基于功能性电刺激的腕关节多自由度震颤抑制仿真研究

应用功能性电刺激(FES)技术,设计了两自由度的病理性震颤抑制系统,能够实现对人体腕关节内外翻和上下切自主运动过程中伴随的震颤进行抑制。首先建立了腕关节的肌骨模型,针对参与腕关节内外翻和上下切运动的四块主要肌肉(桡侧腕长伸肌、桡侧腕屈肌、尺侧腕伸肌、尺侧腕屈肌)进行建模,同时建立了腕关节的二阶机械阻抗动力学模型。然后以腕关节肌骨模型为控制对象设计了FES抑震控制器,提出了基于逆模型的前馈控制与线性二次型调节器(LQR)最优控制相结合的复合控制策略。在此基础上仿真了在阶跃、正弦以及真实患者数据3种输入作为自主运动的情况下,系统对于震颤的抑制,结果表明该FES抑震控制器能够对多自由度震颤幅度实现94%以上的抑制。     

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。     

FES脚踏车电机辅助系统的速度控制

以现有FES(functional electrical stimulation,功能性电刺激)脚踏车系统为基础,通过加入辅助电机,实现对FES脚踏车系统的速度控制.采用辨识方法,获得了被控对象的数学模型,并提出一种实用性强且计算量较小的极点配置自校正控制的新方法,设计了专用速度控制器.在matlab/simulink中进行了跟踪性能测试和抗干扰测试,仿真和实验结果表明系统的响应特性和跟踪性能良好,抗干扰能力强.研究结果对工程应用具有较大参考价值.     

震颤分析对帕金森病、特发性震颤和增强的生理性震颤的鉴别诊断价值

目的 探讨震颤分析在帕金森病、特发性震颤和增强的生理性震颤中的鉴别诊断价值,以期为震颤的分类诊断提供客观的判断标准。方法 选取福建省立医院神经内科2020年12月至2021年12月收治的以震颤为主要表现的帕金森病患者15例（PD组）,及同期收治的16例特发性震颤患者（ET组）和17例增强的生理性震颤患者（EPT组）为研究对象。用肌电图仪进行震颤测定,分析在静息、姿势、负重500 g、负重1000 g下的震颤峰频率、收缩模式。结果 在PD、ET和EPT组中,静息、姿势和负重500 g和1000 g时的震颤频率分别约为4～6.5 Hz、5～8 Hz和8～10Hz。PD组、ET组和EPT组在静息、姿势和负荷后的震颤频率差异均有统计学意义（P<0.05）。PD组同步肌电图交替性收缩13例,同步性收缩2例,ET组和EPT组均为同步性收缩。结论 在PD、ET和EPT患者中,震颤频率和肌肉收缩模式是震颤分析中有价值的判断指标。     

功能电刺激腕关节运动的自适应控制技术研究

针对功能电刺激(FES)康复技术中肌肉的时变和高度非线性的特点,提出一种实时调整FES系统输出,实现康复患者自适应训练的方法。考虑到患者间和康复各阶段肌肉对电刺激响应能力的差异,利用神经网络良好的非线性逼近能力,采用神经网络辨识器辨识相关运动肌肉的FES模型,并在此基础上,利用神经网络控制器在线调节控制策略及刺激参数,提高FES系统的自适应能力。通过人体腕关节运动控制的FES实验,验证该方法具有较高的轨迹跟踪控制精度和较强的自适应能力。     

鲁棒PID控制策略在FES脚踏车控制系统中的应用及仿真研究

本研究以英国GJasgow大学康复研究中心所提供的三个脊髓损伤患者的实验数据为基础，通过系统辨识获得了被控对象的数学模型，并将鲁棒PID控制算法应用于功能性电刺激脚踏车系统的速度控制，从而实现了鲁棒PID速度控制器设计目的。仿真结果表明，FES脚踏车系统能实现对任意速度轨迹的跟踪，并且轨迹跟踪精度高、抗干扰能力及鲁棒性较强，该算法为FES脚踏车系统速度控制提供了一种新的鲁棒控制策略。     

黑质区微量注射神经降压素对帕金森氏病大鼠模型的影响

制作帕金森氏病大鼠模型，观察其黑质区注射微量神经降压素的效应。结果表明：９１）黑质区注射６－羟基多巴胺２１天后，大鼠出现帕金森氏病的行动迟缓，强直和震颤等三大症状，以及股四头肌肌电图群放电位频率为４－８次／ｓ的动物模型；（２）黑质区注射不同剂量的神经降压素，经过一定时间后，大鼠模型的强直和震颤症状出现不同程度改善。     

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。     

基于可穿戴传感器的帕金森病患者肢体末端震颤的检测

震颤是帕金森病(PD)的早期症状,大约有70%的帕金森病患者有震颤症状。为了满足医生临床工作中对于客观、数字化评估PD患者震颤严重程度的需要,我们设计了一款可穿戴肢体末端震颤测量装置和震颤信号的处理算法。4名PD受试者和4名健全受试者双手穿戴检测装置,完成统一帕金森评定量表(UPDRS)中的检测静止性震颤的标准动作。检测装置将静止性震颤的加速度信号传送给电脑,电脑进行记录并对数据进行时域和频域分析。结果显示均值、均方根值、峰值振幅和峰值功率的对数值与医生的静止性震颤的评分高度相关(r0.8)。建立的多元线性回归模型可以有效的预测静止性震颤评分(r0.8),结果与临床观察具有一致性。本研究设计的可穿戴震颤数据采集装置可为医生提供辅助定量的帮助。     

基于自抗扰控制器的射频消融电极温度控制系统仿真研究

目的 将自抗扰控制器（active disturbance rejection controller,ADRC）应用于射频电极并探讨温度控制效果。方法 在MATLAB Simulink仿真平台，建立基于ADRC的射频电极温度控制系统，进行阶跃信号实验。加入幅值为2的阶跃信号扰动，以模拟不稳定的人体内环境。最后，将温度滞后时间τ、温度转换时间T和增益系数K值增加20%和50%，与同条件比例-积分-微分（proportion integration differentiation,PID）控制性能对比。结果 （1） ADRC调节时间（15.38 s）较PID(18.68 s)短且超调为0。（2）τ与T值变化时，PID超调最大增量分别为3.55%和8.55%，但ADRC超调均为0;K值变化时，ADRC虽出现超调，但同参数下的超调均较PID小。（3）各种参数变化下，两者受干扰后均能在30 s内平稳快速达到设定值。结论 ADRC控制技术在射频电极温度控制中显示超调小、稳定速度快、一定的抗干扰性及参数变化适应性，具有良好的调节能力。     

无创双水平气道正压通气治疗系统建模及通气仿真

无需经口鼻腔或气道切口插管建立人工气道的无创双水平气道正压通气（Bi-PAP）广泛应用于各种呼吸病患者的通气治疗。为研究无创Bi-PAP通气下呼吸病患者的通气治疗状况及需要采取的通气措施,本文建立无创Bi-PAP通气治疗系统模型,进行仿真通气。所建系统模型包括无创Bi-PAP呼吸机模型、呼吸管路及面罩模型和呼吸病患者的呼吸模型。并在Matlab Simulink仿真环境设计系统仿真实验平台,模拟对无自主呼吸患者、慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者和呼吸窘迫综合征（ARDS）患者进行仿真通气。运用SPSS统计分析,将仿真所得通气流量、通气压力和潮气量等数据与基于主动模拟肺实验平台的物理实验所得数据进行比较分析。结果表明：源自仿真实验和物理实验的数据未见明显差异（P> 0.1）,具有良好的相关性（R> 0.7）。所设计的无创BiPAP通气系统模型,能有效模拟实际通气系统进行通气实验,将有助于对无创Bi-PAP通气技术的研究,有助于临床医师对无创Bi-PAP通气技术的学习和了解。     

颅骨对磁感应断层成像信号检测影响的仿真与实验研究

采用仿真和实验研究颅骨对磁感应断层成像（MIT）信号检测的影响。使用Comsol软件建立3层球形仿真颅脑模型,仿真计算颅骨电导率对MIT信号检测的影响。使用螺线管线圈、后置电路及数据接收仪器搭建单通道磁感应信号测量实验系统,利用琼脂和NaCl溶液制作与真实颅脑电导率分布相近的脑出血分层模型,模型外径为158 mm;最后采用有颅骨和无颅骨两种模型,测量无病变及不同病变位置情况下MIT信号的相位变化,模型中心与检测线圈相距85 mm。实验结果显示,在无病变和病变分别位于X-Y平面上坐标为（-40,0）、（0,0）和（40,0）的位置时,有、无颅骨数据的幅值比例分别为0.57、0.59、0.42、0.61,其中,坐标点（-40,0）代表Y轴左侧距离激励线圈45 mm的位置,坐标点（40,0）代表Y轴右侧距离接收线圈45 mm的位置。当病变存在时,有、无颅骨数据的变化趋势均为：病变位于坐标点（-40,0）时最大,病变位于坐标点（40,0）时次之,病变位于坐标点（0,0）时最小。实验结果表明,颅骨对MIT信号的数据大小有衰减作用,但不影响数据的变化趋势,提示在实际应用中结合高精度检测设备,可实现颅内病变的无创、无接触图像监测。     

基于WRI曲线图的截瘫FES行走稳定性评估新方法

本研究介绍了利用步行器倾翻指数(WRI)曲线图来评估截瘫功能性电刺激(FES)行走稳定性的新方法。其主要构件是一套基于标准步行器的测试系统，该系统可以实时获得三维上肢支撑力数据，进而转化成行走过程中的纵向和侧向WRI曲线图来显示量化的行走稳定性水平。有关实验校准和临床测试结果均表明新方法在稳定性评估方面有很好的临床应用前景，并有望在截瘫FES设计及康复训练中发挥作用。     

基于情景姿态的帕金森病患的肢体失衡与震颤检测系统研究

目的：根据帕金森病失衡与震颤临床表现特点,采用三维加速度传感器和短距离无线蓝牙技术,设计基于情景姿态的帕金森病患的失衡与震颤检测系统。方法：通过三维加速度传感器获得患者情景姿态变化、肢体失衡与复合震颤的机械波信号,加速度信号由蓝牙模块无线发送给计算机,在计算机上对信号的分析和处理,实现对情景姿态和震颤的识别。结果：有效采集患者肢体加速度信号,计算机对加速度信号直流分量和交流分量进行分析,计算实时情景姿态的变换,正确识别患者静止、步行、跑动、跌倒等情景姿态,并显示实时情景姿态信息和肢体失衡与震颤加速度信号。结论：系统体积小、质量轻、佩戴方便,能够有效采集和处理患者肢体加速度变化信号,与计算机之间的数据传输采用成熟可靠的蓝牙无线通信,并实时分析和显示患者的情景姿态与肢体失衡、震颤信号变化,符合帕金森病肢体失衡和震颤信号检测低负荷的要求。     

实验药物对猴局部脑缺血实验结果的影响

目的：借助血管介入导管将自体血栓送入食蟹猴的大脑中动脉，闭塞其血管，制作脑缺血模型，在介入手术前后所使用的多种药物，均会对实验结果产生一定的影响，甚至关系到实验的成败，因此，值得分析研究。方法及结果：（1）术前用药及其影响：复合全麻方法：盐酸氯胺酮＋地西洋＋东莨菪碱肌肉注射：盐酸氯胺酮的分离麻醉作用便于我们在术中观察动物一般状态；而东莨菪碱抑制腺体分泌、改善肌肉震颤和强直的作用，正好缓解盐酸氯胺酮能引起恶心、呕吐、肌肉震颤、喉痉挛等不良反应；地西洋延长肌肉松弛的持续时间。值得注意的是，盐酸氯胺酮可使颅内压和眼内压升高，有可能造成脑血管破裂和引起失明，故在手术开始后，最好改用其他麻醉药。     

截瘫FES行走过程中空间平衡性的监护新方法

首次提出了以空间危势轨迹图(SRTT)来评估和监护截瘫功能性电刺激(FES)行走空间平衡性的新方法。其主要构件是一套基于标准步行器的测试系统,该系统可以实时获得上肢支撑力数据,通过上躯干力学模型的重心定位结合步行器倾翻指数定义转化为SRTT,描述行走过程中各轴向空间的平衡状况。相关实验和临床测试结果显示新方法具有准确快速的特点,在行走能力评估和监护方面有很好的临床应用前景,有望为下一步制定针对FES有效使用的相应国家级康复标准奠定基础。     

基于神经群模型的致痫兴奋性控制研究

大脑神经元过度的兴奋可以导致癫痫的发作,维持兴奋-抑制平衡是癫痫控制的关键。提出了痫性指数来描述癫痫发作程度,并用作PID控制器的被控参数来对癫痫发作进行控制。把神经群模型作为平台来仿真兴奋性增加导致的癫痫发作程度变化,进而对两种癫痫控制策略进行了仿真。实验结果表明兴奋强度增加而保持抑制强度不变会导致痫性指数的大幅度增加,导致癫痫。而用PID控制器分别降低兴奋强度或增加抑制强度都可以维持兴奋-抑制平衡,并缓解癫痫的发作。痫性指数可以描述脑电信号的线性和非线性特性,PID控制器简单而且不依赖于潜在的生理结构,为本方法应用于临床打下了基础。     

基于假肢步态仿真模拟与评测系统的步态对称性研究

提出并设计一种用于下肢智能假肢的步态仿真模拟与评测系统的软硬件平台,从而可通过机器测试代替人体穿戴测试,定量分析智能膝关节假肢的穿戴对称性效果。通过全身三维步态与运动分析系统仪器采集成年人的关节角度和步幅等步态数据,提取模拟步态特征曲线,通过相应关节拟合步态曲线实验,验证测试平台的可行性,然后将所研发智能膝关节假肢穿戴在假肢测评系统上,定量分析步态对称效果。结果表明所研发智能膝关节不同速度下的步态对称性无明显差异,均可超过88%,假肢步态仿真模拟与评测对下肢智能假肢的功能模拟和评测具有良好的效果。     

FNS的研究方向与现状

1引言功能电刺激（FunctionalElectricalStimu－lation：FES）是通过施以脉冲电流刺激神经系统兴奋从而达到对瘫痪病人治疗以及功能重建的一种技术。FES的治疗作用包括：增加肌力、缓解痉挛、阻止关节弯缩和肌肉粘连以及矫正脊椎弯曲等。这种技术日臻成熟，临床应用已相当普遍。FES用于功能重建是一个比较活跃、很有前途的技术。它包括运动功能和感觉功能的恢复和重建。运动功能的恢复包括上肢操作和下肢行立功能的恢复；而感觉功能是指如听觉、视觉或皮肤感觉的恢复。这种技术目前处于实验阶段，有些已投入临床使用，但还不能日常使用…     

植入式心脏起搏器系统验证方法的研究

目的 植入式医疗器械的安全性、可靠性以及系统验证的完整性要求极高,对于第三类医疗器械,在系统验证的过程中,需要提供足够的证据证明器械的需求得到了满足.本文提出一种基于植入式心脏起搏器微处理器系统验证的方法.方法 采用将测试融入设计中的原则,测试数据和需求的关系是不变的,如果可以在不同的阶段收集到相似的数据,就可以将单元测试和集成测试与系统验证结合起来.本文以起搏器工作于AAI模式为例进行了三组实验,并且将得到的实验数据解析,分析数据和需求之间的关系,详细描述该方法的实现方式.结果 实验表明,该方法能有效完成系统功能验证和固件测试,并且能够应用于起搏器研发的不同阶段.结论 测试融入设计方法可为对安全性及可靠性要求较高、与起搏器系统类似的产品的开发提供借鉴.