Nalaganje ...
Projekti / Programi vir: ARIS

Neposredno ocenjevanje kontrolnih strategij mišic in njihovih koaktivacijskih vzorcev v robotsko podprti rehabilitaciji po možganski kapi

Raziskovalna dejavnost

Koda Veda Področje Podpodročje
2.06.07  Tehnika  Sistemi in kibernetika  Biomedicinska tehnika 

Koda Veda Področje
B115  Biomedicinske vede  Biomehanika, kibernetika 

Koda Veda Področje
2.06  Tehniške in tehnološke vede  Zdravstveni inženiring 
Ključne besede
kontrolne strategije mišic,mišične sinergije,robotsko podprta rehabilitacija,možganska kap, površinski EMG, dinamične skrčitve mišic, motorične enote
Vrednotenje (pravilnik)
vir: COBISS
Raziskovalci (14)
št. Evidenčna št. Ime in priimek Razisk. področje Vloga Obdobje Štev. publikacijŠtev. publikacij
1.  20180  dr. Imre Cikajlo  Sistemi in kibernetika  Raziskovalec  2016 - 2018  260 
2.  21537  dr. Matjaž Divjak  Računalništvo in informatika  Raziskovalec  2016 - 2018  104 
3.  31095  dr. Vojko Glaser  Sistemi in kibernetika  Raziskovalec  2016 - 2017  50 
4.  21301  dr. Aleš Holobar  Sistemi in kibernetika  Vodja  2016 - 2018  501 
5.  12156  dr. Danilo Korže  Sistemi in kibernetika  Raziskovalec  2016 - 2018  209 
6.  39011  Jernej Kranjec  Sistemi in kibernetika  Raziskovalec  2018  38 
7.  14038  dr. Zlatko Matjačić  Sistemi in kibernetika  Raziskovalec  2016 - 2018  372 
8.  36506  dr. Uroš Mlakar  Računalništvo in informatika  Raziskovalec  2018  64 
9.  21601  Jurij Munda    Tehnični sodelavec  2016 - 2018  33 
10.  24473  dr. Andrej Olenšek  Sistemi in kibernetika  Raziskovalec  2016 - 2018  113 
11.  15801  dr. Božidar Potočnik  Sistemi in kibernetika  Raziskovalec  2016 - 2018  313 
12.  36164  Martin Šavc  Sistemi in kibernetika  Raziskovalec  2016 - 2018  63 
13.  32077  dr. Matjaž Zadravec  Sistemi in kibernetika  Raziskovalec  2016 - 2018  72 
14.  08061  dr. Damjan Zazula  Sistemi in kibernetika  Raziskovalec  2016 - 2018  789 
Organizacije (2)
št. Evidenčna št. Razisk. organizacija Kraj Matična številka Štev. publikacijŠtev. publikacij
1.  0309  Univerzitetni rehabilitacijski inštitut Republike Slovenije - Soča  Ljubljana  5053919000  5.780 
2.  0796  Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko  Maribor  5089638003  27.627 
Povzetek
Centralni nadzor človeških gibov je slabo raziskan, predvsem zaradi njegove kompleksnosti in velikega števila prostostnih stopenj živčnih kodov, ki nadzirajo krčenje skeletnih mišic. Slednje lahko preučujemo s snemanjem električne aktivnosti mišic na površini kože, torej z analizo površinskih elektromiogramov (EMG). Ti ponujajo številne prednosti pred klinično bolj uveljavljenimi igelnimi preiskavami, med drugim večjo ponovljivost meritev, večje pacientovo udobje in boljše sprejemanje preiskav, nižje stroške in manjše tveganje za okužbe. Zaradi zgoraj navedenih prednosti se površinski EMG vedno bolj uporablja v nevroznanosti, rehabilitaciji, patofizioloških preiskavah, usposabljanju športnikov in pri naprednejših vmesnikih človek-stroj, predvsem za nadzor aktivnih protetičnih naprav. Glavni izziv vseh teh aplikacij je natančna identifikacija motoričnih ukazov iz posnetih signalov EMG. Površinski signali EMG so namreč sestavljeni iz velikega števila akcijskih potencialov, ki jih prispevajo osnovne funkcionalne enote mišic, t.i. motorične enote (ME). Centralni živčni sistem nadzoruje mišično krčenje s spreminjanjem števila aktivnih ME in njihovih hitrosti proženja, oblika akcijskih potencialov pa je s stališča centralnega nadzora nepomembna. Zaradi večfazne oblike akcijskih potencialov ME in njihovega asinhronega proženja, posnete površinske signale EMG pogosto obravnavamo kot zelo interferenčne, mišične aktivacije pa ocenimo iz energijskih ovojnic signalov EMG. Ta pristop nudi zelo omejen vpogled v centralni nadzor skeletnih mišic, predvsem zaradi občutljivosti signalov EMG na obliko akcijskih potencialov ME. Slednja je odvisna od mišične anatomije, podkožnega tkiva in stopnje mišične skrčitve in je eden izmed glavnih razlogov za v literaturi poročano veliko variabilnost in slabo ponovljivost meritev površinskih signalov EMG. Negativni vpliv akcijskih potencialov ME je bil v do sedaj objavljenih študijah gibanja popolnoma prezrt. Še več, energijske ovojnice signalov EMG so bile uporabljene za vzpostavitev precej razširjene teorije mišičnih sinergij. Slednja trdi, da je sočasna aktivacija dveh ali več mišic modulirana z enim ukaznim signalom centralnega živčnega sistema. To naj bi močno poenostavilo upravljanje človeških gibov, saj zmanjšuje število prostornih stopenj, ki jih nadzirajo možgani. V projektu predlagamo unikatno rešitev omenjenega problema obdelave signalov EMG in sicer razvoj in validacijo računalniških postopkov za realnočasovno ločitev informacij o obliki akcijskih potencialov ME od informacij o njihovih prožilnih vzorcih, ki tvorijo živčni kod. Omenjeno metodologijo bomo uporabili pri preučevanju kontrolnih strategij skeletnih mišic zgornjih okončin zdravih in hemiparetičnih preiskovancev. S tem naslavljamo tako metodološke kot fiziološke pomanjkljivosti trenutno uveljavljene teorije mišičnih sinergij. Z metodološkega vidika ni jasno, v kolikšni meri opredeljeni vzorci mišičnih aktivacij odsevajo skupne geometrijske spremembe preiskovanih mišic in ne njihovih skupnih vzbujanj. Iz fiziološkega vidika je bilo pokazano, da 10% - 15% delež variabilnosti ovojnic signalov EMG, ki ga ne moremo pojasniti s pomočjo sinergij, nosi informacije, ki so bistvenega pomena za zmanjševanje funkcionalnih napak gibanja. Trenutno uveljavljen model mišičnih sinergij je torej le grob pribljižek dejanskega stanja. Cilj predlaganega projekta je raziskati in pojasniti omenjena znanstvena vprašanja. Z namenom demonstracije njihove primernosti za analizo okvar centralnega živčnega sistema bomo razvite tehnike uporabili pri analizi patoloških vzbujanj mišic zgornjih udov v hamiparetičnih bolnikih. Ugotovljena patološka odstopanja bomo sistematično primerjali s funkcionalnimi napakami gibov, ki jih bomo ocenili s pomočjo haptično nadzorovanega rehabilitacijskega robota UHD. S tem bomo zagotovili boljšo informacijsko podporo rehabilitacijskim postopkom in bolje izkoristili bolnikov rehabilitacijski potencial.
Pomen za razvoj znanosti
Trenutno je na temo mišičnih sinergij v znanstvenih revijah s faktorjem vpliva objavljenih 886 publikacij (ocenjeno iz PubMed.gov) in število objav na leto strmo narašča. V praktično vseh teh študijah so bile mišične sinergije ocenjene na klasičen način, preko faktorizacije energijskih ovojnic signalov EMG. Zato imajo vse te študije metodološke omejitve, ki so bile predstavljene v tej prijavi. Reševanje teh metodoloških težav bo imelo torej velik znanstveni vpliv in bo bistveno prispevalo k prepoznavnosti in promociji slovenske raziskovalne odličnosti. Prav tako se je drastično povečala uporaba inteligentnih naprav/robotov v rehabilitacijski medicini. Robotsko-podprta terapija pomaga bolnikom, da se znova naučijo motoričnega nadzora. Čista mehanska rehabilitacija pogosto vodi v nefunkcionalne gibalne vzorce, saj je v glavnem omejena na razgibavanje perifernega živčnega sistema (PŽS). Poleg tega še vedno slabo razumemo, zakaj so različni rehabilitacijski posegi za nekatere bolnike učinkoviti, za druge pa ne. Možganska kap vpliva na možganske strukture, t.j. na centralni živčni sistem (CŽS). To pomeni, da je potrebno v rehabilitacijo vključiti tako PŽS kot CŽS. Predlagani projekt metodološko eksaktno obravnava te izzive in poudarja merjenje centralnih kontrolnih strategij. Funkcionalnost CŽS je mogoče oceniti tudi iz vmesnikov možgani-stroj, vendar pa so le ti omejeni z obsegom in zanesljivostjo informacij, ki jih lahko med rehabilitacijo razberemo iz možganskih valovanj. Pri motorični rehabilitaciji lahko skeletne mišice obravnavamo kot naravne ojačevalnike ukazov CŽS. Ta pristop, predlagan v tem projektu, omogoča bolj natančno, hitrejše in bolj robustno ocenjevanje živčnih kod od obstoječih vmesnikov možgani-stroj, vendar do sedaj v rehabilitaciji še ni bil uporabljen, predvsem zaradi tehničnih izzivov v odstranjevanju negativnih vplivov akcijskih potencialov motoričnih enot iz signalov EMG. Predlagani projekt naslavlja omenjen problem na metodološko točen in zelo učinkovit način in sicer z ločitvijo vzorcev vzbujanja mišic od vplivov nenehno spreminjajoče se geometrije mišic in naključne porazdelitve motoričnih enot v mišici (sliki 1 in 2). Pridobljeni vzorci mišičnega vzbujanja in sprotna povratna informacija o kakovosti njihovega ocenjevanja tvorita dobro osnovo za implementacijo naprednih kognitivnih sistemov, ki se bodo dinamično prilagajali zmogljivosti, utrujenosti in rehabilitacijskim ciljem posameznega uporabnika. V predlaganem projektu bo učinkovitost na novo predlagane metodologije ocenjevanja mišičnega vzbujanja demonstrirana na primeru paretičnih mišic. Isti koncept je mogoče enostavno razširiti na številne druge patologije. Z njegovo pomočjo lahko občutno povečamo natančnost in zmogljivost trenutno uveljavljenih vmesnikov mišice-stroj.
Pomen za razvoj Slovenije
Kap je tretji najbolj pogost vzrok smrti v zahodnem družbi. V Evropski uniji (EU), Islandiji, Norveški in Švici prizidane vsako leto 1,1 prebivalcev in trenutno živi v teh državah 6 miljonov ljudi, ki so preživeli kap. Za vsako desetletje po starosti 55 let, se relativna pojavnost možganske kapi podvoji. Ocene se gibljejo s približno 5.000 kapi na 100.000 prebivalcev pri osebah, starih manj kot 75 let do 10.000 kapi na 100.000 prebivalcev, starih nad 80 let. Po projekcijah Združenih narodov se bo število kapi na letni ravni v teh državah do leta 2025 povečalo na 1,5 milijona. Skupni letni strošek zdravljena možganske kapi v Evropi je ocenjen na 21.895.000.000 €. Vse to nakazuje na velik in rastoč trg rehabilitacije po možganski kapi. Pričakuje se, da bo predlagani projekt prispeval k nadzorovanju in zmanjšanju teh stroškov. Zlasti bodo rezultati projekta postaviti trdne temelje za razvoj finančno vzdržne rešitve in terapevtskih protokolov, ki lahko bistveno izboljšajo izid rehabilitacije. Nefunkcionalna hemiparetična roka s pretirano spastičnostjo,  ki se razvije v odsotnosti ustreznega terapevtskega zdravljenja, predstavlja precejšnje breme za družine preživelih po možganski kapi in posredno za celotno družbo. Nov vidik predlagane raziskave je usmerjen k "normalizaciji" mišičnega vzbujanja zgornjega uda in ima velik potencial za napredek robotsko podprte rehabilitacije. Poleg bolnikov po možganski kapi, bodo postopki, razviti v tem projektu pomembni tudi za osebe s mišično šibkostjo ali paralizo, ki je posledica bolezni centralnega živčnega sistema ali nevrološke okvare, ki je posledica poškodbe hrbtenjače. Šibkost mišic prizadene od 40% do 60% bolnikov s poškodbami hrbtenjače (vsako leto je v Evropi 10.600 novih primerov) in povprečen življenjski strošek poškodbe hrbtenjače je ocenjen med 380,000 € in 1,5 milijona €. Boljše razumevanje centralnih strategij kontrole mišic, kot ga predlagamo v tem projektu, bo omogočilo oblikovanje bolj natančno usmerjenih intervencij pri omenjenih bolnikih. Pridobljeno znanje bo pripomoglo tudi k razvoju naslednje generacije vmesnikov mišice-stroj, ki bodo preko mišične stimulacije krepili plastičnost centralnega živčnega sistema. Preliminarne verzije takšnih vmesnikov smo že uporabili na bolnikih s presajenimi motoričnimi živci [12]. Rezultati so pokazali, da je z dekompozicijo površinskih signalov EMG možna zelo natančna identifikacija živčnih kod presajenega živca med izometričnimi skrčitvami. Predlagani projekt bo te metodološke koncepte razširil na dinamične kontrakcije in tako občutno razširiti njihov potencial uporabnosti.
Najpomembnejši znanstveni rezultati Vmesno poročilo, zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati Vmesno poročilo, zaključno poročilo
Zgodovina ogledov
Priljubljeno