服务于功能性电刺激的双足步态实验

背景：功能性电刺激利用低频弱电流脉冲刺激失去神经控制的肌肉已经在截瘫行走的临床应用中取得了小范围成功,但现有的电刺激模式存在不灵活、不易操作、且稳定性不高的缺点。 目的：基于步态分析方法,研究涉及到步行动作的各肌肉群的协同动作关系,将肌肉电刺激模式简化为无需患者操作的规律性控制策略,并验证该策略在功能性电刺激实验中的有效性。 方法：针对双足步行的特点,提出一种基于关节角变化趋势及肌电信号强度变化的步态研究方法,旨在服务于功能性电刺激的设计,为下肢肌肉提供理想的电刺激模式,使人体产生相应的肌肉群协同动作,从而使受试者最终实现非自主控制的行走运动。 结果与结论：实验结果一方面验证了基于步态分析的电刺激模式设计是可行的,对今后加入更复杂的控制方式提供了依据,另一方面也为未来开展的瘫痪患者临床康复实验研究打下了基础。     

具备力传感监测的上肢外骨骼康复系统的设计与实现

目的 近年来,外骨骼机器人正逐渐走入临床康复实践,自由度、运动模式和力反馈评价是影响外骨骼机器人康复效果的重要因素,实验设计并实现了多抗阻训练模式的上肢外骨骼康复系统,该系统具备6个自由度并可全程跟踪用户与外骨骼间的接触力。方法 通过人体上肢运动学分析,对上肢外骨骼康复系统的关节和自由度进行设计,主要由配重箱体、升降台、横梁、外骨骼机械臂组成;考虑不同体型患者要求,配置可调节长度导轨;硬件系统采用主控板、节点板的分层控制方法;软件系统使用模块化设计。在上肢外骨骼康复系统与人体接触处设置多个三维力传感器。使用角度和力传感器对上肢外骨骼康复系统的运动角度空间、疲劳测试下控制稳定度及主、被动模式下的接触力分布进行分析。最终征募17例受试者进行肩关节的伸展运动,采集不同阻抗等级下的力传感器数据,并进行主观体验问卷调查。结果 上肢外骨骼康复系统工作空间角度幅值与设计要求相同,误差小于5%;连续工作4 h情况下,运动角速度变化率不超过1%。主动运动模式下,17例受试者人机接触力男性测量值（23.63±5.26） N,女性（21.54±5.16） N;人机接触力较小,其中15例受试者给出了舒适度较高...     

功能性电刺激技术在截瘫行走中的应用研究进展

截瘫是由脊髓损伤所造成的双下肢严重残疾,近年来的发病率呈显著上升趋势。截瘫最主要的病症就是行走能力的丧失。经过40多年的研究表明,功能性电刺激技术能成功地恢复截瘫患者的部分运动功能,是现代康复工程领域很有应用前景的一项新技术,正在受到越来越多的重视。本文专门针对用于截瘫行走的功能性电刺激技术,介绍了与之相关的背景知识和研究进展。     

下肢外骨骼康复机器人关节运动轨迹分析与步态测试研究

本研究针对一款下肢外骨骼康复机器人(lower limb exoskeleton rehabilitation robot,LLERR)进行了关节运动轨迹分析与步态测试研究.分别通过D-H法和拉格朗日法对外骨骼机器人单侧下肢进行运动学和动力学建模分析,得出各运动关节间运动学与动力学关系.通过虚拟样机仿真验证提出的外骨骼...     

功能性电刺激对脊髓损伤的修复作用

目的：回顾功能性电刺激（functional electrical stimulation, FES）对诱导瘫痪或麻痹的肌肉产生功能性或治疗性运动的作用．总结功能性电刺激修复脊髓损伤中应用进展。方法：应用计算机检索CNKI1990年11月至2009年11月有关组织工程修复脊髓损伤方面的文章,检索词”脊髓损伤,电刺激”,限定文献语言种类为中文。同时计算机检索Medline1999年11月至2009年11月有关功能性电刺激在修复脊髓损伤方面的文章,检索词”spinalcordinjury,electricalstimulation”,限定文献语言种类为English。对资料进行初审。选取功能性电刺激修复脊髓损伤方面的相关文献,查找全文,对文献分析,总结研究内容。结果：功能性电刺激通过一定频率电刺激诱导瘫痪或麻痹的肌肉产生功能性或治疗性运动,可以达到改善或恢复被刺激肌肉或肌群功能的目的。功能性电刺激技术可以恢复截瘫患者的部分运动功能。结论：功能性电刺激是现代康复工程领域具有应用前景的一项新的治疗性技术。功能性电刺激技术可以可以达到改善脊髓损伤患者被刺激肌肉或肌群功能,恢复截瘫患者的部分运动功能。     

周围神经功能性电刺激对实验性骨折愈合的影响

以实验性骨痂组织，细胞的形态学变化和骨痂骨系细胞的立体定量学分析为依据，评价了周围神经功能性电刺激对骨折愈合过程的影响，结果发现，周围神经功能性电刺激可使（１）骨痂内毛细血管含量增加；（２）骨生成细胞增殖并向成骨细胞转化，从而使成骨细胞的数量增加；（３）成骨细胞，成纤维细胞和破骨细胞的功能活跃，骨小梁形成与成熟提前；（４）骨痂的骨化，改建以及塑建速率加快。因此认为，周围神经功能性电刺激有促进骨折愈     

脑机接口控制的下肢功能性电刺激系统研究

研发基于脑机接口控制的功能性电刺激系统,服务于下肢的运动康复。脑机接口采用的是基于稳态视觉诱发电位的脑电信号技术。使用线性判别分析分类器来处理脑电信号的频域特征,实现对下肢5种运动状态的控制意图识别,即开始、快速、慢速、停止和空闲状态。识别的意图转化为指令触发电刺激系统,刺激下肢的相关肌肉产生运动,并测量关节角度。设计的系统在6位正常受试者上进行了单纯的脑机接口实验,其中2位分别进行了脑机接口控制的小腿摆动与下肢行走的电刺激实验。在小腿摆动实验中刺激的是股直肌,行走运动实验中刺激的是两条腿的髂腰肌、臀大肌、股直肌和腘绳肌。实验分析了电刺激尾迹对脑电信号的影响,结果表明设计的脑机接口可以准确地识别运动意图(平均识别率高于85%),并能够实现电刺激作用下与该意图相对应的下肢期望运动。     

肌电反馈功能性电刺激治疗急性期脑梗死 手功能障碍的效果

目的 研究肌电反馈功能性电刺激治疗急性期脑梗死手功能障碍的临床效果。方法 抽取新余市人民医院康复医学科2017年8月~2018年2月内接诊的急性期脑梗死手功能障碍患者90例,随机分为对照组和观察组,每组45例。对照组给予常规康复治疗,观察组加用肌电反馈功能性电刺激治疗,比较两组治疗前及治疗后不同时间点上肢运动功能评分变化、日常生活能力评分变化以及10s抓握测试情况。结果 观察组治疗2、4、8周后上肢运动功能评分均高于对照组,差异有统计学意义（P＜0.05）;两组日常生活能力评分均有所上升,观察组患者评分高于对照组,差异有统计学意义（P＜0.05）;观察组患者10s抓握测试次数高于对照组,差异有统计学意义（P＜0.05）。结论 肌电反馈功能性电刺激治疗急性期脑梗死手功能障碍疾病有助于提高患者上肢运动功能和日常生活能力,增加10s抓握测试次数,促进恢复。     

应用小面积体表电极对穴位进行功能电刺激实现五指屈曲的实验研究

为肢体瘫痪这一重大残障疾病的康复治疗探索一种生物医学工程技术。根据首次提出的针灸结合肌电桥治疗中风偏瘫的新思路,采用小面积体表电极,选取10名健康志愿者(5男5女),通过对每位志愿者上肢216组穴位组合进行功能电刺激,确定控制五指屈动作的最佳刺激穴位组合。实验发现,5对实现五指屈曲的最佳穴位组合,其电流阈值均小于10 mA,指屈动作完成率为100%,舒适率在90%以上,其他指屈无反应率在80%以上。相对于传统在肌肉上进行功能电刺激控制五指指屈的方法,对穴位进行功能电刺激,刺激电流小,动作纯净度更高,刺激位点定位更容易,为进一步开展偏瘫患者以自身健康五指动作带动瘫侧五指动作的临床试验打下基础。     

Finite state control of functional electrical stimulation for the rehabilitation of gait

Finite state control is an established technique for the implementation of intention detection and activity co-ordination levels of hierarchical control in neural prostheses, and has been used for these purposes over the last thirty years. The first finite state controllers (FSC) in the functional electrical stimulation of gait were manually crafted systems, based on observations of the events occurring during the gait cycle. Subsequent systems used machine learning to automatically learn finite state control behaviour directly from human experts. Recently, fuzzy control has been utilised as an extension of finite state control, resulting in improved state detection over standard finite state control systems in some instances. Clinical experience over the last thirty years has been positive, and has shown finite state control to be an effective and intuitive method for the control of functional electrical stimulation (FES) in neural prostheses. However, while finite state controlled neural prostheses are of interest in the research community, they are not widely used outside of this setting. This is largely due to the cumbersome nature of many neural prostheses which utilise externally mounted gait sensors and FES electrodes. FES-based control of movement has been subject to the constraints of artificial sensor and FES actuator technologies. However, continued advances in natural sensors and implanted multi-channel stimulators are broadening the boundaries of artificial control of movement, driving an evolutionary process towards increasingly human-like control of FES-based gait rehabilitation systems.     

"脑-机接口"的研究进展

脑-机接口(brain computerinterface,BCI)是一种全新的通讯和控制技术.本文分析和讨论了一些现有的脑-机接口系统及其控制信号,并指出了其中一些有待于进一步解决的问题和今后的研究发展方向.     

基于Hammerstein模型的腕关节功能电刺激控制技术研究

非线性系统的控制通常比较复杂,基于模型辨识的自适应控制方法可以有效地提高控制精度和稳定性。本文根据功能电刺激(FES)下腕关节运动的非线性和时变性特点,利用Hammerstein模型,实现了腕关节运动的FES建模及辨识。通过M序列和逆M序列激励信号,将FES腕关节运动模型分为线性时变和静态非线性两部分。考虑到静态非线性部分的特点,在运动控制过程中只需要根据线性时变特点确定相应的自适应调节策略,将一个复杂非线性问题简化为线性控制问题。对腕关节运动的FES仿真实验也验证了方法的有效性。     

基于中枢模式发生器控制的电刺激步行康复系统设计与实验

研发功能性电刺激(FES)康复系统来实现下肢瘫痪病人的行走运动。控制器采用基于中枢模式发生器(CPG)的仿生控制机理。针对基于递归神经振荡器的CPG模型,研究关键参数(激励性输入、时间常数、感觉反馈、输出阈值)对CPG输出幅值、频率、相位以及占空比的影响。建立包含12个神经元的CPG网络,以控制双腿的4个关节(左/右髋关节和膝关节)和八组肌群(左/右髂腰肌、臀大肌、股直肌和腘绳肌)。所搭建的实验系统和平台,包括悬吊减重系统、助行系统、电刺激系统和运动检测系统。在正常受试者参与的实验中,受试者在CPG控制的电刺激作用下产生非自主行走运动。实验结果表明,受试者双腿的髋关节和膝关节角度与正常人自主行走时的数据达到定性吻合,验证所设计的CPG控制器在FES康复系统中的可行性与有效性。     

Dynamic optimization of walker-assisted FES-activated paraplegic walking: Simulation and experimental studies

In this paper, we propose a musculoskeletal model of walker-assisted FES-activated paraplegic walking for the generation of muscle stimulation patterns and characterization of the causal relationships between muscle excitations, multi-joint movement, and handle reaction force (HRF). The model consists of the lower extremities, trunk, hands, and a walker. The simulation of walking is performed using particle swarm optimization to minimize the tracking errors from the desired trajectories for the lower extremity joints, to reduce the stimulations of the muscle groups acting around the hip, knee, and ankle joints, and to minimize the HRF. The results of the simulation studies using data recorded from healthy subjects performing walker-assisted walking indicate that the model-generated muscle stimulation patterns are in agreement with the EMG patterns that have been reported in the literature. The experimental results on two paraplegic subjects demonstrate that the proposed methodology can improve walking performance, reduce HRF, and increase walking speed when compared to the conventional FES-activated paraplegic walking.     

Standing-up exerciser based on functional electrical stimulation and body weight relief

The goal of the present work was to develop and test an innovative system for the training of paraplegic patients when they are standing up. The system consisted of a computer-controlled stimulator, surface electrodes for quadricep muscle stimulation, two knee angle sensors, a digital proportional-integrative-derivative (PID) controller and a mechanical device to support, partially, the body weight (weight reliever (WR)). A biomechanical model of the combined WR and patient was developed to find an optimum reference trajectory for the PID controller. The system was tested on three paraplegic patients and was shown to be reliable and safe. One patient completed a 30-session training period. Initially he was able to stand up only with 62% body weight relief, whereas, after the training period, he performed a series of 30 standing-up/sitting-down cycles with 45% body weight relief. The closed-loop controller was able to keep the patient standing upright with minimum stimulation current, to compensate automatically for muscle fatigue and to smooth the sitting-down movement. The limitations of the controller in connection with a highly nonlinear system are considered.     

踝足矫形器人机耦合仿真刚度对步态生物力学影响的评价方法

目的 为更好评价踝足矫形器(ankle-foot orthosis, AFO)的人机工效,提出一种 AFO 人机耦合仿真刚度对步态生物力学影响的评价方法。 方法 首先,评测两种 AFO 的力学特性并量化其刚度;其次,采集 30 名受试者在正常与穿戴两种不同刚度 AFO 行走条件下的运动学及动力学数据;最后,通过仿真计算,定量对比分析 AFO 刚度对 行走中下肢关节角度、关节力矩与肌肉力的影响。 结果 在穿戴两种刚度 AFO 情况下,支撑相踝关节背屈峰值角度、膝关节屈曲峰值角度和髋关节伸展峰值角度均显著增加(P<0. 05),比目鱼肌与腓肠肌峰值肌肉力呈现增加趋势。 踝关节跖屈峰值角度、髋关节屈曲峰值角度与髋关节屈曲峰值力矩均显著降低(P<0. 05)。 结论 本文所提出的 AFO 人机耦合仿真方法可以有效实现不同刚度对步态生物力学影响的定量评估,该方法同样也适用于评估和优化其他辅助器具的人机工效,可以为 AFO 的选配、适配、优化设计提供方法指导。     

经颅直流电刺激对下肢耐力表现影响的系统综述

下肢疲劳是影响运动表现的重要因素之一,如何提升下肢在耐力运动过程中的抗疲劳能力是人体运动生物力学研究领域的重点。本文对经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation, tDCS)干预下肢耐力表现的相关文献进行系统综述,总结tDCS干预下肢耐力表现的效果,分析影响因素及潜在机制。结果发现：tDCS干预对下肢整体耐力表现有显著影响,对膝关节耐力表现的影响无统一定论,研究人员认为tDCS可提高初级运动皮层兴奋性从而降低辅助运动区激活,在耐力运动中产生更低的主观感觉疲劳分级,但却无法影响耐力运动中肌肉疼痛感知,且各研究中刺激方案不一,可能是部分原因。本研究可为探究tDCS提升耐力表现的中枢机制、针对不同人群制定康复和运动训练方案及开发新型刺激设备以增强人体抗疲劳能力提供理论依据。     

用于心室辅助装置血流动力学性能评价的体外模拟循环系统技术进展

体外模拟循环系统(mock circulatory systems,MCS)是一个模拟人体循环系统血流动力学状态的试验平台,被广泛用于心室辅助装置和人工瓣膜等心血管人工器官的体外性能评价和生机电系统中的血流动力学响应研究。通过调整模拟心脏的驱动元件和模拟血管系统的集中参数元件,MCS可以模拟人体健康、运动、心力衰竭等不同生理状态的血流动力学特性。自1960年代至今,MCS研发目标从满足最基本的心室辅助装置或机械瓣膜的系统性能评价要求,已发展到能够复现局部重要器官的血流动力学状态。总结MCS目前的设计原则、系统搭建以及研究进展和未来展望。