基于通信原理與肌電信號控制的上肢運動功能重建系統(tǒng)設計與實驗研究.pdf

1、癱瘓病人肢體運動功能的康復和重建是康復醫(yī)學研究領域的重要組成部分。現(xiàn)有的癱瘓肢體運動功能重建方法主要包括生物醫(yī)學和工程學兩類。工程學方法中的神經(jīng)肌肉電刺激(NMES)方法通過刺激電流作用于外周神經(jīng)系統(tǒng)從而使得目標肌肉活化而產(chǎn)生動作。由于其使用方便、療效顯著而被廣泛采用。然而現(xiàn)有的NMES系統(tǒng)普遍存在著控制方式缺乏靈活性，癱瘓病人的主動參與度低、刺激模式單一和容易引起肌肉疲勞等不足之處。
　　本論文實現(xiàn)了一種基于通信原理、微電子技術(shù)

2、與肌電信號控制的運動功能重建系統(tǒng)。該系統(tǒng)從健康肢體主動肌獲取多通道體表肌電信號(sEMG)，通過動作模式識別算法完成探測通道到刺激通道的映射，轉(zhuǎn)換為刺激信號后，在癱瘓肢體上與主動肌對應的運動點施加電刺激從而完成運動功能的康復或重建。該系統(tǒng)具有目標動作還原度高、患者可實時主動控制癱瘓肢體進行多種動作訓練、電刺激疲勞程度低的顯著優(yōu)勢。
　　區(qū)別于傳統(tǒng)肌電控制的NMES系統(tǒng)中通過對不同肌肉發(fā)力模式進行判定，從而輸出不同預定模式刺激的方法

3、，本文的方法在健康肢體和癱瘓肢體對應主動肌間建立了信息傳遞的“橋梁”，故我們稱這種運動功能重建系統(tǒng)為“肌電橋”(Electromyographic Bridge，EMGB)。
　　本論文的研究內(nèi)容主要包括:
　　1.根據(jù)體表肌電信號中可傳播成分的幅度與信源肌纖維到肌電探測電極的距離成反比，而構(gòu)成串擾的肌電信號不可傳播成分的幅度具有距離不變性的重要特性，提出了采用陣列式單差分探測電極繪制肌電信號均方根值(RMS)熱圖來確定不同

4、動作主動肌肌電信號探測位點的方法。
　　2.采用中醫(yī)骨度折量寸坐標原理，研究抓握、指伸、腕屈、腕伸四種上肢臨床常用康復動作的最佳體表刺激位點分布。由于該方法具有個體間一致性，相比于針對個體的定位方法，更有利于臨床的實際應用。
　　3.研究了基于體表肌電信號動作模式識別的探測到刺激通道的映射算法，分析比較了時域、自回歸參數(shù)、樣本熵、雙譜積分等sEMG特征及線性判別分析與人工神經(jīng)網(wǎng)絡兩種分類器在采用傳統(tǒng)探測電極定位方法和本文提出

5、的RMS熱圖定位方法下的類別可分性、動作模式識別成功率、計算速度等指標。驗證了采用RMS熱圖定位方法，使用時域特征和線性判別分析分類器可以達到分類成功率和計算復雜度的最優(yōu)折中。
　　4.進行了肌電橋刺激脈沖生成算法研究。首先采用連續(xù)小波奇異點分析方法，對課題組前期提出的基于肌電閾值和不應期的刺激信號生成算法的關(guān)鍵參數(shù)“不應期”進行了確定，并驗證了采用獲得的不應期可達到針對不同發(fā)力程度的線性刺激頻率調(diào)控。然后，考慮到閾值不應期算法不

6、能改變刺激強度，從而無法調(diào)節(jié)募集運動單元數(shù)量的局限性，提出了一種基于sEMG平均絕對值(MAV)和斜率變號次數(shù)(NSS)兩種時域特征同時調(diào)控刺激脈寬與頻率的刺激脈沖生成方法。實驗結(jié)果表明，該方法可以較好地在受控肢體上實時重建出控制肢體的腕關(guān)節(jié)扭矩。同時，該方法相比于傳統(tǒng)的肌電信號包絡控制刺激強度的方法可顯著減少刺激引發(fā)的肌肉疲勞。
　　5.開發(fā)了肌電橋原型系統(tǒng)。首先針對系統(tǒng)核心電路進行了設計和改進，包括對課題組前期設計的肌電信號探

7、測電路針對體表肌電信號的頻率特性進行改進，并設計了通道隔離的多通道任意波形恒流刺激電路。然后基于核心電路和上述核心算法，設計研發(fā)了4種EMGB原型系統(tǒng)，分別為雙通道EMGB系統(tǒng)、用于手指功能重建的EMGB系統(tǒng)、基于LabVIEW和DSP的多通道EMGB原型系統(tǒng)以及嵌入式多通道EMGB原型系統(tǒng)。并分別對上述系統(tǒng)進行了健康人體橋接實驗和系統(tǒng)性能測試。測試結(jié)果表明，上述系統(tǒng)均能實現(xiàn)預定的運動功能重建目標。
　　6.為了驗證EMGB系統(tǒng)是

8、否可以增強腦卒中偏癱患者康復訓練的自主參與和增強中樞神經(jīng)可塑性從而達到長期的運動康復效果，我們對36名腦卒中急性、亞急性期（首次訓練距腦卒中發(fā)生時間＜6個月）的偏癱患者進行了單中心（東南大學附屬中大醫(yī)院康復科)的上肢運動功能康復臨床隨機對照實驗。將患者隨機分為EMGB實驗組（n=18）和周期性NMES對照組(n=18)，在常規(guī)訓練的基礎上分別采用雙通道EMGB系統(tǒng)和傳統(tǒng)周期性NMES系統(tǒng)進行上下午各一次、每次時長20分鐘、共20天的腕伸