基于多传感器信息的新型穿戴式上肢外骨骼康复机器人

目的 设计基于多传感器信息的新型穿戴式上肢外骨骼康复机器人,以解决上肢外骨骼康复机器人便携性不佳、患者参与度较低、训练模式自适应不足等问题,并探究受试者穿戴外骨骼时肌肉激活程度、肌电信号预测关节角度的准确性以及实现上肢康复训练的可行性.方法 该设备机械结构包括肘关节和腕关节,采用模块化设计并结合3D打印技术;控制系统包括肌电采集、应力采集、姿态采集等单元,并设计主动、被动和助动三种训练模式.受试者穿戴外骨骼机器人后进行屈-伸肘实验,对比有、无辅助力时手臂肌肉激活程度;分析肘关节角度,并对比肌电信号预测的关节运动角度;验证机器人运行性能与应力检测效果.结果 受试者穿戴外骨骼康复机器人安全可靠地完成了屈-伸肘动作,受试者肱二头肌、肱三头肌肌肉激活程度在有、无辅助力时分别减弱约32％、11％,肌电信号预测关节角度准确度约95％,应力测量值误差均低于5％.结论 上肢外骨骼机器人可以给人体提供辅助力、预测关节角度,机器人通过肌电、应力以及位置信息辅助患者实现上肢康复训练具有可行性.     

有跌倒史老年人坐立运动过程中的肌肉协同分析

目的 探讨有跌倒史的老年人坐立运动中肌肉募集机制是否发生变化。方法 招募17名健康年轻人、17名健康老年人及9名有跌倒史的老年人,采集右下肢16块肌肉的表面肌电信号(sEMG)和足底压力中心(COP)轨迹,使用Falls Efficacy Scale-International(FES-I)评估跌倒风险,通过非负矩阵分解(NNMF)提取肌肉协同。结果 3组在肌肉协同数量上无显著差异。有跌倒史老年人坐立运动初期,提前激活腘绳肌和踝关节跖屈肌,在运动的后期,这种提前激活转变为额外的肌肉活动,与健康组形成对比。此外,COP偏移量和FES-I评分显著增加,指示运动稳定性不足。结论 坐立运动中有跌倒史老年人腘绳肌和踝关节跖屈肌的异常激活可能影响下肢稳定和肌肉募集策略的改变。     

新式屈髋肌力训练机在轻重阻力下对下肢肌电与运动范围的影响

目的探讨新式屈髋肌力训练机在轻、重阻力情况下对下肢肌肉兴奋程度与运动范围的影响。方法 6位志愿者在屈髋肌力训练机台上,随机在轻或重阻力条件下进行连续30次的上提与下摆动作,并同时采集运动过程中的肌肉兴奋程度与下肢运动范围。结果肌肉兴奋程度方面,在连续30次动作过程中,重阻力在腹直肌、屈髋肌、臀大肌、股直肌和股二头肌的兴奋程度皆显著高于轻阻力(P<0.05);重阻力在腹直肌、屈髋肌和股直肌后3次的兴奋程度皆显著高于前3次(P<0.05);轻阻力情况下,只有竖脊肌以及股直肌最后3次的兴奋程度显著高于前3次(P<0.05)。运动范围方面,重阻力情况下的动作范围与下摆角度显著小于轻阻力(P<0.05)。结论新式屈髋肌力训练机无论是在轻或重阻力条件下,都能在髋关节合理的活动范围内刺激屈与伸髋主动肌群以及周边协同肌群来完成动作,特别是相对较重阻力的条件下。     

基于AnyBody脑卒中患者手部抓握训练的肌肉力学特性分析

目的建立手部抓握的骨骼肌生物力学模型并进行逆向动力学仿真,得到不同受力时手部抓握过程各参与肌肉的最大肌肉力。方法选择1名志愿者对其手部进行CT扫描,将得到的手部CT数据导入Mimics软件进行三维重建,获得各节骨模型,通过Geomagic Studio重新调整模型坐标后导入AnyBody软件,建立手部骨骼运动学模型。添加参与各手指屈曲的相关肌肉,建立手部骨骼肌模型。使用该模型进行手部抓握的逆向动力学仿真。结果分别在各远节指骨上施加5～30 N不同外力后,得到各肌肉在整个运动过程中的最大肌肉力。随着力的增加,各肌肉最大肌肉力也呈线性趋势增大,如拇长屈肌的最大肌肉力从18.49 N增加到110.93 N;且在外力5 N时,手指抓握过程中拇短屈肌、拇长屈肌、拇收肌、小指短屈肌的最大肌肉力分别为7.70、18.49、9.49、8.39 N,指浅屈肌、指深屈肌在各手指运动过程的肌肉力远大于其他肌肉,对手部抓握起主要作用。结论参与手部抓握各肌肉在不同阻力时的最大肌肉力,以及主要肌肉的肌肉力与关节角度的关系,可为评价脑卒中患者手部康复效果提供指导及参考,也可为康复设备制造提供一定的理论依据。     

3-PH/R踝关节康复机器人的运动轨迹

目的 研究3-PH/R踝关节康复机器人在不同轨迹下对关节及肌肉受力的影响.方法 分析3-PH/R踝关节康复机器人的运动学原理,将机器人模型简化后导入生物力学建模软件中,以踝关节康复机器人的实际运动轨迹作为模型驱动,比较在跖背屈、内外翻和章动3种不同运动轨迹下关节和肌肉的受力情况,并对3种运动轨迹进行相关性分析.结果 章...     

基于表面肌电非负矩阵分解与一致性的肌间协同耦合关系研究

肌肉协同模型是神经产生并控制运动的低维度结构,探讨不同动作任务下的表面肌电信号(sEMG)间的相干性分析,可以体现相应肌群的协同耦合关系,进而能从神经控制运动与肌肉相互配合协调的角度揭示运动产生与执行规律。组织8名年轻健康受试者(男女均半、20～24岁)进行上肢腕部屈、伸实验,采集动作时相应肌群的sEMG数据,引入非负矩阵分解(NMF)方法分析肌间协同性,并进一步对协同性较高的肌群采用一致性分析方法,研究信号beta(15~35 Hz)和gamma(35～60 Hz)频段的耦合强度关系,探讨腕部伸屈动作下不同受试者之间的协同耦合性差异。结果表明:腕伸动作下,主动肌桡侧腕短伸肌(ECR)、指伸肌(ED)、尺侧腕伸肌(ECU)、肱桡肌(B)在协同模块W₅中具有协同关系,且肌间耦合强度显著(P<0.05),beta频段与gamma频段一致性显著面积相差较大(1.261±0.966);腕屈动作下,分别在协同模块公式中存在具有协同关系的肌肉对,且肌肉间耦合强度显著(P<0.001),在beta和gamma频段一致性显著面积相差较小(0.412±0.163),但主动肌桡侧腕屈肌、指浅屈肌间不具有协同性,耦合关系较弱。以上说明:神经控制运动的方式不同,体现为肌肉协同耦合关系有所差异;在同一协同模块中,协同性较高的肌肉间耦合关系较强,揭示神经控制运动规律与肌肉相互配合方式;运用此方法进行肌间协同耦合联合分析,可望深入揭示中枢神经模块化协同控制运动机制,进一步为运动障碍患者功能分析和评价提供科学依据。     

踝关节人机耦合生物力学特性分析

目的 设计一种2-PSU/RR并联踝关节康复机器人,并对人体肌肉进行生物力学特性分析,研究踝关节康复机器人的康复策略。方法 采用数值离散搜索法获得机器人的实际工作空间,探究结构参数变化对机器人动平台高度的影响。通过人体生物力学仿真软件AnyBody得到肌肉力、肌肉活动度等人体生物力学响应,研究动平台高度变化对肌肉行为的影响。结果 机器人能够满足踝关节跖屈/背屈和内翻/外翻运动需求。适当增大定长杆的初始倾角和减小长度,使得踝关节康复机器人具有较低的整体高度。动平台高度依次递减10 mm,人体参与运动的肌肉力和肌肉活动度都有一定幅度下降。结论 本研究为踝关节康复提供一种新的设计方案,为踝康复机器人运动分析提供理论指导,并通过修改机构参数加快患者脚踝康复。     

基于肌肉机械功的异常步态分析

目的通过量化背屈肌和跖屈肌之间的协同作用分析不同行走速度下偏瘫受试者踝关节角度的异常,以深层次地分析患者的运动功能。方法将从肌电(electromyograph,EMG)驱动的人体肌肉骨骼模型中获得的肌力、力臂和关节角度参数进行预处理,利用肌力和力臂差计算患侧跖屈肌群和背屈肌群做功情况,以此分析由踝关节角度曲线反映出的步态异常。结果跖屈肌群(主要是比目鱼肌和腓肠肌)过度活跃做正功,保持高强度向心收缩,背屈肌群(主要是胫骨前肌)无力几乎不做功导致肌肉协同失衡,从而引起步态异常。结论本文提出的量化肌肉机械功方法可以深层次地分析肌肉之间的协同作用,对于偏瘫患者异常步态的分析具有重要的意义。     

健康人手部不同动作的脑电-肌电相干性分析

运动皮层和肌肉之间的功能连接直接关系到上肢功能障碍者的康复,神经肌肉的活动状态可以通过脑电-肌电(EEG-EMG)相干性来分析。本文通过在进行手抓、握及手腕屈、伸4组动作时,采集皮层运动区的9导联EEG信号和前臂4导联的EMG信号,进行相干性分析处理。结果表明在β频段,右手做屈指、伸指动作时相应的右前臂指屈肌(FD)、指伸肌(ED)与大脑左侧C3导联相干系数值较大(P0.05);右手做屈腕、伸腕动作时相应的尺侧腕屈肌(FCU)、桡侧腕伸肌(ECR)与大脑左侧C3导联相干系数值较大(P0.01)。研究结果为探索基于皮层肌肉相干性(CMC)的手部运动信息解码提供了依据。     

索控式中央驱动上肢康复机器人

目的根据居家康复的要求与趋势,针对国内外上肢康复机器人体积庞大、传动链复杂以及驱动噪声大的缺点,设计了一款索控式中央驱动上肢康复机器人。方法首先采用钢丝绳和同步带组成的传动系统进行动力传递,并采用中央驱动式设计,即将电机驱动设备统一安置于远离患者的底座上;然后通过Solidworks建立三维模型,并设计动力传递系统的总体方案;最后通过Solidworks中的Motion模块对机器人肩关节屈曲/伸展运动、肩关节内收/外展运动、肘关节屈曲/伸展运动以及肩肘关节联动运动进行运动学仿真,验证所设计的上肢康复机器人机械臂结构的合理性及设定轨迹的可行性。结果肩关节、肘关节以及腕关节运动学仿真曲线证实了该上肢康复机器人能够平稳地完成规划的轨迹动作,从而验证了机械结构设计合理,方案可行。结论索控式中央驱动上肢康复机器人具有动力传递系统轻便以及结构简单的优点,可以协助患者完成各种康复运动。     

无线镇痛系统的研制

目的研制一套由镇痛泵泵头、路由基站和远程监控台组成的无线镇痛系统,以缓解术后患者的疼痛。方法镇痛泵泵头终端模块完成麻醉液输注的具体动作,并通过Wi-Fi与远程监控台进行无线数据通信。通过优化系统软件以及模块的电源管理等方面对镇痛泵泵头进行了低功耗软硬件设计;从机械装夹和软件校准等多方面提出了增大泵头精度的方法。基于压力模块和霍尔模块对镇痛泵报警方法进行研究并建立模型,根据不同的算法提取压力信号相应的特征,从而识别出管路堵塞、有气泡、无液和正常工作4种状态。结果通过对研制的无线镇痛系统进行精度和工作时长测试以及管路4种不同工作状态报警分析,可知本系统能够正常工作,压力模块可精确报警。结论本系统的功耗低、精度高,具有精确的报警提示功能,可实现患者自控镇痛。     

基于全卷积神经网络的直肠癌肿瘤磁共振影像自动分割方法

目的直肠肿瘤(rectum cancer,RC)的图像精确分割是直肠癌诊断和治疗的基础和关键。目前,直肠肿瘤的分割通常是由放射科医生逐切片进行,这种方式主观性强,工作量大。为此,本文提出了一种直肠肿瘤磁共振影像全自动分割网络,在有效减少放射科医生负担的同时提高了肿瘤分割结果的可重复性。方法首先采用一个预训练的ResNet50提取特征,并在网络隐藏层添加3个边输出模块,实现图像数据的多尺度特征提取,最后融合3个边输出模块获得最终的分割结果。将所提网络架构的分割结果与基于U-net网络架构的分割结果进行比较,并分析不同损失函数和感兴趣区域(region of interest,ROI)尺寸对所提网络分割性能的影响。结果本研究使用中山大学附属第六医院512例患者的影像数据对模型进行训练及测试,其中随机选取的461例患者的T2加权磁共振影像用于网络训练,剩下51例患者的T2加权磁共振影像用于网络测试。结果表明,所提网络分割结果的平均Dice相似性系数(Dice similarity coefficient,DSC)、平均敏感度(sensitivity)、平均特异度(specificity)及平均豪斯多夫距离(Hausdorff distance,HD)分别达到了83.61%、89.10%、96.36%和8.49,均优于基于U-net的分割方法。对于包含了肿瘤组织的ROI,尺寸越小,分割效果越好。对于给定尺寸的ROI,几种损失函数并无太大差异。结论该算法能够准确地勾画肿瘤边界,有助于提升医生工作效率。     

一种具监测功能的高精度微量移液器的设计

目的针对全自动临床检验仪器传统移液方式的精度以及可靠性限制问题,设计一款带有液面监测功能的高精度微量移液器。方法基于气动置换技术,以STM32微处理器为主控芯片,通过实时检测移液器内部压力变化,实现了液面探测、吸样异常监测等功能。采用位置-速度双闭环PID算法实现对直线步进电机的精确定位,提高样本吸取的准确度。最后,通过移液过程监测实验和吸样精度验证实验,验证了设计的微量移液器的液面探测功能、吸样异常识别功能及吸样精度。结果该微量移液器移液精度较高,移液误差较小,重复性较好,并能实现移液的全过程监测。结论本文设计的微量移液器满足JJG646—2006国家标准设计规范,适用于全自动临床医疗检验仪器。     

基于离散系统仿真和价值流图析法的妇幼保健院就诊流程分析

目的通过离散系统仿真和价值流图(value stream mapping,VSM)分析妇幼保健院就诊流程,以科学评价妇幼保健院运作效率,识别就诊流程中存在的问题。方法通过现场流程调研、历史数据收集统计,应用离散系统仿真平台建立医院仿真模型,并利用价值流图析法识别出不增值的环节。结果仿真结果显示孕妇在整个检查流程中的时间增值比低于40%,等待检查时间过长,分析得出该院各科室的平均利用率为51.9%,存在较高的资源浪费。结论利用离散系统仿真及价值流图分析可以为医院实现精益医疗改善提供量化依据,进而从资源配置、流程改善及预约导诊等方面给出改善建议。     

基于高级控制策略的脑-机接口控制机械臂系统

目的为了增加脑-机接口(brain-computer interface,BCI)控制机械臂完成诸如抓取和放置的复杂操作的能力,本文设计与实现了一套新颖的基于脑-机接口,控制的机械臂系统。方法该系统主要包括计算机视觉、稳态视觉诱发电位脑-机接口和机械臂。计算机视觉用于识别工作区物体的形状和位置,低频稳态视觉诱发电位脑-机接口允许用户选择需要被操作的物体,机械臂则自主完成抓取和放置操作。为了验证机械臂系统,选取14名健康受试者,受试者均参加了离线实验,12名受试者参与在线实验。结果 12名健康受试者的在线结果表明,所构建的系统能够在6. 75 s内从4个可供选择的指令中输出一个命令,且获得(95. 24±1. 19)%的平均分类正确率。结论稳态视觉诱发电位的脑-机接口能够为机械臂提供精确、有效的高级控制。     

基于Matlab环境的脑控轮椅搭建与实验验证

目的基于脑电(electroencephalography,EEG)的脑控轮椅(brain-controlled wheelchair,BCW)能够为无法通过四肢操控轮椅运动的严重肢体残疾或运动障碍患者提供辅助,满足日常移动或出行需要。本文以兼顾系统性价比和准确率为研究目的,采用便携脑电放大器,搭建一个基于Matlab环境的BCW系统,并验证系统的可行性和实用性。方法首先搭建一个基于稳态视觉诱发电位(steadystate visual evoked potential,SSVEP)的BCW系统,系统主要包括脑电刺激、采集与处理,以及轮椅控制两大部分,用户无需长期训练即可通过脑电控制轮椅的运动状态。然后招募3名健康受试者进行系统分类准确率验证实验和预设路径控制验证实验。其中,分类准确率验证实验要求受试者按照语音提示指令,注视对应刺激闪烁块以得到分类结果;预设路径控制验证实验要求受试者完成3个轮椅既定路线控制任务。实验后填写问卷调查衡量本系统的控制难度、受试者舒适度和疲劳程度。结果比较提示指令与分类结果得到系统分类准确率为97%±1%。路径控制实验中受试者均能控制轮椅按照预设路径运动到目的地,且获得用时、实际路径长度、命令个数、时间优化率、路径优化率等指标。结论本文搭建的基于Matlab环境的SSVEP-BCW系统分类准确率较高,控制效果和控制舒适度较好,具有一定的实用性。     

扩张-伸缩式机器人在肠道中的力学特性研究

目的肠道机器人内镜是新一代肠道疾病诊疗设备,为了提高这类设备在肠道内自主运动的效率,本文研究了机器人运动机构与肠道之间的相互作用力对设备自主运动的影响。方法针对扩张-伸缩式机器人的运动原理提出了两个模型,分别是扩张机构与肠道之间的力学模型、机器人机身与肠道之间的力学模型,并在猪体外肠道环境下开展了实验验证。结果机器人机身与肠道之间的阻力在0. 1～0. 4 N之间;扩张机构与肠道之间的阻力在0. 1～1. 8 N之间,且与扩张直径成正比。扩张机构的扩张直径大于肠道直径超过10 mm后,扩张机构受到的肠道阻力将明显大于0. 1～0. 4 N,有利于有效驻留的产生。结论这种利用腿式结构在肠道内产生力学差使机器人实现在肠道内自主运动的方式,以及腿式结构与肠道之间的力学可以为能对胃肠道机器人的设计提供参考。     

二巯基丁二酸修饰的Fe3O4纳米颗粒对人血管内皮细胞的作用研究

目的研究二巯基丁二酸修饰的Fe3O4纳米颗粒(dimercaptosuccinic acid-magnetite nanoparticles,DMSA-Fe3O4)对人脐静脉内皮细胞(human umbilical vein endothelial cells,HUVECs)功能的影响。方法利用动态光散射法表征DMSA-Fe3O4的粒径及表面电荷;采用普鲁士蓝染色、邻二氮菲铁定量和透射电镜观察方法研究HUVECs对DMSA-Fe3O4的摄取规律;利用细胞计数试剂盒(Cell Counting Kit-8,CCK-8)检测DMSA-Fe3O4对内皮细胞活性的影响;通过酶联免疫吸附试剂盒测定DMSA-Fe3O4对内皮细胞血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)分泌量的影响。结果HUVECs能够大量吞噬DMSA-Fe3O4,其吞噬量具有孵育时间和剂量依赖性;短时间内所测剂量范围DMSA-Fe3O4对细胞活性无显著影响,但长时间高剂量条件使细胞活性明显降低。此外,在高剂量DMSA-Fe3O4暴露下(200μg/mL),内皮细胞分泌VEGF的量约为对照组的3倍。结论DMSA-Fe3O4易于被HUVECs吞噬;高浓度DMSA-Fe3O4与HUVECs长时间培养使细胞活性降低,并刺激内皮细胞分泌VEGF。     

基于伺服电机的上肢康复机器人力矩 交互控制系统

目的为了实现上肢康复机器人主动训练中力矩控制的精确性,设计一种基于伺服电机的上肢康复机器人力矩交互控制系统。方法首先利用三自由度中央驱动式上肢康复机器人实验平台建立由运动意图采集模块和伺服力矩控制模块组成的力矩交互系统;再通过建立上肢动力学模型提出上肢助力训练算法;最后通过力矩响应实验、运动意图检测实验。结果依据在一定电流输入范围内,输出力矩能够保持稳定,验证了基于直流伺服电机实现助力训练方法的可行性。采用伺服力矩控制模块在目标力矩设定后,输出力矩在1 ms时间内能够达到设定的目标值并能够保持稳定,目标力矩响应的实时性良好,由此可以得出力矩交互控制方法达到了人机力矩交互稳定的结果。结论采用上肢康复机器人力矩交互控制方法可以在主动训练中实现较为精确的力矩控制。     

Pulse oximetry: Achievements and prospects

Institute for Management Sciences, Russian Academy of Sciences and All-Russian Scientific-Research Institute for Medical Instrument Engineering, Moscow. Translated from Meditsinskaya Tekhnika, No. 4, pp. 27–31, July–August, 1993.