Sokizületű végtagok mozgásának szabályozása: elektro-mecha-nikus modell

Help

Back »

Details of project

Identifier

34548

Type

Principal investigator

Laczkó, József

Title in Hungarian

Sokizületű végtagok mozgásának szabályozása: elektro-mecha-nikus modell

Panel

Informatics and Electrical Engineering

Department or equivalent

MTA Research Institute for Technical Physics and Materials Science

Participants

Arató, Péter
Sándor, György
Szakolczai, Krisztina
Tihanyi, József
Vassányi, István

Starting date

2001-01-01

Closing date

2005-12-31

Funding (in million HUF)

4.724

FTE (full time equivalent)

0.00

state

closed project

Final report

Results in Hungarian

Elkészítettük egy általános matematikai modell koncepcióját és számítógépes szimulációt fejlesztettünk végtagmozgások szabályozására. A modell izomerőket és ízületi elfordulásokat határoz meg a mozgató idegsejtek aktivitásmintái függvényében. Egyrészt az izmokat ingerlő idegi impulzusok frekvenciájából az izmok és a mozgatott végtag biomechanikai jellemzőit figyelembe véve kiszámítjuk, hogy milyen ízületi elfordulások és végtagmozgások jöhetnek létre. Másrészt megoldást kerestünk arra, hogy egy kívánt végtagmozgást generáljunk idegi aktívitás-mintákkal. Ennek a feladatnak elvileg végtelen sok megoldása lehet. A kérdést úgy közelítettük meg, hogy minden ízületet egy hajlító-feszítő izompárral szabályozunk úgy, hogy csak az egyik izom aktív egy adott időpontban. Ezt feltéve fejlesztettünk egy inverz modellt, hogy meghatározzuk a mozgató idegsejt-halmazok olyan ingerlő frekvenciáit, amelyek kivánt ízületi forgásokhoz vezethetnek. Kiszámítottunk lehetséges idegi ingerlő frekvenciákat, amelyek olyan ízületi forgásokat generálnának amilyeneket patkányok úszása és járása során mértek. A mért adatokat a New York University kutatóival közös munka során kaptuk. Tanulmányoztuk a gravitáció hatását a mozgásmintákra és a modell érzékenységét az izomerő-izomhossz kapcsolat és a testtartás változására. Hozzájárulunk neuroprotézisek fejlesztéséhez is gerincsérültek lábának elektromos izomingerlésével, továbbá egészségesek és Parkinson kórosok kar-és kézmozgásának varianciáját is vizsgáltuk.

Results in English

A concept of a general mathematical model and a computer simulation for controlling limb movements has been developed. The model generates muscle forces and joint rotations as a function of activation patterns of motoneuron pools. Joint rotations and limb movements were computed from given frequencies of the neural impulses that activate the muscles. Biomechanical parameters of the muscles and the actuated limbs were considered. On the other hand we aimed to find neural activation patterns to generate a desired limb movement. This task has infinity of solutions. We approached this problem assuming that each joint were controlled by one flexor-extensor muscle pair and only one member of the muscle pair was active in a given moment. Using this assumption an inverse model has been developed to provide discharge rates of motoneuron pools that lead to the desired joint rotations. Possible motoneuron firing rates were computed from joint rotations measured in rats during swimming and walking. Experimental data were received during a common work with the researchers of the New York University. The effect of gravity on movement patterns and the sensitivity of the model to the change of muscle force-muscle length relations and to the change in posture were analyzed. We participated in developing neuroprostheses by electrical stimulation of leg muscles of spinal cord injured patients, furthermore arm and hand movement variances of healthy and Parkinsonian individuals were studied.

Full text

http://real.mtak.hu/42/

Decision

Yes

List of publications

Laczko J, Walton K, Llinas R: A neuro - mechanical transducer model for controlling joint rotations and limb movements., Clinical Neuroscience. Clinical Neuroscience/Ideggy Szle, 59 (1-2):32-43, 2006

Szécsi J, Fincziczki Á, Laczkó J, Straube A.: Elektrostimuláció segítségével meghajtott (háromkerekű) kerékpár: Neuroprotézis harántsérült páciensek mindennapos használatára., Rehabilitáció, 15. Évfolyam pp.9-14, 2005

Fazekas Cs, Vörös T, Keresztényi Z, Kozmann Gy, Laczko J,: Számitogépes eljárás mozgászavarban megnyilvánulo betegségek kvantitativ állapotkövetésére., Informatika és Menedzsment az Egészségügyben I.Évfolyam 3.sz. pp.32-36, 2002

Keresztényi Z.: Quantitative Characterisation of Motor Control and Movement performance., The 15th International Congress on Sport Sciences for Students. Spec. Issue, p. 28., 2002

Santolin S, Cesari P, Laczko J, Fazekas Cs, Keresztenyi Z,: Variance of hand- and angular trajectories during tracking arm movements of patients with Parkinson's disease and healthy controls., Progress in MotorControl IV, Caen, p 146, 2003

Keresztenyi Z., Cesari P., Fazekas G., Laczko J.,: The relationship between pen tip and arm joint trajectory variance while tracking geometrical figures in Parkinson’s disease, Submitted to Clinical Biomechanics, 2005

Fazekas Csaba, Laczkó József: Járás szimulációja az izomaktivitások és izületi szögváltozások kapcsolatának tükrében., 32. Mozgásbiológiai Konferencia, Semmelweis Egyetem, TF kiadványa, p. 35., 2001

Keresztényi Z, Valkovic P, Eggert T, Hermsdorfer J,Bötzel K: Wearing-off effect of deep brain stimulation in Parkinson patients: quantitative analysis of finger tapping, 16th International Congress on Parkinson's Disease and Related Disorders, Berlin p.196., 2005

Vörös T, Fazekas Cs, Keresztényi Z, Laczko J, Schné T: Using Dynamic Tests in Computer Aided Interactive Remote Diagnosis, Health Data in the Information Society, MIE, 2003

Szecsi J, Fincziczki A, Krause P, Straube A,: Functional Electrical Stimulation Cycling of Paraplegics: Workphysiological Method for Training, International Symposium for Adapted Physical Activity, Verona, Italy, Book of Abstracts. pp. 159-160, 2005

Laczko J; Walton K; Llinas R: A neuro-mechanical model for the motor control of walking in rats., Program No. 601.5. 2004 Abstract Viewer. Washington, DC: Society for Neuroscience, 2004

Laczko J., Walton K., Llinas R: A model for swimming motor control in rats reared from P14 to P30 in microgravity., Program No. 493.11. 2003 Abstract Viewer. Washington, DC: Society for Neuroscience, 2003

Keresztenyi Z., Santolin S., Laczko J.: The Variability and Stability of Drawing Movements in Respect of Parkinson’s Desease., Proceedings of the First Hungarian Conference on Biomechanics, 191-197, 2004

Vörös T, Keresztényi Z, Fazekas Cs., Laczkó J.: Computer Aided Interactive Remote Diagnosis Using Self-Organizing Maps, Proc. of the 26th Annual Conference of the IEEE EMBS’04, pp. 3190-93, 2004

Domkin D, Laczko J, Mats Djupsjöbacka, Jaric S and Latash ML: Joint angle variability in 3D bimanual pointing: uncontrolled manifold analysis., Experimental Brain Research, V.163. pp.44-57, 2005

Laczko J, Keresztenyi Z, Fazekas G.: Effects of speed and accuracy on movement time in drawings of patients with Parkinson’s disease, Progress in Motor Control V. , p 1/18. Publ: The Pennsylvania State University, State College PA., 2005

Szécsi János, Laczkó József, Klauber András: Funkcionális elektrostimulúció segítségével hajtott tricikli és ergométer harántsérültek számára: a technikai környezet individuális illesztése a pácienshez, Orvosi Rehabilitáció és Fizikális Medicina Magyarországi Társasága XXIV. Vándorgyülése. Előadás összefoglalók. pp 48-50., 2005

Laczkó J., Tihanyi J.: Mathematical model for neuro-mechanical control of limb movements., Clinical Neuroscience, 58. Évf 1. különszám, Abstracts of the Annual Meeting of the Hungarian Neuroscience Society , Pécs 2005 január, p. 59., 2005

Laczkó J.: Modeling of limb movements as a function of motoneuron activities., Kalokagathia Vol XLIII. No.3, pp 24-34., 2005

Laczkó J.: Végtagok mozgás-szabályozásának modellezése., Informatika és Menedzsment az Egészségügyben. IV. Évfolyam 8.Sz. pp. 42-46., 2005

Laczkó J, Keresztényi Z: The effect of load on arm muscle activities in movements in the direction of and against gravity., Submitted to the 11th Annual Congress of the European college of Sport Science., 2006

Back »