Automated Calculation of Optimal Adjustment Parameters for Myoelectric Hand Prostheses The adjustment of myoelectric arm prostheses is a very sensitive topic, as improper choice of values for settable parameters causes dysfunction of the device and frustration and rejection of the user. Due to the complexity of the system and the rare occurrence of myoelectric treatments, the state of the art approach of manual prosthesis adjustment leads to frequent failure, which is the reason why it was sensible to come up with a way of supporting orthopedic technicians by developing a reliably aiding algorithmic tool with a convenient user interface for data collection and further parameter calculation. Therefore a prototype software has been set up during a six-months research project completed at Otto Bock Holding GmbH & Co. KG and refined in the following years at TU Wien, which guides both user and orthopedic technician through a process of data recording by giving a scheduled instruction on movement generations and furthermore calculates required parameters based on the user’s prevailing abilities. This thesis presents these newly developed ideas to do so by firstly introducing basic knowledge about prosthetic treatment and adjustment from its anatomical and technical point of view in Chapter 1 and 2. Furthermore, as developed approach is based on ideas formulated in terms of mathematical optimization, an overview on the most important definitions and techniques of latter is given in Chapter 3. After providing these basics for further understanding, Chapter 4 presents a mathematically precise description of given prosthetic system and its functionality components. Chapter 5 finally describes the idea of making use of mathematical optimization for a problem solution by formulating given task as optimization problem, capable of being solved algorithmically. By realizing a first, naive, enumerative implementation derived in Section 5.3.1.2 and enhancing it towards a generalized formulation, being very flexible and easily expandable to more complex systems, additionally turning capable of being solved by commercially available optimization solvers (Section 5.3.1.6), these two approaches could be analyzed and compared with each other and the former, manual approach. Section 6.4 registers, that both the user feedback and the numerical outcome showed great success of both algorithmic versions, while the mathematical interpretation expectedly indicated a significantly better result of the generalized, advanced implementation compared to the naive, enumerative method. A summary of the previously presented findings can be found in conclusive Chapter 7, which also postulates encouraging reasons and motivating arguments about why this topic deserves further attention due to both the technical and the humanitarian side. Keywords: Myoelectric prosthetic treatment; Michelangelo hand prosthesis; Prosthetic parameter adjustment; Algorithmic calculation of settable parameters; Mathematical optimization; Constraint linearization
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Automatisierte Berechnung optimaler Einstellungsparameter myoelektrischer Handprothesen Die Einstellung myoelektrischer Handprothesen ist ein sehr sensibles Thema, da eine falsche Wahl der einzustellenden Parameter zu Fehlfunktionen der Prothese und dementsprechend zu Frustration und Ablehnung der Anwender führt. Aufgrund der Komplexität des Systems und des seltenen Auftretens myoelektrischer Versorgungen kommt es im Zuge der gängigen Methode der manuellen Protheseneinstellung regelmäßig zu Fehlern, weswegen es sinnvoll wurde, eine Möglichkeit der verlässlichen, algorithmischen, benutzerfreundlichen Unterstützung für Orthopädietechniker zu entwickeln, um relevante Daten sammeln und in weiterer Folge passende Parameter berechnen zu können. Darum wurde im Rahmen eines sechs Monate dauernden Projekts bei Otto Bock Holding GmbH & Co. KG eine experimentelle Software entwickelt, die Orthopädietechniker und Prothesenanwender gemeinsam durch einen Prozess der gezielten Datenaufnahme führt und in weiterer Folge notwendige Parameter aufgrund der zuvor eruierten Fähigkeiten des Anwenders errechnet. Diese Diplomarbeit präsentiert eine Lösung des beschriebenen Problems, indem zuerst die Grundlagen der Prothesenversorgung und -einstellung aus anatomischer und technischer Sicht in Kapitel 1 bzw. Kapitel 2 erörtert werden. Weiters, da die hier entwickelte Herangehensweise auf der Idee der mathematischen Optimierung basiert, werden in Kapitel 3 grundlegende Begriffe und Techniken dieses Gebiets vorgestellt. Nachdem genanntes Basiswissen für das weitere Verständnis zur Verfügung gestellt wurde, präsentiert Kapitel 4 eine mathematisch präzise Formulierung des vorliegenden Handprothesensystems und deren Funktionalitäten. Kapitel 5 beschreibt schlussendlich die Idee, wie mathematische Optimierung als Werkzeug eingesetzt werden kann, um vorliegende Problemstellung algorithmisch zu lösen. Indem eine Lösung zuerst als naives Aufzählungsverfahren implementiert und in weiterer Folge zu einer verallgemeinerten, flexiblen und leicht erweiterbaren Form umformuliert wurde, die zusätzlich die Benützung von kommerziellen Lösungsprogrammen möglich macht, konnten genannte Ansätze miteinander und mit der ursprünglichen, manuellen Variante verglichen werden. Kapitel 6.4 hält fest, dass sowohl das Feedback der Anwender als auch die numerischen Daten große Erfolge beider algorithmischer Versuche aufzeigen, während aus der Interpretation der numerischen Ergebnisse sogar eine signifikante Verbesserung des verallgemeinerten, flexibleren Ansatzes im Vergleich zu ursprünglichem, aufzählenden Verfahren zu folgern ist. Kapitel 7 bietet eine Zusammenfassung der zuvor erörterten Resultate und liefert weiters Motivation und Gründe für die Wichtigkeit der weiteren Forschung auf diesem Gebiet in der Zukunft. Schlüsselwörter: Myoelektrische Prothesenversorgung; Michelangelo Prothese; Einstellung von myoelektrischen Handprothesen; Algorithmische Berechnung von Parametern; Mathematische Optimierung; Constraint-Linearisierung
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Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers Text in englischer Sprache
