Kontrolle der Fortbewegung über kontinuierlich wechselnde Aktivitäten für bewegliche, angetriebene Beinprothesen

Das übergeordnete Ziel dieses Projekts besteht darin, die Biomechanik menschlicher Gelenke bei kontinuierlich variierender Fortbewegung zu modellieren, um eine adaptive Steuerung von angetriebenen Prothesen oberhalb des Knies zu ermöglichen. Oberschenkelamputierte haben aufgrund des Mangels an positiver mechanischer Arbeit und aktiver Kontrolle oft Schwierigkeiten, die unterschiedlichen Aktivitäten des täglichen Lebens mit herkömmlichen Prothesen zu bewältigen. Neue angetriebene Prothesen verfügen über Motoren, die diese fehlenden Funktionen ausführen können, aber die Biomechanik, die der Benutzer erlebt, hängt von der Steuerung dieser Motoren ab. Die Art und Weise, wie die Prothese mit dem Benutzer und der Umgebung interagiert, kann durch die Gelenkimpedanz gesteuert werden – das Verhältnis zwischen Gelenkbewegung und Drehmoment. Die Impedanz eines Prothesengelenks wird typischerweise über Steifigkeit, Viskosität und Gleichgewichtswinkel für diskrete Gangphasen innerhalb einer begrenzten Reihe diskreter Aktivitäten definiert. Dieser Rahmen erlaubt jedoch keine kontinuierlichen Variationen stationärer Aktivitäten (z. B. Gehen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten/Steigungen). ) oder kontinuierliche Übergänge zwischen Aktivitäten (z. B. vom Gehen zum Treppensteigen). Die zentrale Hypothese dieses Projekts ist, dass variable Gelenkimpedanzen durch ein kontinuierliches Modell parametrisiert werden können, das auf messbaren Größen basiert, die als Phasen- und Aufgabenvariablen bezeichnet werden. Dieses Projekt wird maschinelles Lernen nutzen, um variable Impedanzfunktionen aus Nutzdaten zu identifizieren, einschließlich gemeinsamer Störungsreaktionen über den Phasen-/Aufgabenraum hinweg, um die Lösung auf biologische Werte auszurichten. Das resultierende Impedanzmodell wird mit Echtzeitschätzungen von Phasen- und Aufgabenvariablen verwendet, um eine maßgeschneiderte angetriebene Knie-Knöchel-Prothese und das Ossur PowerKnee aktivitätsübergreifend zu steuern. Die klinische Studie umfasst die folgenden Experimente mit menschlichen Probanden.

Ziel 1.3: N=5 körperlich leistungsfähige Probanden werden für erste Tests der Geh- und Treppensteuerung rekrutiert. Sobald die angetriebene Knie-Knöchel-Prothese eine zufriedenstellende Leistung erreicht, werden wir N=5 amputierte Probanden einschreiben, um diese Controller zu validieren.

Ziel 2.3: N=5 körperlich gesunde Probanden werden für erste Tests der Controller für den Übergang vom Sitzen zum Stehen und Gehen und Treppensteigen rekrutiert. Sobald die angetriebene Knie-Knöchel-Prothese eine zufriedenstellende Leistung erreicht, werden wir N=5 amputierte Probanden einschreiben, um diese Controller zu validieren.

Ziel 3.1: N=5 amputierte Probanden werden eingeschrieben, um die klinische Schnittstelle für die motorisierten Prothesensteuerungen zu validieren.

Ziel 3.2: N=5 amputierte Probanden werden eingeschrieben, um die Übertragung der Controller auf das PowerKnee zu validieren.

Ziel 3.3: N=10 amputierte Probanden werden in eine Studie zu Ausdauer- und Symmetrieergebnissen mit dem PowerKnee im Vergleich zu ihrer Prothese zum Mitnehmen aufgenommen.