Пропорциональный миоэлектрический контроль

^[1]

Изображение миоэлектрического контроля экзоскелета голеностопного сустава.

Пропорциональное миоэлектрическое управление можно использовать (помимо других целей) для активации роботизированных экзоскелетов нижних конечностей . Система пропорционального миоэлектрического управления использует микроконтроллер или компьютер, который вводит сигналы электромиографии (ЭМГ) от датчиков на мышцах ног, а затем активирует соответствующий исполнительный (е) сустав (ы) пропорционально сигналу ЭМГ.

Фон

Роботизированный экзоскелет — это тип ортеза , в котором используются приводы , которые помогают или препятствуют движению сустава неповрежденной конечности; его не следует путать с механическим протезом , который заменяет отсутствующую конечность. Роботизированные экзоскелеты нижних конечностей могут выполнять четыре задачи: ^[2]

• Повышение работоспособности человека, которое обычно связано с увеличением силы или выносливости (см. Экзоскелеты с электроприводом ).
• Долгосрочная помощь, целью которой является предоставление людям с ограниченными возможностями возможности самостоятельно ходить в экзоскелете.
• Исследование передвижения человека с использованием роботизированных экзоскелетов для лучшего понимания нервно-мышечного контроля, энергетики и/или кинематики передвижения человека.
• Реабилитация после травмы, которая призвана помочь человеку восстановиться после травмы (например, инсульта, травмы спинного мозга или других неврологических нарушений) путем ношения экзоскелета в течение короткого времени во время тренировки, чтобы в дальнейшем демонстрировать лучшие результаты без его использования. экзоскелета

Роботизированными экзоскелетами нижних конечностей можно управлять несколькими методами, включая педальный переключатель (датчик давления, прикрепленный к нижней части стопы), оценку фазы походки (с использованием углов суставов для определения текущей фазы ходьбы) и миоэлектрический контроль (с использованием электромиография ). ^{[2] [3]} Эта статья посвящена миоэлектрическому контролю.

Методы контроля

Датчики на коже обнаруживают сигналы электромиографии (ЭМГ) от мышц ног (ног) пользователя. Сигналы ЭМГ можно измерять только от одной мышцы или от нескольких, в зависимости от типа экзоскелета и количества задействованных суставов. Каждый измеренный сигнал затем отправляется на контроллер, который представляет собой либо встроенный микроконтроллер (установленный на экзоскелете), либо находящийся поблизости компьютер. Бортовые микроконтроллеры используются для вспомогательных устройств длительного действия, поскольку пользователь должен иметь возможность ходить в разных местах во время ношения экзоскелета, тогда как компьютеры, не входящие в состав экзоскелета, могут использоваться в терапевтических или исследовательских целях, поскольку пользователю не нужно много ходить. далеко в клинической или лабораторной среде.

Контроллер отфильтровывает шумы из сигналов ЭМГ, а затем нормализует их, чтобы лучше анализировать структуру мышечной активации. Нормализованное значение ЭМГ мышцы представляет собой процент ее активации, поскольку сигнал ЭМГ нормализуется путем деления его на максимально возможное значение ЭМГ для мышцы, из которой он исходит. Максимальное значение ЭМГ генерируется, когда мышца полностью сокращается. Альтернативный метод нормализации состоит в пропорциональном согласовании мощности привода с сигналом ЭМГ между минимальным порогом активации и верхним уровнем насыщения .

Прямой пропорциональный миоэлектрический контроль

При использовании пропорционального миоэлектрического контроллера мощность, передаваемая на исполнительный механизм, пропорциональна амплитуде нормализованного сигнала ЭМГ от мышцы. ^[4] Когда мышца неактивна, привод не получает энергии от контроллера, а когда мышца полностью сокращена, привод создает максимальный крутящий момент вокруг сустава, которым он управляет. Например, в ортезе голеностопного сустава с электроприводом ( AFO ) может использоваться пневматическая искусственная мышца , обеспечивающая крутящий момент подошвенного сгибания , пропорциональный уровню активации камбаловидной мышцы (одной из икроножных мышц). Этот метод управления позволяет управлять экзоскелетом теми же нервными путями, что и биологические мышцы пользователя, и, как было показано, позволяет людям ходить более нормальной походкой, чем другие методы управления, такие как использование ножного переключателя. ^[5] Пропорциональное миоэлектрическое управление роботизированными экзоскелетами нижних конечностей имеет преимущества перед другими методами управления, такими как:

• Его физиологическая природа позволяет эффективно масштабировать величину механической помощи экзоскелета ^[6].
• Это приводит к уменьшению биологического набора мышц по сравнению с кинематическими методами управления ^[5]
• Это позволяет легко адаптировать управление экзоскелетом к новым двигательным задачам ^[7].

Однако пропорциональное миоэлектрическое управление также имеет недостатки по сравнению с другими методами контроля, в том числе:

• Интерфейс поверхностного электрода часто может вызывать трудности в получении надежного сигнала ЭМГ ^[8].
• Система требует настройки для определения соответствующих порогов и коэффициентов усиления ^[9]
• Скелетно-мышечная система имеет множество синергических мышц , к которым нелегко получить доступ через поверхностные электроды ЭМГ ^[10].
• Поскольку неврологические расстройства приводят к снижению нервно-мышечного контроля, у некоторых людей может отсутствовать достаточный нервный контроль, позволяющий им использовать экзоскелет с миоэлектрическим контролем.

Пропорциональный миоэлектрический контроль с торможением сгибателей

Прямое пропорциональное управление работает хорошо, когда каждый сустав экзоскелета приводится в действие в одном направлении (однонаправленное срабатывание), например, пневматический поршень сгибает только колено, но менее эффективно, когда два шарнирных привода работают в противоположных направлениях (двунаправленное срабатывание). . Примером этого может быть экзоскелет голеностопного сустава, использующий одну пневматическую искусственную мышцу для тыльного сгибания на основе ЭМГ передней большеберцовой мышцы (мышцы голени) и другую пневматическую искусственную мышцу для подошвенного сгибания на основе ЭМГ камбаловидной мышцы (икроножная мышца). Это может привести к значительной совместной активации двух исполнительных механизмов и затруднить ходьбу. ^[11] Чтобы исправить эту нежелательную совместную активацию, в схему управления можно добавить правило, согласно которому искусственная активация дорсифлексора подавляется, когда ЭМГ камбаловидной мышцы превышает установленный порог. Пропорциональное управление с торможением сгибателей обеспечивает более естественную походку, чем при прямом пропорциональном контроле; Ингибирование сгибателей также позволяет субъектам гораздо легче ходить с помощью комбинированных экзоскелетов коленного и голеностопного суставов с двунаправленными приводами в каждом суставе. ^[7]

Приложения

Повышение производительности

Повышение производительности связано с увеличением типичных человеческих способностей, таких как сила или выносливость. Многие полнотелые роботизированные экзоскелеты, находящиеся в настоящее время в стадии разработки, используют контроллеры, основанные на моментах и ​​углах суставов, а не на электромиографии. См. Энергоэкзоскелеты .

Долгосрочная помощь

Одним из применений роботизированного экзоскелета нижних конечностей является помощь в передвижении человека с ограниченными возможностями для ходьбы. Ношение такого устройства может быть полезно людям с травмой спинного мозга, ослабленными мышцами ног, плохим нервно-мышечным контролем или перенесшим инсульт. Экзоскелет обеспечивает крутящий момент вокруг сустава в том же направлении, в котором данные ЭМГ показывают, что сустав вращается. Например, высокие сигналы ЭМГ в медиальной широкой мышце бедра (четырехглавой мышце) и низкие сигналы ЭМГ в двуглавой мышце бедра (мышце подколенного сухожилия) будут указывать на то, что пользователь разгибает ногу, поэтому экзоскелет будет обеспечивать крутящий момент на колене, чтобы Помогите выпрямить ногу.

Исследование передвижения человека

Пропорциональное миоэлектрическое управление и роботизированные экзоскелеты использовались в устройствах для верхних конечностей на протяжении десятилетий, но инженеры только недавно начали использовать их в устройствах для нижних конечностей, чтобы лучше понять биомеханику человека и нейронный контроль локомоции. ^{[12] [13]} Используя экзоскелет с пропорциональным миоэлектрическим контроллером, ученые могут использовать неинвазивные средства изучения нейронной пластичности , связанной с изменением силы мышц (биологическая +/- искусственная сила), а также того, как двигательные воспоминания для локомоторного управления формируются. ^[11]

Реабилитация

Роботизированные экзоскелеты нижних конечностей могут помочь человеку восстановиться после таких травм, как инсульт, травма спинного мозга или другие неврологические нарушения. Неврологические двигательные расстройства часто приводят к снижению амплитуды волевой активации мышц, нарушению проприоцепции и нарушению координации мышц; Роботизированный экзоскелет с пропорциональным миоэлектрическим контролем может улучшить все три из них, усиливая взаимосвязь между мышечной активацией и проприоцептивной обратной связью. Увеличивая последствия активации мышц, экзоскелет может физиологическим образом улучшить сенсорную обратную связь, что, в свою очередь, может улучшить двигательный контроль. ^[2] Лица с травмой спинного мозга или перенесшие инсульт могут улучшить свои двигательные способности посредством интенсивной реабилитации походки, ^[14] , для чего может потребоваться до трех физиотерапевтов, чтобы частично поддерживать вес тела человека. ^[15] Роботизированные экзоскелеты нижних конечностей могут помочь в обеих этих областях.

Физиологический ответ

Нервно -мышечная система определяет крутящий момент суставов , который она пытается создать во время ходьбы. Вспомогательные экзоскелеты создают часть крутящего момента, необходимого для перемещения одного или нескольких суставов ног во время ходьбы, что позволяет здоровому человеку генерировать меньший мышечный крутящий момент в этих суставах и использовать меньше метаболической энергии. Мышечный крутящий момент снижается настолько, чтобы чистый крутящий момент каждого сустава оставался примерно таким же, как при ходьбе без экзоскелета. ^[16] Чистый крутящий момент каждого сустава представляет собой мышечный крутящий момент плюс крутящий момент привода. У людей с ограниченными возможностями не наблюдается значительного снижения мышечного крутящего момента, если таковое имеется, при ходьбе с экзоскелетом, поскольку их мышцы недостаточно сильны, чтобы ходить нормальной походкой, или вообще не могут вообще; экзоскелет обеспечивает оставшийся крутящий момент, необходимый для ходьбы.

Примеры

• Экзоскелет Вандербильта
• ReWalk
• ХАЛ 5
• Эксо Бионика

Смотрите также

• Ортопедические стельки
• Нейронный контроль ригидности конечностей
• Активный экзоскелет
• Пневматические искусственные мышцы

Рекомендации

1. Конрад, Кендон Дж.; Конрад, Карен М.; Мацца, Джессика; Райли, Барт Б.; Фанк, Род; Штейн, Марк А.; Деннис, Майкл Л. (декабрь 2012 г.). «Размерность, иерархическая структура, возрастная генерализуемость и критериальная достоверность шкалы поведенческой сложности GAIN». Психологическая оценка . 24 (4): 913–924. дои : 10.1037/a0028196. ISSN  1939-134Х. ПМЦ  5715715 . ПМИД  22545694.
2. Феррис, Д.П. и Льюис, К.Л.: «Роботизированные экзоскелеты нижних конечностей с использованием пропорционального миоэлектрического контроля», 31-я ежегодная международная конференция IEEE EMBS , стр. 2119–2124, 2009 г.
3. Юнг Дж., Джанг И., Ринер Р. и Парк Х.: «Алгоритм обнаружения намерения ходьбы для пациентов с параличом нижних конечностей с использованием роботизированного экзоскелета, помощника при ходьбе с костылями», Международный журнал управления, автоматизации и систем , 10 (5), стр. 954–962, 2012 г.
4. Феррис, Д.П., Чернецкий, Дж.М. и Ханнафорд, Б.: «Ортез голеностопного сустава, приводимый в действие искусственными пневматическими мышцами», «Журнал прикладной биомеханики», 21, стр. 189–97, 2005 г.
5. Каин, С.М., Гордон, К.Э. и Феррис, Д.П.: «Локомоторная адаптация к ортезу голеностопного сустава с приводом зависит от метода управления», Журнал нейроинженерии и реабилитации , 4, стр. 48, 2007 г.
6. Феррис, Д.П., Савицкий, Г.С. и Дейли, Массачусетс: «Взгляд физиолога на роботизированные экзоскелеты для передвижения человека», Международный журнал гуманоидной робототехники , 4, стр. 507–28, 2007 г.
7. Савицкий, Г.С. и Феррис, Д.П.: «Ортез коленного сустава, голеностопного сустава и стопы с пневматическим приводом (KAFO) с миоэлектрической активацией и торможением», Журнал нейроинженерии и реабилитации , стр. в печати, 2009 г.
8. Паркер П., Энглхарт К. и Хаджинс Б.: «Обработка миоэлектрических сигналов для управления протезами конечностей с электроприводом», J Electromyogr Kinesiol. , 16(6), стр 541–48, 2006 г.
9. Гордон, К.Э. и Феррис, Д.П.: «Учимся ходить с помощью роботизированного экзоскелета голеностопного сустава», Журнал биомеханики , 40, стр. 2636–44, 2007 г.
10. Киннэрд, CR и Феррис, DP: «Медиальный миоэлектрический контроль икроножной мышцы роботизированного экзоскелета лодыжки», IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. , 17(1), стр. 31–37, 2009 г.
11. Феррис, Д.П., Гордон, К.Э., Савицкий, Г.С. и Питамбаран, А.: «Улучшенный ортез голеностопного сустава с электроприводом с использованием пропорционального миоэлектрического контроля», Gait and Posture , 23, стр. 425–428, 2006 г.
12. Скотт, Р.Н.: «Миоэлектрический контроль протезов», Архив физической медицины и реабилитации , 47, стр. 174–81, 1966.
13. Рейнкенсмейер, DJ, Эмкен, JL и Крамер, SC: «Робототехника, двигательное обучение и неврологическое восстановление», Annu Rev Biomed Eng , 6, стр. 497–525, 2004 г.
14. Дитц В., Вирц М., Коломбо Г. и Курт А.: «Опорно-двигательная способность и восстановление функции спинного мозга у пациентов с параличом нижних конечностей: клиническая и электрофизиологическая оценка», Electroenceph Clin Neurophyol , 109, стр. 140–53, 1998.
15. Берман, А.Л. и Харкема С.Дж.: «Локомоторная тренировка после травмы спинного мозга человека: серия тематических исследований», Phys Ther , 80, стр. 688–700, 2000.
16. Льюис, К. Л. и Феррис, Д. П.: «Инвариантная картина момента бедра при ходьбе с роботизированным экзоскелетом бедра», Journal of Biomechanics , 44, стр. 789–93, 2011 г.