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Electronic External Control of the Neuromuscular System

Research Project

Project/Area Number 06452444
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Research Field Biomedical engineering/Biological material science
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

HOSHIMIYA Nozomu  Faculty of Engineering, Tohoku University, Professor, 工学部, 教授 (50005394)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) HANDA Yasunobu  Tohoku University School of Medicine, Professor, 医学部, 教授 (00111790)
MURAKAMI Hajime  Department of Information and Electronics engineering, Niigata Institute of Tech, 情報電子工学科, 助教授 (80219899)
WATANABE Takashi  Faculty of Engineering, Tohoku University, Research Associate, 工学部, 助手 (90250696)
FUTAMI Ryoko  Faculty of Engineering, Tohoku University, Associate Professor, 工学部, 助教授 (20156938)
Project Period (FY) 1994 – 1996
Project Status Completed (Fiscal Year 1996)
Budget Amount *help
¥7,500,000 (Direct Cost: ¥7,500,000)
Fiscal Year 1996: ¥1,400,000 (Direct Cost: ¥1,400,000)
Fiscal Year 1995: ¥2,100,000 (Direct Cost: ¥2,100,000)
Fiscal Year 1994: ¥4,000,000 (Direct Cost: ¥4,000,000)
Keywordsfunctional electrical stimulation / FES / restoring motor function / neuromusculoskeletal system / simulation / stimulation pattern / implantable system / control command / 機能的電気刺激 / 生体電子工学 / マン・マシン・インタフェース
Research Abstract

(1)Models of the neuromuscular and the skeletal systems were developed based on results of analyzing responses of the neuromuscular system during electrical stimulation. Then, a basic simulation system of FES-induced motions for the paraplegics was developed. A stimulation pattern for standing up was made up automatically on the simulation system using the dynamic optimization.
(2)It was verified that linear interpolation of EMG patterns and artificial neural network could be used for stimulation pattern generation. In addition, a system that patients could modify stimulation patterns without medical knowledge was developed and its capabilities were verified in experiments of controlling normal subjects' wrist angles.
(3)The error detecting and correcting circuit (ECC) based on the Hamming coding was applied to an experimental implantable FES system for rejecting influence of external electromagnetic noise. Improvement of the reliability of transmitted stimulation data by using the ECC was verified on the preliminary implantable FES system.
(4)It was suggested that the following two methods were useful in FES control for preventing the incontinence : 1) 180 degrees shift of the phase between stimulus pulses applying to the left and right pudendal nerves for high urethral closing force in short time. 2) stimulation to one of the pudendal nerves alternately for long time low closing force of the urethra.
(5)Waveforms of nerve action potentials elicited by external mechanical stimulation were analyzed for extracting information for feed back control in FES application. Cluster analysis was found to be useful for estimating the stimulation that elicited the nerve signals.
(6)Methods of getting control commands for FES system, which were based on the posterior auricular muscle, the tongue movement, and head movement identification by artificial neural network e.g. nodding, were confirmed to have fundamental feasibility of using in clinical application.

Report

(4 results)
  • 1996 Annual Research Report   Final Research Report Summary
  • 1995 Annual Research Report
  • 1994 Annual Research Report
  • Research Products

    (172 results)

All Other

All Publications (172 results)

  • [Publications] 大庭茂男、他: "FES用経皮的埋め込み電極の評価法" 医用電子と生体工学. 32(特). 191 (1994)

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  • [Publications] 黒沢健至、他: "FESにおける対話型刺激パターン修正方式に関する基礎的検討-第3報 手関節2自由度運動での実験-" 医用電子と生体工学. 32(特). 217 (1994)

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  • [Publications] 森田健司、他: "FESシステムの制御命令源としての舌動作の経皮的検出に関する検討" 医用電子と生体工学. 32(特). 218 (1994)

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  • [Publications] 渡辺高志、他: "機能的電気刺激による括抗筋同時刺激の検討-第4報:筋骨格系の応答の計測-" 医用電子と生体工学. 32(特). 219 (1994)

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  • [Publications] 星宮望、他: "機能的電気刺激による運動の制御" 計測と制御. 33(4). 310-315 (1994)

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  • [Publications] 安井正、他: "準台形波刺激による神経興奮の伝導ブロックに関する基礎的検討" 医用電子と生体工学. 32(2). 9-14 (1994)

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  • [Publications] 真狩弘夫、他: "機能的電気刺激(FES)システムの制御命令としての耳介動作の検討" 医用電子と生体工学. 32(2). 39-46 (1994)

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  • [Publications] 黒沢健至、他: "刺激パターン修正機能を有する機能的電気刺激(FES)システムの基礎的検討" リハビリテーション工学カンファレンス講演論文集. 315-318 (1994)

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  • [Publications] 古瀬則夫、他: "FESによる協調運動の同時制御のための刺激パターン生成法-上肢動作中のEMG計測-" 第3回日本FES研究会・学術講演会予稿集. 12 (1994)

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  • [Publications] 町野保、他: "FESによる体幹側屈制御のための筋電図解析" 第3回日本FES研究会・学術講演会予稿集. 13 (1994)

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  • [Publications] 山下直孝、他: "FES立体保持中の膝関節制御のための膝蓋靱帯緊張度の利用" 医用電子と生体工学. 32(3). 40-46 (1994)

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  • [Publications] 村上肇、他: "既知の刺激パターンからの補間に基づく機能的電気刺激(FES)による運動機能再建関する基礎的検討" 第15回バイオメカニズム学術講演会予稿集. 69-72 (1994)

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  • [Publications] 村上肇、他: "機能的電気刺激(FES)による体幹制御のための刺激パターン生成に関する基礎的検討-胸腰部側屈動作の筋電図解析-" 医用電子と生体工学. 32(秋特). 124 (1994)

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  • [Publications] 渡辺高志、他: "機能的電気刺激(FES)における括抗筋同時刺激に関する基礎的検討" 電子情報通信学会技術研究報告(MEとバイオサイバネティックス). 94(358). 89-96 (1994)

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  • [Publications] 星宮望: "機能的電気刺激による神経・筋系制御に関する研究の展開-仙台FESプロジェクトの歩み-" 電子情報通信学会技術研究報告(MEとバイオサイバネティックス). 94(358). 121-128 (1994)

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  • [Publications] 黒沢健至、他: "FESにおける対話型刺激パターン修正方式に関する基礎的検討-第4報 2自由度運動での試作システムの評価-" 第9回生体・生理工学シンポジウム論文集. 83-86 (1994)

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  • [Publications] 森田健司、他: "筋特性を考慮したFESの刺激変調方式に関する基礎的検討" 第28回日本ME学会東北支部大会講演論文集. 26 (1994)

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  • [Publications] T.Watanabe,et al.: "A Basic Study on Sim Haneous Stimulation to the Antagonistic Mascle Pair by FES:Fora Measurement at Different Muscle Lengths" Proc.16th Ann.Int.Conf.IEEE Erg.Med.& Biol.Soc.440-441 (1994)

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  • [Publications] 星宮望: "FES機器の将来展望" 臨床整形外科. 30(2). 193-196 (1995)

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  • [Publications] 古瀬則夫、他: "FESによる協調運動の同時制御のための刺激パターン生成法-第2報:負荷を伴う上肢の動作筋電図の解析-" 医用電子と生体工学. 33(特). 566 (1995)

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  • [Publications] 町野保、他: "データマッピング法によるFESの刺激パターン生成に関する基礎的検討" 医用電子と生体工学. 33(特). 570 (1995)

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  • [Publications] 比嘉広樹、他: "誤り訂正回路を用いた体内埋め込み型FESシステムの検討" 医用電子と生体工学. 33(特). 571 (1995)

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  • [Publications] 渡辺高志、他: "速筋・遅筋特性を考慮したFESによる麻痺肢制御の基礎検討" 電子情報通信学会技術研究報告(MEとバイオサイバネティックス). 95(84). 101-108 (1995)

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  • [Publications] 西澤正毅、他: "FESにおける疲労改善のための変調方式に関する研究-刺激パルスパラメータの評価-" 第4回日本FES研究会・学術講演会予稿集. 1 (1995)

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  • [Publications] 石川知道、他: "FESによる姿勢保持のためのフィードバック制御システムに関する検討" 第4回日本FES研究会・学術講演会予稿集. 2 (1995)

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  • [Publications] 渡辺高志、他: "機能的電気刺激(FES)技術の運動機能障害者支援への応用" エル・エス・ティ学会誌. 7(3). 3-9 (1995)

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  • [Publications] K.Morita,et al.: "A Basic Study on an FES Control Method Considering Fast and Slow Muscle Characteristics" Proc.17th Ann.Int.Cont.IEEE Eng Med.& Biol.Soc.5.4.5.4 (1995)

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  • [Publications] 村上肇、他: "電気刺激によるヒトの筋活動の再構築" Japanese Joarnal of SPORTS SCIENCES. 14(5). 523-527 (1995)

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  • [Publications] H.Higa,et al.: "Fail-Safe Circuits for Inplantable FES System -Error Detecting and Correcting Circuits-" Proc.2nd Int.FES Symp.in Sendai. 78-83 (1995)

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  • [Publications] T.Watanabe,et al.: "FES Sinalafor for Optimizing Control Mefhod:Basic Concepts and a Preliminary Musculotondon Model" Proc.2nd Int.FES Synp.in Sendai. 84-90 (1995)

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  • [Publications] T.Machino,et al.: "FES Cantrol of Wrist Joint Angles Based on the Interpolation of Stimulus-Angle Characteristics" Proc.2nd Int.FES Symp.in Sendai. 174-180 (1995)

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  • [Publications] 星宮望: "生体電子工学の新しい展開-神経・筋系の電子的制御-" 医用電子と生体工学. 33(秋特). 7-10 (1995)

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  • [Publications] 嚴光文、他: "対麻痺者の運動機能再建のためのFESシミュレーター3タンク骨格モデルによるシミュレーション-" 第29回日本ME学会東北支部大会講演論文集. 26 (1995)

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  • [Publications] 古瀬則夫、他: "FESによる協調運動の同時制御のための刺激パターン生成法-第3報:能動型装置適用時の上肢動作筋電図の解析-" 第16回バイオメカニズム学術講演会予稿集. 169-172 (1995)

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  • [Publications] 村上肇、他: "機能的電気刺激(FES)システムの制御命令としての舌動作の検討" 医用電子と生体工学. 33(4). 65-69 (1995)

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  • [Publications] 比嘉広樹、他: "ハミング符号化法に基づく誤り訂正回路を用いた体内埋め込み型FESシステム" 第10回生体・生理工学シンポジウム論文集. 89-92 (1995)

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  • [Publications] 町野保、他: "刺激電圧-関節角度特性の補間に基づくFESによる手関節制御に関する基礎検討" 第10回生体・生理工学シンポジウム論文集. 109-112 (1995)

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  • [Publications] 渡辺高志、他: "速筋・遅筋特性を考慮したFES制御のための刺激周波数-張力特性の計測" 医用電子と生体工学. 34(1). 47-51 (1996)

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  • [Publications] 古瀬則夫、他: "ハイブリッド機能的電気刺激による上肢動作再建のための刺激パターン生成法の検討" 電子情報通信学会技術研究報告(MEとバイオサイバネティックス). 95(596). 67-72 (1996)

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  • [Publications] 渡辺高志、他: "FESシミュレータのための筋・腱モデルの基礎検討" 医用電子と生体工学. 34(特). 166 (1996)

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  • [Publications] 嚴光文、他: "対麻痺肢者の運動機能再建のためのFESシミュレータに関する基礎研究" 医用電子と生体工学. 34(特). 167 (1996)

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  • [Publications] H.Higa,et al.: "Inprovement of Noise Immunity of Implantable Functioral Electrical Stimulation System" Proc.1st Ann.Conf.Int.FES Soc.16 (1996)

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  • [Publications] T.Watanabe,et al.: "A Modification Method of Stirnulation Patterng for FES Control" Proc.1st.Ann.Conf.Int.FES Soc.44 (1996)

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  • [Publications] N.Hoshimiya,et al.: "Development of Multi-Channel Implantable Functionl Electrical Stimnlation(FES)System for Clinical Usage" Med.& Biol.Eng.& Conp.34(Suppl). 281-282 (1996)

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  • [Publications] 黒沢健至、他: "FESにおける刺激パターン修正方式に関する検討" 医用電子と生体工学. 34(2). 1-8 (1996)

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  • [Publications] 星宮望、他: "機能的電気刺激(FES)の現状と将来展望-コンピュータによる麻痺肢の制御-" 電子情報通信学会誌. 79(6). 574-578 (1996)

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  • [Publications] 野澤庸之、他: "FESシミュレータのための筋・腱モデルの検討-リクルートメント特性を考慮したモデル化のための基礎実験-" 第5回日本FES研究会・学術講演会予稿集. 18 (1996)

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  • [Publications] 中谷裕教、他: "FESにおける求心性神経情報を用いた閉ループ制御の基礎的検討" 第5回日本FES研究会・学術講演会予稿集. 17 (1996)

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  • [Publications] T.Watanabe,et al.: "Basic Studies on FES Simulator:Stimulus Freqnency Control of Muscle Model" 7th Korea-Japan FES Symposium. 8 (1996)

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  • [Publications] G.Eom,et al.: "FES Simulator for Restoring Motor Functions of SC1 Patients -A Basic System Using a Simplified Musuloskeletal Model-" 7th Korea-Japan FES Symp.9 (1996)

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  • [Publications] 星宮望、他: "運動制御系の計測とその制御-麻痺肢の機能的電気刺激による外的生体制御-" 医用電子と生体工学. 34(秋特). 9 (1996)

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  • [Publications] 村上肇、他: "人工神経回路を用いた機能的電気刺激の刺激データ生成-シミュレーション解析-" 第17回バイオメカニズム学術講演会予稿集. 85-88 (1996)

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  • [Publications] 古瀬則夫、他: "ニューラルネットによるうなずき動作の認識と重度麻痺者用福祉機器の制御命令としての可能性" 第17回バイオメカニズム学術講演会予稿集. 227-230 (1996)

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  • [Publications] S.Ohba,et al.: "Evaluation of Percutaneons Electrode after Implantation for FES" Proc.18th Ann.Int.Conf.IEEE Eng.Med.& Biol.Soc.2.2.2-10 (1996)

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  • [Publications] T.Watanabe et al.: "A Stimulus Frequency-Controlled Muscle Model for FES Simulator" Proc.18th Ann.Int.Conf.IEEE Eng.Med.Biol.Soc.28.1-10 (1996)

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  • [Publications] 村上肇、他: "人工神経回路を用いたFES刺激データ生成のための運動学的冗長性解消の基礎的検討" 電子情報通信学会技術研究報告(MEとバイオサイバネティックス. 96(379). 1-6 (1996)

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  • [Publications] 渡辺高志、他: "FESシミュレータへの適用を考慮した筋・腱モデルの検討" 第11回生体・生理工学シンポジウム論文集. 13-16 (1996)

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  • [Publications] N.Hoshimiya: "Development of the Portable Functional Electrical Stimulation(FES)and 2ts Clinical Applications" Proc.2nd Japan-Polish Seminar on Contribution to Engneering to Biology and Medicine. (印刷中). (1996)

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  • [Publications] 西澤正毅、他: "FESによる尿失禁防止のための刺激方式に関する基礎検討" 電子情報通信学会技術研究報告(MEとバイオサイバネティックス). 96(印刷中). (1997)

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Published: 1994-04-01   Modified: 2016-04-21  

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