Name: engineering platform and experimental protocol for design and evaluation of a neurally-controlled powered transfemoral prosthesis
Uploaded: 2014-07-22T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Engineering Platform and Experimental Protocol for Design and Evaluation of a Neurally-controlled Powered Transfemoral Prosthesis at JoVE.com

Dette arbejde blev støttet delvist af National Institutes of Health i henhold til Grant RHD064968A, delvist af National Science Foundation under Grant 0.931.820 Grant 1.149.385 og Grant 1.361.549, og delvist af National Institute on Disability and Rehabilitation Research under Grant H133G120165. Forfatterne takker Lin Du, Ding Wang og Gerald Hefferman ved University of Rhode Island, og Michael J. Nonnekloster ved nonnekloster Orthotic og Prosthetic Technology, LLC, for deres store forslag og hjælp i denne undersøgelse.

1.. Platform for gennemførelse af Neural Kontrol af Powered transfemoral Proteser En ingeniør-platformen blev udviklet i denne undersøgelse for at gennemføre og evaluere neurale kontrol af elektriske kunstige ben. Hardwaren omfattede en stationær pc med 2,8 GHz CPU og 4 GB RAM, en multi-funktionelle dataopsamling bord med både analog-til-digital (ADC&#39;er) og digital-til-analog konvertere (DAC), en motor controller, digital I / O&#39;er og en prototypisk drevet transfemoral protese des...

<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>

En ingeniør-platformen blev udviklet i dette studie for nemt implementere, optimere og udvikle ægte neurale kontrol af elektriske proteser. Hele platformen programmeret i en virtuel instrumentering baseret udviklingsmiljø og gennemføres på en stationær pc. Den kontrol software var sammensat af flere uafhængige og udskiftelige moduler, i hver af hvilke en specifik funktionalitet blev henrettet (dvs. NMI hensigt anerkendelse, og iboende kontrol). Fordelen ved dette modulære design er, at hver funktionsblo...

Powered benet proteser har fået stigende opmærksomhed i både kommercielle marked 1,2 og forskningsverdenen 3-5. Sammenlignet med traditionelle passive proteser ben, motoriserede proteser led har den fordel, at benet amputerede til mere effektivt at udføre aktiviteter, der er vanskelige eller umulige, når iført passive enheder. Men i øjeblikket, glat og problemfri aktivitet overgang (fx fra niveau jorden gå til trappe opstigning) stadig er et udfordrende spørgsmål til powered benprotese brugere. Denne vanskelighed er primært på grund af manglen på en brugervenlig maskine, der kan &quot;læse&quot; brugerens bevægelser hensigtserklæringer og straks justere protese kontrol parametre for at gøre det muligt for brugerne at problemfrit skifte aktivitet mode. For at imødegå disse udfordringer, har forskellige tilgange i at designe bruger-maskine blevet udforsket. Hvori NMI baseret på elektromyografiske (EMG) signaler har vist et stort potentiale for at muliggøre intuitiv kontrol af elektriske benet proteser. To nylige undersøgelser 6,7 rapporteret afkode den tilsigtede bevægelse af den manglende knæ transfemoral amputerede ved overvågning af EMG-signaler optaget fra tilbageværende musklerne under en siddende stilling. Au et al. 5 brugte EMG signaler målt fra resterende skaft muskler til at identificere to bevægelseskomponenter modes (niveau-jord vandre og trappe afstamning) i en transtibial amputeret. Huang et al. 8 foreslået en fase-afhængige EMG mønstergenkendelse tilgang, der kan genkende syv aktivitets tilstande med cirka 90% nøjagtighed, som demonstreres på to transfemoral amputerede. For bedre at forbedre intent-anerkendelse ydeevne blev en NMI baseret på neuromuskulære-mekaniske fusion designet i vores gruppe 9 og online evalueres transfemoral amputerede iført passive proteser ben til hensigt anerkendelse 10,11. Denne NMI kan præcist at identificerebrugerens påtænkte aktiviteter og forudsige aktivitet overgange 9, som var potentielt nyttige for neurale kontrol af elektriske kunstige ben. Den aktuelle spørgsmål os overfor, er, hvordan man kan integrere vores NMI i protesen kontrolsystem med henblik på at muliggøre intuitiv protese drift og sikre brugerens sikkerhed. Udvikling sande neuralt-kontrollerede kunstige ben kræver en fleksibel platform i laboratoriet for nem implementering og optimering af protese kontrol algoritmer. Derfor er formålet med denne undersøgelse er at rapportere en fleksibel teknik platform udviklet i vores laboratorium til afprøvning og optimering af protese kontrol algoritmer. Desuden er ny forsøgsopstilling og protokol forelægges til evaluering af neuralt-kontrollerede drevne transfemoral proteser patienter med lavere lemmer amputationer sikkert og effektivt. Platformen og eksperimenterende design præsenteres i denne undersøgelse kunne gavne den fremtidige develing sande neuralt-kontrollerede, drevet kunstige ben.

<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

For at muliggøre intuitiv betjening af drevne kunstige ben, er en grænseflade mellem bruger og protese, der kan genkende brugerens bevægelser hensigt ønskes. En roman neural-maskine-interface (NMI) baseret på neuromuskulære-mekaniske fusion udviklet i vores tidligere undersøgelse har vist et stort potentiale til præcist at identificere den påtænkte flytning af transfemoral amputerede. Men denne grænseflade endnu ikke blevet integreret med en strøm benprotese for ægte neurale kontrol. Denne undersøgelse havde til formål at rapportere (1) en fleksibel platform at implementere og optimere neurale kontrol af motoriserede underbensprotese og (2) en forsøgsopstilling og protokollen til at evaluere neural protese kontrol på patienter med lavere lemmer amputationer. Først en platform baseret på en pc og en visuel programmering miljø blev udviklet til at gennemføre de protese kontrol algoritmer, herunder NMI uddannelse algoritme, NMI online test algoritme, og iboende kontrol algoritme. For at demonstrerefunktion af denne platform i dette studie, NMI baseret på neuromuskulære-mekanisk fusion blev hierarkisk integreret med iboende kontrol af en prototypisk transfemoral protese. En patient med en ensidig amputation blev rekrutteret til at vurdere vores implementeret neurale controller, når du udfører aktiviteter, såsom stående, niveau jorden gå, rampe opstigning, og rampe afstamning uafbrudt i laboratoriet. En roman forsøgsopstilling og protokol blev udviklet med henblik på at teste den nye protese kontrol sikkert og effektivt. Den præsenterede proof-of-concept-platform og forsøgsopstilling og protokol kunne støtte den fremtidige udvikling og anvendelse af neuralt-kontrollerede drevne kunstige ben.

4a viser syv kanaler af overflade EMG signaler målt fra lårmusklerne af fagets resterende lemmer, da han udførte hofte fleksion / ekstension 4b viser seks gangart cyklusser af EMG-signaler registreres, når motivet gik videre, som beskrevet i protokol 3.2.6. Figur et niveau-jord vandresti, under protokol 3.3.4. Fra denne figur kan det ses, at den nye designet EMG-elektrode-socket grænseflade kan give god kvalitet af overfladevand EMG signal målinger. <p class="...

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

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

Neural-maskine-grænseflader (NMI) er blevet udviklet til at identificere brugerens bevægelse tilstand. Disse NMI&#39;er er potentielt nyttige til neurale kontrol af elektriske kunstige ben, men er ikke blevet fuldt ud påvist. Dette papir præsenteret (1) vores designet engineering platform for nem implementering og udvikling af neural kontrol for drevne benet proteser og (2) en forsøgsopstilling og protokollen i et laboratorium miljø at evaluere neuralt-kontrollerede kunstige ben på patienter med lavere lemmer amputationer sikkert og effektivt.

Engineering Platform and Experimental Protokol for design og evaluering af et neuralt-kontrollerede Powered transfemoral Protese

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

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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

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

Miljømæssigt-kontrolleret Microtensile Afprøvning af Mekanisk adaptive Polymer Nanokompositter for<em&gt; Ex vivo</em&gt; Karakterisering

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

Design of a Biaxial Mechanical Loading Bioreactor for Tissue Engineering

Design af en Biaksial Mekanisk Loading bioreaktor 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  ...

Design and Construction of Artificial Extracellular Matrix (aECM) Proteins from Escherichia coli for Skin Tissue Engineering

Design and Construction of Artificial Extracellular Matrix aECM Proteins from Escherichia coli for Skin Tissue Engineering

Design og konstruktion af Artificial ekstracellulære matrix (aECM) Proteiner fra<em&gt; Escherichia coli</em&gt; Til Hud Tissue Engineering

Recombinant technology is a versatile platform to create novel artificial proteins with tunable properties. For the last decade, many artificial proteins ...

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

En protokol til bioinspirerede Design: En Ground Sampler Baseret på 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

En Mikrofluid platform for High-throughput Single-celle Isolering og Kultur

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

En eksperimentel og Finite Element-protokollen til undersøgelse af Transport af Neutrale og sigtet Opløste stoffer tværs Ledbrusken

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

Mikrofluid Platform med Multiplexed Elektronisk Detection for fysisk sporing af partikler

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

En protokol til Decellularizing musen Cochleae for indre øre vævsmanipulering

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

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

En ny kirurgisk teknik som et fundament for In Vivo delvis lever ingeniør i rotten

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

Design og syntese af en omkonfigurerbare DNA harmonika 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 ...