基于功能性電刺激抑制人體病理性震顫的研究.pdf

1、人體病理性震顫作為一種運(yùn)動(dòng)性障礙神經(jīng)疾病，表現(xiàn)出不自主的節(jié)律性抖動(dòng)，嚴(yán)重影響患者的日常生活和社會(huì)交往。目前，醫(yī)學(xué)尚無法確定震顫的產(chǎn)生機(jī)理，但研究表明患者仍有完整的神經(jīng)傳導(dǎo)通路和正常肌肉收縮能力。功能性電刺激作為一種新興的康復(fù)技術(shù)因具有集成度高、外形美觀、易于患者接受的特點(diǎn)，而被廣泛地應(yīng)用于腦卒中、關(guān)節(jié)肌肉疾病和傷殘或老年康復(fù)等領(lǐng)域。功能性電刺激將低頻電脈沖替代患者所缺失的正常神經(jīng)指令，激勵(lì)由于疾病或損傷而喪失功能的肢體，誘發(fā)肌肉收縮產(chǎn)生

2、即時(shí)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)肢體運(yùn)動(dòng)功能的重建。因此，通過研究基于功能性電刺激抑制病理性震顫以實(shí)現(xiàn)根據(jù)震顫信號(hào)輸出適應(yīng)強(qiáng)度的脈沖，觸發(fā)肌肉收縮抑制震顫，而不影響患者的主觀意向運(yùn)動(dòng)。
　　通過分析人體生理特性和電刺激系統(tǒng)輸出特性，明確了電刺激觸發(fā)肌肉收縮實(shí)現(xiàn)肢體運(yùn)動(dòng)的工作機(jī)理。綜合對(duì)上肢生物機(jī)械特性的研究，將上肢近似為以肌肉力矩為輸入和肢體運(yùn)動(dòng)為輸出的二階系統(tǒng)，進(jìn)而建立了人體與功能性電刺激系統(tǒng)交互作用的系統(tǒng)。分析了電刺激對(duì)交互系統(tǒng)阻抗特性的影響以

3、及系統(tǒng)對(duì)外界激勵(lì)響應(yīng)與阻抗系數(shù)間的關(guān)系，驗(yàn)證了電刺激可調(diào)節(jié)肌肉收縮強(qiáng)度和肘關(guān)節(jié)的阻抗以實(shí)現(xiàn)抑震而不影響意向運(yùn)動(dòng)。
　　實(shí)際測(cè)取的患者運(yùn)動(dòng)信號(hào)包含震顫和意向運(yùn)動(dòng)信號(hào)，且常被用于反饋調(diào)節(jié)抑震元件的抑震輸出力，因此震顫和意向運(yùn)動(dòng)信號(hào)的分離是有效抑制震顫而不影響意向運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵?；趯?duì)常見類型震顫的特征及數(shù)據(jù)的分析，特定個(gè)體的震顫運(yùn)動(dòng)可近似為類正弦信號(hào)，且頻率分布區(qū)間穩(wěn)定而幅值變化較大。根據(jù)對(duì)線性傅里葉擬合算法原理的分析，設(shè)計(jì)了可在常見類型

4、震顫的頻帶內(nèi)隨信號(hào)主頻自適應(yīng)滑動(dòng)限窗線性傅里葉擬合算法，實(shí)現(xiàn)了不同患者震顫和意向運(yùn)動(dòng)信號(hào)的分離，避免了對(duì)患者震顫信號(hào)的頻帶進(jìn)行預(yù)分析的操作。同時(shí)結(jié)合滑動(dòng)傅里葉變換模塊、插值算法和頻帶阻尼模塊設(shè)計(jì)了自適應(yīng)滑動(dòng)傅里葉變換算法用于實(shí)時(shí)估測(cè)震顫信號(hào)的主頻，以便為電刺激控制系統(tǒng)提供震顫的有效特征參數(shù)。
　　基于改進(jìn)Hill-type模型對(duì)肘關(guān)節(jié)工程建模，分析了模型參數(shù)的靈敏度，選用模型參數(shù)優(yōu)化算法建立了面向個(gè)體特征的肌肉骨骼模型。基于肌電信

5、號(hào)調(diào)制出刺激脈沖并作用于優(yōu)化的肌肉骨骼模型，驗(yàn)證了電脈沖可替代神經(jīng)信號(hào)觸發(fā)肢體產(chǎn)生近似反相位的運(yùn)動(dòng)。分析肘關(guān)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)以及肌梭位置反饋、高爾基腱器官力反饋的工作機(jī)理，建立肘關(guān)節(jié)的神經(jīng)肌肉骨骼仿真模型，以檢驗(yàn)控制方法優(yōu)化電刺激活化度抑制震顫的效果。定性分析了Matsuoka振蕩器參數(shù)與輸出幅值和頻率間的關(guān)系，并對(duì)振蕩器的非線性閾值函數(shù)近似線性化處理，建立了振蕩器在自由和受迫激勵(lì)狀態(tài)下參數(shù)與輸出幅值和頻率間的顯性關(guān)系式。提出了以中樞神經(jīng)

6、振蕩器為前饋控制器，以模糊邏輯控制的幅值調(diào)節(jié)和間隔估測(cè)的主頻調(diào)節(jié)為反饋的控制方法，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)抑震效果優(yōu)化模型幅值和時(shí)間參數(shù)，以調(diào)節(jié)作用于人體的電刺激強(qiáng)度。
　　基于自主設(shè)計(jì)的可編程電刺激器搭建肘關(guān)節(jié)的抑震實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分析健康參與者身體對(duì)不同幅值，頻率刺激脈沖的響應(yīng)，確定了可觸發(fā)肢體產(chǎn)生類似震顫的脈沖特性參數(shù)。實(shí)驗(yàn)研究分析了肢體對(duì)不同的電極貼片位置和負(fù)載的響應(yīng)，驗(yàn)證了貼片位置的合理性。通過對(duì)比分析健康人體在自然狀態(tài)和電刺激作用下日常活