Nejmodernější protetická paže

11.08.2012 16:39

Ethical issues involved in hybrid bionic systems from Karlos Svoboda

Málokdo z nás si uvědomuje složitých interakcí mezi nervovým, mechanické, a senzorické systémy nezbytné k plnění úkol jako jednoduché, jak zvedl míč. Chcete-li vytvořit protézu ruky schopný přirozeného pohybu, je nutné napodobovat tyto sofistikované systémy, stejně jako složité interakce mezi nimi, s použitím špičkové pohony, senzory, mikroprocesory, a vložené ovládací software. To byla výzva jsme narazili, když jsme se pustili do Defense Advanced Research Projects agentury DARPA) převrat Protézy program.

Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL), vede celosvětový tým, včetně vládních agentur, univerzit a soukromých společností, jejichž posláním je rozvíjet protetické ruky, která mnohonásobně překračuje veškeré protetické jsou dnes k dispozici. Konečná verze bude mít paže řídicí algoritmy poháněné nervových vstupy, které umožňují uživateli, aby pohybovat se rychlostí, obratnost a sílu skutečného paže. Pokročilé senzorické zpětné vazby technologie umožní vnímání fyzických vstupů, jako je tlak, síla a teplota.

Klíčovým projektem mezníkem bylo vytvoření virtuální integrace životního prostředí (VIE), kompletní končetiny a simulace systémů postavena na životní prostředí MathWorks nástroje a modelově založených návrhových. Se standardizovanou architekturu a přesně definované rozhraní, VIE je umožnit spolupráci mezi odborníky domény na více než dvě desítky organizací, partnerských.

Model-Based Design s nástroji MathWorks byla použita iv dalších klíčových fázích vývoje, včetně modelování končetin mechaniku, testování nových neuronových dekódovat algoritmy a rozvoj a ověřování kontrolních algoritmů.

Dva prototypy končetiny vyvinuty pro použití programu DARPA Cílená Muscle Reinnervation, technika propagoval Dr. Todd Kuiken z rehabilitačního ústavu v Chicagu. Tato technika zahrnuje převod zbytkových nervů z amputovanou končetinu do nevyužitých svalových oblastí v blízkosti zranění. V klinickém hodnocení, první prototyp umožnil pacientovi dokončit celou řadu funkčních úkolů, včetně tahání kreditní kartu z kapsy.

Virtuální prostředí Integrace Architektura

Architektura VIE se skládá z pěti hlavních modulů: vstup, analýzy signálů a ovládacích prvků, budov a prezentace.

Vstupní modul obsahuje všechny vstupní zařízení, která mohou pacienti využít k signalizaci jejich záměr, včetně povrchových electromyograms v EMGs), kortikální a periferní nervové implantáty, implantabilní myoelectric senzorů (IMESs) a více konvenčních digitálních a analogových vstupů pro kontakty, joysticky a další ovládání zdroje používané klinické pracovníky. Analýza signálu Modul provádí zpracování signálů a filtrování. Ještě důležitější je, tento modul platí algoritmy rozpoznávání vzorů, které interpretují syrové vstupní signály získat uživatele záměru a sdělit, že záměr na Ovládací modul. V Ovládací prvky modulu, jsou tyto příkazy mapovány do motorových signály, které řídí jednotlivé motory, které působit na končetinu, ruka, i prsty.

Závod modul se skládá z fyzikálního modelu z končetin na mechanice. Prezentace Modul vytváří trojrozměrný (3D) vykreslování tržního pohybu (obr. 1).

Obrázek 1. 3D vizualizace paže protetické.

Propojení s nervovým systémem

Simulink ^® a VIE jsou nezbytné pro vytvoření rozhraní na nervový systém, který umožňuje přirozené a intuitivní ovládání systému končetiny protetické. Výzkumníci záznam dat z nervových implantátů zařízení, zatímco předměty plnit úkoly, jako je dosažení o míč ve virtuálním prostředí. V VIE modulární vstupní systémy získávat tato data, a MATLAB ^® algoritmy dekódování předmět je záměr pomocí rozpoznávání korelovat nervovou aktivitu s předmětem hnutí (obr. 2). Výsledky jsou integrovány do VIE, kde je možné experimenty probíhat v reálném čase.

Obrázek 2. Aplikace MATLAB vyvinut na University of New Brunswick, který se používá pro záznam pohybu dat pro rozpoznávání. Klikněte na obrázek pro zobrazení zvětšený pohled.

Stejný pracovní postup byl použit k vytvoření vstupní zařízení všeho druhu, z nichž některé jsou již testovány končetin uživateli protetických na rehabilitaci Institute of Chicago.

Budování systému Real-Time prototyp řadiče

Analýza signálu a ovládací moduly formě Vie srdce kontrolního systému, který bude nakonec být nasazen do ruky protetické týden V APL, jsme vyvinuli software pro tyto moduly. Jednotlivé algoritmy byly vyvinuty v MATLABu pomocí Embedded MATLAB ™, podsadu a pak integrovány do modelu Simulink systému jako funkčních bloků. Chcete-li vytvořit v reálném čase prototyp kontrolního systému, jsme vytvořili kód pro celý systém, včetně Embedded MATLAB Simulink a složek, s Real-Time Workshop ^® , a nasadit tento kód do XPC Target ™.

Tento přístup přinesl mnoho výhod. Použití Model-Based Design a Simulink jsme vymodelovali kompletní systém a simulovaný, že k optimalizaci a ověřování návrhu. Byli jsme schopni rychle vytvářet a testovat virtuální prototyp systému předtím, než na konkrétní hardwarové platformě. S Real-Time Workshop Embedded kodérů ™, jsme vytvořili zaměřených na určité cílové kód pro náš procesor. Vzhledem k tomu, že kód je generován z modelu systému Simulink, který byl bezpečnosti testován a ověřen pomocí simulace, není ručně kódování krok, který by mohl představit chyby nebo neplánované chování. V důsledku toho máme velkou důvěru, že modulární Protetické končetin zahrají jako určeny a navrženy.

Fyzikální modelování a vizualizace

Chcete-li provést uzavřené smyčky simulace našem kontrolním systému jsme vyvinuli přípravek na model představující setrvačný vlastnosti systému končetiny. Začali jsme s sestav v CAD z končetin složek určených v SolidWorks ^® u našich partnerů. Použili jsme CAD sestavy se automaticky generovat SimMechanics ™, model končetiny se k nám kontrolního systému Simulink.

Nakonec jsme spojil rostlin model na Java ™ 3D rendering engine, vyvinutý na University of Southern California ukázat virtuální končetiny pohybující se v simulovaném prostředí.

Klinické aplikace

Vzhledem k tomu, výkonný virtuální systém rámec, který jsme byli schopni vytvořit užitečné a intuitivní prostředí pro klinickou konfiguraci systému a školení. Kliničtí lékaři mohou konfigurovat parametry v VIE a řídit zkušební semináře s dobrovolnými předmětů pomocí grafického uživatelského rozhraní, které jsme vytvořili v MATLABu (obr. 3).

Obrázek 3. MATLAB uživatelské rozhraní pro konfiguraci parametrů protézy. Klikněte na obrázek pro zobrazení zvětšený pohled.

Kliničtí lékaři spolupracovat s touto aplikací na hostitelském počítači, který komunikuje s XPC Target systém běží ovládací software v reálném čase. Třetí PC se používá pro 3D vykreslování a zobrazení virtuální končetiny. Při testech skutečných končetin, můžeme sladit a vizualizaci řídících signálů, zatímco objekt pohybuje.

Pohled do budoucna

Použití Model-Based Design, Revoluční Protetika tým vydal Prota 1, 2, Prota a první verzi VIE před plánovaným termínem. V současné době jsme v procesu vývoje podrobný návrh Modular končetiny protetických, verze, že budeme dodávat DARPA.

Mnoho z našich partnerských institucí použít VIE jako testovací, protože i nadále zlepšovat své systémy, a my si představit Vie pokračovat jako platforma pro další rozvoj v protetice a neurovědy pro nadcházející roky. Náš tým vytvořil vývojový proces, který můžeme použít k rychlému sestavení systémů z opakovaně použitelných modelů a realizovat na prototypu hardware, a to nejen pro převrat Protézy projektu, ale pouze souvisejících programů stejně.

Jak jsme se vyrovnat s výzvou vytvoření systému mechatronických, která napodobuje přirozený pohyb, snažíme se odpovídat vytrvalost a odhodlání, že naši dobrovolní předměty a amputaci populace jako celek demonstrovat každý den.

Schváleno pro veřejné zveřejněných Distribuce Unlimited.

Napodobování přírody z termínu

Vytvoření systému, který replikuje mechatronických přirozený pohyb a připravit ji na klinických studiích, v pouhých čtyřech letech, jak bylo DARPA, vyžaduje průlomu v nervové kontroly, smyslových vjemů, pokročilé mechanika a pohony, a endoprotézy design.

State-of-the-art protetické ruce dnes mají obvykle jen tři aktivní stupňů volnosti: kolena flex / rozšíření, zápěstí otočit, a přilnavost otevřeno / zavřeno. Proto 1, náš první prototyp, přidal dalších pět stupňů volnosti, včetně dvou aktivních stupňů volnosti na rameni v flexe / rozšíření a vnitřní / vnější rotace), ohnutí zápěstí / semNÍ a další madly. Chcete-li napodobit přirozený pohyb, potřebovali jsme jít daleko za pokroky v Prota 1.

Proto 2, který byl vyvinut jako elektromechanické důkaz pojetí, měl více než 22 stupňů volnosti, včetně dalších strany na stranu hnutí na rameni (únos / addukce), zápěstí (radiální / unlar odchylka) a nezávislé artikulace prstů. Ruka může být také přikázal do několika vysoce funkčních koordinovaných "úchopy."

Modulární Protetické končetin verzi, že budeme dodávat DARPA, bude mít 27 stupňů volnosti, stejně jako schopnost vnímat teplotu, kontakt, tlak a vibrace.

Prota 2 ruční úchopy. Klikněte na obrázek pro zobrazení zvětšený pohled.

Použité produkty

Další odkazy

Connecting Machines To Human Brains from Amnon Carmel

« Zpět

Nejmodernější protetická paže

Kontakt