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Purdue ExoMIND手套開源分享

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資料介紹

描述

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

問題：在美國，有 143,000 人因中風而失去了慣用手。其中，大約有 93,000 人在經(jīng)過 6 個月的治療后仍未能成功恢復(fù)他們的手部功能。專家認為，這種缺乏恢復(fù)的原因是缺乏數(shù)據(jù)。缺乏數(shù)據(jù)導致成功率低，因為 (1) 這些中心的護理報銷取決于可量化的結(jié)果，(2) 如果沒有具體數(shù)據(jù)來量化患者的進展，則無法確定最佳培訓強度，以及 (3) 患者在沒有具體證據(jù)表明他們正在取得進展的情況下失去動力。

解決方案：作為回應(yīng)，Purdue MIND 創(chuàng)造了 ExoMIND 手套。該手套將通過以下方式滿足已確定的需求：(1) 促進創(chuàng)建治療進展的定量報告以允許完全報銷，(2) 使物理治療師能夠識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器人康復(fù)解決方案。

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

最終設(shè)計原型

我們的解決方案采用七個魔術(shù)貼環(huán)形加速度計和一個織物雙極電極 EMG 傳感器，統(tǒng)一在一個可調(diào)節(jié)的手套中，該手套可滑過用戶的前臂和手部，以方便使用。該手套配備了一個 EMG 傳感器，該傳感器用導電銀織物縫入設(shè)備中，以舒適地測量由骨骼前臂肌肉產(chǎn)生的電活動。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 打印單元中的五個環(huán)形加速度計安裝在用戶的每個指尖上，以測量手指的相對位置。其余兩個加速度計通過分析手背上的一個加速度計相對于用戶前臂中央外殼單元中的加速度計的位置來測量手腕運動。所有加速度計都連接到中央外殼單元，而不會妨礙用戶的運動范圍。中央外殼單元中包含一個 Arduino 101，它與一個軟件配對，該軟件實現(xiàn)一個交互式程序，引導用戶正確使用 ExoMIND 手套。

最終設(shè)計文件

加速度計

加速度計的電路是通過 Eagle 軟件在定制印刷電路板 (PCB) 上設(shè)計和開發(fā)的，并發(fā)送到 OSHPark 進行打印以供使用。由于這些標準，MPU6050 被用于所有加速度計。加速度計通過使用固定在患者手背側(cè)的參考加速度計檢測每個指尖相對于閉合拳頭的基線位置的角度變化。必須使用這些值來測量每個手指的運動范圍，以便醫(yī)生或物理治療師可以通過識別哪些手指或鍛煉類型需要更直接的關(guān)注??來量化和個性化治療。用戶需要一個簡單的交互式程序來引導用戶正確使用設(shè)備，以確保準確的讀數(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 Altium 軟件在定制印刷電路板 (PCB) 上設(shè)計和開發(fā)的。AFE 和電極設(shè)計必須足夠小，以便舒適地佩戴在包裹前臂的腕托內(nèi)，并過濾 70 Hz - 1590 Hz 范圍之外的頻率，同時將差分信號放大 1000 倍以滿足設(shè)計規(guī)范。干電極由縫合到支架中的醫(yī)用級鍍銀 (76%) 尼龍 (45%) 彈性纖維織物組成。在功能上，EMG 監(jiān)測在中風患者上肢康復(fù)期間感興趣的鍛煉期間活躍的特定肌肉群。為了實現(xiàn)這一點，Purdue MIND 設(shè)計了一個 AFE，它帶有 AD623 儀表放大器和 TLC227 運算放大器，由 3.0 驅(qū)動。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），去除常見噪聲，通過帶通有源濾波器進行過濾，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，掌長肌和尺側(cè)腕屈肌（圖2）。從前臂獲取生物電信號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量度，以便物理治療師可以通過確定哪些區(qū)域和鍛煉需要更直接的關(guān)注??來量化和個性化治療。用戶必須需要一個簡單的交互式程序來引導用戶正確使用設(shè)備，以確保準確的讀數(shù)和清晰的顯示結(jié)果。

問題描述

在美國，每年有 795,000 人患有中風 [1]。這些患者中約有 318,000 名需要在急性卒中康復(fù)中心進行康復(fù)治療 [2]。經(jīng)過 6 個月的護理，65% 的因中風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]。在訪問了不同的康復(fù)中心、采訪了康復(fù)專家并進行了研究后，Purdue MIND 的一個多學科學生團隊了解到，由于缺乏定量數(shù)據(jù)，該療法的有效性通常會停滯不前 [3]。缺乏數(shù)據(jù)導致成功率低，因為 (1) 這些中心的護理報銷取決于可量化的結(jié)果，

項目目標聲明

作為回應(yīng)，Purdue MIND 學生動員到三個多學科設(shè)計團隊（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引起的損傷后恢復(fù)手部的功能使用，方法是：(1) 促進治療進展的定量報告的創(chuàng)建，以允許完全報銷，(2) 使物理治療師能夠識別和解決特定問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器人康復(fù)解決方案。使用兩類傳感器來實現(xiàn)這些目的：慣性測量單元（IMU 或加速度計）和肌電圖（EMG）。加速度計測量手腕和每個手指的運動范圍增加的百分比。EMG 允許對肌肉活動進行定量測量，以便可以創(chuàng)建每個手指在治療期間的彎曲和收縮強度的詳細記錄。最終設(shè)計將總共 8 個傳感器（即 7 個??加速度計和 1 個 EMG）集成到一個微控制器中，以量化手指實現(xiàn)的 180° 運動范圍的百分比，并通過集成在支架中的柔軟可穿戴干電極 EMG 監(jiān)測肌肉活動。ExoMIND Glove 是第一個能夠通過康復(fù)機器人提供的當前療法為無法重新使用手的患者提供的技術(shù)，同時使急性康復(fù)中心能夠獲得全額報銷服務(wù)。