自主意愿控制的运动功能康复功能性电刺激技术基础研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61773124
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0301.控制理论与技术
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

The motor function of patients who suffer from stroke and spinal cord injury have decreased or even lost, because the motor nerve signal transmission was interrupted by the injury. Based on the plasticity of the central nervous system theory, it will help to motivate and strengthen the recovery of the motion function of patients after stroke if the volitional will of patients is integrated into the functional electrical stimulation (FES) therapy. Inspired by this rehabilitation therapy theory, based on the structure and function of neuromuscular system, a dynamics model of electrically stimulated skeletal muscle is firstly investigated. In the modelling process, the uncertainty of skeletal muscle system and the external disturbance was analyzed in detail, and the parameters uncertainty, time varying, nonlinearity and randomness was also considered. In order to use the volitional electromyography (EMG) as a control signal for the stimulation of the same muscle, it is necessary to eliminate the stimulation artifacts and the muscle response artifacts caused by the stimulation. So secondly, considering the uncertain parameters specially, the robust filtering algorithm was studied to recognize the volitional will. Thirdly, the precise close-loop control of FES system was designed, and the volitional electromyography expressing the volitional will of patient was integrated into the functional electrical stimulation system in two levels to control electrical stimulation output. Finally, rehabilitation training of upper limb of stroke patients was tested. The dynamics model of electrically stimulated skeletal muscle and the extracting method of volitional EMG was studied comprehensively in the project, providing an intelligent rehabilitation technology to promote the rehabilitating effect. It is significant both in academic research and medical applications.
脑卒中与脊髓损伤患者由于神经损伤导致运动神经信号无法传递而中断,运动功能下降甚至丧失。基于中枢神经系统的可塑性理论,在功能性电刺激治疗中融入患者的自主意愿,对运动功能恢复有着激发和强化作用。受此康复治疗理论启发,本项目首先基于神经肌肉系统结构和功能机理,分析骨骼肌系统不确定性及外界扰动来源,考虑存在的参数不确定性、时变性、非线性特性及随机性等因素,建立电刺激下骨骼肌动态过程模型;其次研究适合模型参数具有不确定性的鲁棒滤波算法,从无创的表面肌电信号中滤除电刺激伪迹与肌肉反应伪迹,识别自主意愿;接下来设计精确控制的功能性电刺激闭环系统,将主动意愿融入功能性电刺激系统中,利用主动意愿控制电刺激输出;最后进行上肢运动功能康复训练实验。项目系统研究了电刺激下骨骼肌动态过程及基于肌电信号的自主意愿提取方法,为临床提供一种智能康复技术,从而提升运动功能康复效果,项目研究具有重要的理论意义与医学应用价值。

结项摘要

功能性电刺激利用低频电流刺激失去神经控制的肌肉,使其收缩,以替代或矫正器官或肢体丧失的功能。目前在临床上已广泛应用于上运动神经元损伤,如脑卒中、脑外伤、脊髓损伤等导致的肢体运动功能障碍康复,但目前大部分的功能性电刺激治疗都是以被动治疗为主,制约了康复效果,降低了康复过程的安全性。本项目基于表面肌电信号进行患者运动意图识别,充分研究了自主意愿控制的功能性电刺激控制系统的神经肌肉骨骼建模、控制与分析、应用与评估,建立了较为完整的基于自主意愿控制的功能性电刺激的方法与系统。本项目的研究取得了如下成果:.1. 解决了功能性电刺激系统下的电刺激伪迹滤除问题,建立了电刺激时神经肌肉骨骼系统的参数模型和非参数概率模型,分析了电刺激下神经肌肉骨骼系统的机理特性,为智能康复系统的研究和设计提供理论依据和模型基础。.2. 建立了基于肌电和脑电信号较为完整的运动意图识别理论体系与方法。分别基于机理和人工智能方法开展离散和连续运动意图解码研究。研究从动态肌电和低频肌电信号解码、跨用户和力度无关鲁棒特征等方面着手解决实时性和实用性问题,以易测量的关节角度为输出构成闭环扩展卡尔曼滤波器实现力矩预测,解决力矩预测值的漂移。最后扩展研究基于脑电信号的运动想象解码。.3. 研究基于患者主动意愿控制的功能性电刺激技术,以运动参数为反馈,完成了基于自主意愿控制的功能性电刺激闭环和镜像系统的仿真与实验,包括上肢肘关节和下肢足下垂研究。.4. 研制功能性电刺激样机,进行脑卒中和脊髓损伤患者康复训练,验证该技术疗效。.5. 发表国内外期刊论文15篇,会议论文2篇,其中SCI收录8篇(中科院二区及以上6篇),EI收录5篇。授权国家发明专利3项,实用新型专利4项,软件著作权1项。培养博士生3名,硕士生11名。.本项目的研究具有重要的理论意义,促进了多学科交叉的发展,并为临床提供一种智能康复技术,有助于患者神经系统的重塑,加速患者的受损功能康复,使患者能尽快重归社会,产生了较好的社会影响和应用价值。

项目成果

期刊论文数量(15)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(2)
专利数量(7)
基于角速度的膝关节屈伸角度实时估计方法
  • DOI:
    10.19650/j.cnki.cjsi.j2006972
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    仪器仪表学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李玉榕;连春快;杨浩;陈昕;梁杰
  • 通讯作者:
    梁杰
基于迭代学习控制的肘关节功能性电刺激系统
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    电气技术
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    陈盛勤;李玉榕;陈军;陈建国
  • 通讯作者:
    陈建国
Joint Torque Closed-Loop Estimation Using NARX Neural Network Based on sEMG Signals
基于 sEMG 信号的 NARX 神经网络关节扭矩闭环估计
  • DOI:
    10.1109/access.2020.3039983
  • 发表时间:
    2020-01-01
  • 期刊:
    IEEE ACCESS
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Li, Yurong;Chen, Wenxin;Zheng, Nan
  • 通讯作者:
    Zheng, Nan
Neural network based modeling and control of elbow joint motion under functional electrical stimulation
功能性电刺激下肘关节运动的基于神经网络的建模与控制
  • DOI:
    10.1016/j.neucom.2019.03.003
  • 发表时间:
    2019-05-07
  • 期刊:
    NEUROCOMPUTING
  • 影响因子:
    6
  • 作者:
    Li, Yurong;Chen, Wenxin;Du, Min
  • 通讯作者:
    Du, Min
基于特定任务肌肉协同的用户无关肌电手势识别研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    仪器仪表学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    郑楠;李玉榕;张文萱;李吉祥
  • 通讯作者:
    李吉祥

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其他文献

Cellular Neural Networks for Gold Immunochromatographic Strip Image Segmentation
用于黄金免疫层析条带图像分割的细胞神经网络
  • DOI:
    10.1007/978-3-642-29361-0_15
  • 发表时间:
    2012-04
  • 期刊:
    Lecture Notes in Computer Science
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    曾念寅;Zidong Wang;李玉榕;杜民
  • 通讯作者:
    杜民
span id=chTitle膝骨性关节炎运动质量评估系统设计/span
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    中国生物医学工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    洪汇隆;李玉榕;陈建国;杜民
  • 通讯作者:
    杜民
span style=color:#0473A9;background-color:#FFFFFF;Image-basednbsp;quantitativenbsp;analysisnbsp;ofnbsp;goldnbsp;immunochromatographicnbsp;stripnbsp;vianbsp;cellularnbsp;neuralnbsp;netwo
基于图像
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    IEEE Transactions on Medical Imaging
  • 影响因子:
    10.6
  • 作者:
    曾念寅;Zidong Wang;B. Zineddin;李玉榕;杜民;L. Xiao;Xiaohui Liu;T. Young
  • 通讯作者:
    T. Young
随机通讯时延网络化切换系统H_∞静态输出反馈控制
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    福州大学学报(自然科学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    蔡逢煌;李玉榕;麻毓镪;王武
  • 通讯作者:
    王武
A Hybrid EKF and Switching PSO Algorithm for Joint State and Parameter Estimation of Lateral Flow Immunoassay Models
用于侧流免疫分析模型联合状态和参数估计的混合 EKF 和切换 PSO 算法
  • DOI:
    10.1109/tcbb.2011.140
  • 发表时间:
    2012-03
  • 期刊:
    IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    曾念寅;Zidong Wang;李玉榕;杜民;Xiaohui Liu
  • 通讯作者:
    Xiaohui Liu

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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