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FESによる四肢動作再建のシミュレーションシステムに関する研究開発

研究課題

研究課題/領域番号 10558128
研究種目

基盤研究(B)

配分区分補助金
応募区分展開研究
研究分野 医用生体工学・生体材料学
研究機関東北大学

研究代表者

星宮 望  東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (50005394)

研究分担者 加納 慎一郎  東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (00282103)
渡邉 高志 (渡邊 高志)  東北大学, 大学院・工学研究科, 講師 (90250696)
二見 亮弘  東北大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (20156938)
半田 康延  東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 教授 (00111790)
研究期間 (年度) 1998 – 2000
研究課題ステータス 完了 (2000年度)
配分額 *注記
10,300千円 (直接経費: 10,300千円)
2000年度: 1,600千円 (直接経費: 1,600千円)
1999年度: 3,500千円 (直接経費: 3,500千円)
1998年度: 5,200千円 (直接経費: 5,200千円)
キーワード機能的電気刺激 / FES / 運動機能再建 / 起立動作 / 筋骨格モデル / シミュレーション / 刺激データ / 制御命令 / ニューラルネット / 片麻痺 / リーチング / パラメータ同定 / 強化現象 / 筋・骨格モデル / 刺激パターン / 動的最適化 / マン・マシン・インターフェイス / 筋疲労
研究概要

1.筋骨格モデルを計算機上に構築し、起立動作の計算機シミュレーションを可能にした。これに動的最適化手法を組み合わせて、起立動作の刺激データを自動生成することに成功した。この刺激データと健常者の起立時の動作筋電図との比較から、本手法が標準刺激データの生成法として有効であることが示された。
2.特定の患者を表現する筋骨格モデルの構築を目指して、筋張力を発生するモデルをトルク発生モデルに変更し、そのパラメータ同定法を提案した。膝関節を対象に、1関節、1筋で構成したモデルについて、健常被験者での電気刺激応答とモデル予測が良く一致することを確認した。また、非線形特性や骨格構造を考慮した筋・骨格モデルについても検討し、試行錯誤的なパラメータ調整を伴っているが、健常者での刺激実験での応答の一部を推定可能であった。
3.筋の非線形、時変特性の計測とモデル化に関して、(1)臨床で使われている刺激周波数(20Hz)でも筋の強化現象が生じることを明らかにした。(2)電気刺激中の筋疲労情報の計測方法として、誘発筋電図(M波)や近赤外光の利用可能性を示した。(3)生理学的知見に基づく筋の活性化モデルを構築し、強化現象やキャッチプロパティ等を表現できることを確認した。
4.運動機能障害者がシステムを操作するために、特徴的動作をニューラルネットにより認識して制御命令とする手法を提案した。3次元位置測定装置や加速度センサを用いて計測した動作を認識できることが、健常者やC5-6四肢麻痺者で確認され、本手法の実現可能性が示された。
5.任意の場所へのリーチングをFESにより再建するために、リーチング目標位置の検出手法を提案した。車椅子の使用者を想定し、レーザポインタと3次元位置角度センサを用いて目標位置検出装置を構成した。机上目標位置の検出精度を調べた結果、実用的に利用可能であることが示唆された。

報告書

(4件)
  • 2000 実績報告書   研究成果報告書概要
  • 1999 実績報告書
  • 1998 実績報告書
  • 研究成果

    (73件)

すべて その他

すべて 文献書誌 (73件)

  • [文献書誌] T.Watanabe, et al.: "A Possibility of Using M-Waves Evoked by Double Pulses for Evaluating Muscle Fatigue on FES Control"Proc.3rd Ann.Conf.Int.FES Soc.. (CD-ROM). (1998)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] T.Watanabe, et al.: "Experimental Tests of a Musculoskeletal Model of the Elbow Joint for FES Applications"Proc.20th Ann.Int.Conf.IEEE Eng.in Med.and Biol.Soc.. 2594-2597 (1998)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] T.Watanabe, et al.: "An Approach to a Muscle Model with a Stimulus Frequency-Force Relationship for Use in FES"IEEE Trans.on Rehab.Eng.. 7(1). 12-18 (1999)

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  • [文献書誌] 星宮望: "近未来のFESシステム"医用電子と生体工学. 37(特). 9 (1999)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] 古瀬則夫 他: "運動機能麻痺者の残存運動機能を用いた制御命令入力システムの検討"医用電子と生体工学. 37(特). 127 (1999)

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  • [文献書誌] G.Eom, et al.: "Identification of a Musculoskeletal Model of the Knee Joint with the Vastus Lateralis for Use in FES"医用電子と生体工学. 37(特). 429 (1999)

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  • [文献書誌] 古瀬則夫 他: "運動機能麻痺者の残存運動機能を用いた制御命令入力システム"医用電子と生体工学. 37(2). 152-160 (1999)

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  • [文献書誌] 星宮望 他: "失われた神経機能の回復:機能的電機刺激"日本ME学会雑誌BME. 13(8). 11-17 (1999)

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  • [文献書誌] O.Gonzalo, et al.: "A Physiolosically Based Non-linear Muscle Activation Model of Variable Stimulation Frequency Response"Proc.4th Ann.Conf.Int.FES Soc.. 109-112 (1999)

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  • [文献書誌] N.Furuse, et al.: "Control-command Detection for FES using Residual Specific Movement"Proc.4th Ann.Conf.Int.FES Soc.. 319-322 (1999)

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  • [文献書誌] G.Eom, et al.: "A Basic Study of Long-Term Force Potentiation during Constant Stimulation for Use in Prediction of FES-Induced Movement"Proc.4th Ann.Conf.Int.FES Soc.. 323-326 (1999)

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  • [文献書誌] N.Hoshimiya, et al.: "Electronic Neuromuscular Control for Paralyzed Motor Functions"Proceedings of the 4th Asia-Pacific Conference on Medical & Biological Engineering. 99 (1999)

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  • [文献書誌] G.Eom, et al.: "A Macroscopic Model for Use in Large-Scale Musculoskeletal System -Evaluation at the Knee Joint with the Vastus Lateralis Muscle-"The 4th Asia-Pacific Conf.on Medical and Biological Engineering. 150 (1999)

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  • [文献書誌] G.Eom, et al.: "Analysis of a Normal Subject's Standing-up for Comparison with Computer Generated FES Stimulation Data"Proc.of the First Joint BMES/EMBS Conf.(Proc. 21th Ann.Int.Conf.IEEE Eng.in Med.and Biol.Soc.). 601 (1999)

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  • [文献書誌] 山岸史歩 他: "片麻痺者のFES歩行再建のための歩行動作の識別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). 99(458). 77-84 (1999)

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  • [文献書誌] 星宮望 他: "近未来のFESシステム"電気学会誌. 119(11). 676-678 (1999)

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  • [文献書誌] O.Gonzalo, et al.: "A Physiologically Based Muscle Model of Variable Stimulation Frequency Response and Stimulation History"医用電子と生体工学. 38(特). 122 (2000)

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  • [文献書誌] 山岸史歩 他: "片麻痺者のFES歩行再建のための歩行動作の識別に関する検討"医用電子と生体工学. 38(特). 342 (2000)

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  • [文献書誌] G.Eom, et al.: "Muscle Potentiation Induced by Electrical Stimulation"Proceedings of International Workshop on FES. 3-4 (2000)

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  • [文献書誌] G.Eom, et al.: "Computer-aided Generation of Stimulation Data and Model Identification for Functional Electrical Stimulation (FES) Control of Lower Extremities"Frontiers of Medical and Biological Engineering. 10(3). 213-231 (2000)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] 山岸史歩 他: "片麻痺者のFES歩行制御のための動作識別に関する検討"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). 100(478). 109-116 (2000)

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  • [文献書誌] 村上肇,星宮望: "生体電気刺激入門"Clinical Engineering. 12(1). 3-9 (2001)

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  • [文献書誌] 渡辺高志 他: "片麻痺者のFES歩行モニタのための加速度信号に基づく歩行種類の識別"医用電子と生体工学. 39(特)(印刷中). (2001)

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  • [文献書誌] 安西昭裕 他: "FES手先リーチングの目標位置検出装置の簡略化に関する検討"医用電子と生体工学. 39(特)(印刷中). (2001)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] T.Watanabe, et al.: "A Possibility of Using M-Waves Evoked by Double Pulses for Evaluating Muscle Fatigue on FES Control"Proceeding of the 3rd Annual Conference of Inernational FES Society. (CD-ROM). (1998)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] T.Watanabe et al.: "Experimental Tests of a Musculoskeletal Model of the Elbow Joint for FES Applications"Proceedings of the 20th Annual Conference of IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2594-2597 (1998)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] T.Watanabe et al.: "An Approach to a Muscle Model with a Stimulus Frequency-Force Relationship for FES Applications"IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering. Vol.37, No.1. 12-18 (1999)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] N.Hoshimiya: "FES (Functional Electrical Stimulation) System in the Near Future"Japanese Journal of Medical Electronics and Biological Engineering. Vol.37, Suppl.(in Japanese). 9 (1999)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] N.Furuse, et al.: "A Study on Control-Command Input System Using Residual Motor Function for Motor Disabled Patients"Japanese Journal of Medical Electronics and Biological Engineering. Vol.37, Suppl.(in Japanese). 127 (1999)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] G.Eom, et al.: "Identification of a Musculoskeletal Model of the Knee Joint with the Vastus Lateralis for Use in FES"Japanese Journal of Medical Electronics and Biological Engineering. Vol.37 Suppl.(in Japanese). 429 (1999)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] N.Furuse, et al.: "Control Command Input System Using Residual Motor Function for Disabled Patients"Japanese Journal of Medical Electronics and Biological Engineering. Vol.37, No.2 (in Japanese). 152-160 (1999)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] O.Gonzalo, et al.: "A Physiolosically Based Non-linear Muscle Activation Model of Variable Stimulation Frequency Response"Proceedings of the 4th Annual Conference of International FES Society. 109-112 (1999)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] N.Furuse, et al.: "Control-Command Detection for FES Using Residual Specific Movement"Proceedings of the 4th Annual Conference of International FES Society. 319-322 (1999)

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  • [文献書誌] G.Eom, et al.: "A Basic Study of Long-Term Force Potentiation during Constant Stimulaiton for Use in Prediction of FES-induced Movement"Proceedings of the 4th Annual Conference of International FES Society. 323-326 (1999)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] N.Hoshimiya, et al.: "Electronic Neuromuscular Control for Paralyzed Motor Functions"Proceedings of the 4th Asia-Pacific Conference on Medical & Biological Engineering. 99 (1999)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] G.Eom, et al.: "A Macroscopic Model for Use in Large-Scale Musculoskeletal System -Evaluation at the Knee Joint with the Vastus Lateralis Muscle-"Proceedings of the 4th Asia-Pacific Conference on Medical & Biological Engineering. 150 (1999)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] G.Eom, et al.: "Analysis of a Normal Subject's Standing-Up for Comparison with Computer Generated FES Stimulation Data"Proceedings of the First Joint BMES/EMBS Conference (Proceedings of the 21st Annual International Conference of IEEE Engineering in Medicine and Biology Society). 601 (1999)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] S.Yamagishi, et al.: "A Basic Study of Recognition of Different Walking Patterns for FES Gait Restoration of Hemiplegic patients"Technical Report of the Institute of Electrical Information and Communication Engineers. Vol.99, MBE-99-113 (in Japanese). 77-84 (1999)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] O.Gonzalo, et al.: "A Physiologically Based Muscle Model of Variable Stimulation Frequency Response and Stimulation History"Japanese Journal of Medical Electronics and Biological Engineering. Vol.38, Suppl.. 122 (2000)

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    • 関連する報告書
      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] S.Yamagishi, et al.: "A Study on Recognition of Walking Patterns for FES Gait Restoration of Hemiplegic Patients"Japanese Journal of Medical Electronics and Biological Engineering. Vol.38, Suppl.(in Japanese). 342 (2000)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] G.Eom, et al.: "Muscle Potentiation Induced by Electrical Stimulation"Proceedings of International Workshop on FES. 3-4 (2000)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] G.Eom, et al.: "Computer-aided Generation of Stimulation Data and Model Identification for Functional Electrical Stimulation (FES) Control of Lower Extremities"Frontiers of Medical and Biological Engineering. Vol.10, No.3. 213-231 (2000)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] S.Yamagishi, et al.: "A Study on Movement Recognition for FES Gait Control of Hemiplegic Patients"Technical Report of the Institute of Electrical Information and Communication Engineerings. Vol.99, MBE2000-99 (in Japanese). 109-116 (2000)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] T.Watanabe, et al.: "Walking Pattern Recognition Based on Acceleration Signal for FES Gait Monitoring of Hemiplegics"Japanese Journal of Medical Electronics and Biological Engineering. Vol.39, Suppl.(in Japanese) (in press). (2000)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] A.Anzai, et al.: "A Study on Simplified Method of Detecting Target Position for Reaching Restoration by FES"Japanese Journal of Medical Electronics and Biological Engineering. Vol.39, Suppl.(in Japanese) (in press). (2000)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] 山岸史歩 他: "片麻痺者のFES歩行再建のための歩行動作の識別に関する検討"医用電子と生体工学. 38(特). 342 (2000)

    • 関連する報告書
      2000 実績報告書
  • [文献書誌] O.Gonzalo, et al.: "A Physiologically Based Muscle Model of Variable Stimulation Frequency Response and Stimulation History"医用電子と生体工学. 38(特). 122 (2000)

    • 関連する報告書
      2000 実績報告書
  • [文献書誌] G.Eom, et al.: "Muscle Potentiation Induced by Electrical Stimulation"Proceedings of International Workshop on FES. 3-4 (2000)

    • 関連する報告書
      2000 実績報告書
  • [文献書誌] G.Eom, et al.: "Computer-aided Generation of Stimulation Data and Model Identification for Functional Electrical Stimulation (FES) Control of Lower Extremities"Frontiers of Medical and Biological Engineering. 10(3). 213-231 (2000)

    • 関連する報告書
      2000 実績報告書
  • [文献書誌] 山岸史歩 他: "片麻痺者のFES歩行制御のための動作識別に関する検討"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). 100(478). 109-116 (2000)

    • 関連する報告書
      2000 実績報告書
  • [文献書誌] 村上肇,星宮望: "生体電気刺激入門"Clinical Engineering. 12(1). 3-9 (2001)

    • 関連する報告書
      2000 実績報告書
  • [文献書誌] 渡辺高志 他: "片麻痺者のFES歩行モニタのための加速度信号に基づく歩行種類の識別"医用電子と生体工学. 39(特)(発表予定). (2001)

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      2000 実績報告書
  • [文献書誌] 安西昭裕 他: "FES手先リーチングの目標位置検出装置の簡略化に関する検討"医用電子と生体工学. 39(特)(発表予定). (2001)

    • 関連する報告書
      2000 実績報告書
  • [文献書誌] G.Eom: "Identification of a musculoskeletal Model of the Knee Joint with the Vastus Lateralis for Use in FES"医用電子と生体工学. 第37巻・特別号. 429 (1999)

    • 関連する報告書
      1999 実績報告書
  • [文献書誌] 古瀬則夫: "運動機能麻痺者の残存運動機能を用いた制御命令入力システムの検討"医用電子と生体工学. 第37巻・特別号. 127 (1999)

    • 関連する報告書
      1999 実績報告書
  • [文献書誌] 古瀬則夫: "運動機能麻痺者の残存運動機能を用いた制御命令入力システム"医用電子と生体工学. 第37巻・第2号. 152-160 (1999)

    • 関連する報告書
      1999 実績報告書
  • [文献書誌] 星宮 望: "失われた神経機能の回復:機能的電気刺激"日本ME学会雑誌BME. 第37巻・第8号. 11-17 (1999)

    • 関連する報告書
      1999 実績報告書
  • [文献書誌] O.Gonzalo: "A Physiologically Based Non-linear Muscle Activation Model of Variable Stimulation Freguency Response"Proc. 4th Annnal Conference of the International FES Society. 109-112 (1999)

    • 関連する報告書
      1999 実績報告書
  • [文献書誌] N.Furuse: "Control-command Detection for FES using Recidual Specific Movement"Proc.4th Annnal Conference of the International FES Society. 319-322 (1999)

    • 関連する報告書
      1999 実績報告書
  • [文献書誌] G.Eom: "A Basic Study of Long-Term Force Potentiation during Constant Stimulation for Use in Prediction of FES-Induced Movement"Proc. 4th Annnal Conference of the International FES Society. 323-326 (1999)

    • 関連する報告書
      1999 実績報告書
  • [文献書誌] G.Eom: "A Macroscopic Model for Use in Large-Scale Musculoskeleted System-Evaluation at the knee Joint with the Vastus Lateralis Muscle-"Proc. 4th Asia-Pacific Conference on Medical and Biological Engineering. 150 (1999)

    • 関連する報告書
      1999 実績報告書
  • [文献書誌] G.Eom: "Analysis of a Normal Subjects Standing-up for Comparison with Computer Generated FES Stimulation Data"Proc of the First Joint BMES/EMBS Conference. 601 (1999)

    • 関連する報告書
      1999 実績報告書
  • [文献書誌] 嚴 光文、他: "簡略化した筋・骨格モデルに基づいた動的最適化によるFES起立の刺激データ作成" 医用電子と生体工学. 36・特別号. 587 (1998)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] G.Eom,et al.: "Conputer Simulation Study for Open-Loop FES Control of Paralyzed Extremities" The 3rd Polish-Japan Seminer on Biomedical Engineering,Abstracts. 51-52 (1998)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] T.Watanabe et al.: "A Possibility of Using M-waves Evoked by Double Pulses for Evaluating Muscle Fatigua on FIES Control" Proc.3rd Annual Conference of Intrenational FES Society. 259 (1998)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] T.Watanabe,et al.: "A Basic Study on Evaluating Muscle Fatigua during FES:Possibility of Using M-waves Evoked by Dauble Pulses" 8th Korea-Japan FES Symposium. 6-7 (1998)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] T.Watanabe,et al.: "Experimental Tests of a Muscaleskektal Model of the Elbow Joint for FES Applications" Proc.20th Ann.Int.Conf.IEEE Eng.in Med.and Biol.Soc.2594-2597 (1998)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] 上村龍文,他: "電気刺激中の筋疲労推定に関する検討-近赤外光による局所酸素代謝計測-" 第7回日本FES研究会・学術講演会予稿集. 26-27 (1998)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] 古瀬則夫,他: "運動機能麻痺者のための残存運動機能を用いた制御命令入力システム" 医用電子と生体工学. 37・2(印刷中). (1999)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] T.Watanabe,et al.: "An Approach to a Muscle Model with a Stimulus Frequency-Force Relationship for FES Applications" IEEE Trans.Rehad.Eng.7・1(in press). (1999)

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      1998 実績報告書
  • [文献書誌] 嚴 光文,他: "Identification of a Muscaloskeletnl Model of the kier Joint with the Vastar Lateralis for On in FES" 医用電子と生体工学. 37・特別号(印刷中). (1999)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] 古瀬則夫,他: "運動機能麻痺者の残存運動機能を用いた制御命令入力システムの検討" 医用電子と生体工学. 37・特別号(印刷中). (1999)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] 上村龍文,他: "電気刺激中の筋疲労推定に関する検討-近赤外光による局所酸素代謝とM波の同時計測-" 医用電子と生体工学. 37・特別号(印刷中). (1999)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書

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公開日: 1998-04-01   更新日: 2016-04-21  

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