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神經(jīng)力學(xué)實驗裝置系統(tǒng)（神經(jīng)力學(xué)科研裝置）

——人體運動的多尺度神經(jīng)力學(xué)模型系統(tǒng)

系統(tǒng)功能概述：

研究人體運動源于神經(jīng)、肌肉和骨骼系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)互動。檢查骨骼、肌肉和神經(jīng)系統(tǒng)的綜合作用，以及它們?nèi)绾蜗嗷プ饔靡援a(chǎn)生完成運動任務(wù)所需的運動。
旨在了解運動及其與大腦的關(guān)系。結(jié)合肌肉、感覺器官、大腦中的模式發(fā)生器和中樞神經(jīng)系統(tǒng)本身的努力來解釋運動的領(lǐng)域。
應(yīng)用包括了解運動神經(jīng)肌肉和肌肉骨骼功能的潛在機制，對復(fù)合神經(jīng)肌肉骨骼系統(tǒng)中神經(jīng)機械相互作用等緩解健康問題以及設(shè)計和控制機器人系統(tǒng)。
該設(shè)備開發(fā)綜合多尺度建模方法，包括肌肉、骨骼和神經(jīng)模型。使用的高密度肌電圖 (HD-EMG) 與盲源分離相結(jié)合，將干擾 HD-EMG 信號識別到由同時控制許多
肌肉纖維的脊髓運動神經(jīng)元放電的尖峰列車集合中。開發(fā)的由體內(nèi)運動神經(jīng)元放電驅(qū)動的多尺度肌肉骨骼建模公式，用于計算所得肌肉骨骼力的高保真估計。
這將使神經(jīng)控制的肌肉組織如何與骨骼組織相互作用的分析能力前所未有，因此將為了解神經(jīng)肌肉/骨科疾病的病因、診斷和治療開辟新的途徑。

• ●完整人體運動體內(nèi)運動、動作、機械力協(xié)調(diào)互動的分析系統(tǒng)，全面、系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)檢測分析
• ●神經(jīng)、肌肉和骨骼系統(tǒng)之間控制、協(xié)調(diào)、互動的分析評估
• ●骨骼、肌肉和神經(jīng)系統(tǒng)綜合作用運動、動作的實時捕捉、檢查分析
• ●研究人體、人機運動動作及其與大腦、骨骼、肌肉之間的關(guān)系
• ●結(jié)合肌肉、感覺器官、大腦中的模式發(fā)生器和中樞神經(jīng)系統(tǒng)本身解釋運動的領(lǐng)域
• ●研究運動神經(jīng)肌肉和肌肉骨骼功能的潛在機制
• ●復(fù)合神經(jīng)肌肉骨骼系統(tǒng)中神經(jīng)機械相互作用等健康問題
• ●其他神經(jīng)與人體所有運動、動作關(guān)聯(lián)問題
• ●確保組件間協(xié)同工作，為您獨特的研究需求提供全面、系統(tǒng)化、高質(zhì)量捕捉與數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)特點：

        一套一站式交鑰匙 3-D運動實時捕捉分析系統(tǒng)，旨在同步收集來自各種運動跟蹤器、EMG（肌電圖）、測力臺、手傳感器、EEG腦電圖、
定量腦電圖(quantitative EEG, qEEG)系統(tǒng)、數(shù)字視頻、事件標(biāo)記和其他模擬設(shè)備、虛擬現(xiàn)實和觸覺設(shè)備的數(shù)據(jù)。
        從豐富的分析工具集合中生成的數(shù)據(jù)可立即通過所有數(shù)據(jù)輸出的圖形顯示進行回放。 令人驚嘆的 3-D 計算機渲染對象動畫可以被視為骨架、簡筆畫或人形。集成使用市場上
廣泛的硬件實現(xiàn)對人體運動、大腦活動、眼球運動、肌肉募集和作用在身體上的外力的實時測量。
        確保您選擇的組件協(xié)同工作，為您獨特的研究需求提供全面、系統(tǒng)化、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)完全同步，與其他組件準(zhǔn)確定位，并通過的計算機
渲染和圖形顯示實時呈現(xiàn)。 數(shù)據(jù)輸出包括所有運動學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)，包括關(guān)節(jié)力和力矩，以及從虛擬環(huán)境同步接收的用戶定義變量。 數(shù)據(jù)可在不需要編程的直觀下拉菜單中使用。
用戶編寫的腳本可以定義額外的數(shù)據(jù)和事件，并與統(tǒng)計模塊一起擴展該系統(tǒng)的固有功能。

典型應(yīng)用：

1、改善腦癱患兒的臨床決策

• 腦癱是常見的兒童神經(jīng)系統(tǒng)疾病，在歐洲每例活產(chǎn)中有2-3例
• 多層次的手術(shù)用于糾正肌肉骨骼異常和改善行走
• 手術(shù)的結(jié)果是適度的(60%的患者沒有改善)，并且在過去的20年里停滯不前
• 使用基于神經(jīng)肌肉骨骼、統(tǒng)計和有限元模型的計算機模擬來估計臨床相關(guān)參數(shù)，目的是提高我們對步態(tài)功能障礙的因果因素的認識，并增加未來積極治療結(jié)果的數(shù)量
• 對于我們的模擬，我們一方面開發(fā)方法來為基礎(chǔ)研究問題創(chuàng)建高度特定主題的模型，另一方面開發(fā)快速簡單的工作流程來將的建模集成到臨床實踐中
• 我們與上的腦癱治療合作，包括佩倫伯格大學(xué)醫(yī)院(比利時)、吉列兒童專科保健(美國)和斯佩辛整形醫(yī)院(奧地利)的臨床步態(tài)實驗室

2、根據(jù)一個人的步態(tài)模式預(yù)測個體的骨骼生長

• 由于骨骼的病理負荷，許多兒童在成長過程中會出現(xiàn)骨骼畸形
• 矯正性截骨術(shù)，例如去旋轉(zhuǎn)手術(shù)，用于矯正過度畸形
• 兒童骨骼的機械反應(yīng)提供了一個令人興奮的機會，可以在早期糾正負載環(huán)境，避免骨骼畸形的發(fā)展
• 我們使用基于神經(jīng)肌肉骨骼和有限元模型的多尺度模擬來預(yù)測股骨的生長趨勢，并研究什么樣的負荷特性會導(dǎo)致典型的病理性生長
• 為了驗證我們的機械生物學(xué)生長預(yù)測，我們將我們的模擬結(jié)果與從兩次采集的磁共振圖像中獲得的股骨幾何形狀的實際變化進行了比較
• 調(diào)查臨床干預(yù)對肌肉骨骼負荷和股骨生長的影響，使我們能夠確定哪些早期干預(yù)有可能使股骨生長正常化

3、增加我們對復(fù)雜運動的運動控制的洞察力

• 從簡單的直立到復(fù)雜的運動，肌肉力量對于任何積極的人體運動都是必要的
• 肌肉由神經(jīng)電指令控制
• 肌電圖記錄捕捉導(dǎo)致肌肉收縮的電信號，并能為神經(jīng)肌肉控制策略提供見解
• 中樞神經(jīng)系統(tǒng)被認為使用特定任務(wù)的運動模塊，稱為肌肉協(xié)同，來降低運動控制的復(fù)雜性
• 肌肉協(xié)同作用可以從肌電圖記錄中計算出來，并用于運動控制研究
• 我們使用肌肉協(xié)同分析來研究人類如何完成復(fù)雜的運動和學(xué)習(xí)新的運動任務(wù)

4、估計健康和病理人群在不同運動期間的肌肉骨骼負荷

• 由于不適當(dāng)?shù)闹貜?fù)運動導(dǎo)致的肌肉骨骼系統(tǒng)的過度負荷會導(dǎo)致?lián)p傷
• 建議進行肌肉強化練習(xí)，以防止受傷并加速康復(fù)
• 許多鍛煉和康復(fù)建議是基于專家意見，而不是基于證據(jù)的研究
• 我們使用神經(jīng)肌肉骨骼模擬來增加我們關(guān)于運動和鍛煉對肌肉骨骼系統(tǒng)負荷的影響的知識
• 在我們的運動分析實驗室，我們收集和分析來自不同人群的數(shù)據(jù)，包括運動員，例如和業(yè)余舞蹈演員、肥胖兒童和健康成人
• 我們的研究結(jié)果可能有助于預(yù)防未來的傷害，并設(shè)計基于證據(jù)的康復(fù)計劃

5、多尺度神經(jīng)力學(xué)
我們與人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)建立了臨床上可行的接口，使我們能夠接觸到神經(jīng)細胞的功能，如脊髓運動神經(jīng)元。我們構(gòu)建了人類神經(jīng)-肌肉-骨骼系統(tǒng)的特定受試者多尺度模型，該模型可以將神經(jīng)記錄轉(zhuǎn)化為對完整運動人體體內(nèi)終機械功能的準(zhǔn)確預(yù)測。

6、實時神經(jīng)機械建模
當(dāng)前的臨床生物力學(xué)涉及冗長的數(shù)據(jù)采集和耗時的離線分析。我們開發(fā)了用于實時分析完整人體體內(nèi)神經(jīng)肌肉骨骼功能的創(chuàng)新方法。這將推動醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，包括內(nèi)部機械力的實時生物反饋和患者-機器接口。

7、基于外骨骼模型的控制
我們開發(fā)了的在線肌肉骨骼建模方案，可以預(yù)測個體的神經(jīng)肌肉骨骼系統(tǒng)如何對與殘肢平行連接的可穿戴設(shè)備做出反應(yīng)。我們使用動態(tài)模擬來預(yù)測復(fù)雜機器人外骨骼的機械功能。這些信息被實時用于為可穿戴機器人創(chuàng)建新的基于模型的控制范例，這些范例可以恢復(fù)或增強人類的運動能力。

8、基于假肢模型的肌電控制
我們根據(jù)脊髓運動神經(jīng)元的放電時間和肌肉骨骼水平上新出現(xiàn)的物理行為的準(zhǔn)確預(yù)測，定義并實驗測試了新的人機界面。這導(dǎo)致了新的基于模式的仿生肢體肌電控制方案。解釋個體神經(jīng)肌肉骨骼系統(tǒng)的人機界面的發(fā)展將為通過仿生可穿戴輔助技術(shù)解決臨床相關(guān)康復(fù)挑戰(zhàn)帶來前所未有的機遇。

9、運動增強技術(shù)
在“flex張力項目”的框架下，我們與杜氏親代項目合作，開發(fā)和測試各種技術(shù)，用于杜氏肌營養(yǎng)不良癥患者的意圖檢測及其與主動上肢輔助設(shè)備的整合。我們的目標(biāo)是將這些技術(shù)轉(zhuǎn)化為用戶，這就是為什么我們的目標(biāo)是以用戶為中心的設(shè)備設(shè)計和意圖檢測開發(fā)。我們也對手功能的研究感興趣，尤其是對患有糖尿病的人。

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