上肢癱瘓肢體運動功能重建的電路系統(tǒng)設(shè)計與研究.pdf

1、癱瘓肢體運動功能的重建是康復(fù)醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的重要的醫(yī)學(xué)難題。通過提取一個健康肢體運動的體表肌電信號，并將其轉(zhuǎn)換為可以重建主動肌肉收縮力量大小的刺激信號脈沖，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)運動功能重建，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功功能重建的“肌電橋”相關(guān)的電路與系統(tǒng)設(shè)計研究工作，主要研究內(nèi)容如下:
　　1)研究常用的刺激電路結(jié)構(gòu)，并設(shè)計三個刺激器:一個采用

2、互補型電流源和時分復(fù)用方法(CCSTDM)的四通道脈沖觸發(fā)式恒流功能性電刺激器、一個基于物聯(lián)網(wǎng)的新型高壓隔離可穿戴刺激器和一個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/屈動作有效性實驗。
　　2)在原有兩通道“肌電橋”肢體運動功能重建裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計了穿戴式對側(cè)自主肌電(EMG)信號控制的FES系統(tǒng)，并結(jié)合超再生接收機(jī)無線通信詳細(xì)介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與軟硬件設(shè)計。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)計并擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。
　　3)設(shè)計了具有選擇性刺激特點、使用安全并易于貼附的表面多位點刺激電極?；谠摱辔稽c刺激電極,并結(jié)合傳感、通信和智能技術(shù)，設(shè)計了一種可穿戴的分布式多位點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，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)計了基于智能手機(jī)的安卓應(yīng)用程序，用于運行搜索最佳刺激部位的算法。最后，使用

4、健康受試者進(jìn)行選擇性刺激來驗證原型，并進(jìn)行疲勞刺激測試，初步討論起抗疲勞特點。
　　4)研究分析和對比兩種應(yīng)用于體表電刺激時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)信號原型算法驗證。
　　本文所涉及的創(chuàng)新點如下:

5、　　1)設(shè)計一種互補型電流源作為驅(qū)動級，可實現(xiàn)高壓、線性電流輸出和隔離的功能刺激器，并使用隊列思想標(biāo)記觸發(fā)脈沖信號和選擇輸出通道，利用微處理器控制單個高壓模擬開關(guān)芯片MAX14803組成H型橋和多路復(fù)用電路實現(xiàn)四通道分時復(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)計了一款可穿戴無線控制FES系統(tǒng)。該系統(tǒng)支持使用安卓手機(jī)等智能終端實時調(diào)節(jié)刺激參數(shù)，以應(yīng)用于多通道體表FES實驗使用。
　　3)提出一種基于“

6、肌電橋”方法并用于實時穿戴式高精度自主手部運動功能控制的FES系統(tǒng)。相比于課題組之前設(shè)計的雙通道“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)完成自動尋找最佳刺激位點算法可行性實驗以及針對上肢肌肉刺激疲勞的初步研究實驗，對研究解決多通道“肌電橋”貼附大量單電極以及增強肌肉刺激抗疲勞度都有重