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基于肌电桥的瘫痪肢体运动功能重建实验研究和下肢可穿戴式肌电桥系统设计

鲍学亮  
【摘要】:瘫痪病人肢体运动功能的康复和重建是康复医学研究领域的重要组成部分。体表功能性电刺激(FES)通过电流刺激外周神经(如腓神经)、运动点和中医的穴位诱发肌肉收缩,从而促进肢体功能恢复。“肌电桥”(Electromyographic Bridge,EMGB)式FES将获取的健康肢体主动肌体表肌电信号(s EMG)作为控制信号,编码生成反映肌肉活化状态的动态刺激序列,然后施加到瘫痪肢体目标肌肉刺激位点,实现瘫痪肢体功能重建。EMGB相对于现有的其它FES的优点是增强患者自主控制、适用于早期康复训练和实时控制刺激幅度。然而EMGB和普通FES一样,也需要解决刺激电极放置问题。对于用于下肢功能恢复的EMGB系统,交替性运动控制和刺激脉冲输出时间的动态确定是区别于上肢EMGB的地方。本论文的研究内容主要包括:1)使用穴位定位的骨度分寸法(Bone proportional cun,B-Cun)在人体目标肌肉体表建立坐标系统。然后,电刺激遍历坐标系统内的坐标点,确定单个手指伸/屈动作和下肢膝伸动作运动点分布位置。对于手指,测量不同激活阈值的运动点在选择性刺激电流强度范围内产生的手指动作角度,分析比较不同手指的运动点产生的手指动作角度变化趋势;对于膝伸动作,测量不同电极放置模式下和不同刺激模式下股四头肌各肌肉运动点在特定的电流强度范围内产生的肢体动作角度,分析比较不同肌肉运动点产生的膝伸动作角度变化趋势。2)使用骨度分寸法对分布在目标肢体(前臂、手和大腿)上的穴位进行了定位。并通过电刺激确定了能够诱发手指伸/屈和膝伸动作的穴位组合。比较和分析了诱发肢体动作的穴位组合中的穴位与同样能够产生肢体动作的运动点之间的位置关系。统计分析了穴位组合和运动点电刺激产生的肢体动作角度,并比较了两者在诱发肢体动作方面的同异。3)为了获取膝伸动作功能康复所需要的控制信号,提出了采用Delsys单差分s EMG传感器阵列采集膝伸运动期间股四头肌s EMG信号并绘制均方根值(Root Mean Square,RMS)热图来确定股四头肌探测位点的方法。4)基于所确定的膝伸动作运动点和穴位组合以及控制信号探测位点,使用课题组前期设计的有线恒流“肌电桥”双通道系统,分别进行了健康人上肢/下肢带动下肢肌电桥接实验,探讨了坐姿模式下膝伸运动功能重建。5)由于神经系统损伤后的早期,一部分偏瘫和不完全截瘫患者通常表现为踝关节肌肉肌无力或痉挛,从而导致不能站立和行走。因此提出了一种坐姿模式下用于改善下肢踝关节肌肉功能的控制策略。6)下肢行走运动是一种交替性运动,因此对于用于下肢行走功能恢复的EMGB系统来说,需要动态地确定施加的刺激脉冲输出的时间,以便使得瘫痪肌肉激活的时间与生理性肌肉激活的时间一致。为此,提出了一种动态确定刺激脉冲输出时间确定算法。7)设计了用于下肢运动功能恢复的无线可穿戴式肌电桥系统,实现了坐姿模式下膝关节同步/异步运动控制和行走模式下异步肌电桥接控制。并设计了一种无线多通道数据采集系统对可穿戴式无线肌电桥系统健康人桥接性能进行可行性评价。


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