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Purdue ExoMIND手套開源分享

2512986 2022-10-31 | zip | 1.46 MB | 次下載 | 免費(fèi)

資料介紹

描述

ExoMind Glove 是一款配備 7 個(gè)加速度計(jì)的可穿戴設(shè)備，用于量化前臂、手腕和手指的角度。此外，帶有導(dǎo)電織物電極的 EMG 固定在設(shè)備的套筒中，以監(jiān)測(cè)肌肉活動(dòng)。手套裝有一個(gè) Ardiuno 101，它運(yùn)行一個(gè)交互式程序，通過(guò)動(dòng)作提示用戶，以測(cè)量運(yùn)動(dòng)范圍并檢測(cè)物理治療師可以使用的肌肉活動(dòng)。

問(wèn)題：在美國(guó)，有 143,000 人因中風(fēng)而失去了慣用手。其中，大約有 93,000 人在經(jīng)過(guò) 6 個(gè)月的治療后仍未能成功恢復(fù)他們的手部功能。專家認(rèn)為，這種缺乏恢復(fù)的原因是缺乏數(shù)據(jù)。缺乏數(shù)據(jù)導(dǎo)致成功率低，因?yàn)?(1) 這些中心的護(hù)理報(bào)銷取決于可量化的結(jié)果，(2) 如果沒(méi)有具體數(shù)據(jù)來(lái)量化患者的進(jìn)展，則無(wú)法確定最佳培訓(xùn)強(qiáng)度，以及 (3) 患者在沒(méi)有具體證據(jù)表明他們正在取得進(jìn)展的情況下失去動(dòng)力。

解決方案：作為回應(yīng)，Purdue MIND 創(chuàng)造了 ExoMIND 手套。該手套將通過(guò)以下方式滿足已確定的需求：(1) 促進(jìn)創(chuàng)建治療進(jìn)展的定量報(bào)告以允許完全報(bào)銷，(2) 使物理治療師能夠識(shí)別和解決患者治療中的特定缺陷，以及 (3) 提供為努力重新使用雙手的患者提供機(jī)器人康復(fù)解決方案。

差異化：由于這些設(shè)備對(duì)患者康復(fù)的關(guān)注范圍狹窄，其他利益相關(guān)者，特別是急癥護(hù)理中心的需求，尚未得到充分解決。ExoMIND Glove 首次嘗試在該市場(chǎng)上為急性護(hù)理中心提供整體分析報(bào)告，以跟蹤患者在急性康復(fù)護(hù)理期間的康復(fù)進(jìn)展。

最終設(shè)計(jì)原型

我們的解決方案采用七個(gè)魔術(shù)貼環(huán)形加速度計(jì)和一個(gè)織物雙極電極 EMG 傳感器，統(tǒng)一在一個(gè)可調(diào)節(jié)的手套中，該手套可滑過(guò)用戶的前臂和手部，以方便使用。該手套配備了一個(gè) EMG 傳感器，該傳感器用導(dǎo)電銀織物縫入設(shè)備中，以舒適地測(cè)量由骨骼前臂肌肉產(chǎn)生的電活動(dòng)。該 EMG 傳感器連接到安裝在設(shè)備頂部的中央外殼單元（即面包板）。安裝在 3D 打印單元中的五個(gè)環(huán)形加速度計(jì)安裝在用戶的每個(gè)指尖上，以測(cè)量手指的相對(duì)位置。其余兩個(gè)加速度計(jì)通過(guò)分析手背上的一個(gè)加速度計(jì)相對(duì)于用戶前臂中央外殼單元中的加速度計(jì)的位置來(lái)測(cè)量手腕運(yùn)動(dòng)。所有加速度計(jì)都連接到中央外殼單元，而不會(huì)妨礙用戶的運(yùn)動(dòng)范圍。中央外殼單元中包含一個(gè) Arduino 101，它與一個(gè)軟件配對(duì)，該軟件實(shí)現(xiàn)一個(gè)交互式程序，引導(dǎo)用戶正確使用 ExoMIND 手套。

最終設(shè)計(jì)文件

加速度計(jì)

加速度計(jì)的電路是通過(guò) Eagle 軟件在定制印刷電路板 (PCB) 上設(shè)計(jì)和開發(fā)的，并發(fā)送到 OSHPark 進(jìn)行打印以供使用。由于這些標(biāo)準(zhǔn)，MPU6050 被用于所有加速度計(jì)。加速度計(jì)通過(guò)使用固定在患者手背側(cè)的參考加速度計(jì)檢測(cè)每個(gè)指尖相對(duì)于閉合拳頭的基線位置的角度變化。必須使用這些值來(lái)測(cè)量每個(gè)手指的運(yùn)動(dòng)范圍，以便醫(yī)生或物理治療師可以通過(guò)識(shí)別哪些手指或鍛煉類型需要更直接的關(guān)注??來(lái)量化和個(gè)性化治療。用戶需要一個(gè)簡(jiǎn)單的交互式程序來(lái)引導(dǎo)用戶正確使用設(shè)備，以確保準(zhǔn)確的讀數(shù)和清晰的顯示結(jié)果。

肌電圖

EMG 的模擬前端 (AFE) 和雙極電極是通過(guò) Altium 軟件在定制印刷電路板 (PCB) 上設(shè)計(jì)和開發(fā)的。AFE 和電極設(shè)計(jì)必須足夠小，以便舒適地佩戴在包裹前臂的腕托內(nèi)，并過(guò)濾 70 Hz - 1590 Hz 范圍之外的頻率，同時(shí)將差分信號(hào)放大 1000 倍以滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。干電極由縫合到支架中的醫(yī)用級(jí)鍍銀 (76%) 尼龍 (45%) 彈性纖維織物組成。在功能上，EMG 監(jiān)測(cè)在中風(fēng)患者上肢康復(fù)期間感興趣的鍛煉期間活躍的特定肌肉群。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，Purdue MIND 設(shè)計(jì)了一個(gè) AFE，它帶有 AD623 儀表放大器和 TLC227 運(yùn)算放大器，由 3.0 驅(qū)動(dòng)。7V 鋰離子聚合物電池和分壓器，可有效提供參考電壓（即 1.65V），去除常見(jiàn)噪聲，通過(guò)帶通有源濾波器進(jìn)行過(guò)濾，并放大在旋前圓肌、橈側(cè)腕屈肌等肌肉纖維上記錄的生物電信號(hào)，掌長(zhǎng)肌和尺側(cè)腕屈?。▓D2）。從前臂獲取生物電信號(hào)可以量化患者的肌肉力量。這些值必須用于獲得每次鍛煉的肌肉活動(dòng)量度，以便物理治療師可以通過(guò)確定哪些區(qū)域和鍛煉需要更直接的關(guān)注??來(lái)量化和個(gè)性化治療。用戶必須需要一個(gè)簡(jiǎn)單的交互式程序來(lái)引導(dǎo)用戶正確使用設(shè)備，以確保準(zhǔn)確的讀數(shù)和清晰的顯示結(jié)果。

問(wèn)題描述

在美國(guó)，每年有 795,000 人患有中風(fēng) [1]。這些患者中約有 318,000 名需要在急性卒中康復(fù)中心進(jìn)行康復(fù)治療 [2]。經(jīng)過(guò) 6 個(gè)月的護(hù)理，65% 的因中風(fēng)而失去手部靈活性的患者仍未恢復(fù)執(zhí)行日常日常任務(wù)的能力 [3]。在訪問(wèn)了不同的康復(fù)中心、采訪了康復(fù)專家并進(jìn)行了研究后，Purdue MIND 的一個(gè)多學(xué)科學(xué)生團(tuán)隊(duì)了解到，由于缺乏定量數(shù)據(jù)，該療法的有效性通常會(huì)停滯不前 [3]。缺乏數(shù)據(jù)導(dǎo)致成功率低，因?yàn)?(1) 這些中心的護(hù)理報(bào)銷取決于可量化的結(jié)果，

項(xiàng)目目標(biāo)聲明

作為回應(yīng)，Purdue MIND 學(xué)生動(dòng)員到三個(gè)多學(xué)科設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)（即電力、材料和編程）并創(chuàng)建了 ExoMIND 手套。這種手套將允許更多患者在中風(fēng)引起的損傷后恢復(fù)手部的功能使用，方法是：(1) 促進(jìn)治療進(jìn)展的定量報(bào)告的創(chuàng)建，以允許完全報(bào)銷，(2) 使物理治療師能夠識(shí)別和解決特定問(wèn)題患者治療方面的缺陷，以及 (3) 為努力重新使用雙手的患者提供機(jī)器人康復(fù)解決方案。使用兩類傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)這些目的：慣性測(cè)量單元（IMU 或加速度計(jì)）和肌電圖（EMG）。加速度計(jì)測(cè)量手腕和每個(gè)手指的運(yùn)動(dòng)范圍增加的百分比。EMG 允許對(duì)肌肉活動(dòng)進(jìn)行定量測(cè)量，以便可以創(chuàng)建每個(gè)手指在治療期間的彎曲和收縮強(qiáng)度的詳細(xì)記錄。最終設(shè)計(jì)將總共 8 個(gè)傳感器（即 7 個(gè)??加速度計(jì)和 1 個(gè) EMG）集成到一個(gè)微控制器中，以量化手指實(shí)現(xiàn)的 180° 運(yùn)動(dòng)范圍的百分比，并通過(guò)集成在支架中的柔軟可穿戴干電極 EMG 監(jiān)測(cè)肌肉活動(dòng)。ExoMIND Glove 是第一個(gè)能夠通過(guò)康復(fù)機(jī)器人提供的當(dāng)前療法為無(wú)法重新使用手的患者提供的技術(shù)，同時(shí)使急性康復(fù)中心能夠獲得全額報(bào)銷服務(wù)。