抑制上肢病理性震颤的功能性电刺激系统研究

发布时间：2017-09-05 03:26

  本文关键词：抑制上肢病理性震颤的功能性电刺激系统研究

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【摘要】：病理性震颤是一种常见于老年人的疾病,常伴随于帕金森、脑卒中风等疾病发生,罹患的病人在日常生活中某些部位如上肢、腿部会出现不由自主地节律性的抖动,给生活带来极大的不便和痛苦。常规的治疗手段如手术和药物均有费用高、副作用大等缺点,故研究一种新型的抑震方式具有很大的实际意义。本文以功能性电刺激器(FES)抑震为方法,对抑震系统进行了理论研究,并以实验验证了FES抑震系统的可行性。首先,分析了抑震系统反馈信号的要求,提出了一种基于CPG的限频带线型拟合算法(BLC-CPG),用于对肘关节角度进行分离。BLC-CPG算法具有极小的相位滞后,解决了控制系统对反馈信号的时效性需求;同时分离算法具有拟合精度高、分离后高低频耦合度低等特点,满足了抑震系统对反馈信号精度的要求。通过与其他分离算法的对比,验证了BLC-CPG分离算法的优越性,并通过对实测病人信号的分离,验证了BLC-CPG算法的可行性。设计了FES抑震系统的控制系统。选择了改进的单神经元自适应PID控制算法作为控制器;设计加权二次型目标函数学习规则对控制算法进行了改进,并仿真验证了改进学习规则后的作用效果;引入了基于人体免疫系统的免疫调节器,用以改变系统总输出增益K,改善了控制系统的动态特性。建立Open Sim软件和Simulink软件的联合仿真平台,对设计的控制系统进行仿真,并将与其他控制算法进行对比,验证了控制系统优越的控制效果。设计了功能性电刺激器。首先对功能性电刺激器各项参数指标进行分析,确定了设计目标;然后从硬件的角度设计了电刺激的架构,包括模拟恒流输出部分、控制部分和电源部分,对各部分进行了分析设计与验证;从软件的角度确定了电刺激器的软件架构和流程,设计了与上位机通讯的电刺激指令集。并制作刺激器实物,实测其输出结果,验证了功能性电刺激器的性能。最后进行FES抑震系统综合实验。首先建立了实验平台,搭建了MYO信号采集系统,并建立了人体上肢坐标系,数学转化得到了肘关节角度;提出了抑震率和震颤波动度两个指标对抑震效果进行评价;实验从开环和闭环两个角度进行,分别以静止性震颤、勺子吃饭震颤、佩戴眼镜震颤三个部分进行了抑震实验,并将实验结果进行对比分析,得出了抑震实验结论。
【关键词】：病理性震颤 BLC-CPG信号分离算法 单神经元自适应PID 功能性电刺激器
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R742.5;TN911.7
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义10-11
• 1.1.1 课题来源10
• 1.1.2 课题研究的背景和意义10-11
• 1.2 国内外研究现状及分析11-18
• 1.2.1 国外研究现状11-15
• 1.2.2 国内研究现状15-17
• 1.2.3 国内外文献综述的简析17-18
• 1.3 课题主要研究内容18-20
• 第2章 肘关节角度信号分离算法的设计与验证20-33
• 2.1 引言20
• 2.2 肘关节角度信号特征分析20-21
• 2.3 信号分离算法分析与对比21-23
• 2.4 限频带CPG线型拟合算法（BLC-CPG）23-28
• 2.4.1 中枢模式发生器CPG的概念23-24
• 2.4.2 CPG的选择与分析24-26
• 2.4.3 BLC-CPG滤波算法的设计26-28
• 2.5 BLC-CPG算法的仿真验证及对比28-32
• 2.5.1 多频率叠加信号拟合与分离28
• 2.5.2 不同分离算法分离结果对比28-31
• 2.5.3 BLC-CPG处理实际震颤信号31-32
• 2.6 本章小结32-33
• 第3章 FES抑震系统控制方法的研究33-49
• 3.1 引言33
• 3.2 控制系统需求及控制策略分析33-34
• 3.3 改进的单神经元自适应PID控制算法34-39
• 3.3.1 传统PID控制算法34
• 3.3.2 单神经元自适应PID控制算法34-36
• 3.3.3 有监督的Hebb学习规则36-37
• 3.3.4 改进的加权二次型目标函数学习规则37-39
• 3.4 变增益K免疫调节器39-42
• 3.4.1 人体免疫调节的基本原理39-40
• 3.4.2 免疫调节器40-42
• 3.5 控制系统仿真平台的建立42-44
• 3.5.1 Open Sim与Simulink联合仿真平台的建立42-43
• 3.5.2 FES电刺激强度与肌肉活化度的转换43-44
• 3.6 控制算法仿真实验结果44-47
• 3.7 本章小结47-49
• 第4章 功能性电刺激器的设计49-61
• 4.0 引言49
• 4.1 人体阻抗的研究49-51
• 4.2 FES各项参数的确定51-53
• 4.2.1 FES刺激模式的确定51
• 4.2.2 FES刺激波形的确定51-52
• 4.2.3 FES其他参数的确定52-53
• 4.3 FES的硬件设计53-57
• 4.3.1 模拟恒流输出部分的设计53-56
• 4.3.2 FES控制部分的设计56-57
• 4.3.3 供电电源部分的设计57
• 4.4 FES的软件设计57-59
• 4.5 FES电极的选择59
• 4.6 FES的实现与验证59-60
• 4.7 本章小结60-61
• 第5章 FES抑震系统实验的研究61-74
• 5.1 引言61
• 5.2 FES抑震系统平台的建立61-64
• 5.2.1 采集系统的建立62
• 5.2.2 肘关节角度的转换算法62-64
• 5.2.3 上位机系统的建立64
• 5.3 实验策略的确定与验证64-66
• 5.3.1 抑震实验策略的设计64-65
• 5.3.2 抑震性能评价指标65-66
• 5.4 开环抑震实验及结果分析66-70
• 5.4.1 开环静止性震颤抑震实验66-67
• 5.4.2 开环意向运动抑震实验67-69
• 5.4.3 开环抑震实验结果分析69-70
• 5.5 闭环抑震实验及结果分析70-73
• 5.5.1 闭环静止性震颤抑震实验70-71
• 5.5.2 闭环意向运动抑震实验71-73
• 5.5.3 闭环抑震实验结果分析73
• 5.6 本章小结73-74
• 结论74-76
• 参考文献76-81
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文81-83
• 致谢83

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本文编号：795550