项目名称: 基于可穿戴传感和触觉反馈的膝骨关节炎患者步态训练系统研究

项目编号: No.51505283

项目类型: 青年科学基金项目

立项/批准年度: 2016

项目学科: 机械、仪表工业

项目作者: PETER BRADLEY SHULL

作者单位: 上海交通大学

项目金额: 21万元

中文摘要: 通过步态训练降低膝关节内翻力矩是一种治疗膝骨关节炎的重要手段,但现有训练范式未考虑患者的个体生理差异,不允许患者自由行走,也不支持触觉反馈感知,制约了其临床应用。本项目将研究人体运动控制、人体姿态检测和触觉反馈等理论方法,建立数据驱动的自适应最优步态估计模型,实时行进方向检测算法,以及触觉反馈的皮肤机械响应模型,奠定用于治疗膝关节炎的可穿戴步态训练系统的科学基础。本项目将从理论技术和科学实验两方面开展研究,具体内容包括:步态训练的实时生物力学模型,自适应最优步态估计和控制模型,可穿戴传感器信息融合技术,可穿戴皮肤拉伸感知反馈装置。通过解决如下三个关键问题:如何估计降低膝关节内翻力矩的理想步态参数,如何精确测量自由行走时的步态参数,如何在行走过程中有效感知触觉反馈,设计开发可穿戴传感和触觉反馈原型系统,并应用于临床步态训练实验,促进可穿戴步态训练系统的实用化。

中文关键词: 人体生物力学;人体生理信号;生物力学模型

英文摘要: Gait retraining to reduce the knee adduction moment is an important treatment method for knee osteoarthritis, but current paradigms do not account for differences in human anatomy and do not allow patients to change walking directions or perceive haptic feedback sensations during gait, which have prevented clinical application. This project will investigate human movement control, sensing, and haptic feedback, to explore the scientific basis for a wearable system to improve knee osteoarthritis based on novel concepts of data-driven adaptable gait prediction optimization, real-time heading vector estimation, and skin mechanical resonance haptic feedback. The research will be conducted based on technical theories and scientific experiments to investigate the following issues: real-time gait biomechanics modeling and wearable sensor fusion, gait prediction optimization modeling and control, and wearable skin stretch feedback device design. Three key problems are expected to be solved: inability to accurately predict new gait kinematics to reduce the knee adduction moment, inability to measure human gait kinematics after humans change walking directions, and imperceptible haptic feedback during gait. A wearable sensing and haptic feedback system prototype will be developed to demonstrate key research findings and clinical testing will be performed to establish a scientific basic for practical application. The results of this study will provide a scientific foundation for wearable systems research for gait retraining.

英文关键词: Human Biomechanics;Human Physiological Signals;Biomechanical Modeling

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