Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Orthosis supporting the manipulation functions of hand

Aleksandra Bojarska

Abstract

The purpose of this thesis is to design and make first prototype of the orthosis supporting the manipulation functions of hand using FES. To achieve this, it was necessary to focus not only on technical aspects but also on physiological and anatomical ones. It explains upper limb biomechanics and possibility to affect it by external factors. The project consisted of designing the device, making the prototype and functional testing (according to valid legal regulations). The subject of this thesis consists of many different tasks. It was necessary to get familiar with bibliography from many fields of knowledge, i.e. medicine, electronics and informatics. What’s more, author had to perform market research to get acquainted with current advancement level of similar devices available for patients and therapists. The next step of prototyping process included designing the system architecture. Author decided to separate device into two parts – supervisor (PC software) and executor (electronics circuit with microcontroller). The type of power supply was also chosen – battery power supply. It was necessary to get familiar with available electrodes’ types used in electrostimulation. Author decided to make goniometers (sensors used to measure the degree of flexion of the joint) by herself. She also listed construction assumptions including: four-channel simultaneous stimulation, impulse duration in range 60 μs – 16 ms, pause time 60 μs – 16 ms, amplitude 1 – 100 mA, impulses in package 1 – 100, stimulation frequency 1 – 100 Hz. The supervisor part allows the user to interact with the device. He can activate/deactivate channels, set the value of stimulation parameters and start or end the treatment. Feedback data is provided the same way. User can check for example the degree of flexion of the joints or remaining treatment time. Designing executor part required more workload. It consisted of designing electronics circuit (including getting acquainted with many datasheets of components), simulating different parts of the circuit and developing the software for microcontroller. The simulations part was very important – it confirmed that the solutions used are correct. After the actions mentioned above it was time to make the first prototype and check how it behaves in real world. That step was crucial – it allowed to determine which parts of the system worked correctly. It also gave the author necessary feedback about the parts that needed further research and development. Many problems were faced at that point. Fortunately, author managed to solve them. The device needed also to be tested. The test plan included testing particular parts of the electronics circuit, software validation and functional tests of the system. What’s more, author performed several security tests. The last part is very important in developing medical devices. The device was designed to give many possibilities for qualified medical staff. However, it’s simple enough to be used by the patients at homes without the need of supervision by therapists.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Aleksandra Bojarska (FM) Aleksandra Bojarska,, Faculty of Mechatronics (FM)
Title in Polish
Ortoza wspomagająca manipulacyjne funkcje dłoni
Supervisor
Monika Kwacz (FM/IMPh) Monika Kwacz,, The Institute of Micromechanics and Photonics (FM/IMPh)Faculty of Mechatronics (FM)
Certifying unit
Faculty of Mechatronics (FM)
Affiliation unit
The Institute of Micromechanics and Photonics (FM/IMPh)
Study subject / specialization
, Inżynieria Biomedyczna (Biomedical Engineering)
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
12-02-2019
Issue date (year)
2019
Reviewers
Monika Kwacz (FM/IMPh) Monika Kwacz,, The Institute of Micromechanics and Photonics (FM/IMPh)Faculty of Mechatronics (FM) Szymon Cygan (FM/IMBE) Szymon Cygan,, The Institute of Metrology and Biomedical Engineering (FM/IMBE)Faculty of Mechatronics (FM)
Keywords in Polish
ortoza, elektrostymulacja, FES, rehabilitacja
Keywords in English
orthosis, electrostimulation, FES, rehabilitation
Abstract in Polish
Celem niniejszej pracy było zaprojektowanie i wykonanie wstępnej wersji ortezy wspomagającej manipulacyjne funkcje dłoni z wykorzystaniem FES. Aby go osiągnąć, niezbędne było skupienie się nie tylko na aspektach technicznych, ale także fizjologicznych i anatomicznych wyjaśniających biomechanikę kończyny górnej i możliwości wpływania na nią czynnikami zewnętrznymi. W trakcie realizacji pracy zaprojektowano urządzenie, wykonano prototyp, a także przeprowadzono testy funkcjonalne urządzenia, z uwzględnieniem obowiązujących norm prawnych regulujących konstrukcję takich urządzeń. Ze względu na szeroki zakres pracy, niezbędne było zapoznanie się z literaturą z różnych dziedzin wiedzy, począwszy od medycyny, przez elektronikę, aż po zagadnienia związane z programowaniem. Przeprowadzono także badania rynkowe, co pozwoliło na określenie obecnego poziomu zaawansowania podobnych urządzeń dostępnych dla pacjentów i rehabilitantów. Kolejnym krokiem było zaprojektowanie architektury systemu. Zdecydowano się na podział urządzenia na dwie części – nadzorującą (oprogramowanie na komputer PC) oraz wykonawczą (układ elektroniczny z mikrokontrolerem). Wybrano także sposób zasilania urządzenia – zasilanie bateryjne. W tym momencie autorka zapoznała się też z dostępnymi rodzajami elektrod używanych w elektrostymulacji oraz podjęła decyzję o samodzielnym wykonaniu goniometrów służących do pomiaru stopnia zgięcia poszczególnych stawów dłoni. Ustalono też założenia konstrukcyjne, wśród których najważniejsze to: jednoczesna stymulacja za pośrednictwem czterech kanałów, czas trwania impulsu regulowany w zakresie 60 µs – 16 ms, czas przerwy między impulsami 60 µs – 16 ms, amplituda impulsu 1 – 100 mA, liczba impulsów w paczce 1 – 100, częstotliwość stymulacji 1 – 100 Hz. Część nadzorująca umożliwia użytkownikowi interakcję z urządzeniem, przez wybór aktywnych kanałów, zadawanie wartości konkretnych parametrów zabiegu, jego rozpoczynanie oraz kończenie w dowolnym momencie. W ten sposób przekazywane są także informacje zwrotne, takie jak pozostały czas zabiegu, czy stopień zgięcia poszczególnych stawów dłoni. Zaprojektowanie części wykonawczej wymagało większego nakładu pracy – zaprojektowano układ elektroniczny, co wiązało się z zapoznaniem się z wieloma notami katalogowymi komponentów, z uwzględnieniem ich parametrów oraz kosztów. Następnie przeprowadzono symulacje działania poszczególnych części projektowanego układu, co potwierdziło skuteczność zastosowanych rozwiązań. Układ ten obejmował część generującą impulsy oraz część sterującą z mikrokontrolerem. Niezbędne było także napisanie programu nadzorującego pracę układu sterującego. Następnym etapem było wykonanie prototypu urządzenia oraz sprawdzenie jego działania w praktyce. Dzięki temu możliwe było ustalenie, które części układu działają zgodnie z założeniami, a co wymaga jeszcze dalszych badań lub poprawy. Na tym etapie napotkano wiele problemów, które jednak udało się rozwiązać. Przeprowadzono także serię testów, począwszy od sprawdzenia działania poszczególnych części układu elektronicznego, przez walidację oprogramowania, po testy funkcjonalne całego urządzenia. Oprócz tego przeprowadzono także testy bezpieczeństwa, co jest niezbędne w przypadku projektowania urządzeń medycznych. Urządzenie zaprojektowano w taki sposób, aby rehabilitację mogły przeprowadzać zarówno osoby z wykształceniem medycznym, jak i pacjenci w warunkach domowych, bez konieczności nadzoru przez wykwalifikowaną kadrę medyczną.
File
  • File: 1
    258853_inz.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 30394

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUT9ef0cd98d84d469a98cedb4cf91f9b3c/
URN
urn:pw-repo:WUT9ef0cd98d84d469a98cedb4cf91f9b3c

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page