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Contribution Details
| Type | Master's Thesis |
| Scope | Discipline-based scholarship |
| Title | Non-Invasive Feedback System for Smart Prosthetic Devices |
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| Institution | Univeristy of Zurich / ETH |
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| Date | 2010 |
| Abstract Text | In this thesis, we address a non-invasive sensory feedback system for prosthetic applications. Modern hand prostheses make use of electromyographic (EMG) signals of the remaining hand innervations to control an artificial limb. In contrast to our natural upper limbs, which are sensory-motor coordinated, the communication with a myoelectrically controlled hand prosthesis is only one-directional and consequently no sensory information is fed back to the body. Mainly due to this missing bidirectional information flow, the prosthesis is often not perceived as an integral part of the own body and low user acceptance of prosthesis wearers has been reported. We propose to use transcutaneous electrical stimulation on the lower back to convey pressure as well as proprioceptive feedback regarding the state of a prosthetic hand. For the representation of locally applied force and spatial movements of the hand, we suggest to make use of stationary and moving electrotactile stimulation patterns. We developed a transcutaneous electrical stimulator to investigate to what extent the lower back can be tackled to display sensory feedback. With the developed voltage-controlled device, we performed a series of experiments with 37 volunteer participants. The goal was to assess skin characteristics and basic properties of surface electrical stimulation and to gain insights into the amount of information that could be reliably fed back to the user of a prosthesis. We studied the influence of three different electrode sizes (4.9 cm2, 8 cm2 and 25 cm2) and frequencies (2, 4 and 6 kHz) on the comfort of evoked sensation and on skin characteristics under transcutaneous electrical stimulation. The electrode size and applied frequency did not show a significant effect on perceived stimulation comfort, but on skin impedance, inflowing current, stimulation range, comfort level voltage, current density and power consumption. The applied frequency did not influence the measured parameters to the same extent as electrode size. However, the effect of frequency increased in inverse relation to the size of the electrodes. Larger electrodes showed a reduced skin impedance together with lower required voltages to elicit a sensation and a decreased stimulation range. Furthermore, inter-individual differences were smaller with larger electrodes. Thus, advantages of large electrodes are system stability and low required energy. Drawbacks are the small stimulation range that can be exploited to transmit distinct levels of information and the large covered surface area, which makes stimulation localization more difficult due to a widespread activation area. Consequently, the electrode size represents a trade-off between stability and selectivity and should be determined dependent on the intended application. To gain insights into how much electrotactile information can be reliably recognized on the lower back, we tested the ability of subjects to detect several local and moving stimulation patterns without any previous training. Four electrode pairs were arranged in a rectangular configuration on the lower back and the sensory stimulation was applied either stationary or an up or down traveling sensation between two electrode pairs was induced. We studied the accuracy of sensation detection for two different stimulation waveforms (continuous square pulsed or burst-modulated) and three frequencies (2, 4 and 6 kHz). The mean performance in correctly classifying the applied stimulation patterns was dependent on the stimulation waveform and on the number of simultaneously presented stimuli. The results show an accuracy of unidirectional moving sensation detection of 92% for the best suited stimulation parameters (continuous square pulses). For the best stimulation parameters regarding local stimulation (burst-modulated wave), the mean performance for correct stimulus classification on one electrode pair was 89%. These scores indicate, that local as well as moving sensation patterns can be reliably recognized and the lower back may present a suitable target to display rich and reliable sensory feedback information. |
| Zusammenfassung | Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit einem non-invasiven sensorischen Rückkopplungssystem für Prothesenträger. Moderne Handprothesen werden mittels elektromyografischen (EMG) Signalen von verbleibenden Handnerven gesteuert. Diese Steuerung ist zwar intuitiv, aber im Gegensatz zum biologischen Original fehlt die Rückkopplung mit dem sensorischen System. Künstliche Körperteile sind nicht sensori-motorisch koordiniert und werden darum häufig nicht als integraler Teil des eigenen Körpers wahrgenommen. Aus diesemGrunde lehnen viele Prothesenträger diesemyoelektrischen Prothesen ab. Wir untersuchten die Anwendung elektrischer transkutaner (Oberflächen-) Stimulation auf dem unteren Rücken für die sensorische Rückmeldung von Handstellung und ausgeübtem Druck. Um dies zu erreichen, befassten wir uns mit Mustern stationärer und dynamischer elektrischer Stimulation. Wir haben ein transkutanes elektrisches Stimulationsgerät entwickelt um zu unteruchen, inwiefern sensorische Informationen auf der unteren Rückenpartie dargestellt werden können. Mit dem von uns entwickelten spannungsbasierten Stimulationsgerät haben wir Experimente mit 37 freiwilligen Teilnehmern durchgeführt. Unser Ziel war, die wichtigsten Eigenschaften der elektrischen Oberflächen-Stimulation zu beurteilen und die Veränderung der Hautparameter unter elektrischer Stimulation zumessen. Zusätzlich lag die Informationsdichte, die demProthesenträger als Feedbackmittels elektrischer Stimulation übermittelt werden kann, imZentrum der Studie. Wir untersuchten den Einfluss von drei verschiedenen Elektrodengrössen (4.9 cm2, 8 cm2 und 25 cm2) und Frequenzen (2, 4 und 6 kHz) auf die Wahrnehmung der elektrotaktilen Stimulation. Die Grösse der Elektroden und die Stimulationsfrequenz hatten keinen signifikanten Einfluss auf die Empfindung,welche als angenehmbezeichnetwurde. Demgegenüber stellten wir einen grossen Einfluss dieser Parameter auf den Hautwiderstand, die Stromstärke sowie -dichte, das Stimulationsintervall, die als angenehm empfundene Spannung und den Stromverbrauch fest. Die verwendete Frequenz hatte nicht den gleich grossen Einfluss auf die gemessenen Parameterwie die Grösse der Elektroden. Der Effekt der Frequenz aber war umso stärker, je kleiner die Elektroden waren. Grössere Elektroden hatten einen reduzierten Hautwiderstand zur Folge und benötigten tiefere Spannungen für eine wahrnehmbare Stimulation. Zusätzlich waren die inter-individuellen Unterschiede bedeutend kleiner. Dies zeigt, dass grosse Elektroden wichtige Vorteile bieten für die Systemstabilität und tiefen Energieverbrauch. Nachteile sind jedoch, dass nur ein schmales Stimulationsintervall verwendet werden kann, um qualitativ unterschiedliche Informationen zu übermitteln und dass die grossen Elektroden eine grosse Hautfläche bedecken, somit ein grosses Stimulationsfeld erzeugen und dadurch die Lokalisation der Stimulation erschweren. Daraus folgt, dass die Elektrodengrösse einen Kompromiss zwischen Stabilität und Selektivität darstellt und jeweils passend zu der gewünschten Anwendung gewählt werden muss. Wir testeten die Fähigkeit von Probanden, unterschiedliche Stimulationsmuster auf dem unteren Rücken ohne vorangehendes Training verlässlich zu erkennen um herauszufinden, wieviel elektrotaktile Information auf dem Rücken übermittelt werden kann. Vier Elektrodenpaare wurden auf der unteren Rückenpartie rechteckig angeordnet. Sensorische Stimulation wurde entweder stationär oder dynamisch angewendet, wobei die dynamischen Stimulationsmuster zu einer Bewegungsillusion zwischen den unteren und oberen Elektrodenpaaren führten. Wir untersuchten die Genauigkeit der Wahrnehmung für zwei unterschiedlicheWellenformen (kontinuierliche Rechteckschwingung und pulsmodulierte Wellenform) und drei verschiedene Frequenzen (2, 4 und 6 kHz). Die Durchschnittsleistung bei der korrekten Erkennung der angewendeten Stimulationsmuster variierte je nach Wellenform und der Anzahl der gleichzeitig präsentierten Stimuli. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass die dynamischen Bewegungsmuster, die sich nur in eine Richtung bewegten, mit einer Genauigkeit von 92% erkannt wurden, wenn die geeignetsten Stimulationsparameter verwendet wurden. Die stationäre Stimulation auf einem Elektrodenpaar wurde bei den besten Parametern zu 89% korrekt klassifiziert. Diese beeindruckende Performance deutet darauf hin, dass sowohl stationäre, als auch dynamische elektrotaktile Stimulation des unteren Rückens für verlässliches und umfassendes sensorisches Feedback in der Prothetik angewendet werden kann. |
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