Development of a Proof-of-Concept Testing Rig for Lower-Limb Prostheses

Abstract

Benamputasjon er definert som et tap av lem, enten over eller under kne. Protesen er et hjelpemiddel med formål om å forbedre livskvaliteten til personer med amputert kroppsdel. Metoder for å feste protesen til gjenværende lem har blitt forbedret gjennom årene. Dagens benproteser har moderne egenskaper med oppdaterte liner og hylse grensesnitt, kjent som suspensjonsmetoder. Lineren er en sokk som beskytter det gjenværende lemmet og hylsen kobler seg på lineren som sammen danner grensesnittet mellom gjenværende lem og protesen. Suspesjonssystemene forhindrer protesen fra å falle av eller å gå i skjevstilling.

Trøndelag Ortopediske Verksted (TOV) leverer og vedlikeholder ortopediske hjelpemidler og utstyr for Midt-Norge, og de har vært svært involverte i dette prosjektet. Basert på subjektive tilbakemeldinger fra deres aktive protesebrukere, var det tydelig at deres protetiske hjelpemidler roterte til en ugunstig posisjon under aktivitet. For å forstå denne forekomsten mer i detalj, ville TOV teste deres suspensjonssystemer når ulike aksiallaster og volumetrisk trykk var manipulert. Rotasjonsbevegelsen var derfor hovedbevegelsen som ble påført til suspensjonssystemet.

I dette prosjektet ble det utviklet en proof-of-concept testrigg som vurderer protetiske hylser og linere. Denne riggen ga anledning til å bruke en silikonimitasjon av et gjenværende lem, kledd med en liner og plassert i ei hylse, til testing. Et utvalg av sensorer ble implementert for å måle kraft, forflytning og trykk når en rotasjonsbevegelse ble påført imitasjonen. For å oppdage når imitasjonen starter å rotere og når lineren beveger seg relativt til hylsa, ble det brukt en forflytningssensor med kamera. Med dette komplette systemet, var det mulig å måle og manipulere både trykk inni hylsa og påført aksiallast som simulerer kroppsvekt. En trykksensor målte trykket mellom liner og hylse. Påført aksiallast og rotasjonsmoment ble målt av lastceller.

Målinger fra sensorene ble analysert. Etterbehandling av videofiler var utført med OpenCV, der forflytningen av punkter på liner ble kartlagt. Forskyvningsdata ble videre brukt for å bestemme rotasjonsmomentet som beveger protesen relativt til imitasjonen. Data ble visualisert for å forstå oppførselen av grensesnittet mellom liner og hylse når grensebetingelser blir endret under en rotasjonsbevegelse. Foreslåtte grafer viser aksiallast, moment og trykknivå for to ulike linertyper.

En konferanseartikkel for Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) Sensors ble skrevet i løpet av prosjektperioden, med fokus på sensoranvendelsen av den utviklede testriggen. Artikkelen presenterer en oversikt over testriggen og analysedata på en selvstendig måte.

Den resulterende testriggen er planlagt til bruk av TOV for analysering av egenskapene mellom liner og hylse som den er, eller den kan videreutvikles av andre studentprosjekter.

Lower limb amputation is defined as loss of limb, either above or below the knee. The prosthesis is a device which aims to improve the quality of life for an amputee. Methods used to fasten the prosthesis to the residual limb have improved throughout the years. The modern lower limb prosthesis features state-of-the-art liner and socket interfaces, known as suspension systems. The liner is a sock protecting the residual limb, and the socket connects to the liner, forming the interface between the residual limb and the prosthetic device. The suspension systems prevent the prosthesis from misalignment or falling off.

Trøndelag Ortopediske Verksted (TOV) provides and maintains orthopaedic devices and equipment for the central region of Norway, and they have been very much involved in this project. Based on their active prosthetic users' subjective feedback, it was clear that their prosthetic devices rotated into an unfavourable position during activity. To understand this occurrence in more detail, TOV wanted to test their suspension systems when different axial load and volumetric pressure were manipulated. The rotational movement was thus the main motion that was applied to the suspension system.

In this project, a proof-of-concept test rig for evaluating prosthetic sockets and liners has been developed. This rig allowed for testing with a residual limb mock of silicone, wearing a liner and placed in a socket. Multiple sensors were implemented to measure force, displacement and pressure when a rotational motion was applied to the mock. To detect when the mock starts to rotate and the liner moves relative to the socket, a displacement sensor with camera was used. With this complete system, it was possible to both measure and manipulate pressure inside the socket and applied axial load for simulating body weight. A pressure sensor measured the pressure between liner and socket and the applied axial load and rotational moment were measured by load cells.

The measurements from the sensors were analysed. Post processing included OpenCV analysis of video files, recording displacement of points on the liner. Displacement data were further used to determine the moment needed to displace the socket relative to the mock. Data were plotted to understand the behaviour of the liner and socket interface when adjusting parameters during rotation. Proposed plots show axial load, moment and pressure level for two different liner types.

A conference paper for Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) Sensors was written during the project period, focusing on the sensor application in the developed test rig. The paper presents an overview of the test rig and analysis data in an independent way.

The resulting test rig is intended to be used by TOV for characterising the behaviour between liner and socket as is, or it may be further improved by other student projects.