上肢癱瘓肢體運(yùn)動(dòng)功能重建的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、癱瘓肢體運(yùn)動(dòng)功能的重建是康復(fù)醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的重要的醫(yī)學(xué)難題。通過(guò)提取一個(gè)健康肢體運(yùn)動(dòng)的體表肌電信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為可以重建主動(dòng)肌肉收縮力量大小的刺激信號(hào)脈沖，然后施加到癱瘓肢體進(jìn)行功能性電刺激(FES)，從而達(dá)到癱瘓肢體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)功能重建，這種方法稱之為“肌電橋”。
　　本論文主要涉及用于上肢癱瘓肢體運(yùn)功功能重建的“肌電橋”相關(guān)的電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究工作，主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1)研究常用的刺激電路結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)三個(gè)刺激器:一個(gè)采用

2、互補(bǔ)型電流源和時(shí)分復(fù)用方法(CCSTDM)的四通道脈沖觸發(fā)式恒流功能性電刺激器、一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的新型高壓隔離可穿戴刺激器和一個(gè)用于電針刺激的恒壓結(jié)構(gòu)的隔離刺激電路。其中可穿戴刺激器已在東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院康復(fù)科完成3例偏癱患者刺激腕伸/屈動(dòng)作有效性實(shí)驗(yàn)。
　　2)在原有兩通道“肌電橋”肢體運(yùn)動(dòng)功能重建裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了穿戴式對(duì)側(cè)自主肌電(EMG)信號(hào)控制的FES系統(tǒng)，并結(jié)合超再生接收機(jī)無(wú)線通信詳細(xì)介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與軟硬件設(shè)計(jì)。其中

3、超再生通信技術(shù)中接收機(jī)芯片為東南大學(xué)射光所設(shè)計(jì)并擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
　　3)設(shè)計(jì)了具有選擇性刺激特點(diǎn)、使用安全并易于貼附的表面多位點(diǎn)刺激電極?；谠摱辔稽c(diǎn)刺激電極,并結(jié)合傳感、通信和智能技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種可穿戴的分布式多位點(diǎn)刺激電極選擇性刺激原型系統(tǒng)，可以快速、智能優(yōu)化確定刺激電極位點(diǎn)，達(dá)到舒適刺激。此外，為了提高FES在臨床和家庭康復(fù)中的應(yīng)用和方便性，設(shè)計(jì)了基于智能手機(jī)的安卓應(yīng)用程序，用于運(yùn)行搜索最佳刺激部位的算法。最后，使用

4、健康受試者進(jìn)行選擇性刺激來(lái)驗(yàn)證原型，并進(jìn)行疲勞刺激測(cè)試，初步討論起抗疲勞特點(diǎn)。
　　4)研究分析和對(duì)比兩種應(yīng)用于體表電刺激時(shí)去除刺激偽跡和刺激誘發(fā)的肌肉響應(yīng)波（M-Wave）的干擾并有效地提取自主發(fā)力肌電信號(hào)的方法，包括消隱(Blanking)和模板消除兩種技術(shù)。然后基于格萊姆-施密特預(yù)測(cè)誤差濾波器(GS-PEF)完成了基于LabVIEW的去偽跡提取體表肌電(sEMG)信號(hào)原型算法驗(yàn)證。
　　本文所涉及的創(chuàng)新點(diǎn)如下:

5、　　1)設(shè)計(jì)一種互補(bǔ)型電流源作為驅(qū)動(dòng)級(jí)，可實(shí)現(xiàn)高壓、線性電流輸出和隔離的功能刺激器，并使用隊(duì)列思想標(biāo)記觸發(fā)脈沖信號(hào)和選擇輸出通道，利用微處理器控制單個(gè)高壓模擬開(kāi)關(guān)芯片MAX14803組成H型橋和多路復(fù)用電路實(shí)現(xiàn)四通道分時(shí)復(fù)用輸出。有效減小核心刺激電路面積，并節(jié)約體積和成本。
　　2)設(shè)計(jì)了一款可穿戴無(wú)線控制FES系統(tǒng)。該系統(tǒng)支持使用安卓手機(jī)等智能終端實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)刺激參數(shù)，以應(yīng)用于多通道體表FES實(shí)驗(yàn)使用。
　　3)提出一種基于“

6、肌電橋”方法并用于實(shí)時(shí)穿戴式高精度自主手部運(yùn)動(dòng)功能控制的FES系統(tǒng)。相比于課題組之前設(shè)計(jì)的雙通道“肌電橋”系統(tǒng)，尺寸、功率和總成本都大大降低，為癱瘓患者在家中進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練提供方便。
　　4)基于分布式設(shè)計(jì)方法，結(jié)合智能安卓手機(jī)作為控制終端，搭建了一套可穿戴的選擇性刺激系統(tǒng)，并基于該系統(tǒng)完成自動(dòng)尋找最佳刺激位點(diǎn)算法可行性實(shí)驗(yàn)以及針對(duì)上肢肌肉刺激疲勞的初步研究實(shí)驗(yàn)，對(duì)研究解決多通道“肌電橋”貼附大量單電極以及增強(qiáng)肌肉刺激抗疲勞度都有重