Fusion von Elektromyogramm und elektrischer Impedanz-Myographie zur Kraft-Drehmoment-Schätzung von menschlichen Muskelkontraktion

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Steffen Leonhardt
• Fachliche Zuordnung: Biomedizinische Systemtechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429544861

In der Rehabilitationstechnik werden immer mehr Robotergeräte eingesetzt, um die Wirksamkeit der Therapie zu erhöhen und die Kosten zu senken. Um die interaktive Kraft zwischen den Robotern und den Benutzern in Echtzeit zu bewerten und zu steuern, ist es wichtig, die Bewegungsabsicht des Benutzers zu beobachten. Bestehende Methoden zur Abschätzung des interaktiven Kraft-Drehmomentes sind begrenzt. Aktuelle Messtechniken zur Schätzung des interaktiven menschlichen Kraft-Drehmomentes sind Elektromyographie (EMG) und elektrische Impedanz-Myographie (EIM) / Bioimpedanzmessung. Eine Fusion von EMG und EIM wird von beiden Modalitäten profitieren und sollte daher ein neues quantitatives Bewertungsinstrument für die Muskelaktivität darstellen. Es ist das Ziel dieses Projekts, einen robusten Algorithmus zur korrekten Abschätzung des Muskeldrehmoments und der Muskelkraft durch Kombination von EMG und EIM zu entwickeln. Die allgemeine Idee der Kombination von EMG- und Bioimpedanzmessung wurde von Schultheis et al. als automatisiertes Diagnoseinstrument zur Behandlung von Schluckstörungen vorgestellt.Das Projekt ist darauf ausgerichtet, um Expertenwissen und Erfahrungen des russischen und des deutschen Teams zu kombinieren. Zu den Projektzielen gehören die Bestimmung der wichtigsten biophysikalischen Mechanismen der EIM-Signalbildung während der Muskelkontraktion, die Untersuchung der optimalen Elektrodenkonfiguration und die Entwicklung eines Messprototyps für die Validierung sowie die algorithmische Fusion von EMG und EIM für eine präzise Kraft- / Drehmomentschätzung. Die elektrische Modellierung und Simulation von finiten Elementen wird untersucht und als mathematisches Simulationswerkzeug zur Untersuchung der EIM-Signalbildung verwendet. Ein neuer Prototyp des Messsystems wird hinsichtlich der optimalen Konfiguration der Elektroden und des Messaufbaus aus experimentellen und FEM-Simulationsdaten entwickelt. Ein Algorithmus zur Fusion von EMG und EIM wird unter Berücksichtigung modellbasierter oder signalbasierter Ansätze entwickelt. Der Gesamttest und die Validierung werden an gesunden Freiwilligen in einem Bewegungslabor und in Kombination mit einem mechanischen Prüfstand durchgeführt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research
• Kooperationspartner: Professor Dr. Sergey Shchukin