myoelektrische handprothesen mariella dreißig myoelektrische handprothesen referent: mariella...

Myoelektrische Handprothesen

www.tu-chemnitz.de 11.06.2015Mariella Dreißig

Myoelektrische HandprothesenReferent:

Mariella DreißigSeminar:

Computergestütztes Messen SS15Dozenten:

Prof. Dr. Georgeta SalvanDr. Thomas Franke



Inhalt:1) Arten von Prothesen2) Anforderungen an Handprothesen3) Prinzip der Myoelektrik

• Grundlegendes Prinzip• Klassifizierung

4) Funktionsweise• Signalverarbeitung• Parameterauswertung• Interpretation der Daten• Steuerung und Ausführung• Sensorisches Feedback

5) Training6) Beispiel: Fluidhand7) Probleme in der Entwicklung



Arten von Prothesen- Endoprothese (= Implantat)- Exoprothese (= offenes Implantat)- Endo-Exo-Prothese

Beispiel: Handprothesei.d.R. Einsatz bei Unterarmamputation (auch bei Teilhandamputationen)

Motivation? - Aristoteles sagte im 4. Jh. V. Chr.: „Der Vernünftigste kann auch wohl mit den meisten Werkzeugen umgehen, und die Hand bedeutet nicht nur ein Werkzeug, sondern viele, sie ist gleichsam das Werkzeug aller Werkzeuge.“ (http://www.uni-bielefeld.de/soz/personen/krohn/technik_als_lebensform.pdf [10.06.2015])- Deutschland: ca. 23000 registrierte Patienten mit amputierter Hand/Arm (weltweit ca. 1 Mio)

Arten von Prothesen



Anforderungen an eine Handprothese

Menschliche Hand:- Freiheitsgrade: 27 dof (degrees of freedom)- Kraft: 500N- Volumen: 50cm2

- Gewicht: 400g- 17000 Sensoren: Propriozeption und Exterzeption- 6 Griffarten: Zylindergriff, Spitzgriff, Koffergriff, Pinzettengriff, Kugelgriff, Lateralgriff

http://www.scope-online.de/upload_weka/1180090_big_540521.jpg




Bionische Hand:- Ästhetik- Funktionalität = Wiederherstellen der Motorik- intuitive Steuerung- technische Erfordernisse- sensorisches FeedbackUsability -> Akzeptanz




Unterscheidung in:- Kosmetische Prothese- Funktionelle Prothese-> State of the Art: myoelektrische Handprothese

Prinzip der Myoelektrik

myoelektrisch (griechisch mỹs (Genitiv: myós) bedeutet Muskel): von Prothesen mit einer Batterie betrieben und durch die Kontraktion eines Muskels in Bewegung gesetzt (http://www.duden.de/rechtschreibung/myoelektrisch [10.06.2015])




Grundlegendes Funktionsprinzip

- Aktionspotenzial aktiviert Muskelfasern - Anzahl aktivierter Muskelfasern ~ Muskelkraft- Erzeugung einer messbaren Potenzialdifferenz-> Muskelkraft ~ EMG-Signal- Oberflächen-EMG erfassen Summenpotenziale ganzer Muskeln

http://www.gvb-gelimed.de/media/image/thumbnail/d27f581e77ea668f460dfe44a9a31e84_720x600.jpg


http://www.jneuroengrehab.com/content/figures/1743-0003-6-41-3-l.jpg



Klassifizierung




Funktionsweise

3 Ebenen der Signalverarbeitung:- Preprocessing (Inputsignal wird aufbereitet und ausgewertet)- Intent Interpretation (Planung der auszuführenden Bewegung)- Output (Ausführung/Steuerung der Bewegung)

Funktionsweise



Signalverarbeitung

- Kleines Signal: V- bis mV-Bereich - A/D-Wandler (12 Bit Tiefe)- Verstärker (Verstärkung um den Faktor 100) - Filter (Hoch-, Tiefpass)

Funktionsweise



Parameterauswertung

Interne Parameter - Mean Absolute Value- Myo-Pulse: gewichteter Mittelwert der Zeit, die das Signal über einer Schwelle ist- Root-Mean Square- Zero-Crossing- Willison Amplitude: Änderung der Amplitude bezüglich eines Schwellwerts-> Parameter im Zeitbereich sind meist besser geeignet als die im Frequenzbereich

Externe Parameter- Potentiometer- Drucksensoren- Beschleunigungssensoren

Þ meist Verwendung einer Kombination der oben genannten Parameter

Funktionsweise



Interpretation der Daten

Ziel: Erkennen der Handlungsabsicht = Zuordnung der extrahierten Input-Muster zu Motorfunktionen- Proportionaler Mutex (mutual exclusion und Schätzfunktion)- Simultane Proportionale Steuerung (Künstliches Neuronales Netz)-> Zusammenhang von Trainingsmethode

Funktionsweise



Steuerung und Ausführung

Wahl der Zustände der Aktoren- Proportionale Steuerung von Geschwindigkeit, Kraft und Position- on-off Steuerung einzelner ParameterÞ meist Kombination verschiedener Zustände z.B. Geschwindigkeit schnell vs. Langsam und Kraft proportional-> Sequentielle (statt kontinuierlicher) Ansteuerung

Funktionsweise



Sensorisches Feedback

Targeted Muscle Reinnervation (TMR) und Target Sensory Reinnervation (TSR)- Efferente und Affarente Komponente- Nerven aus Zielmuskel entfernt- intakte Nervenenden aus amputiertem Arm implantiert-> Steuerung der Prothese und sensorisches Feedback

http://d3z1rkrtcvm2b.cloudfront.net/wp-content/uploads/2013/04/trm-2.jpg

Funktionsweise



Künstliche Haut- Polymer mit hoher sensorischer Auflösung- Sensoren für Temperatur, Druck, Feuchtigkeit- bis zu 20% dehnbar- auf Körpertemperatur aufgeheizt-> Problem: Interface mit menschlichem Nervensystem

Þ sensorisches Feedback = höhere Funktionalität und Akzeptanz

http://www.technologyreview.com/sites/default/files/images/stretchablex299.jpg

Funktionsweise



Training

Unterscheidung: System Training vs. User Training

System TrainingZiel: Prothese soll jedem Signalmuster das richtige Bewegungsmuster zuordnen- Manuelle Anpassung- Bilaterales Training - Prothesengesteuertes Training-> Datenset sollte so realistisch wie möglich sein (kontinuierliche Bewegungen)

Training



User Training- Ziel: so wenig Training wie möglich- Empfehlung: so viel Training wie möglich- Training des Gehirns um richtige Muskeln zu aktivieren

http://www.aerzteblatt.de/bilder/2014/02/img76986009.jpg

Training



Beispiel: Fluidhand (2000 vom BioRobotLab im Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt)

- Steuerung erfolgt myoelektrisch (2 EMG Elektroden)- Neu: flexible Fluidaktoren - Kammer aus dünner Plastikfolie

- Befüllen mit Flüssigkeit = Expansion- Ablassen der Flüssigkeit = Kontraktion

- speziell angfertigte Zahnradpumpen und Ventile

Beispiel: Fluidhand



- 4 Griffarten und Finger einzeln beweglich (ca. 60% der Funktionen einer menschlichen Hand)- 2 verschiedene Möglichkeiten der Auswertung- Training erfolgt indem Patient Griffarten vollführt

Beispiel: Fluidhand



- Neu: Kraftrückkopplung- Kraft ist wichtigstes sensorisches Feedback - Greifkraftermittlung -> Verarbeitung im Steuerungsmodul -> Vibrationsmotor

Beispiel: Fluidhand

http://handprothese.de/images/fluidhand4.jpg



Probleme bei der Entwicklung

Enthusiasmus in akademischer Forschung vs. seltene Anwendung in der PraxisÞLücke zwischen akademischer Forschung und kommerzieller Anwendung

Woran könnte das liegen?




Hauptprobleme:- sequentielle statt kontinuierliche/simultane Steuerung (Übergänge zwischen Griffarten fehlen)- on-off statt proportionale Steuerung- kaum sensorisches Feedback- fehlende Algorithmen zur Datenfusion (Verwendung vieler Sensoren)- oft unrealistische Testbedingungen (Alltagstauglichkeit)- Trainingsmethoden anpassen (Co-Adaption)




QuellenBundesverband für Menschen mit Arm- oder Beinamputation e.V. (2015). Die Endo-Exo-Prothese - wieder Boden unter den Füßen. Verfügbar unter: http://bmab.de/informationen/die-endo-exo-prothese/ [08.06.2015]Hoffmann, K.-P., Dietl, H. (2009). Bionic hand prosthesis on basis of a myogen controlled intelligent implant. Verfügbar unter: http://www.ige.tu-berlin.de/fileadmin/fg176/IGE_Printreihe/TAR_2009/paper/12_hoffmann.pdf [08.06.2015]ISEK (2015). Standards for Reporting EMG Data. Verfügbar unter: http://www.isek-online.org/standards_emg.html [10.06.2015]Otto Bock HealthCare (2015). Fasziniert. Mit Michelangelo®. Verfügbar unter: http://www.living-with-michelangelo.com/fileadmin/downloads/techniker/deutsch/produktbroschuere_techniker.pdf [10.06.2015]Plarre, P. (2011). Viele Leute denken noch, wir bauen Holzprothesen. Verfügbar unter: http://www.taz.de/!5115680/ [08.06.2015]Schütze, B. (2015). Signalerfassung. Verfügbar unter: http://www.medizin-informatik.org/scripte/medtech/biosig3.html [10.06.2015]Schwitalla, H. (2015). Künstliche Hand aus Karlsruhe: Die beweglichste Handprothese der Welt!. Verfügbar unter: http://www.ka-news.de/wirtschaft/karlsruhe/Karlsruhe~/Kuenstliche-Hand-aus-Karlsruhe-Die-beweglichste-Handprothese-der-Welt;art127,1638061 [08.06.2015]Talbot, D. (2014). Artificial Skin That Senses, and Stretches, Like the Real Thing. Verfügbar unter: http://www.technologyreview.com/news/533106/artificial-skin-that-senses-and-stretches-like-the-real-thing/ [07.06.2015]University of Guelph (2015). EMG Signals. Verfügbar unter: http://www.soe.uoguelph.ca/webfiles/mleuniss/Biomechanics/EMG.html [05.06.2015] Vincent Systems GmbH (2015). Vincent Evolution 2. Verfügbar unter: http://vincentsystems.de/prothetik/vincent-evolution-2/ [10.06.2015]Wikipedia (2015). Myoelektrik. Verfügbar unter: http://de.wikipedia.org/wiki/Myoelektrik [02.06.0215]Wikipedia (2015). Prothese. Verfügbar unter: http://de.wikipedia.org/wiki/Prothese [02.06.0215]Wikipedia (2015). Elektromyografie. Verfügbar unter: http://de.wikipedia.org/wiki/Elektromyografie [08.06.2015]

Reischl, M. (2006). Ein Verfahren zum automatischen Entwurf von Mensch-Maschine-Schnittstellen am Beispiel myoelektrischer Handprothesen. Schreiftenreihe des Instituts für Angewandte Informatik / Automatisierungstechnik Universität Karlsruhe (TH), Band 13Bretthauer, G., Schulz, S. Pylatiuk, C., Beck, S., Reischl, M. (2008). Eine neue adaptive Handprothese. Handchirurgie - Mikrochirurgie - Plastische Chirurgie, Vol. 40, pp. 40-45. doi: 10.1055/s-2007-989427Fougner, A., Stavdahl, Ø., Kyberd, P. J., Losier, Y. G., Parker, P.A. (2012). Control of Upper Limb Prostheses: Terminology and Proportional Myoelectric Control - A Review. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, Vol. 20, Issue 5, pp. 663-677. doi: 10.1109/TNSRE.2012.2196711Gaiser, N., Pylatiul, C., Schulz, S., Kargov, A., Oberle, R., Werner, T. (2009). The FLUIDHAND III: A Multifunctional Prosthetic Hand. Journal of Prosthetics and Orthotics, Vol. 21, Issue 2, pp. 91-96Hoffmann, K.-P., Dietl, H. (2010). Handprothesen: Nach dem Vorbild der Natur. Deutsches Ärzteblatt, Vol. 107, Issue 45, pp. 11-14. ISSN: 0012-1207Jiang, N., Dosen, S., Müller,K.-R., Farina, D. (2012). Myoelectric Control of Artificial Limbs - Is There a Need to Change Focus?. IEEE Signal Processing Magazine, Vol. 29, Issue 5, pp. 148-152. doi: 10.1109/MSP.2012.2203480Russold, M., Lewis, S., Abu-Saleh, L., Audí, M. J. C., Hahn, M., Schiestl, M., Ruff, R., Schroeder, D., Taghizadeh, B., Plümer, S., Hoffmann, K. P., Krautschneider, W., Gail, A., Meiners, T., Lanmüller, H., Aszmann, O., Dietl, H. (2014). Development of a fully implantable EMG measurement system: Status report on the MyoPlant project. Biomedical Engineering, Vol. 59, pp. 1085-1088. doi: 1515/bmt-2014-5014



Videos:2000 Test: https://www.youtube.com/watch?v=IhKsqo78pNc2001 am Patient: https://www.youtube.com/watch?v=BuXaL3OJmYcVincent Hand: https://www.youtube.com/watch?v=PGenAGt04A8

myoelektrische handprothesen mariella dreißig myoelektrische handprothesen referent: mariella...

Documents