抑制腕部病理性震颤的功能性电刺激系统的仿真与实验.pdf

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1、33卷3期中国生物医学工程学报Vo1．33No．3June20142014年6月ChineseJournalofBiomedicalEngineering抑制腕部病理性震颤的功能性电刺激系统的仿真与实验姚鹏张定国H刘建荣(上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海200240)‘(上海交通大学附属瑞金医院神经内科，上海200250)摘要：研发一种用于抑制腕部病理性震颤的功能性电刺激(FES)康复系统，包括信息处理、控制器设计、仿真建模以及实验测试。仿真阶段利用Matlab软件构建了腕关节肌肉骨骼模型；设计控制器采用比例一积分一微分(PID)算法

2、，对肌骨模型中存在的震颤扰动进行抑制。仿真结果表明，控制器保证了在抑制高频低幅震颤扰动的同时不影响其低频高幅的自主运动，对震颤扰动幅值的抑制平均达到约95％。实验阶段搭建了FES闭环控制系统实验平台，由电刺激器、角度传感器、电脑控制器和输出板卡以及实时控制软件系统组成。研发的系统在5例健康受试者及1例震颤患者身上进行了测试，震颤抑制效果分别约为90％和80％。关键词：病理性震颤；震颤抑制；功能性电刺激；控制器设计；PID控制中图分类号R318．08文献标志码D文章编号0258—8021(2014)03—0379—06SuppressingPatho

3、logicalTremoronWristJointUsingFunctionalElectricalStimulation：SimulationandExperimentYAOPengZHANGDing．GuoLIUJian．Rong(StateKeyLaboratoryofMechanicalSystemandVibration，ShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai200240，China)(DepartmentofNeurology，RuijinHospital，ShanghaiJiaoTongUniversi

4、ty，Shanghai200250，China)Keywords：pathologicaltremor；tremorsuppression；functionalelectricalstimulation；controllerdesign；PIDcontrol异动症、幻觉、体位性低血压、恶心呕吐、疲乏等。引言因此，在传统的治疗手段之外，需要寻求新的辅助病理性震颤是常见于老年人群的一种疾病。式抑震方法¨。患者身体的某些部位如手臂、大腿会出现不由自主目前辅助式抑震方法主要包括机器人外骨地有节律性地抖动，频率范围为3～12Hz。根据震骼和功能性电刺激(FE

5、S)。外骨骼隶属机器人颤的频率和特征，一般可以分为静止性震颤、意向领域，其相关技术比较成熟，但用来控制柔性人体性震颤和姿势性震颤。震颤虽然不是致命的疾病，关节还面临很多难题，而且其机构很难轻型化。但是会给患者的生活和社交造成极大的困扰和生FES隶属康复工程技术，可集成为袖套式样，美观、活的严重不便。病理性震颤的临床治疗主要采用轻巧、装饰性好、外表更人性化，潜在用户对FES抑手术和药物治疗。手术治疗如典型的深部脑刺激，制震颤方式接受度更高。因此，欧盟陆续开展了两需要进行脑部微创手术，只是对小脑病变引起的意个基于FES的震颤抑制研究大型项目(TREMO

6、R和向性或姿势性震颤有效。手术治疗风险大，费用Neur0TREMOR)。高。药物治疗对于静止性震颤有一定的疗效，能使在前期研究的基础上，面向患者需求，研发震颤症状得到缓解。但药物会引起一些副作用，如一种实用的FES震颤抑制系统。研究内容包括仿doi：10．3969／j．issn．0258-8021．2014．03．017收稿El期：2013-01—17，录用日期：2014-03-24基金项目：机器人技术与系统国家重点实验室项目(SKLRS-2012一ZD-04)}通信作者(Correspondingau~or)，E-mail：d铲haIIg@sjt

7、

8、1．edu．cn中国生物医学工程学报真和实验两个部分，重点进行实验研究，并在正常数据之后经过所设计的控制器分析处理，输出相应受试者和震颤患者上对系统的性能进行测试。的电刺激器控制信号，调用PC板卡输出模拟控制信号给电刺激器的两个输入端口A和B，电刺激器1方案和方法根据输入口的控制电压，在两个输出通道分别输出利用功能性电刺激技术抑制腕部病理性震颤相应幅值的电流刺激手臂的伸肌和屈肌，产生腕关系统的工作原理总体框架如图1所示。这里手臂腕节主动力矩，继而带动腕关节相应的转动。震颤被关节被看成是被控对象。腕关节系统模型由肌肉看成是控制系统的扰动，该控制系统

9、的目标可以理模型(腕伸肌和腕屈肌)和骨骼动力学模型组成J。解为抑制扰动(震颤)对系统输出的影响；同时使系震颤可看作内部扰动