Розробка мінімалістичного ортезу руки з електроприводом для лікування травм сплетіння плечового пояса
DOI:
https://doi.org/10.20535/RADAP.2024.96.50-61Ключові слова:
ортез верхньої кінцівки, електроміографія, активність шийних м'язівАнотація
Парез ліктьового суглоба, що часто виникає внаслідок травми плечового сплетіння, становить значну проблему в галузі реабілітації. Щоб вирішити цю проблему, ми розробили прототип ортеза з електроприводом, який використовує неінвазивні сигнали поверхневої електроміографії (ЕМГ) від м'язів шиї, наприклад стерноклеїдомастоїдний, для інтуїтивного управління. Ця система, керована ЕМГ, дозволяє точно маніпулювати ліктьовим суглобом, охоплюючи весь фізіологічний діапазон рухів.
Конструкція прототипу інтегрує процесор ЕМГ-сигналів з оператором управління ортезом, створюючи єдиний інтерфейс між намірами людини та механічною дією. Здорові учасники мали змогу використовувати скорочення м'язів шиї для ефективного контролю обертання ліктя, демонструючи таким чином можливості системи для застосування в реальних умовах. Масштабована огинаюча ЕМГ безпосередньо впливає на привід обертання ортеза, забезпечуючи чутливий і точний контроль. Завдяки ретельному аналізу чутливості ми оптимізували алгоритм керування, відрегулювавши довжину вікна ЕМГ, фільтрацію сигналу та параметри порогових значень. Завдяки цьому процесу оптимізації система може адаптуватися до індивідуальних потреб користувача, забезпечуючи персоналізований та ефективний контроль. Управління в режимі реального часу, досягнуте за допомогою цього прототипу, є вагомим кроком вперед у розвитку біомедичних реабілітаційних пристроїв. Він не тільки пропонує практичне рішення для людей з парезом ліктьового суглоба, але й закладає основу для майбутніх досягнень в області нейромеханічних інтерфейсів. Наші поточні дослідження спрямовані на подальше вдосконалення цієї технології, вивчаючи інтеграцію алгоритмів машинного навчання для прогнозування та адаптації до рухів користувача, тим самим створюючи більш природний та інтуїтивно зрозумілий користувацький досвід. Кінцевою метою є розробка повнофункціонального ортеза, який можна буде легко впровадити в клінічних умовах, забезпечуючи неінвазивне, ефективне рішення для реабілітації ліктя.
Посилання
References
Nakipoğlu Yüzer, et al. (2018). The regularity of orthosis use and the reasons for disuse in stroke patients. International Journal of Rehabilitation Research, Vol. 41, Iss. 3, pp. 270-275 DOI: 10.1097/MRR.0000000000000299.
Jafarnezhadgero A. A., Mousavi S. H., Madadi-Shad M., Hijmans J. M. (2020). Quantifying lower limb inter-joint coordination and coordination variability after four-month wearing arch support foot orthoses in children with flexible flat feet. Human Movement Science, Vol. 70, 102593. DOI: 10.1016/j.humov.2020.102593.
Choo Y. J., Chang M. C. (2021). Effectiveness of an ankle–foot orthosis on walking in patients with stroke: a systematic review and meta-analysis. Sci Rep, Vol. 11, 15879. DOI: 10.1038/s41598-021-95449-x.
Young N., Terrington N., Francis D., Robinson L. S. (2018). Orthotic management of fixed flexion deformity of the proximal interphalangeal joint following traumatic injury: A systematic review. Hong Kong Journal of Occupational Therapy, Vol. 31, Iss. 1. pp. 3-13. DOI: 10.1177/1569186118764067.
Ramdharry G., Marsden J., Day B., Thompson A. (2006). De-stabilizing and training effects of foot orthoses in multiple sclerosis. Multiple Sclerosis Journal, Vol. 12, Iss. 2, pp. 219-226. DOI: 10.1191/135248506ms1266oa.
Ries A. J., Novacheck T. F., Schwartz M. H. (2014). A data driven model for optimal orthosis selection in children with cerebral palsy. Gait & Posture, Vol. 40, Iss. 4, pp. 539-544. DOI: 10.1016/j.gaitpost.2014.06.011.
Gijon-Nogueron, G., Ramos-Petersen, L., Ortega-Avila, A. B., et al. (2011). Effectiveness of foot orthoses in patients with rheumatoid arthritis related to disability and pain: a systematic review and meta-analysis. Qual Life Res, Vol. 27, pp. 3059–3069. DOI: 10.1007/s11136-018-1913-5.
Wong A. L., Wilson M., et al. (2017). The optimal orthosis and motion protocol for extensor tendon injury in zones IV-VIII: A systematic review. Journal of Hand Therapy, Vol. 30, Iss. 4, pp. 447-456. DOI: 10.1016/j.jht.2017.02.013.
Minh V., Tamre M., Safonov A., Musalimov V., Kovalenko P., Monakhov I. (2020) Design and implementation of a mechatronic elbow orthosis. Mechatronic Systems and Control, Vol. 48. DOI:10.2316/J.2020.201-0056.
Medina F., Perez K., Cruz-Ortiz D., Ballesteros M., Chairez I. (2021). Control of a hybrid upper-limb orthosis device based on a data-driven artificial neural network classifier of electromyography signals. Biomedical Signal Processing and Control, Vol. 68, 102624. DOI: 10.1016/j.bspc.2021.102624.
Hung K., Cheung H.-Y., Wan N., et al. (2021). Design, development, and evaluation of upper and lower limb orthoses with intelligent control for rehabilitation. IET Science, Mesurements and Technology, Vol. 15, Iss. 9, pp. 738-748. DOI: 10.1049/smt2.12074.
Durandau G. and Suleiman W. (2016). User-safe orthosis based on compliant actuators: Mechanical design and control framework. 55th Annual Conference of the Society of Instrument and Control Engineers of Japan (SICE), pp. 1508-1513. DOI: 110.1109/SICE.2016.7749223.
Shalaby R., Schauer T., Liedecke W. and Raisch J. (2011). Amplifer design for EMG recording from stimulation
electrodes during functional electrical stimulation leg cycling ergometry. Biomedical Engineering, Vol. 56, pp. 23-33. DOI: 10.1515/bmt.2010.055.
Tang Z., Yu H., Yang H., Zhang L., Zhang Lu. (2022). Effect of velocity and acceleration in joint angle estimation for an EMG-Based upper-limb exoskeleton control. Computers in Biology and Medicine, Vol. 141, 105156. DOI: 110.1016/j.compbiomed.2021.105156.
Chowdhury R. H., Reaz M. B. I., Mohd Ali M. A. B., et al. (2013). Surface Electromyography Signal Processing and Classification Techniques. Sensors, Vol. 13(9), pp. 12431-12466; DOI: 10.3390/s130912431.
Farago E., Chan A. D. C. (2023). Detection and Reconstruction of Poor-Quality Channels in High-Density EMG Array Measurements. Sensors, Vol. 23(10), 4759; DOI: 10.3390/s23104759.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2024 Антон Коцюбайло
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у нашому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована нашим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у нашому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення рукопису роботи авторами в мережі Інтернет (наприклад, на arXiv.org або на особистих веб-сайтах). Причому рукописи статей можуть бути розміщенні у відкритих архівах як до подання рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання. Це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії, позитивно позначається на оперативності ознайомлення наукової спільноти з результатами Ваших досліджень і як наслідок на динаміці цитування вже опублікованої у журналі роботи. Детальніше про це: The Effect of Open Access.
