基于通信原理與肌電信號(hào)控制的上肢運(yùn)動(dòng)功能重建系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、癱瘓病人肢體運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)和重建是康復(fù)醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的重要組成部分?，F(xiàn)有的癱瘓肢體運(yùn)動(dòng)功能重建方法主要包括生物醫(yī)學(xué)和工程學(xué)兩類。工程學(xué)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(biāo)肌肉活化而產(chǎn)生動(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)了一種基于通信原理、微電子技術(shù)

2、與肌電信號(hào)控制的運(yùn)動(dòng)功能重建系統(tǒng)。該系統(tǒng)從健康肢體主動(dòng)肌獲取多通道體表肌電信號(hào)(sEMG)，通過動(dòng)作模式識(shí)別算法完成探測(cè)通道到刺激通道的映射，轉(zhuǎn)換為刺激信號(hào)后，在癱瘓肢體上與主動(dòng)肌對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)施加電刺激從而完成運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)或重建。該系統(tǒng)具有目標(biāo)動(dòng)作還原度高、患者可實(shí)時(shí)主動(dòng)控制癱瘓肢體進(jìn)行多種動(dòng)作訓(xùn)練、電刺激疲勞程度低的顯著優(yōu)勢(shì)。
　　區(qū)別于傳統(tǒng)肌電控制的NMES系統(tǒng)中通過對(duì)不同肌肉發(fā)力模式進(jìn)行判定，從而輸出不同預(yù)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(duì)應(yīng)主動(dòng)肌間建立了信息傳遞的“橋梁”，故我們稱這種運(yùn)動(dòng)功能重建系統(tǒng)為“肌電橋”(Electromyographic Bridge，EMGB)。
　　本論文的研究?jī)?nèi)容主要包括:
　　1.根據(jù)體表肌電信號(hào)中可傳播成分的幅度與信源肌纖維到肌電探測(cè)電極的距離成反比，而構(gòu)成串?dāng)_的肌電信號(hào)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(cè)電極繪制肌電信號(hào)均方根值(RMS)熱圖來確定不同

4、動(dòng)作主動(dòng)肌肌電信號(hào)探測(cè)位點(diǎn)的方法。
　　2.采用中醫(yī)骨度折量寸坐標(biāo)原理，研究抓握、指伸、腕屈、腕伸四種上肢臨床常用康復(fù)動(dòng)作的最佳體表刺激位點(diǎn)分布。由于該方法具有個(gè)體間一致性，相比于針對(duì)個(gè)體的定位方法，更有利于臨床的實(shí)際應(yīng)用。
　　3.研究了基于體表肌電信號(hào)動(dòng)作模式識(shí)別的探測(cè)到刺激通道的映射算法，分析比較了時(shí)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(luò)兩種分類器在采用傳統(tǒng)探測(cè)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(dòng)作模式識(shí)別成功率、計(jì)算速度等指標(biāo)。驗(yàn)證了采用RMS熱圖定位方法，使用時(shí)域特征和線性判別分析分類器可以達(dá)到分類成功率和計(jì)算復(fù)雜度的最優(yōu)折中。
　　4.進(jìn)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(diǎn)分析方法，對(duì)課題組前期提出的基于肌電閾值和不應(yīng)期的刺激信號(hào)生成算法的關(guān)鍵參數(shù)“不應(yīng)期”進(jìn)行了確定，并驗(yàn)證了采用獲得的不應(yīng)期可達(dá)到針對(duì)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(yīng)期算法不

6、能改變刺激強(qiáng)度，從而無法調(diào)節(jié)募集運(yùn)動(dòng)單元數(shù)量的局限性，提出了一種基于sEMG平均絕對(duì)值(MAV)和斜率變號(hào)次數(shù)(NSS)兩種時(shí)域特征同時(shí)調(diào)控刺激脈寬與頻率的刺激脈沖生成方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以較好地在受控肢體上實(shí)時(shí)重建出控制肢體的腕關(guān)節(jié)扭矩。同時(shí)，該方法相比于傳統(tǒng)的肌電信號(hào)包絡(luò)控制刺激強(qiáng)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(duì)系統(tǒng)核心電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)和改進(jìn)，包括對(duì)課題組前期設(shè)計(jì)的肌電信號(hào)探

7、測(cè)電路針對(duì)體表肌電信號(hào)的頻率特性進(jìn)行改進(jìn)，并設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行了健康人體橋接實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，上述系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)功能重建目標(biāo)。
　　6.為了驗(yàn)證EMGB系統(tǒng)是

8、否可以增強(qiáng)腦卒中偏癱患者康復(fù)訓(xùn)練的自主參與和增強(qiáng)中樞神經(jīng)可塑性從而達(dá)到長(zhǎng)期的運(yùn)動(dòng)康復(fù)效果，我們對(duì)36名腦卒中急性、亞急性期（首次訓(xùn)練距腦卒中發(fā)生時(shí)間＜6個(gè)月）的偏癱患者進(jìn)行了單中心（東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院康復(fù)科)的上肢運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)臨床隨機(jī)對(duì)照實(shí)驗(yàn)。將患者隨機(jī)分為EMGB實(shí)驗(yàn)組（n=18）和周期性NMES對(duì)照組(n=18)，在常規(guī)訓(xùn)練的基礎(chǔ)上分別采用雙通道EMGB系統(tǒng)和傳統(tǒng)周期性NMES系統(tǒng)進(jìn)行上下午各一次、每次時(shí)長(zhǎng)20分鐘、共20天的腕伸