截瘫运动神经重建多模态关节动力学及步态稳定性作用研究

基于功能性电刺激（FES）的截瘫运动神经重建是生物信息学、康复医学及神经电生理等领域的前沿热点课题。针对现有FES重建步态分析技术无法量化其关键动作模态动力学-稳定性关系的核心问题，本项目提出了一种多刚体臂逆向动力学的研究新方法，通过建立匹配生物力学模型，融合人体运动捕捉与辅助力学测量信息，获取截瘫患者利用上肢调节下肢动作时（坐站姿转换、交叉平行步法）腕、肘、肩等关节的三平面荷重，并利用与助行架倾翻指数表征的步态稳定性特征协同分析，探索截瘫运动神经重建多模态关节动力学与步态稳定性的作用机制和规律。其研究成果不仅能丰富FES神经调控下的肌骨动力学内容，创新残疾人步态分析模式，更可开拓富有针对性的康复训练策略和刺激系统设计，从而为最有效地恢复截瘫患者运动功能奠定科学基础，具有突出的科学创新性和显著应用价值。相关研究思路和技术方案尚未见诸文献报道。

围绕截瘫运动神经重建多模态关节动力学及步态稳定性作用的关键问题，本课题按原定计划重点开展了以下研究工作：1）关节动力学建模与分析：建立了截瘫运动神经重建步态研究实验平台，设计了人体多刚体臂逆向动力学模型，实现了关键动作模态的多关节（上肢腕、肘、肩，下肢踝、髋、膝）肌骨动力学分析；2）步态稳定性作用监测：提出了截瘫运动重建过程中用于辅助和调节关键动作模态的多维上肢力载荷间接采集模式，通过实验修正和优化了步态稳定性计算方法，设计并实现了助行动力学安全性的监测网络；3）肌肉活动疲劳性及协调性调控机制研究：利用超声影像分析了截瘫运动重建过程中肌肉形态及活动，实现了电刺激诱发的双相运动疲劳信息检测与处理，探索了基于外源负荷激励的EEG-EMG相关性；4）刺激系统控制策略研究：提出了基于膝关节角度的助行功能性电刺激模糊控制方案，完成了动力学NARMAX/ANFIS肌肉建模及模糊PID控制策略设计。为进一步实现截瘫运动神经重建的智能控制，还启动了关于新型脑机交互与步态识别方面的系列延拓性研究。目前课题已发表期刊论文16篇，会议论文16篇，其中SCI检索国外期刊论文4篇（一区1篇，二区1篇，四区2篇），EI检索论文24篇。完成专著1本（机械工业出版社出版）；申请国家发明专利32项，获国家发明专利授权31项，获2012年度天津市专利奖1项。有4名博士后、12名博士生和37名硕士生参与课题研究工作，已有1名博士后出站、4名博士生和22名硕士生毕业；指导学生获挑战杯创新创业大赛天津赛区金奖、首届中国大学生创业创新大赛一等奖，全国残疾人辅助器具创新设计大赛优秀设计作品奖等多项奖励。主办2012年IEEE国际虚拟环境、人机接口与测量系统大会，应邀出席多场国际大会报告课题最新进展。在本课题研究工作基础上，新获1项国家自然科学基金优秀青年科学基金项目，1项国家自然科学基金委员会-英国爱丁堡皇家学会国际合作项目。