flexão posição (STF), de extensão postura (STE), pré-balanço (PSW), balanço flexão ( SWF) e extensão do balanço (SWE); para a posição estática, o FSM incluiu duas fases: levantamento de peso (BM) e não suportar o peso (NWB). As transições entre os estados foram provocados pela força de reação do solo e posição articular do joelho. A transição entre os modos de actividade foi controlado pela saída do módulo de teste em linha. Para todos os três módulos discutidos acima, a interface gráfica do usuário (GUI) foram construídas, o que permitiu experimentadores em laboratório para ajustar facilmente os parâmetros de controle, o desempenho do sistema monitor, e conduzir experimentos de avaliação. 2. Instalação Experimental <ol><li> A eletromiografia de superfície (EMG) Sinais de EMG de superfície dos músculos da coxa da amputado subjectR17; s membro residual são registradas por um sistema de aquisição EMG wireless. Os músculos da coxa alvo incluído o reto femoral (RF), vasto laeralis (VL), vasto medial (VM), bíceps femoral longo (BFL), sartório (SAR), semitendinoso (SEM), e adutor magno (ADM). Vale ressaltar que, precisamente como alvo o músculo específico não é necessário 8 porque o algoritmo de reconhecimento de padrões usados ​​em NMI procura padrões de ativação de vários músculos para reconhecer o modo de atividade. Enquanto as informações de controle neuromuscular medido para quadril e joelho controle é suficiente, cruzadas negociações entre gravações EMG têm pouco impacto sobre o desempenho da MNI. <ol><li> Peça ao sujeito para executar hip flexão / extensão, adução / abdução e tentativa de flexionar / estender a articulação do joelho amputada quando ele está na posição de pé. </li><li> Aproximado e determinar os locais de colocação de eletrodos por palpação muscular umaexame d de gravações EMG. </li><li> Incorporar os eletrodos em um novo projetado EMG interface eletrodo-socket, como mostrado na Figura 2, para o conforto do sujeito e contato confiável eletrodo-pele. </li></ol></li><li> Medições Mecânicas da Prótese motorizado As forças mecânicas de reação do solo e momentos medidos por uma célula de carga de 6 DOF do pilão protética são fundidos com sinais EMG de reconhecer intenção movimento do objeto. Além disso, um potenciómetro é instrumentada na articulação do joelho para medir o ângulo de articulação do joelho e um codificador foi ligado ao motor de corrente contínua para o cálculo da velocidade angular do joelho. Estas medições são usadas como os sinais de realimentação para controlo intrínseco. <ol><li> Montar uma célula de carga de seis graus-liberdade no pilão protético. </li><li> Alinhar eixo X, do eixo Y, e Z-eixo da célula de carga com a direcção médio-lateral, direcção antero-posterior e direcção súpero da prótese, respectivaly. </li></ol></li><li> Setup Laboratório Ambiente A fim de avaliar o controlo neuronal das pernas artificiais ligado amputados transfe, um curso de obstáculo foi construído em laboratório, como se mostra na Figura 3. O ambiente de teste incluía uma passagem recta 5-m, um de 4 m de comprimento de rampa com uma inclinação ângulo de 8 °, e uma plataforma de nível com a rampa com firmeza. Ao longo da rampa, corrimãos foram instalados para melhorar a segurança do assunto. Além disso, um sistema ferroviário teto com um arnês anti-queda foi fornecida para proteger o sujeito de cair durante o experimento. </li></ol> 3. Protocolo Experimental Este estudo foi realizado com a aprovação do Conselho de Revisão Institucional (IRB), da Universidade de Rhode Island e com o consentimento informado do assunto recrutados. Um macho transfemoral unilateral amputado (causa de amputação: trauma, idade: 57 anos; duração de amputação: 32 anoss) foi recrutado neste estudo. A relação entre o comprimento do membro residual (medida a partir da tuberosidade isquiática para a extremidade distal do membro residual) para o comprimento do lado não-auditivos (medido a partir da tuberosidade isquiática para o epicôndilo femoral) foi de 51%. O sujeito usa uma prótese de joelho controlado por microprocessador através de uma tomada de suspensão de sucção em sua vida diária. Antes do experimento neste estudo, este assunto recebeu várias sessões de formação liderada por um fisioterapeuta, a fim de deixar o assunto para se adaptar ao dispositivo de potência e calibrar a impedância desejada em cada modo de atividade. <ol><li> Preparação Assunto <ol><li> Meça do sujeito peso, altura, e gravar seu sexo e idade. </li><li> Pergunte ao assunto para colocar em seus próprios curtas em uma sala de preparação privado. </li><li> Coloque um arnês anti-queda montado de tamanho sobre o assunto e anexá-lo ao sistema ferroviário teto. </li></ol></li><li> Preparação para a gravação de EMG <ol><li> Selecione sete sensores de EMG sem fio totalmente carregada e ligue-os. </li><li> Coloque os sensores de EMG na tomada de sucção personalizado em locais preparados. Anote o número da ordem dos sensores e associá-los a locais de EMG. </li><li> Limpe a pele do membro residual do sujeito com compressas embebidas em álcool isopropílico. </li><li> Auxiliar o assunto em vestir a tomada de sucção e verificar que o socket está firmemente ligado ao membro residual do sujeito. </li><li> Ligue o software em tempo real o fluxo de dados analógico EMG. </li><li> Peça ao sujeito para executar hip flexão / extensão, adução / abdução e joelho flexão / extensão e examinar os sinais de EMG para verificar EMG contato do eletrodo e transmissão de dados. </li></ol></li><li> Alinhamento e calibração inicial de powered prótese de perna <ol><li> Instrua o sujeito a permanecer na posição em pé, segurando um andador de apoio. </li><li> Fixe a prótese alimentado à tomada de sucção com uma adap pirâmidetor. Ajustar um conjunto de parafusos de rotação no adaptador até que a posição da prótese é geometricamente alinhado com o encaixe. Este procedimento foi realizado por um protético. </li><li> Peça ao sujeito para levantar a prótese do chão e calibrar a célula de carga no pilão protético. </li><li> Instrua o assunto para a prática de andar em terrenos diferentes (por exemplo, o nível do solo, a subida de rampas, e rampa de descida) quando estiver usando a perna protética alimentado. Este procedimento continua até que o sujeito se sente confiante em andar com o dispositivo de potência e rendimento padrão de marcha consistente em cada desempenho da atividade. </li></ol></li><li> Treinamento de Coleta de Dados de Formação de Classificadores em NMI <ol><li> Instruir o sujeito a ficar sobre o local de um caminho predefinido curta de partida, como mostrado na Figura 3. </li><li> Ligue a prótese motorizada e carregar os parâmetros para o controlador intrínseco. </li><li> Executar um com a coleta de dados de treinamentoprograma de computador eo ajuste o controle intrínseco ao modo de pé, clicando no botão &quot;Standing&quot; na interface gráfica de usuário (GUI). </li><li> Comece a coleta de dados, clicando no botão &quot;Start Recording&quot; na GUI. Instrua o assunto para ficar em pé durante 5 segundos. </li><li> Instrua o assunto para andar sobre terreno plano em sua / seu confortável velocidade de caminhada auto-selecionada; ao mesmo tempo, clique no botão &quot;Caminhando&quot; no GUI antes toe-off da perna dianteira do assunto e definir o controle intrínseco ao modo de caminhada terra-nível. </li><li> Quando o assunto estava se aproximando da borda de subida de rampa, clique no botão &quot;Rampa Ascent&quot; no GUI antes do dedo do pé-off da perna protética pisar na rampa e alternar o controle intrínseco à rampa modo subida. Por segurança, deixe o assunto de usar uma grade mão ao caminhar sobre uma rampa. </li><li> Quando o assunto chega ao final da rampa, clique no botão &quot;Walking&quot;novamente antes de o calcanhar de prótese de perna pisar na plataforma nível e mudar o controle intrínseco prótese para o modo de andar rés-do-nível. </li><li> No final do percurso pedestre, instruir o sujeito a parar e permanecem em posição de pé. Ao mesmo tempo, clique no botão &quot;Standing&quot; antes da fase de dupla posição e mudar o controlo intrínseco de volta ao modo de pé. </li><li> Após cerca de 5 segundos e terminar a coleta de dados, clicando no botão &quot;Stop&quot;. Etiqueta coletaram dados como &quot;dados de treinamento conjunto 1&quot;. </li><li> Repita o procedimento 3.4.4-3.4.9 quando o assunto anda em uma rota inversa de volta ao local de partida; a única diferença é a mudança do controle intrínseco à rampa modo descida quando o assunto entra na rampa para baixo. </li><li> Repita 3.4.4-3.4.10 até dez conjuntos completos de dados de treinamento são coletados. Examine a qualidade do sinal coletado conjunto de dados de treinamento. </li><li> Permitir que o indivíduo tenha um período de descanso após o diasessão e coleta de dados. </li><li> Treinar os classificadores de reconhecimento de padrões em NMI via módulo de treinamento off-line (Figura 1). Use o EMG coletados e sinais mecânicos, os modos de atividade (classes) rotulados durante o processo de formação, e detectado fases para construir os classificadores padrão dependente de fase. Salve parâmetros dos classificadores automaticamente para a sessão de testes on-line mais tarde. </li></ol></li><li> Testes on-line de controle neural de powered Transfemoral Prótese <ol><li> Instrua o assunto para ficar no ponto do caminho a pé de partida. </li><li> Ligue a prótese powered. Carregue o classificador treinado para módulo de testes on-line e os parâmetros para o controlador intrínseco. </li><li> Instrua o assunto para começar os ensaios de teste na posição de pé, então a transição de forma contínua a andar nível do solo, rampa andando, andando nível do solo, e, finalmente, parar e terminar esta prova no final do caminho a pé. Instrua o assunto pararealizar cada atividade em um ritmo confortável. Permitir períodos de descanso entre os ensaios para evitar a fadiga. </li><li> Durante cada ensaio teste, apresentar os modos de atividade da prótese de joelho e leituras de ângulo articular em um monitor de TV. Salve todas as medições e saídas de controle para fins de avaliação posterior. </li><li> Repita os passos 3.5.1-3.5.4 até dez ensaios de teste completo está acabado. </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>

Não há conflitos de interesse declarados.

Uma plataforma de engenharia foi desenvolvido neste trabalho para implementar facilmente, otimizar e desenvolver o verdadeiro controle neural de próteses potência. Toda a plataforma foi programado em um ambiente de desenvolvimento baseado instrumentação virtual e implementado em um PC desktop. O software de controle foi composto por vários módulos independentes e intercambiáveis, em cada um dos quais uma funcionalidade específica foi executado (ie NMI reconhecimento intenção e controle intrínseco). A...

Próteses dos membros inferiores Desenvolvido ganharam uma atenção crescente, tanto no mercado comercial 1,2 e comunidade de pesquisa 3-5. Em comparação com próteses passivas tradicionais, articulações protéticas motorizados têm a vantagem de permitir que amputados de membros inferiores para realizar atividades que são difíceis ou impossíveis quando usar dispositivos passivos de forma mais eficiente. No entanto, atualmente, a transição suave e contínua atividade (por exemplo, a partir do nível do solo caminhando para escada subida) ainda é uma questão desafiadora para os usuários movidos pernas protéticas. Essa dificuldade deve-se principalmente à falta de uma interface máquina que pode &quot;ler&quot; a intenção de movimento do usuário e prontamente ajustar parâmetros de controle da prótese, a fim de permitir que os usuários alternem facilmente o modo de atividade. Para enfrentar esses desafios, diversas abordagens na concepção de interface de usuário-máquina têm sido exploradas. Onde NMI baseado em eletromiografia (ESinais MG) tem demonstrado um grande potencial para permitir o controle intuitivo de próteses dos membros inferiores potência. Dois estudos recentes 6,7 relatou decodificar o movimento pretendido do joelho falta de amputados transfemurais, monitorando os sinais EMG gravados a partir de músculos residuais durante a posição sentada. Au et al. 5 utilizadas sinais EMG medidos a partir de músculos haste residuais para identificar dois modos de locomoção (a pé nível do solo e descida da escada) de um amputado transtibial. Huang et al. 8 propôs um EMG abordagem de reconhecimento de padrões dependentes de fase que pode reconhecer sete modos de atividade com uma precisão de aproximadamente 90%, como demonstrado em dois amputados transfemurais. Para melhor melhorar o desempenho intenção de reconhecimento, um NMI com base na fusão neuromuscular-mecânico foi projetado em nosso grupo 9 e online avaliada em amputados transfe usando pernas protéticas passivos para o reconhecimento intenção 10,11. Este NMI pode identificar com precisãoatividades pretendidos pelo usuário e prever as transições atividade 9, que era potencialmente úteis para o controle neural de pernas artificiais alimentados. A questão atual que enfrentamos é como integrar o nosso NMI no sistema de controle da prótese, a fim de permitir a operação prótese intuitiva e garantir a segurança do usuário. Desenvolver verdadeiros pernas artificiais controlados neurally requer uma plataforma flexível no laboratório para facilitar a implementação e otimização de algoritmos de controle da prótese. Portanto, o objetivo deste trabalho é apresentar uma plataforma de engenharia flexível desenvolvido em nosso laboratório para testar e otimizar os algoritmos de controle da prótese. Além disso, a nova configuração experimental e protocolo são apresentados para avaliação das próteses transfemurais movidos controlados neurally em pacientes com amputações de membros inferiores de forma segura e eficiente. A plataforma e design experimental apresentado neste estudo poderia beneficiar o futuro desenvolvimento de verdadeiros controlados neurally, pernas artificiais movidos.

<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

Para permitir uma operação intuitiva de pernas artificiais alimentados, uma interface entre o usuário eo prótese que pode reconhecer a intenção de movimento do usuário é desejada. Uma nova interface neural-máquina (NMI) baseado em fusão neuromuscular-mecânico desenvolvido em nosso estudo anterior demonstrou um grande potencial para identificar com precisão o movimento pretendido de amputados transfemoral. No entanto, esta interface ainda não foi integrado com uma perna protética alimentado por verdadeiro controle neural. Este estudo teve como objetivo relatar (1) uma plataforma flexível para implementar e otimizar o controle neural de potência inferior próteses para membros e (2) uma montagem experimental e protocolo para avaliar o controle da prótese neural em pacientes com amputações de membros inferiores. Primeiro, uma plataforma baseada em um PC e um ambiente de programação visual foram desenvolvidas para implementar os algoritmos de controle de próteses, incluindo algoritmo NMI treinamento, o algoritmo de testes on-line de MNI, e algoritmo de controle intrínseco. Para demonstrar ofunção desta plataforma, neste estudo, o NMI com base na fusão neuromuscular-mecânico foi hierarquicamente integrados com controle intrínseco de uma prótese transfemoral protótipo. Um paciente com amputação transfemoral unilateral foi recrutado para avaliar o nosso controlador neural implementada ao realizar atividades, como a pé, andando nível do solo, a subida de rampas, e rampa de descida contínua no laboratório. Uma nova configuração eo protocolo experimental foram desenvolvidos a fim de testar o novo controle de prótese de forma segura e eficiente. A plataforma apresentada prova-de-conceito e montagem experimental e protocolo poderia ajudar o futuro desenvolvimento e aplicação de pernas artificiais movidos controlados neurally.

Figura 4a mostra sete canais de sinais de EMG de superfície medida da coxa músculos do membro residual do sujeito quando ele se apresentou quadril flexão / extensão, conforme descrito no Protocolo 3.2.6. Figura 4b mostra seis ciclos da marcha de sinais EMG gravados quando o assunto pisado um caminho a pé terra-nível, durante o protocolo 3.3.4. A partir desta figura, pode ver-se que o novo concebido EMG interface de eléctrodo de encaixe pode proporcionar uma boa qualidade de medi?...

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

Interfaces de Neural-máquina (MNI) foram desenvolvidos para identificar o modo de locomoção do usuário. Estes NMIs são potencialmente úteis para o controle neural de pernas artificiais alimentados, mas não têm sido plenamente demonstrada. Este artigo apresentou (1) a nossa plataforma de engenharia projetada para fácil implementação e desenvolvimento do controle neural para próteses de membros inferiores com alimentação e (2) uma montagem experimental e protocolo em um ambiente de laboratório para avaliar pernas artificiais controlados neurally em pacientes com amputações de membros inferiores com segurança e eficientemente.

Plataforma Engenharia e protocolo experimental para Projeto e Avaliação de um motorizado Transfemoral Prótese controlada pelo Neurally

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 visualizações.  North Carolina State University & University of North Carolina at Chapel Hill.  Interfaces de Neural-máquina (MNI) foram desenvolvidos para identificar o modo de locomoção do usuário. Estes NMIs são potencialmente úteis para o controle neural de pernas artificiais alimentados, mas não têm sido plenamente demonstrada. Este artigo apresentou (1) a nossa plataforma de engenharia projetada para fácil implementação e desenvolvimento do controle neural para próteses de membros inferiores com alimentação e (2) uma montagem experimental e prot...

Vídeo: 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.

Teste de microtração ambientalmente controlado mecanicamente adaptativas nanocompósitos poliméricos para<em&gt; Ex vivo</em&gt; Caracterização

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

Bioengenharia

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.

Projeto de um biorreator Carregando Mecânica Biaxial para Engenharia de Tecidos

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.

Um protocolo para Bioinspirada Projeto: Um Sampler terra Baseado em 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.

Uma plataforma microfluídica para a isolação de alta taxa de transferência de célula única 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.

Um Experimental e Finite Element protocolo para investigar o transporte de solutos neutras e carregadas em toda a cartilagem articular

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.

Plataforma microfluídico com multiplexada detecção electrónica do Ordenamento do Rastreamento de Partículas

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.

Um protocolo para Decellularizing Cochleae Mouse para engenharia de tecidos do ouvido 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.

Uma nova técnica cirúrgica como fundamento na Vivo parcial engenharia fígado de rato

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.

Design e síntese de um Rack de acordeão de DNA reconfigurável

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.

Uma plataforma Microfluídico para estimular condrócitos com compressão dinâmica

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