Jump to content

Нейромеханика ортезов

Нейромеханика ортезов относится к тому, как тело человека взаимодействует с ортезами . Миллионы людей в США страдают от инсульта, рассеянного склероза, постполиомиелита, травм спинного мозга или различных других заболеваний, которым помогает использование ортезов. [1] Что касается активных ортезов и экзоскелетов с электроприводом , технология создания этих устройств быстро совершенствуется, но мало исследований было проведено с человеческой стороны этих человеко-машинных интерфейсов .

Активные ортезы

[ редактировать ]

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

Они могут помогать или сопротивляться движению пользователя. Помощь в передвижении полезна для реабилитации, [2] [3] для обеспечения солдат и медсестер повышенной силой для улучшения производительности труда, [1] [4] и для помощи людям, выполняющим повторяющуюся работу, например, фабричным рабочим, в предотвращении травм. Наконец, эта технология также используется, чтобы помочь людям, которые обычно не могут ходить самостоятельно ( демонстрация eLEGS ). [5] Также были созданы ортезы с электроприводом, которые препятствуют движению или изменяют его. [6] Цель таких ортезов – изучить, как организм человека адаптируется к различным трудностям. Например, если одна мышца ограничена в движении, сможет ли наш организм понять, какие другие мышцы использовать вместо нее?

Питание человека

[ редактировать ]

Хотя большинство статей об экзоскелетах посвящены тому, как питать устройство, также важно знать, как питать человека, который его использует. При проектировании экзоскелета необходимо понимать требования к мощности каждого сустава. [1] Благодаря анализу походки мы знаем, что мощность варьируется в тазобедренных, коленных и голеностопных суставах. То, как распределяется мощность 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/ей нужно активировать эту мощность. [1] Слишком большая или слишком маленькая мощность сделает технологию бесполезной, но сделать ее подходящей для пользователя означает настроить каждое устройство.

Метаболические затраты

[ редактировать ]

Основным методом определения того, помогает ли устройство выполнить задачу человека или мешает ей, является измерение метаболических затрат, необходимых для выполнения задачи. [1] Метаболические затраты — это то, сколько человек потребляет кислорода и производит углекислый газ при выполнении задачи. [7] [8] Чтобы проверить, действительно ли экзоскелет или активный ортез приносят пользу пользователю, проводятся исследования, в которых испытуемые сначала выполняют задание без устройства, затем выполняют ту же задачу, нося устройство, и сравниваются метаболические затраты от этих двух задач. [1]

По состоянию на 2008 год было обнаружено, что только один экзоскелет (в отличие от активного ортеза) действительно снижает метаболические затраты при ходьбе с грузом. [1] [9] Исследований метаболических затрат экзоскелета проведено очень мало, но одно исследование, проведенное Солдатским центром армии США в Натике, показало, что экзоскелет, который они использовали, фактически увеличил метаболические затраты на 40%. [10]

В 2012 г. С. Галле и др. изучили метаболические затраты электрического разгибателя голеностопного сустава, который помогал пользователям отталкиваться во время ходьбы. Примерно через 20 минут адаптации к устройству метаболические затраты пользователя при ходьбе снизились на 9%. [11]

Контроль

[ редактировать ]

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

Различные методы управления активными ортезами или экзоскелетами нижних конечностей:

  • Используйте сенсорную информацию от экзоскелета и используйте человека только для мягкого подталкивания в том направлении, в котором он/она хочет идти. [12]
  • Датчики ног определяют, куда пользователь хочет пойти [13]
  • Пользователь свободно двигает бедрами в сгибании, а набор тензодатчиков с полным мостом крепится к голени экзоскелета и потенциометру на коленном суставе. [14]
  • Датчики силы реакции опоры электроды на поверхности кожи в обуви, электромиографические (ЭМГ) между бедром и коленом на передней и задней сторонах ног, потенциометры на суставах, гироскоп и акселерометр на рюкзаке для определения положения туловища. [13]
  • Используйте резинку, чтобы прикрепить резисторы, чувствительные к силе (FSR), к коже над мышцей. Когда эта мышца сгибается, датчик ощущает силу и выводит силу силы вместе с данными угла сустава от потенциометра, чтобы определить крутящий момент, необходимый в указанном суставе. [4]
  • Используйте как силу реакции земли, так и датчик давления вперед/назад, которым пользователь может манипулировать ногами. [15]
  • Управляется педальным переключателем, при котором искусственная мышца активируется, когда передняя часть стопы пользователя касается земли. [3]
  • ЭМГ-контролируемый, при котором амплитуда сгибания мышц пользователя определяет величину силы, которую обеспечивает искусственная мышца. [3]
  • Кнопочное управление для двустороннего ортеза голеностопного сустава 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 чувство контроля, которое они имели. [3]

Использование в исследованиях

[ редактировать ]

Некоторые активные ортезы были созданы исключительно с исследовательской целью. По словам нейрофизиолога доктора Кейта Гордона, «локомоторная адаптация у людей недостаточно изучена. Чтобы лучше понять нервную реорганизацию, которая происходит после значительного нарушения усвоенной нервно-мышечной карты, связывающей данную двигательную команду с ее результирующим мышечным действием, мы связали механическое воздействие роботизированного экзоскелета на профиль ЭМГ камбаловидной мышцы при ходьбе». [6] Дэниел Феррис соглашается с этим в другой статье, говоря: «Многие ключевые вопросы локомоторной физиологии либо недостаточно изучены, либо являются объектом жарких споров». [9] Его исследовательская группа изготовила по индивидуальному заказу активные ортезы для участников исследования, которые они могли носить во время ходьбы по беговой дорожке. Когда субъект сгибал камбаловидную мышцу для подошвенного сгибания (что позволяет человеку отталкиваться от земли во время ходьбы), устройство ограничивало движение субъекта, заставляя его/ее ногу сгибаться назад . [6] После часа ходьбы с устройством (перерыв был включен) испытуемые меньше задействовали камбаловидную и икроножную мышцы, поэтому им не приходилось так сильно сгибать спину, но они не смогли полностью адаптироваться к требованиям устройство. [6]

Другое исследование команды Гордона показало, что, когда устройство работает с нашими мышцами, мы легче адаптируемся. Например, он просил испытуемых носить активный ортез на одной ноге, который осуществлял очень сильное подошвенное сгибание каждый раз, когда они сгибали камбаловидную мышцу, которая, как ожидается, будет подошвенно сгибаться. Однако подошвенное сгибание, выполняемое устройством, было слишком сильным, и испытуемым приходилось задействовать лишь минимальное количество мышечной силы на одной ноге, чтобы нормально ходить. Люди смогли адаптироваться к этой трудности 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 нижних конечностей, чтобы понять, как это устройство можно использовать для улучшения двигательной реабилитации. Поэкспериментировав с различными типами управления (обнаружив, что некоторые испытуемые считали, что наличие кнопки для активации устройства требует слишком большой концентрации, в то время как другим нравилось контролировать активацию устройства), команда пришла к выводу, что ортез голеностопного сустава им нужен. Используемый метод нуждается во многих улучшениях для реабилитации, но может оказаться «полезным для исследования взаимосвязи между механикой походки и метаболическими затратами». [3]

Соображения

[ редактировать ]

По мнению Хью Херра , эффективность ортеза должна основываться на измерениях «метаболических затрат на транспортировку, скорости ходьбы, плавности и повторяемости движений, мышечной усталости и стабильности», а также «снижения сил, возникающих на опорно-двигательном аппарате». ". [1]

Источник питания, портативность и вес — самые большие проблемы, с которыми сталкиваются активные ортезы. Достаточный источник питания с современными технологиями увеличивает вес устройства, затрудняя выполнение большего, чем просто подъем. По этой причине большинство активных ортезов привязаны к источнику питания, что достаточно хорошо для исследований и реабилитации пациентов, поскольку это также означает, что компьютер всегда находится рядом. [1] Другой проблемой при изготовлении активного ортеза является тесный контакт с человеком. Это создает трудности с совмещением суставов оператора с суставами устройства, ограничением движений человека за счет прикрепления устройства к его телу, другими силами со стороны устройства, которые сопротивляются движению, управлением машиной во время ее ношения, определением того, как Устройство меняет биомеханику человека и обеспечивает безопасность пользователя. [1] [17] Пациенты, нуждающиеся в ортезах с электроприводом, могут иметь патологические состояния, такие как мышечная слабость или спастичность, черепно-мозговая травма или потеря чувствительности, либо они могли получить спортивную травму или ряд различных заболеваний. Каждому пациенту требуется определенное изменение походки. Ортез должен быть способен генерировать энергию именно в тот момент, когда у пациента возникают проблемы с походкой. [18]

Тысячи людей страдают от травм колена, а поскольку колено поддерживает вес тела во время фазы опоры во время ходьбы, создаются более активные ортезы для снятия веса с колена во время фазы опоры. [18]

После неврологической травмы пациенты обычно должны пройти локомоторную тренировку, в которой могут участвовать несколько терапевтов. Задача для терапевта (терапевтов) довольно сложна, поэтому было создано несколько устройств, помогающих решить эту проблему. Локомат, автоамбулятор и механизированный тренажер походки были созданы для работы с беговой дорожкой. Носимые тренажеры для ходьбы будут полезны для путешествий по земле. Это добавляет сложности, связанные с началом и остановкой шага, изменением направления, подъемом и спуском по холму, а также выполнением более сложных упражнений на балансировку. [18]

Было проведено обширное исследование, чтобы определить, насколько толстой может быть подошва солдатского ботинка, прежде чем она будет мешать его/ее действиям. Было обнаружено, что подошва толщиной 2 дюйма влияет на определенные положения приседаний и менее удобна, чем более тонкая подошва, но в конечном итоге может быть реализована в конструкциях экзоскелетов. Целью исследования было определить, сколько места можно выделить для датчиков в ботинке экзоскелета солдата. [20]

Пассивные ортезы

[ редактировать ]

Пассивные ортезы не требуют внешнего питания и с меньшей вероятностью будут иметь движущиеся части. Однако было разработано множество пассивных ортезов для облегчения движения за счет использования пружин и других подобных движущихся частей. [1] [21]

Фото/видео

[ редактировать ]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л Доллар, Аарон М. и Хью Херр. «Экзоскелеты нижних конечностей и активные ортезы: проблемы и новейшие достижения». Робототехника, Транзакции IEEE 24.1 (2008): 144–158.
  2. ^ Феррис, ДП; Савицкий, Г.С.; Доминго, А (2005). «Электрические ортезы нижних конечностей для реабилитации походки» . Лучшая инъекционная реабилитация спинного мозга . 11 (2): 34–49. doi : 10.1310/6gl4-um7x-519h-9jyd . ПМЦ   1414628 . ПМИД   16568153 .
  3. ^ Jump up to: а б с д и Савицкий, Грегори С., Кейт Э. Гордон и Дэниел П. Феррис. «Электрические ортезы нижних конечностей: применение в двигательной адаптации и реабилитации». Реабилитационная робототехника, 2005. ICORR 2005. 9-я Международная конференция. IEEE, 2005. http://www.kines.umich.edu/sites/webservices.itcs.umich.edu.drupal.kinesprod/files/resource_files/Sawicki2005.pdf.
  4. ^ Jump up to: а б Исии, Минео; Ямамото, Кейджиро; Хёдо, Кадзухито (2005). «Автономный носимый костюм с электроприводом. Разработка и доступность» . Журнал робототехники и мехатроники . 17 (5): 575–583. дои : 10.20965/jrm.2005.p0575 .
  5. ^ Као, ПК; Льюис, CL; Феррис, ДП (2010). «Инвариантные закономерности момента голеностопного сустава при ходьбе с роботизированным экзоскелетом голеностопного сустава и без него» . Дж Биомеханик . 43 (2): 203–9. doi : 10.1016/j.jbiomech.2009.09.030 . ПМК   2813403 . ПМИД   19878952 .
  6. ^ Jump up to: а б с д Гордон, Кейт Э.; Киннэрд, Кэтрин Р.; Феррис, Дэниел П. (2013). «Локомоторная адаптация к экзоскелету-антагонисту, управляемому камбаловидной мышцей ЭМГ» . Журнал нейрофизиологии . 109 (7): 1804–14. дои : 10.1152/Jn.01128.2011 . ПМК   3628010 . ПМИД   23307949 .
  7. ^ Броквей, Дж. М. «Вывод формул, используемых для расчета затрат энергии у человека». Хум Нутр Клин Нутр 41.6 (1987): 463-71.
  8. ^ Донелан, Дж. Максвелл, Роджер Крам и Артур Д. Куо. «Механическая работа при переходе от шага к шагу является основным фактором, определяющим метаболические затраты при ходьбе человека». Журнал экспериментальной биологии 205.23 (2002): 3717-3727.
  9. ^ Jump up to: а б с Феррис, ДП; Савицкий, Г.С.; Дейли, Массачусетс (2007). «Взгляд физиолога на роботизированные экзоскелеты для передвижения человека» . Международный журнал гуманоидной робототехники . 4 (3): 507–528. дои : 10.1142/S0219843607001138 . ПМК   2185037 . ПМИД   18185840 .
  10. ^ Грегорчик, Карен Н. и др. Влияние вспомогательного устройства для перевозки груза экзоскелета нижней части тела на потребление кислорода и кинематику при ходьбе с грузом. СОЛДАТСКИЙ ЦЕНТР АРМИИ НАТИК, Массачусетс, 2006 г.
  11. ^ Jump up to: а б Галле С. и др. «Адаптация к ходьбе с экзоскелетом, способствующим разгибанию голеностопного сустава». Походка и осанка (2013).
  12. ^ Зосс, Адам Б., Х. Казеруни и Эндрю Чу. «Биомеханический дизайн экзоскелета нижних конечностей Беркли (BLEEX)». Мехатроника, Транзакции IEEE/ASME 11.2 (2006): 128-138. http://bleex.me.berkeley.edu/wp-content/uploads/hel-media/Publication/ICRA05-Design.pdf
  13. ^ Jump up to: а б Гиззо, Эрико и Гарри Гольдштейн. «Восстание боди-ботов». IEEE СПЕКТР 42.10 (2005): 42. «IEEE Spectrum: рост ботов-боди» . Архивировано из оригинала 4 мая 2009 г. Проверено 18 февраля 2013 г.
  14. ^ Уолш, Конор Джеймс и др. «Разработка легкого малоэффективного экзоскелета для увеличения несущей способности». Робототехника и автоматизация, 2006. ICRA 2006. Материалы Международной конференции IEEE 2006 г. ИИЭР, 2006. http://biomech.media.mit.edu/publications/WalshICRA2006.pdf
  15. ^ Крупп, Бенджамин Т. и Кристофер Дж. Морс. «RoboKnee: 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). «Учимся ходить с помощью роботизированного экзоскелета голеностопного сустава». Журнал биомеханики . 40 (12): 2636–2644. дои : 10.1016/j.jbiomech.2006.12.006 . ПМИД   17275829 .
  17. ^ Кроуэлл III, Харрисон П., Анджела К. Бойнтон и Майкл Манджиол. Требования к мощности и крутящему моменту экзоскелета, основанные на биомеханике человека. № АРЛ-ТР-2764. АРМЕЙСКАЯ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ АБЕРДИНСКИЙ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ ПОЛИгон, Мэриленд, 2002 г. http://www.dtic.mil/cgi-bin/GetTRDoc?AD=ADA408684
  18. ^ Jump up to: а б с Шамаи, Камран и Аарон М. Доллар. «О механике колена во время опорной фазы походки». Реабилитационная робототехника (ICORR), Международная конференция IEEE 2011 г. ИИЭР, 2011.
  19. ^ Фик, БР и Дж. Б. Макинсон. «Хардиман I — прототип машины для увеличения человеческой силы и выносливости: окончательный отчет». General Electric Company, Скенектади, Нью-Йорк, GE Tech. Реп. С-71-1056 (1971 г.).
  20. ^ Бойнтон, Анджела С. и Харрисон П. Кроуэлл III. Оценка человеческого фактора толщины подошвы интерфейса ботинка экзоскелета. № ARL-TR-3812. АРМЕЙСКАЯ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ АБЕРДИНСКИЙ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ ПОЛИгон, MD, УПРАВЛЕНИЕ ЧЕЛОВЕЧЕСКИХ И ИНЖЕНЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ, 2006. http://www.dtic.mil/cgi-bin/GetTRDoc?AD=ADA449952
  21. ^ Jump up to: а б Черри, Майкл С., Шридхар Кота и Дэниел П. Феррис. «Эластичный экзоскелет для облегчения бега человека». Учеб. IDTC/CIE 2009, ASME 2009 Int. Технические конференции по проектированию и компьютерам и информации в инженерии. 2009. https://www2.lirmm.fr/lirmm/interne/BIBLI/CDROM/ROB/2009/DETC_2009/DETC2009/data/pdfs/trk-8/DETC2009-87355.pdf
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 24cee1b386cbb0ab52513e9fe915add0__1722389460
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/24/d0/24cee1b386cbb0ab52513e9fe915add0.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Neuromechanics of orthoses - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)