The purpose of the project is to develop and implement the firmware of a neuroprosthesis for the recovering of the paretic hand function. It has been demonstrated that the use of functional electrical stimulation have positive effects in the rehabilitation and also as assistance method. The developed system is based on an existing device (MeCFES), but it has many differences and advantages. The device has two input and two output channels, it is easily controllable thanks to the EMG proportional controlled stimulation and it can communicate with an Android app, so that the user can manually change the stimulation parameters during the use. For these reasons the device is more adaptable and easier to use. The firmware has been adapted to the circuit components and it is divided in four different parts: acquisition of the EMG signal (via DMA), digital signal processing (with different filters and computations) in order to understand to level of muscular activation and calculate the stimulation current amplitude (with a piecewise linear function); stimulation delivery (using a finite state machine activated by the timer interrupt in order to generate a biphasic square wave); communication with the host (thanks to the WT12-A Bluetooth module). During the project we tested the proper erogation of the current (with its max and min limits), the efficacy of the filters and the battery consumption. The system has been used to treat a stroke patient at Fondazione Don Gnocchi (Milano) and at the moment it is been using with other patients. Future developments of the system could be a 3D printed support for the electrodes and the circuit placed around the forearm and EMG feature extraction in order to make the device more specific and easier to use for different muscles.
Lo scopo del progetto è quello di sviluppare e implementare il firmware di una neuroprotesi per il recupero della funzione della mano in pazienti neurologici. È stato dimostrato che l'uso della stimolazione elettrica funzionale ha effetti positivi nella riabilitazione e anche come metodo di assistenza. Il sistema sviluppato è basato su un dispositivo esistente (MeCFES), ma ha molte differenze e vantaggi. Il dispositivo dispone di due ingressi e due canali di uscita, è facilmente controllabile grazie alla stimolazione proporzionale all’EMG e può comunicare con un'applicazione Android in modo che l'utente possa modificare manualmente i parametri di stimolazione durante l'uso. Per questi motivi il dispositivo è più adattabile e più facile da usare. Il firmware è stato adattato ai componenti del circuito ed è suddiviso in quattro parti diverse: acquisizione del segnale EMG (via DMA); elaborazione digitale del segnale (con diversi filtri e calcolo di parametri) per comprendere il livello di attivazione muscolare e calcolare l’ampiezza della corrente di stimolazione (con una funzione lineare a tratti); erogazione della stimolazione (utilizzando una macchina a stati finiti attivata dall'interrupt del timer per generare un'onda quadra bifasica); comunicazione con l'host (grazie al modulo Bluetooth WT12-A). Durante il progetto abbiamo testato la corretta erogazione della corrente (con i suoi limiti massimi e minimi), l'efficacia dei filtri e il consumo della batteria. Il sistema è stato usato per trattare un paziente affetto da ictus presso la Fondazione Don Gnocchi (Milano) e al momento è utilizzato con altri pazienti. Gli sviluppi futuri del sistema potrebbero essere un supporto stampato in 3D per gli elettrodi e il circuito, posto sull'avambraccio e l'estrazione di caratteristiche del segnale EMG per rendere il dispositivo più specifico e più facile da utilizzare per diversi muscoli.
DESIGN AND IMPLEMENTATION OF THE FIRMWARE OF A NEUROPROSTHESIS FOR THE PARETIC HAND
SCHIAVONE, MATTIA
2016/2017
Abstract
The purpose of the project is to develop and implement the firmware of a neuroprosthesis for the recovering of the paretic hand function. It has been demonstrated that the use of functional electrical stimulation have positive effects in the rehabilitation and also as assistance method. The developed system is based on an existing device (MeCFES), but it has many differences and advantages. The device has two input and two output channels, it is easily controllable thanks to the EMG proportional controlled stimulation and it can communicate with an Android app, so that the user can manually change the stimulation parameters during the use. For these reasons the device is more adaptable and easier to use. The firmware has been adapted to the circuit components and it is divided in four different parts: acquisition of the EMG signal (via DMA), digital signal processing (with different filters and computations) in order to understand to level of muscular activation and calculate the stimulation current amplitude (with a piecewise linear function); stimulation delivery (using a finite state machine activated by the timer interrupt in order to generate a biphasic square wave); communication with the host (thanks to the WT12-A Bluetooth module). During the project we tested the proper erogation of the current (with its max and min limits), the efficacy of the filters and the battery consumption. The system has been used to treat a stroke patient at Fondazione Don Gnocchi (Milano) and at the moment it is been using with other patients. Future developments of the system could be a 3D printed support for the electrodes and the circuit placed around the forearm and EMG feature extraction in order to make the device more specific and easier to use for different muscles.| File | Dimensione | Formato | |
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