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Myoelektrische Handprothesen www.tu-chemnitz.de11.06.2015 Mariella Dreißig Myoelektrische Handprothesen Referent: Mariella Dreißig Seminar: Computergestütztes.

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1 Myoelektrische Handprothesen www.tu-chemnitz.de11.06.2015 Mariella Dreißig Myoelektrische Handprothesen Referent: Mariella Dreißig Seminar: Computergestütztes Messen SS15 Dozenten: Prof. Dr. Georgeta Salvan Dr. Thomas Franke

2 Myoelektrische Handprothesen www.tu-chemnitz.de11.06.2015 Mariella Dreißig Inhalt: 1) Arten von Prothesen 2) Anforderungen an Handprothesen 3) Prinzip der Myoelektrik Grundlegendes Prinzip Klassifizierung 4) Funktionsweise Signalverarbeitung Parameterauswertung Interpretation der Daten Steuerung und Ausführung Sensorisches Feedback 5) Training 6) Beispiel: Fluidhand 7) Probleme in der Entwicklung

3 Myoelektrische Handprothesen www.tu-chemnitz.de11.06.2015 Mariella Dreißig Arten von Prothesen - Endoprothese (= Implantat) - Exoprothese (= offenes Implantat) - Endo-Exo-Prothese Beispiel: Handprothese i.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

4 Myoelektrische Handprothesen www.tu-chemnitz.de11.06.2015 Mariella Dreißig Anforderungen an eine Handprothese Menschliche Hand: - Freiheitsgrade: 27 dof (degrees of freedom) - Kraft: 500N - Volumen: 50cm 2 - 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 Anforderungen an eine Handprothese

5 Myoelektrische Handprothesen www.tu-chemnitz.de11.06.2015 Mariella Dreißig Bionische Hand: - Ästhetik - Funktionalität = Wiederherstellen der Motorik - intuitive Steuerung - technische Erfordernisse - sensorisches Feedback Usability -> Akzeptanz Anforderungen an eine Handprothese

6 Myoelektrische Handprothesen www.tu-chemnitz.de11.06.2015 Mariella Dreißig 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]) Prinzip der Myoelektrik

7 Myoelektrische Handprothesen www.tu-chemnitz.de11.06.2015 Mariella Dreißig 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 Prinzip der Myoelektrik http://www.jneuroengrehab.com/content/figures/1743-0003-6-41-3-l.jpg

8 Myoelektrische Handprothesen www.tu-chemnitz.de11.06.2015 Mariella Dreißig Klassifizierung Prinzip der Myoelektrik

9 Myoelektrische Handprothesen www.tu-chemnitz.de11.06.2015 Mariella Dreißig Funktionsweise 3 Ebenen der Signalverarbeitung: - Preprocessing (Inputsignal wird aufbereitet und ausgewertet) - Intent Interpretation (Planung der auszuführenden Bewegung) - Output (Ausführung/Steuerung der Bewegung) Funktionsweise

10 Myoelektrische Handprothesen www.tu-chemnitz.de11.06.2015 Mariella Dreißig Signalverarbeitung - Kleines Signal:  V- bis mV-Bereich - A/D-Wandler (12 Bit Tiefe) - Verstärker (Verstärkung um den Faktor 100) - Filter (Hoch-, Tiefpass) Funktionsweise

11 Myoelektrische Handprothesen www.tu-chemnitz.de11.06.2015 Mariella Dreißig 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  meist Verwendung einer Kombination der oben genannten Parameter Funktionsweise

12 Myoelektrische Handprothesen www.tu-chemnitz.de11.06.2015 Mariella Dreißig 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

13 Myoelektrische Handprothesen www.tu-chemnitz.de11.06.2015 Mariella Dreißig Steuerung und Ausführung Wahl der Zustände der Aktoren - Proportionale Steuerung von Geschwindigkeit, Kraft und Position - on-off Steuerung einzelner Parameter  meist Kombination verschiedener Zustände z.B. Geschwindigkeit schnell vs. Langsam und Kraft proportional -> Sequentielle (statt kontinuierlicher) Ansteuerung Funktionsweise

14 Myoelektrische Handprothesen www.tu-chemnitz.de11.06.2015 Mariella Dreißig 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

15 Myoelektrische Handprothesen www.tu-chemnitz.de11.06.2015 Mariella Dreißig Künstliche Haut - Polymer mit hoher sensorischer Auflösung - Sensoren für Temperatur, Druck, Feuchtigkeit - bis zu 20% dehnbar - auf Körpertemperatur aufgeheizt -> Problem: Interface mit menschlichem Nervensystem  sensorisches Feedback = höhere Funktionalität und Akzeptanz http://www.technologyreview.com/sites/default/files/images/stretchablex299.jpg Funktionsweise

16 Myoelektrische Handprothesen www.tu-chemnitz.de11.06.2015 Mariella Dreißig Training Unterscheidung: System Training vs. User Training System Training Ziel: Prothese soll jedem Signalmuster das richtige Bewegungsmuster zuordnen - Manuelle Anpassung - Bilaterales Training - Prothesengesteuertes Training -> Datenset sollte so realistisch wie möglich sein (kontinuierliche Bewegungen) Training

17 Myoelektrische Handprothesen www.tu-chemnitz.de11.06.2015 Mariella Dreißig 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

18 Myoelektrische Handprothesen www.tu-chemnitz.de11.06.2015 Mariella Dreißig 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

19 Myoelektrische Handprothesen www.tu-chemnitz.de11.06.2015 Mariella Dreißig - 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

20 Myoelektrische Handprothesen www.tu-chemnitz.de11.06.2015 Mariella Dreißig - Neu: Kraftrückkopplung - Kraft ist wichtigstes sensorisches Feedback - Greifkraftermittlung -> Verarbeitung im Steuerungsmodul -> Vibrationsmotor Beispiel: Fluidhand http://handprothese.de/images/fluidhand4.jpg

21 Myoelektrische Handprothesen www.tu-chemnitz.de11.06.2015 Mariella Dreißig Probleme bei der Entwicklung Enthusiasmus in akademischer Forschung vs. seltene Anwendung in der Praxis  Lücke zwischen akademischer Forschung und kommerzieller Anwendung Woran könnte das liegen? Probleme bei der Entwicklung

22 Myoelektrische Handprothesen www.tu-chemnitz.de11.06.2015 Mariella Dreißig 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) Probleme bei der Entwicklung

23 Myoelektrische Handprothesen www.tu-chemnitz.de11.06.2015 Mariella Dreißig Quellen Bundesverband 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 13 Bretthauer, 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-2007-989427 Fougner, 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.2012.2196711 Gaiser, 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. 91-96 Hoffmann, K.-P., Dietl, H. (2010). Handprothesen: Nach dem Vorbild der Natur. Deutsches Ärzteblatt, Vol. 107, Issue 45, pp. 11-14. ISSN: 0012-1207 Jiang, 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.2012.2203480 Russold, 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

24 Myoelektrische Handprothesen www.tu-chemnitz.de11.06.2015 Mariella Dreißig Videos: 2000 Test: https://www.youtube.com/watch?v=IhKsqo78pNc 2001 am Patient: https://www.youtube.com/watch?v=BuXaL3OJmYc Vincent Hand: https://www.youtube.com/watch?v=PGenAGt04A8


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