Нейромеханика ортезов - Neuromechanics of orthoses

Нейромеханика ортезов относится к тому, как человеческое тело взаимодействует с ортезы. Миллионы людей в США страдают от инсульта, рассеянного склероза, постполиомиелита, травм спинного мозга или различных других заболеваний, которые улучшаются при использовании ортезов.[1] Что касается активных ортезов и электрические экзоскелеты обеспокоены, технология для создания этих устройств быстро улучшается, но мало исследований было сделано с человеческой стороны этих устройств. человеко-машинный интерфейс.

Активные ортезы

Активные или механические ортезы отличаются от экзоскелеты Ортезы обычно относятся к вспомогательным устройствам, помогающим людям с ограниченными возможностями ходить. Экзоскелеты обычно относятся к устройствам, предназначенным для увеличения движений здорового человека. Однако термины «активный ортез» и «экзоскелет» часто используются как синонимы.

Их можно сделать так, чтобы они помогали или препятствовали движению владельца. Помощь движению полезна для реабилитации,[2][3] для обеспечения солдат и медсестер повышенной силой для повышения производительности труда,[1][4] и для помощи людям, которые выполняют повторяющуюся работу, например заводским рабочим, для предотвращения травм. Наконец, эта технология также используется для того, чтобы люди, которые обычно не могут ходить самостоятельно, могут ходить (демонстрация eLEGS )[5]Ортезы с приводом также были созданы, чтобы сопротивляться или изменять движение.[6] Назначение таких ортезов - изучение того, как организм человека адаптируется к различным трудностям. Например, если одна мышца ограничена в движении, может ли наше тело определить, какие другие мышцы использовать вместо этого?

Питание человека

Хотя большинство статей о экзоскелеты Сосредоточьтесь на том, как привести устройство в действие, также важно знать, как привести в действие человека, который его использует. При разработке экзоскелета необходимо понимать требования к мощности каждого сустава.[1] Через анализ походки, мы знаем, что мощность варьируется в тазобедренных, коленных и голеностопных суставах. То, как сила распределяется по этим суставам, сильно меняется в зависимости от того, насколько быстро человек идет, идет ли он по холму или поднимается по лестнице.[1]

Проблема с питанием пользователя заключается в том, чтобы знать, сколько энергии требуется этому конкретному человеку, и в какой именно момент ему нужно активировать эту мощность.[1] Слишком большая или слишком низкая мощность сделает технологию бесполезной, но сделать ее подходящей для пользователя означает настроить каждое устройство.

Метаболическая стоимость

Основным методом определения того, помогает ли устройство человеку задачу или препятствует ей, является измерение метаболическая стоимость требуется для выполнения задачи.[1] Метаболические затраты - это то, сколько человек потребляет кислорода и производит углекислый газ при выполнении задания.[7][8] Чтобы проверить, действительно ли экзоскелет или активный ортез приносит пользу владельцу, проводятся исследования, в которых испытуемые сначала выполняют задачу без устройства, затем они выполняют ту же задачу во время ношения устройства, и сравниваются метаболические затраты, связанные с этими двумя задачами.[1]

По состоянию на 2008 год было обнаружено, что только один экзоскелет (в отличие от активного ортеза) действительно снижает метаболические затраты на ходьбу при ношении груза.[1][9] Исследований метаболической стоимости экзоскелета проведено очень мало, но одно исследование, проведенное Центром солдат армии США Натик, показало, что экзоскелет, который они использовали, фактически увеличивал метаболические затраты на 40%.[10]

В 2012 г. S. Galle et al. изучили метаболические затраты на мощный разгибатель голеностопного сустава, который помогает пользователям отталкиваться во время ходьбы. Примерно через 20 минут, чтобы адаптироваться к устройству, метаболические затраты пользователей при ходьбе снизились на 9%.[11]

Контроль

Феррис обсуждает влияние типов контроллеров в своей статье «Взгляд физиолога на роботизированные экзоскелеты для передвижения человека».[9]

Различные методы контроля активных ортезов или экзоскелетов нижних конечностей:

  • Используйте сенсорную информацию от экзоскелета и используйте человека только для легкого толчка в том направлении, в котором он / она хочет идти.[12]
  • Датчики стопы определяют, куда пользователь хочет пойти[13]
  • Пользователь свободно перемещает бедра при сгибании и наборе полного моста тензодатчики прикрепить к голени экзоскелета и потенциометр на коленном суставе[14]
  • Сила реакции земли датчики в обуви, поверхность кожи электромиографический (ЭМГ) электроды между бедром и коленом на передней и задней сторонах ног, потенциометры на суставах, гироскоп и акселерометр на рюкзаке для определения положения туловища[13]
  • Используйте эластичную ленту, чтобы прикрепить резисторы для измерения силы (FSR) к коже над мышцей. Когда эта мышца сгибается, датчик ощущает силу и выводит силу силы вместе с данными угла сустава от потенциометра для определения крутящего момента, необходимого в указанном суставе.[4]
  • Используйте как силу реакции земли, так и датчик давления вперед / назад, которым пользователь может манипулировать ногами.[15]
  • Управляемый ножным переключателем, при котором искусственная мышца активируется, когда передняя часть стопы пользователя касается земли.[3]
  • ЭМГ-контролируемый, при котором амплитуда сгибания мышцы пользователя определяет количество силы, обеспечиваемой искусственной мышцей [3]
  • Двусторонний ортез на голеностопный сустав с кнопочным управлением для людей с частичным параличом. Пользователь нажимает кнопку на портативном устройстве. Некоторые пользователи обнаружили, что это требует слишком большой концентрации, в то время как другим понравилось ощущение контроля, которое у них было.[3]

Использование в исследованиях

Некоторые активные ортезы были созданы с единственной целью исследования. По словам нейрофизиолога доктора Кейта Гордона, «локомоторная адаптация у людей изучена недостаточно. Чтобы получить представление о нейронной реорганизации, которая происходит после значительного нарушения усвоенной нейромышечной карты, связывающей данную моторную команду с ее результирующим мышечным действием, мы связали механическое воздействие роботизированного экзоскелета на ЭМГ-профиль камбаловидной мышцы при ходьбе ».[6] Даниэль Феррис соглашается в другой статье, говоря, «многие ключевые проблемы в двигательной физиологии, либо не очень хорошо понимают или при жарких спорах»[9]Его исследовательская группа изготовила на заказ активные ортезы для испытуемых, которые они могли носить при ходьбе по беговой дорожке. Когда испытуемый согнул его / ее камбаловидная мышца чтобы подошвенное сгибание (что позволяет человеку отталкиваться от земли во время ходьбы), устройство будет ограничивать движение объекта, заставляя его / ее ногу тыльное сгибание.[6] Через час ходьбы с устройством (был включен перерыв) испытуемые использовали свои камбаловидная мышца и икроножная мышца Мышцы меньше, поэтому они не были бы вынуждены так сильно сгибать спинку, но они не смогли полностью адаптироваться к требованиям устройства.[6]

Другое исследование, проведенное командой Гордона, показало, что когда устройство работает с нашими мышцами, мы легче адаптируемся. Например, он просил испытуемых носить активный ортез на одной ноге, который выполнял очень сильное подошвенное сгибание каждый раз, когда они сгибали камбаловидную мышцу, которая, как ожидается, приведет к подошвенному сгибанию. Однако подошвенное сгибание, выполняемое устройством, было слишком сильным, и испытуемым приходилось использовать минимальное количество мышечной силы на одной ноге, чтобы нормально ходить. Люди смогли адаптироваться к этой сложности менее чем за 30 минут.[16] Другое исследование, проведенное С. Галле и др., Обнаружило аналогичные результаты в статье «Адаптация к ходьбе с экзоскелетом, который способствует разгибанию голеностопного сустава».[11]Грегори Савики, Кейт Гордон и Дэниел Феррис вместе провели исследование активного ортеза на нижнюю конечность, чтобы понять, как его можно использовать для улучшения двигательной реабилитации. После экспериментов с различными типами управления (обнаружив, что некоторые испытуемые думали, что наличие кнопки для активации устройства требует слишком большой концентрации, в то время как другим нравился контроль над активацией устройства), команда пришла к выводу, что ортез на голеностопный сустав требует множества улучшений для реабилитации, но может быть «ценным для исследования взаимосвязи между механикой походки и метаболическими затратами».[3]

Соображения

Согласно с Хью Герр, Производительность в ортезе должна быть основана на измерение «метаболической стоимость транспорта, скорости ходьбы, гладкость и повторяемость движений, мышечную усталость и стабильность», а также «сокращение сил, понесенных опорно-двигательный аппарат».[1]

Источник питания, портативность и вес - самые большие проблемы, с которыми сталкиваются активные ортезы. Достаточный источник питания с современной технологией добавляет устройству слишком большой вес, что затрудняет выполнение чего-либо большего, чем сам подъем. По этой причине большинство активных ортезов привязаны к источнику питания, который достаточно хорошо работает для исследований и реабилитации пациентов, поскольку это также означает, что компьютер всегда рядом.[1]Другая проблема при изготовлении активного ортеза - тесное взаимодействие с человеком. Это создает трудности с совмещением суставов оператора с суставами устройства, ограничение движений человека путем прикрепления устройства к его / ее телу, другие силы со стороны устройства, которые сопротивляются движению, управление машиной во время ее ношения, определение того, как устройство меняет биомеханику человека и обеспечивает безопасность владельца.[1][17]Пациенты, нуждающиеся в ортезах с электроприводом, могут иметь патологические состояния, такие как мышечная слабость или спастичность, травма головного мозга или потеря чувствительности, или они могут получить спортивную травму или ряд различных заболеваний. Каждому пациенту требуется определенное изменение походки. Ортез должен генерировать энергию именно в тот момент, когда у пациента возникают проблемы с походкой.[18]

Примеры

Колено

Тысячи людей страдают от травм колена, и поскольку колено поддерживает вес тела во время фазы опоры при ходьбе, делаются более активные ортезы, чтобы облегчить вес колена во время фазы опоры.[18]

После неврологической травмы пациенты, как правило, должны пройти двигательную тренировку, в которой могут участвовать несколько терапевтов. Задача терапевта (-ов) довольно сложна, поэтому было создано несколько устройств, чтобы помочь с этой проблемой. Lokomat, AutoAmbulator и Mechanized Gait Trainer были созданы для работы с беговой дорожкой. Носимые тренажеры походки пригодятся для путешествий по земле. Это добавляет сложности, связанные с началом и остановкой шага, изменением направления, подъемом и спуском с холма и созданием более сложных упражнений на балансировку.[18]

Ступня

Было проведено обширное исследование, чтобы определить, какой толщины может быть подошва солдатского сапога, прежде чем она будет мешать его действиям. Было обнаружено, что подошва толщиной 2 дюйма влияла на определенные положения при приседании и была менее удобной, чем более тонкая подошва, но в конечном итоге может быть реализована в конструкциях экзоскелета. Целью исследования было определить, сколько места может быть доступно для датчиков в ботинке экзоскелета солдата.[20]

Пассивные ортезы

Пассивные ортезы не требуют внешнего источника питания и имеют меньше движущихся частей. Однако было разработано множество пассивных ортезов для облегчения движения за счет использования пружин и других подобных движущихся частей.[1][21]

Примеры

Фото / видео

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б c d е ж г час я j k л Доллар, Аарон М. и Хью Херр. «Экзоскелеты нижних конечностей и активные ортезы: проблемы и новейшие достижения». Робототехника, транзакции IEEE от 24.1 (2008 г.): 144-158.
  2. ^ Феррис, ДП; Савицкий, GS; Доминго, А (2005). «Силовые ортезы нижних конечностей для реабилитации походки». Верхний спинной мозг Inj Rehabil. 11 (2): 34–49. Дои:10.1310 / 6gl4-um7x-519h-9jyd. ЧВК  1414628. PMID  16568153.
  3. ^ а б c d е Савицкий, Грегори С., Кейт Э. Гордон и Дэниел П. Феррис. «Ортезы нижних конечностей с приводом: применение в двигательной адаптации и реабилитации». Реабилитационная робототехника, 2005. ICORR 2005. 9-я Международная конференция по. IEEE, 2005. http://www.kines.umich.edu/sites/webservices.itcs.umich.edu.drupal.kinesprod/files/resource_files/Sawicki2005.pdf
  4. ^ а б Исии, Минео; Ямамото, Кейджиро; Хёдо, Кадзухито (2005). «Автономный носимый костюм с усилителем мощности - разработка и доступность». Журнал робототехники и мехатроники. 17 (5): 575–583. Дои:10.20965 / jrm.2005.p0575.
  5. ^ Као, ПК; Льюис, CL; Феррис, Д.П. (2010). «Неизменные паттерны момента в лодыжке при ходьбе с роботизированным экзоскелетом лодыжки и без него». J Biomech. 43 (2): 203–9. Дои:10.1016 / j.jbiomech.2009.09.030. ЧВК  2813403. PMID  19878952.
  6. ^ а б c d Гордон, Кейт Э .; Kinnaird, Catherine R .; Феррис, Дэниел П. (2013). «Локомоторная адаптация к экзоскелету антагониста Soleus EMG». Журнал нейрофизиологии. 109 (7): 1804–14. Дои:10.1152 / ян.01128.2011. ЧВК  3628010. PMID  23307949.
  7. ^ Брокуэй, Дж. М. "Вывод формул, используемых для расчета расхода энергии в человеке". Hum Nutr Clin Nutr 41.6 (1987): 463-71.
  8. ^ Донелан, Дж. Максвелл, Роджер Крам и Артур Д. Куо. «Механическая работа при пошаговом переходе - главный фактор, определяющий метаболические затраты человека при ходьбе». Журнал экспериментальной биологии 205.23 (2002): 3717-3727.
  9. ^ а б c Феррис, ДП; Савицкий, GS; Дейли, Массачусетс (2007). «ПЕРСПЕКТИВА ФИЗИОЛОГА НА РОБОТИЧЕСКИЕ ЭКЗОСКЕЛЕТЫ ДЛЯ ПЕРЕДВИЖЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА». Int J HR. 4 (3): 507–528. Дои:10.1142 / S0219843607001138. ЧВК  2185037. PMID  18185840.
  10. ^ Грегорчик, Карен Н. и др. Влияние вспомогательного устройства несения нагрузки экзоскелета нижней части тела на потребление кислорода и кинематику во время ходьбы с грузами. АРМИЯ НАТИК СОЛДАТ ЦЕНТР МА, 2006.
  11. ^ а б Galle, S., et al. «Адаптация к ходьбе с экзоскелетом, который помогает разгибать лодыжку». Походка и поза (2013).
  12. ^ Зосс, Адам Б., Х. Казеруни и Эндрю Чу. «Биомеханический дизайн экзоскелета нижних конечностей Беркли (BLEEX)». Мехатроника, транзакции IEEE / ASME от 11.2 (2006 г.): 128-138. http://bleex.me.berkeley.edu/wp-content/uploads/hel-media/Publication/ICRA05-Design.pdf
  13. ^ а б Гиццо, Эрико и Гарри Гольдштейн. «Рост телесных ботов». IEEE SPECTRUM 42.10 (2005): 42.«Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2009-05-04. Получено 2013-02-18.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка на сайт)
  14. ^ Уолш, Конор Джеймс и др. «Разработка легкого, неизлечимого экзоскелета для увеличения несущей способности». Робототехника и автоматизация, 2006. ICRA 2006. Труды 2006 IEEE International Conference on. IEEE, 2006 г.http://biomech.media.mit.edu/publications/WalshICRA2006.pdf
  15. ^ Крупп, Бенджамин Т. и Кристофер Дж. Морс. «Робо-колено: экзоскелет для повышения силы и выносливости во время ходьбы».http://www-personal.umich.edu/~shc/RoboKnee/Pratt_2004_ICRA.pdf
  16. ^ Гордон, Кейт Э .; Феррис, Дэниел П. (2007). «Обучение ходьбе с роботизированным экзоскелетом голеностопного сустава». Журнал биомеханики. 40 (12): 2636–2644. Дои:10.1016 / j.jbiomech.2006.12.006. PMID  17275829.
  17. ^ Кроуэлл III, Харрисон П., Анджела К. Бойнтон и Майкл Мунгиоле. Требования к мощности и крутящему моменту экзоскелета, основанные на биомеханике человека. № ARL-TR-2764. АРМИЯ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ АБЕРДИНСКОГО ДОКАЗАТЕЛЬСТВА, МД, 2002 http://www.dtic.mil/cgi-bin/GetTRDoc?AD=ADA408684
  18. ^ а б c Шамаи, Камран и Аарон М. Доллар. «О механике колена во время фазы опоры походки». Реабилитационная робототехника (ICORR), Международная конференция IEEE 2011 г. IEEE, 2011.
  19. ^ Фик Б. Р. и Дж. Б. Макинсон. «Хардиман I - прототип машины для увеличения силы и выносливости человека: окончательный отчет». General Electric Company, Скенектади, Нью-Йорк, GE Tech. Реп. S-71-1056 (1971).
  20. ^ Бойнтон, Анджела К. и Харрисон П. Кроуэлл III. Оценка человеческого фактора толщины подошвы интерфейса ботинка экзоскелета. № ARL-TR-3812. АРМИЧЕСКАЯ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ ABERDEEN PROVING GROUND ДИРЕКЦИЯ ПО ЧЕЛОВЕЧЕСКИМ ИССЛЕДОВАНИЯМ И ИНЖЕНЕРНОМУ ОБОРУДОВАНИЮ, 2006. http://www.dtic.mil/cgi-bin/GetTRDoc?AD=ADA449952
  21. ^ а б Черри, Майкл С., Шридхар Кота и Дэниел П. Феррис. «Эластичный экзоскелет для бега человека». Proc. IDETC / CIE 2009, ASME 2009 Int. Конструкторско-технические конференции и компьютеры и информация в инженерном конф. 2009 г.https://www2.lirmm.fr/lirmm/interne/BIBLI/CDROM/ROB/2009/DETC_2009/DETC2009/data/pdfs/trk-8/DETC2009-87355.pdf

внешние ссылки