機能的電気刺激と部分空間同定法を用いた上肢麻痺患者の手先位置制御に関する研究

功能性电刺激与子空间识别方法对上肢瘫痪患者手位控制的研究

• 批准号: 22K04155
• 负责人: 新田 益大
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Kyushu Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04155/
• 关键词: 定電流電気刺激装置; 画像解析; 電気刺激; 手先位置制御; 補償入力; 部分空間同定

はじめに，回路設計ソフトウェアを用いて小型の定電流電気刺激装置の開発を行った．これは，刺激箇所の探索を目的とする電気刺激装置の多くは電流を可変させて刺激強度を決定するため，保護回路に不具合が生じた場合に電流時間積が本邦の安全限界値を超過する恐れがあり，さらに，重量が２００ｇ超のために装着して使用することを考えると適切ではないからである．電気二重層キャパシタと昇圧トランスを用いて，おおよそ４０ｍｍ×５０ｍｍで５０ｇ弱を実現した．つぎに，ウェアラブル端末として実装するために，シングルボードコンピュータを用いた画像処理システムの構築を行った．当初は，肘関節角の計測にポテンショメータもしくはロータリーエンコーダを用いる予定であったが，実用の観点から単眼カメラとチップＬＥＤマーカを用して画像処理により推定することにした．オープンソースの画像解析ライブラリを用いることで，随意運動ではあるが，肘関節の角度を推定することができた．さらに，位置制御手法である部分空間同定法に基づくアルゴリズムの見直しを行った．目標値に追従させる際に，提案手法では外生信号を印加するが，これが外乱としても作用するために収束性能が悪くなることがあった．最適化を改めることで，この問題を克服した．最後に，電気刺激装置と画像解析を組み合わせたシステムの評価実験を行った．ただし，当初は数名の被験者を対象に，個人差を考慮した性能評価を行う予定であったが，物品調達の都合で，自身のみを対象とした評価にとどまっている．

首先，我们利用电路设计软件开发了一种小型恒流电刺激装置。这是因为大多数以寻找刺激点为目的的电刺激器通过改变电流来确定刺激强度，因此如果保护电路发生故障，电流-时间乘积可能会超过日本的安全限值。此外，由于它很重。超过200克，不宜佩戴时使用。通过使用双电层电容器和升压变压器，我们实现了约 40mm x 50mm 的尺寸和略低于 50g 的重量。接下来，我们使用单板计算机构建了一个图像处理系统，以便将其实现为可穿戴终端。最初，我们计划使用电位器或旋转编码器来测量肘关节角度，但从实际角度出发，我们决定使用单目摄像头和芯片LED标记通过图像处理来估计它。通过使用开源图像分析库，我们能够估计肘关节的角度，尽管它是自愿运动。此外，我们回顾了基于子空间识别方法的算法，这是一种位置控制方法。在跟踪目标值时，该方法应用外源信号，但这有时会产生干扰，导致收敛性能较差。我们通过更改优化解决了这个问题。最后，我们对电刺激装置和图像分析相结合的系统进行了评估实验。不过，虽然原本计划考虑个体差异来评估几名受试者的表现，但由于物资采购的原因，评估仅限于受试者本身。