基于肌电桥的下肢运动功能重建实验仪器研究

发布时间：2017-03-15 22:06

  本文关键词：基于肌电桥的下肢运动功能重建实验仪器研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：目前我国残疾人总数已超过8000万人,在这些残疾人中肢残人士超过2400万人,其中脑卒中导致的偏瘫患者和脊髓损伤导致的截瘫和全瘫患者占很高比例。偏瘫是脑卒中最常见的后遗症之一,偏瘫患者通常会存在某种程度的运动功能障碍。大概三分之二的脑卒中患者在康复早期都存在因腿部肌无力导致的步态障碍。其中只有一半的脑卒中步态障碍者能恢复功能,剩下的往往终身患有足下垂,这严重影响了患者的日常生活质量。所以步态障碍也就成为了脑卒中致残的严重后果之一。因此,研究脑卒中导致的偏瘫,设计、实现恢复肢体瘫痪者步态功能的仪器具有重大的科学意义和临床应用价值。本课题组基于前期提出并研究的植入式微电子神经桥的基础上又提出了表面式肌电桥,以避免植入式神经电极存在的植入手术复杂,植入后易感染等问题。体表肌电信号作为一种运动控制信号,蕴含着肌肉活化信息,可作为功能性电刺激(FES)控制源信号。本论文主要完成了基于肌电桥的下肢运动功能重建系统的异步桥接模式研究,以及八通道肌电桥软件系统嵌入式实现。在此基础上实现了异步桥接模式在八通道肌电桥中实现坐姿对侧踝关节背屈,跖屈交替性控制并研究了异步桥接模式在无线肌电桥中足下垂矫正中的应用方法。首先介绍了八通道有线肌电桥与无线肌电桥的硬件系统构成。其次介绍了异步桥接模式的一般控制策略流程。详细介绍了肌电存储中如何利用样本熵算法检测肌电信号起始时刻(onset time)以及刺激时机决策在两种肌电桥不同应用场景中的实现方法。然后介绍了八通道肌电桥的任务构成,详细描述了各任务之间的关系。阐述了异步桥接模式在八通道肌电桥中以及无线肌电桥中的嵌入式实现。最后,对八通道肌电桥的异步桥接模式进行了联调实验,以及坐姿对侧踝关节交替性控制实验,实现了健康人带动另一健康人踝关节跖屈,背屈交替性控制。
【关键词】：肌电桥 功能性电刺激 肢体功能重建 异步桥接 足下垂 交替控制
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R49;R743
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-35
• 1.1 研究背景10-14
• 1.1.1 脊髓损伤10-11
• 1.1.2 脑卒中11-14
• 1.2 瘫痪肢体功能重建方法介绍14-16
• 1.2.1 生物学方法14-15
• 1.2.2 工程学方法15-16
• 1.3 功能电刺激FES介绍16-20
• 1.3.1 功能性电刺激技术16-17
• 1.3.2 功能性电刺激参数的选择17-20
• 1.4 下肢运动功能康复FES系统20-25
• 1.4.1 国外下肢运动功能康复FES系统21-24
• 1.4.2 国内运动功能康复FES系统24
• 1.4.3 现有表面式FES系统的不足24-25
• 1.5 表面肌电技术25-29
• 1.5.1 表面肌电的概念25-26
• 1.5.2 表面肌电优势26
• 1.5.3 表面肌电的产生26-27
• 1.5.4 原始表面肌电信号的特性27-29
• 1.6 本课题前期工作基础介绍29-32
• 1.6.1 微电子神经肌电桥理论29-30
• 1.6.2 与本课题相关课题进展30-32
• 1.7 本论文研究内容与目标32-35
• 第2章 肌电桥硬件平台介绍35-43
• 2.1 八通道肌电桥系统35-36
• 2.2 八通道肌电桥部分硬件平台介绍36-39
• 2.2.1 肌电信号采集系统36-37
• 2.2.2 主控模块37-38
• 2.2.3 八通道刺激器模块38
• 2.2.4 其他部件38-39
• 2.3 无线八通道肌电桥系统39-40
• 2.4 无线八通道肌电桥系统硬件平台介绍40-42
• 2.4.1 肌电信号采集模块40-41
• 2.4.2 刺激端与采集端主控模块41-42
• 2.4.3 刺激器模块与电源模块42
• 2.5 本章小结42-43
• 第3章 基于肌电信号控制的下肢运动控制策略研究43-58
• 3.1 前言43-46
• 3.1.1 表面肌电信号探测中的噪声与降噪方法44-46
• 3.2 异步桥接在八通道肌电桥中的坐姿实现46-51
• 3.2.1 肌电onset探测算法47-48
• 3.2.2 样本熵参数对探测肌电onset的优化48-51
• 3.2.3 在异步桥接时所需的预处理操作51
• 3.3 异步桥接在无线肌电桥中的足下垂矫正实现51-57
• 3.3.1 步态事件与腿部肌肉肌电信号的关系52-53
• 3.3.2 三轴加速度传感器划分步态事件53-55
• 3.3.3 小腿角速度曲线与胫骨前肌肌电信号关系55-56
• 3.3.4 小腿角速度对刺激端与采集端的控制56-57
• 3.4 本章小结57-58
• 第4章 异步桥接模式在肌电桥中的嵌入式实现58-82
• 4.1 前言58-60
• 4.1.1 八通道微电子神经肌电桥系统的集成开发环境介绍58
• 4.1.2 八通道微电子神经肌电桥系统的操作系统58
• 4.1.3 八通道肌电桥主控模块的图形界面系统58-59
• 4.1.4 八通道肌电桥主控模块的文件系统与存储设备59
• 4.1.5 无线肌电桥系统的集成开发环境介绍59-60
• 4.1.6 无线肌电桥系统的操作系统介绍60
• 4.2 八通道肌电桥主控模块功能的嵌入式实现60-77
• 4.2.1 主控模块STM32F103芯片嵌入式编程61-63
• 4.2.2 人机交互界面嵌入式实现63-68
• 4.2.3 液晶屏触摸坐标检测任务嵌入式实现68
• 4.2.4 系统应用功能选择任务中异步桥接模式的嵌入式实现68-74
• 4.2.5 主控模块STM32F407嵌入式编程74-75
• 4.2.6 STM32F407对STM32F103通讯接口设置75-77
• 4.3 无线肌电桥的嵌入式实现77-81
• 4.3.1 肌电采集端模块的嵌入式实现79-80
• 4.3.2 刺激输出端模块的嵌入式实现80-81
• 4.4 本章小结81-82
• 第5章 系统联调测试与下肢肢体运动功能重建实验82-90
• 5.1 前言82
• 5.2 八通道肌电桥联调测试82-84
• 5.2.1 样本熵控制下的SD卡对肌电信号存储调试82-83
• 5.2.2 肌电信号编码测试83-84
• 5.3 足踝背屈和跖屈肌电探测位点选取84-86
• 5.4 足踝背屈和跖屈刺激位点选取86-87
• 5.5 八通道肌电桥下肢肢体功能重建实验验证87-89
• 5.6 本章小节89-90
• 第6章 总结与展望90-92
• 6.1 总结90-91
• 6.2 展望91-92
• 参考文献92-98
• 攻读硕士期间发表论文情况与获奖情况98-99
• 致谢99

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本文编号：251052