Proceeding di Workshop Internasional Vienna ke-6 Tentang Elektrosimulasi Fungsional.22-24 September 1998.
IDENTIFIKASI CARA BERJALAN DAN SENSOR PENGENAL Milos R. Popovic*, Thierry Keller**, Sherin Ibrahim*, George v. Bueren*, and Manfred Morari* *Institute for Automatics, Swiss Federal Institute of Technology Zürich, Switzerland **Swiss Paraplegic Center, University Hospital Balgrist, Switzerland RANGKUMAN Salah satu hambatan dalam mengembangkan kaki palsu bersyaraf yang digunakan untuk berjalan adalah performansi yang buruk sensor yang digunakan untuk identifikasi fase cara berjalan (gait). Sensor yang tidak berfungsi dengan baik menyebabkan pemilihan pola simulasi yangn slah dan rangkaian stimulasi yang salah dari kaki palsu bersyaraf. Ketidakberfungsian ini sering menyebabkan pola berjalan yang tidak stabil pada pasien yang menggunakan kaki palsu. Sensor yang umum digunakan untuk identifikasi fase gait adalah: pergerakan kaki, resistor sensitif tekanan (Force Resistive Resistors, FSRs), akselerometer, resistor pendulum dan goniometer. Oleh karena tidak ada dari sensor-sensor ini yang mampu mengidentifikasi fase gait dengan akurasi lebih dari 95%, sebuah keputusan dibuat untuk mengembangkan sensor identifikasi gait yang lebih terpercaya. Sebuah sensor identifikasi gait yang baru, yang terdiri dari tiga FSR, sebuah inclinometer, dan sebuah pengamat berbasis aturan, telah diajukan. Setiap 50ms dari FSR dan inclinometer membaca sensor yang diajukan teridentifikasi satu dari fase gait berikut: tumit terangkat, fase mengayun, benturan tumit, dan pertengahan berdiri. Penelitian dilakukan dengan keberadaan tubuh dan ketidaktersedianya subjek menunjukkan bahwa sistem sensor yang diajukan mendeteksi fase gait diatas dengan keakuratan lebih besar dari 99%. Sensor kaki ini dapat membedakan rangkaian jalan mulai dari pergerakan massa tubuh selama berdiri, dan ia tidak memberikan pesan kesalahan ketika kaki berinstrumen mengayun selama berdiri.
Penelitian kami selanjutnya bertujuan perbaikan lanjut pembungkusan sensor kaki, dan kekokohan sensor terhadap beberapa kondisi lngkungan dan kaos kaki yang berbeda. STATE OF THE ART Untuk merancang sebuah kaki palsu bersyaraf, yang secara otomatis dapat mendeteksi fase gait dan selanjutnya memilih rangkaian stimulasi, harus memiliki sebuah sensor pengenal yang handal. Salah satu sensor kaki pertama yang diajukan adalah perpindahan tumit [1] yang dulunya digunakan untuk mendeteksi benturan tumit selama gait normal. Kaki palsu bersyaraf untuk berjalan tingkat lanjut membutuhkan informasi mengenai fase gait lain sebagai tambahan dari benturan tumit. Jadi, perpindahan tumit bukan merupakan sensor yang sesuai untuk aplikasi ini. Pendekatan kedua menyarankan paling tidak 3 FSR ditempatkan pada sebuah sol sepatu yang dapt digunakan untuk medeteksi fase gait yang terpenting [2, 3]. Pengujian dilakukan pada laboratorium kami secara jelas menunjukkan bahwa FSR saja tidak ampuh untuk mendeteksi fase gait. Sistem ini memiliki sejumlah masalah, salah satunya mengidentifikasi pergerakan massa tubuh selama berdiri sebagai pola berjalan mungkin adalah yang paling sederhana. Untuk memecahkan masalah ini, beberapa peneliti menganjurkan untuk menggunakan goniometer, sebagai tambahan untuk FSR, yang ditempelkan ke pinggul, lutut atau sendi pergelangan kaki [4, 5]. Pengujian dilakukan di laboratorium kami menunjukkan bahwa goniometer dan FSR digunakan bersama tidak dapat menyediakan identifikasi gait yang terpercaya. Khususnya, konfigurasi sensor ini menghasilkan identifikasi gait ketika subjek mengerem sebentar atau beristirahat ketika berjalan. Oleh karena tidak ada sensor kaki yang ada yang dapat mengidentifikasi fase gait dengan akurasi yang cukup, sebuah keputusan dibuat untuk mengembangkan sensor kaki yang lebih dapat dipercaya.
Gambar 1 : Posisi FSR pada sol sepatu
MATERIAL DAN METODE Sensor kaki yang diajukan terdiri dari tiga FSR, sebuah inclinometer dan sebuah pengamat berbasis aturan. Sebuah 174NN dan dua 152NS FSR, yang dibuat oleh Interlink Electronics Inc. [6], digunakan untuk mengukur tekanan yang dihasilkan oleh tumit subjek dan tulang metatarsal (bagian antara pergelangan dan jempol kaki) selama berjalan. FSR diletakkan di sol sepatu seperti pada Gambar 1. Waktu respon dari FSR adalah 2msec.
Gambar 2 : posisi inclinometer Pada inclinometer yang dikembangkan dirumah, yang digunakan untuk menguku posisi relatif tumit dengan mempertimbangkan permukaan berjalan. Inclinometer terdiri dari sensor gyro ENC-05A, yang dibuat oleh Murata [7] (lihat Gambar 2), dan sebuah integrator yang menghitung posisi tumit dari data gyro mentah. Gyro ditempelkan ke tumit sepatu dan sumbu sensor parallel terhadap permukaan berjalan (lihat Gambar 2). Waktu respon inclinometer (digabungkan dnegan waktu respon gyro dan integrator) adalah 30msec. Pengamat berbasis aturan dirancang untuk mengidentifikasi pertengahan berdiri, fase mengayun dan benturan tumit dari fase gait yang telah diimplementasikan menggunakan papan evaluasi Hitachi SH7032. Pengamat yang diusulkan berfungsi sebagai berikut. Ketika sensor dihidupkan, sebuah subjek yang dilengkapi dengan sensor harus berdiri selama satu detik sebelum membuat langkah pertama. Selama periode ini, pengamat otomatis me-reset FSR dan pembaca inclinometer dan mengaturnya menjadi nilai inisial (FSR = ON dan sudut inclinometer = 0 deg). Setelah reset, pengamat berbasis aturan bergeser kedalam mode rekondisi gait seperti yang dideskripsikan pada Gambar 3. Catatan, kecuali untuk pertengahan
berdiri, seluruh fase gait lain dapat diidentifikasi hanya jika sebelum fase gait telah berhasil diidentifikasi. Fitur ini diperkenalkan dengan tujuan untuk menghindari idenftifikasi fase gait yang salah. Sebagai tambahan, algoritma pengamat disempurnakan dengan sebuah rutin adaptif dengan kompensasi untuk pergeseran FSR. Konstanta waktu pada algoritma ini adalah 11 detik.
Gambar 3 : algoritma pengenalan gait milik pengamat (meliputi representasi sudut inclinometer dalam [deg] dan P.S. merepresentasikan keadaan sensor sebelumnya) HASIL Pengujian awal menggunakan 10 subjek bertubuh dan 10 tidak bersubjek menunjukkan bahwa sensor kaki yang diajukan dapat mengidentifikasi pertengahan berdiri, terangkatnya tumit, fase mengayun dan tumbukan tumitdengan tingkat akurasi lebih besar dari 99%. Sensor kaki yang diajukan dapat membedakan rangkaian berjalan dari pergerakan massa tubuh selama berjalan, dan sensor tidak memberikan pesan kesalahan ketika kaki yang diberikan peralatan bergerak selama berdiri. Penting untuk menyebutkan bahwa subjek yang dilatih untuk menggunakan sensor mendapatkan hasil yang lebih baik daripada subjek yang menggunakan sensor untuk
pertama kalinya. Hasil pengujian yang representatif diperoleh dengan sensor yang diajukan, ditunjukkan oleh Gambar 4.
Gambar 4 : pengenalan pola gait – interval berjalan dari subjek bertubuh REFERENSI [1] “Microfes, Unifes, Decus Personal, Decus Hospital, Nervobol Personal, Nervobol Hospital, ALT-2, Measuring Crutches with a Biological Feedback, and Stimulator Scolifes,”: Institut 'Jozef Stefan'. [2] T. L. Lawrence and R. N. Schmidt, “Wireless In-Shoe Force System,” presented at 19th International Conference of the Engineering in Medicine and Biology Society/IEEE, Chicago, USA, 1997. [3] M. M. Skelly and H. J. Chizeck, “Real Time Gait Event Detection During FES Paraplegic Walking,” presented at 19th International Conference of the Engineering in Medicine and Biology Society/IEEE, Chicago, USA, 1997. [4] A. Kostov, R. B. Stein, D. Popovic, and W. W. Armstrong, “Improved Methods for Control of FES for Locomotion,” presented at Proc. IFAC Symposium on Biomedical Modeling, Yaluestone, TX, USA, 1994.
[5] A. Kostov, B. J. Andrews, D. B. Popovic, R. B. Stein, and W. W. Armstrong, “Machine Learning in Control of Functional Electrical Stimulation Systems for Locomotion,” IEEE Tr. on Biomedical Engineering, vol. 42, pp. 541-551, 1995. [6] FSR Integration Guide & Evaluation Parts Catalog. Camarillo, USA: Interlink Electronics, 1997. [7] Gyrostar Family from Murata: Murata Manufacturing Co. Ltd., 1997.
ALAMAT PENULIS Dr. Milos R. Popovic Institute for Automatics, Swiss Federal Institute of Technology Zürich ETH Zürich /ETL K22.1, CH-8092 Zürich, Switzerland tel: +41-1-632-3638, fax: +41-1-632-1211, E-mail: popovic#aut.ee.ethz.ch
