基于功能性电刺激抑制人体病理性震颤的研究

发布时间：2018-02-20 04:35

本文关键词： 病理性震颤功能性电刺激线性傅立叶拟合算法肌肉骨骼模型中枢神经振荡器可编程电刺激器　出处：《哈尔滨工业大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：人体病理性震颤作为一种运动性障碍神经疾病,表现出不自主的节律性抖动,严重影响患者的日常生活和社会交往。目前,医学尚无法确定震颤的产生机理,但研究表明患者仍有完整的神经传导通路和正常肌肉收缩能力。功能性电刺激作为一种新兴的康复技术因具有集成度高、外形美观、易于患者接受的特点,而被广泛地应用于脑卒中、关节肌肉疾病和伤残或老年康复等领域。功能性电刺激将低频电脉冲替代患者所缺失的正常神经指令,激励由于疾病或损伤而丧失功能的肢体,诱发肌肉收缩产生即时效应,实现肢体运动功能的重建。因此,通过研究基于功能性电刺激抑制病理性震颤以实现根据震颤信号输出适应强度的脉冲,触发肌肉收缩抑制震颤,而不影响患者的主观意向运动。通过分析人体生理特性和电刺激系统输出特性,明确了电刺激触发肌肉收缩实现肢体运动的工作机理。综合对上肢生物机械特性的研究,将上肢近似为以肌肉力矩为输入和肢体运动为输出的二阶系统,进而建立了人体与功能性电刺激系统交互作用的系统。分析了电刺激对交互系统阻抗特性的影响以及系统对外界激励响应与阻抗系数间的关系,验证了电刺激可调节肌肉收缩强度和肘关节的阻抗以实现抑震而不影响意向运动。实际测取的患者运动信号包含震颤和意向运动信号,且常被用于反馈调节抑震元件的抑震输出力,因此震颤和意向运动信号的分离是有效抑制震颤而不影响意向运动的关键。基于对常见类型震颤的特征及数据的分析,特定个体的震颤运动可近似为类正弦信号,且频率分布区间稳定而幅值变化较大。根据对线性傅里叶拟合算法原理的分析,设计了可在常见类型震颤的频带内随信号主频自适应滑动限窗线性傅里叶拟合算法,实现了不同患者震颤和意向运动信号的分离,避免了对患者震颤信号的频带进行预分析的操作。同时结合滑动傅里叶变换模块、插值算法和频带阻尼模块设计了自适应滑动傅里叶变换算法用于实时估测震颤信号的主频,以便为电刺激控制系统提供震颤的有效特征参数。基于改进Hill-type模型对肘关节工程建模,分析了模型参数的灵敏度,选用模型参数优化算法建立了面向个体特征的肌肉骨骼模型。基于肌电信号调制出刺激脉冲并作用于优化的肌肉骨骼模型,验证了电脉冲可替代神经信号触发肢体产生近似反相位的运动。分析肘关节中枢神经系统以及肌梭位置反馈、高尔基腱器官力反馈的工作机理,建立肘关节的神经肌肉骨骼仿真模型,以检验控制方法优化电刺激活化度抑制震颤的效果。定性分析了Matsuoka振荡器参数与输出幅值和频率间的关系,并对振荡器的非线性阈值函数近似线性化处理,建立了振荡器在自由和受迫激励状态下参数与输出幅值和频率间的显性关系式。提出了以中枢神经振荡器为前馈控制器,以模糊逻辑控制的幅值调节和间隔估测的主频调节为反馈的控制方法,实现了根据抑震效果优化模型幅值和时间参数,以调节作用于人体的电刺激强度。基于自主设计的可编程电刺激器搭建肘关节的抑震实验平台,分析健康参与者身体对不同幅值,频率刺激脉冲的响应,确定了可触发肢体产生类似震颤的脉冲特性参数。实验研究分析了肢体对不同的电极贴片位置和负载的响应,验证了贴片位置的合理性。通过对比分析健康人体在自然状态和电刺激作用下日常活动间的差异,获取了震颤对人体运动以及人体自主抑震对抑震效果的影响。基于模拟震颤信号和仿真肌骨模型调制的电脉冲,分析人体对调制电脉冲的响应验证了控制方法的有效性。此外,设计了两个电刺激器分别触发和抑制震颤的实验,避免了人体主观因素对抑震效率的影响,进一步验证了抑震控制方法抑制静止震颤和运动性震颤的有效性。
[Abstract]:This paper analyzes the influence of electric stimulation on the impedance characteristics of the patients and the relationship between the response of electric stimulation and the impedance coefficient . The effectiveness of the control method is verified by analyzing the response of the human body to the modulated electric pulse . In addition , the effects of the subjective factors on the shock suppression efficiency are avoided , and the effectiveness of the anti - vibration control method on the static tremor and the motion tremor is further verified .

【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R742.5

【参考文献】