研究& Innovation

从头到脚,史蒂文斯研究人员让人们感动和乐趣

生物医学工程师和机械工程师正在开发创新的技术和方法,以帮助人们找到从恢复更有效,更具趣味性的方式,在某些情况下,防止行走时的问题和开展生活的其他活动

Anatomical image of human body

无论你的年龄,身体状况,或医疗状况,在某些时候,你可能会经历短期或长期的情况下,使得它很难的,痛苦的,甚至是不可能走,拉扯T恤,保持您的智能手机,或以其他方式去了解你的日常工作。知道了这个,也许你会感兴趣的是积极主动,最大限度地减少你有你的运动受到阻碍的机会。无论哪种方式,在世界最大的赌博app的生物医学工程师和机械工程师已经收到了你回来 - 你的手,臂,肩,腿和脚。他们的创新研究,揭示新的方法来帮助人们恢复伤病和维护功能 - 而且乐在其中。

更吸引人的物理疗法就在眼前对于那些严重neurotraumas和失去的肢体

患有中风,患有脊髓损伤,或失去肢体可能是灾难性的,从字面上落井下石,所产生的缺乏独立性可以大大阻碍双方个人的身体和情绪的康复和恢复。

史蒂文斯 生物医学工程 教授 raviraj“拉维” nataraj 和他的团队正在通过帮助人们与这些严重neurotraumas等伤害提高他们的手够得着抓得住通过创新的方法来康复,以改变这种状况。

nataraj的 运动控制康复(mocore)实验室 是一家致力于研究如何通过代理的感觉(在动作控制的感觉)用视觉和触觉,和计算机模拟,感觉制导训练优化这个功能康复。

“我们开发的仪器可穿戴设备和康复训练,在提高病人参与和进步虚拟现实环境” nataraj说。 “这种做法是新颖的康复,因为它是更用户为中心的”。

患者实现了在物体上的安全把握,通过声音,灯光和振动在手套上提供反馈,当实验室的第一主设备平台是一个仪器手套,其计算从板载力和挠曲传感器理想的安全把握,确定或通过其与虚拟现实(VR)环境的相容性。

“同时包括虚拟现实,这与真实环境,同步” nataraj解释说,“我们希望提供感官反馈,通过的时间和这些反馈的变化,进一步提高机构。这些变化可能包括虚拟化身的速度,即作为奖励,或者放大人的认可稳妥把握的颜色变化的个性化的信息或图片。”

研究表明,更多的物理疗法人做,更多的好处之一接收,但它是一个严谨的过程,很难让人们坚持下去。 “我们正在努力使更多的乐趣在具体的,是吸引用户,使他们能够学习到移动更好更快的科学验证的方式,” nataraj说。 “我们有初步迹象显示这种方法可以加速改善的抓放任务的性能,即使健康的人,我们希望人们功能障碍也将受益。在不久的将来,我们将与谁有脊髓或创伤性脑损伤的人来测试我们的平台。”

在mocore实验室的下一个主要进行平台是一个VR +支柱系统,旨在提高虚拟假肢的肌肉激活控制。系统限制上身,同时提供改善的控制训练期间在视觉和振动触觉反馈功能的变化。

“我们的目标是提高培训绩效和帮助使用者产生虚拟设备的更好的方向命令的更多不同肌肉激活模式,” nataraj解释。 “我们相信这种改进来获得力量和灵活性的能力直接根据肌肉的控制虚拟手臂将让人们一旦从我们的培训系统中删除,以便更好地控制自己的手臂或假体或动力外骨骼。”

同时帮助用户提高他们的移动他们的胳膊和手的能力是显而易见的目标,nataraj和他的团队瞄准了一个更深刻的影响。

“什么,我们现在要做的关键是帮助人们感到更多地参与这一进程,”他说。让人们更好地控制的看法 - “我们在机构大。它是所有关于人的因素 - 他们不只是是否能恢复功能,但他们是否也能感受到在功能的控制,使他们能够获得更大的独立性。它可能是关键解锁更有效的康复,并打开了一个全新的世界,使人们的生活更美好。”

除了与世界著名的克利夫兰诊所,nataraj做博士后研究联合起来,该实验室已收到赠款新泽西健康的基础和退伍军人事务部,与凯斯勒基础临床合作和詹姆斯学家彼得斯布朗克斯VA医疗中心。

nataraj的博士学生也越来越关注他们的工作:肖恩·桑福德今年授予史蒂文斯优秀博士生奖学金为他的题为论文项目“多感官训练,以优化肌电控制”,并王明孝刘最近做了题为“一个仪器手套一个颁奖给在诱导生物力学的美国社会安全把握的基于代理性能”。

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“令人震惊”的研究开辟了“步态”,以更好地功能患有帕金森氏症

比人的头发一个微小的电极窄,约米粒都出现了改善的人患有帕金森病的生活巨大的潜力大小的大鼠脑的一部分。

生物医学工程史蒂文斯助理教授 乔治·麦康奈尔,以及本科生和研究生在他 实验室neuroinnovation,正在研究在帮助人们与帕金森氏正确相关的异常脑回路走路和功能更好前景的研究,以帮助指导临床医生。这项研究一直由团体如美国国立卫生研究院和branfman家庭基金会。

麦康奈尔和他的团队植入罚款(75微米直径)深电极插入帕金森样大鼠大脑的目标区域。他们然后应用深部脑刺激(DBS),一个美国食品和药物管理局批准的手术植入,其作用类似于在大脑起搏器的装置。研究人员使用DBS提供微小的电脉冲,在不同的幅度,持续时间和价格脉动大脑,然后研究如何大鼠的行为和神经活动的变化。我们的目标是利用工程技术DBS治疗期间量化大脑活动模式进行通知DBS 2.0的设计。

“尽管有多好DBS的作品,我们不还是完全理解为什么或如何工作的,”麦康奈尔解释。 “我的实验室一直在调查在黑质网状(SNR),星展银行,这是与运动有关的,作为一个新的靶点治疗步态功能障碍。它的接近丘脑底核(STN),主要DBS靶向用于治疗震颤,所以希望是人类,神经外科医生也许能稍微降低刺激电极治疗都震颤和步态功能障碍。”

值得注意的是,在超过100,000名患者使用后,刺激后几秒钟被打开,星展已被证明以消除震颤,恢复多达五年的生活质量方面。的伎俩,当然是放电线在正确的地方。

“汉阳李一史蒂文斯博士学生谁已经毕业了,在诱发录音制定的刺激脉冲对准相干分析,或间隔,技术,这是目前正在申请专利的,”麦康奈尔说。 “间隔让我们获得了我们的大脑在那里的感觉,同时我们降低了电极,当我们达到理想的区域影响帕金森氏病的症状。而不只是被动地听着大脑,间隔让我们通过在低得多的频率DBS比平时刺激它询问大脑 - 小于1赫兹,而不是超过100赫兹 - 和分析脉冲之间的大脑的反应。我们的目标是创建一个彩色图,神经外科医生可以用它来可靠地使电极中的“甜蜜点”。”

根据帕金森氏病的基础上,超过10亿人的全球直播与帕金森氏症。他们是谁保持麦康奈尔动机的人。

“步态功能障碍是特别关注,因为它在大多数人患有帕金森氏病发现恶化的疾病变得更加先进;它增加跌倒的风险;它是出了名的难以治疗与目前的药物的方法。”他说。 “年前在帕金森政策论坛上,一名女子拦住我的海报介绍,并告诉我,她很高兴有人在这方面的工作。她有一个朋友,谁也有PD,谁掉进了楼梯和前死亡只是一个星期。它真的击中了要害,我们需要更好的治疗。当我们有病理生理有很好的了解,生物医学工程具有深刻帮助的人提供更好的,改变生活的解决方案的显著潜力。”

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健康大鼠的大脑
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帕金森样大鼠脑

可穿戴技术是在正确的方向患者和治疗师一步

当有人从脑损伤中恢复,如中风,严谨的物理治疗需要克服所产生的肌肉无力和局部麻痹和恢复运动功能不只是采取对病人收费 - 这是一个体力要求,劳动密集型以及处理用于在理疗医师,并且经常需要多于一个的治疗师。

达米亚诺zanotto,史蒂文斯助理 机械工业 教授和他的团队正在努力使这种治疗更为高效和有效的患者和治疗师腿下的创新型机器人外骨骼,最近被授予了五年, 从美国国家科学基金会$五十九万七千四百七十一事业奖(NSF).

在“强化学习辅助按需机器人辅助步态训练控制”项目带来的适应性,协助-按需控制器到 供电护踝.

“这个想法是开发一种动力,个性化的矫形器,可以自动适应响应,协助步态康复的水平,” zanotto说。 “治疗师设置装置,其执行的重复治疗任务。这就使临床医师监督多个病人,因此同样的员工可以提供更激烈,频繁,并成功康复的会议“。

正确进化机器人援助的数额是成功的关键。

“为了帮助人们走路,因为他们受伤前一样,这个想法是找到行走循环的正确执行和步骤的顺序,以及由机器人提供的援助水平之间的甜蜜点,” zanotto解释。 “机器人应该只提供什么严格要求执行这些任务的主题,所以基于这样的表现,它必须不断调整扭矩并观察效果。我们要的主题,最终摆脱了机器人和正常走路没有外骨骼“。

robotic lower leg

这仅仅是一个令人兴奋的项目之一zanotto和他的团队在上他的工作 可穿戴式机器人系统实验室,它利用电机学原理,机械和生物力学模型来开发可穿戴式机器人设备和相关的控制策略,以帮助患有运动障碍。

研究人员还设计不引人注目,自定义,可穿戴式传感器和计算模型,以准确地量化运动,以支持早期诊断和影响运动功能的医疗条件进行客观的评估更加方便和可靠的工具。

“而不是让患者填写调查问卷或控制的临床设置执行一套标准化的运动任务的,我们用不显眼的,重量轻,而且非常实惠的传感器准确地捕捉生物力学量在现实生活环境中,” zanotto说。 “我们的机器学习模型可以提高精度,减少嵌入在设备,如传感器的噪声 我们的人工智能供电,智能鞋垫我们正在申请专利的技术sportsole。临床医生能够可靠和准确地测量每一步有多长,足有多远清除地面,放置在地面上的力,以及其他重要数据,均来自患者的运动鞋一点点电子吊舱,并在患者的舒适度家。”

今年秋天,在哥伦比亚大学,在那里度过了zanotto时间为副研究员临床研究人员,将与患者的肌营养不良在他们的生活环境测试鞋垫,连续,历时一周。 zanotto和他的合作者在哥伦比亚也有使用鞋垫谁已经在自闭症谱系障碍的高风险被确定为屏幕的孩子,可以在时间和空间的步态参数的细微差别体现。也是在作品是一种可穿戴生物反馈系统利用鞋垫技术,帮助患者行走障碍得到实时反馈,以提高家庭为基础的,自我管理的步态康复锻炼。

shoe insole

“以患者和医生的工作是一个伟大的经验,”他说,“因为它给了我们一个全新的视角,整合和补充了我们工程的心态。”

研究是在移动中帮助康复和“prehab”

在跌倒的高风险的老年人,更安全的步行可以从字面上声音很大,由于研究 安东尼zaferiou在系助理教授 生物医学工程 在史蒂文斯,和她的团队正在开展利用超声波处理和声音生物反馈训练人的运动模式。

zaferiou收到A F香港专业教育学院年美国国家科学基金会的职业生涯提供奖赏$八十二万二千二百资金 为了 ”自适应声处理,以提高日常流动性时平衡”项目,该项目采用了机器学习和可穿戴技术,以确定平衡和步态障碍在老年人中,然后开发和测试个性化的听觉线索,以改善步行时动态的平衡。

“超声处理是一种新型的,使用从娱乐领域中如何深入地参与人的声音和音乐,和折叠这​​些方法进入康复和prehabilitation实践专家的做法新兴的领域,” zaferiou说。 “人们习惯于用声音动人,并用声音提示来的东西,如通过其独特的脚步认识的人,但在其他方面,通过声音传达运动力学是很陌生。在我们的 实验室,我们 学习 了解人们如何感知声音提示,并了解他们在运动训练工具。在这项研究中,有更多的未知比的已知,,这将让我们的动机几年来。”

传感器,既耐磨,安装在地面,量度数据,诸如体的旋转速度,肌肉活动,和地面反作用力。超声波降解生物反馈允许参与者用他们的行动来创造良好的,这再通知并帮助他们微调他们的行踪。除了帮助谁已经遇到困难的日常行走时平衡的人,这种做法有可能帮助人们训练,以提高他们的运动,避免这些问题的潜力 - 以及相关的伤害 - 在首位。

zaferiou和她的团队也把他们的肩膀轮理解全肩关节置换术运动运动和日常活动的范围内,如何反向影响运动和肌肉激活模式。与拉什大学医学中心,在那里zaferiou以前教,和其他机构的整形外科医生合作,他们正在努力了解的工具校准这一措施肩膀的运动影响整形效果的测量。

“在我们的研究中,患者的肌肉和运动模式的肩关节置换手术前后测量,” zaferiou指出。 “放置在皮肤上帮助我们的传感器估计这是怎么回事与骨骼和关节下方,但具体情况取决于传感器放置和运动是如何测量,结果最多可以将30度之间变化。这使得它很难知道手术是如何影响运动的细节。”

到度量肩部运动,zaferiou使用光学动作捕捉技术,它利用的是测量的反射的3D位置“的标记,”或球体红外摄像机。这种技术也被用于制作电影和视频游戏。

“我们最近发表 文章 量化多少某些结果测量由校准协议使用光学运动捕捉测量肩胛骨,或肩胛骨,旋转时的影响,”她说。在这里我们将在皮肤上的反射标记和底层解剖骨结构可以向测量误差之间的“未知距离。这就是为什么校准协议可以提供帮助。最好的做法包括放置一个“跟踪标记簇”在肩胛骨,其具有对皮肤和下层肩胛骨之间的至少相对运动的顶部部分。我们采取多种校准测量与患者的不同地点的武器,所以我们可以用数学涉及集群其他肩胛骨地标“。

有趣的是,他们发现,一些测量是不容易的方法比别人差。例如,一些措施,无论校准五度内,如与其它方法的变化而不是最多20度。

“这个发现给了我们前进的方式,提高了我们的肩膀的运动测量的质量,”她解释说,“使我们能够更好地监视不同的整形外科干预的影响。”这是非常现实的利益有些抽象作品。

depiction of sonification

“研究表明,多达三分之一的人超过60将经历肩袖撕裂,如果他们有症状,不能刷牙,洗澡,驱动器,或触角伸向洗衣机无痛苦,” zaferiou说。 “去年,我伤害了我的肩膀,三个月就被如此限制等痛苦 - 与物理治疗它最终得到了更好的,但它是一个警醒这项工作是多么重要。在未来,父母和祖父母可能不会出现这样的常见难题,当我们更好地理解肩的复杂运动力学,干预措施的真正好处,和那种“prehabilitation”,可以帮助我们避免这些完全肌肉骨骼问题。 ”

史蒂文斯在执行多样化和重要学科前沿研究。汇集了来自全国各地这些领域的专家个人,如这些项目既涵盖自然科学和工程研究,定期证明整体大于各部分之和的格言。这些强大的合作继续最大限度地发挥这项研究的智力和社会影响。

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