功能性电刺激助行中的动力和运动学双模态控制信号研究

论文摘要

近年来,脊髓损伤的发病率呈显著上升的趋势,运用功能性电刺激(FES)技术进行脊髓损伤治疗和功能重建研究正成为生物信息学、康复医学及神经电生理等领域的前沿热点课题,其关键技术之一是FES控制信号的选择。现有的FES控制信号只能被动地由外界给出,其康复模式需要长期训练,无法根据动作状态实时加以反馈调节,因而具有自适应性差、易受干扰、难以学习掌握等致命弱点,制约了FES技术的功能重建效果,成为其在康复临床推广与应用中亟待解决的瓶颈问题。本文从人体动力学和运动学信息出发,提出了一种全新的动力学与运动学双模态FES自动控制方案,并通过对两类控制信号的识别分析验证了该控制方案的可行性。研究中首先设计了一套以单片机微处理器为核心的下肢助行FES系统,包括控制电路、刺激电路和人机界面,通过相关临床实验案例初步验证了该系统对于脊髓损伤的康复治疗和功能重建具有良好效果。用于动力学模态的系统控制信号是来自FES助行过程中步行器测力系统监测到的柄反作用矢量(HRV)信息,文中利用模糊C均值和K均值聚类方法从HRV中提取下肢动作侧向性特征,并对这些特征进行基于交叉验证与支持向量机的分类识别,结果表明在区分左右下肢侧向性信息方面,单个个体的分类正确率最高可达96%,10例实验对象混合分类正确率可达86%;用于运动学模态的系统控制信号是来自FES刺激过程中的膝关节角度信息,文中通过构造适用于下肢FES动作的非线性自回归肌肉模型,设计相关刺激动作实验,建立起了膝关节角度与刺激强度之间的关系,得到该肌肉数学模型的结构与参数,并重点研究了人体运动学信息作为反馈控制信号的神经网络整定PID系统的控制结构和算法,相关实验表明反馈信号与预设角度值之间的误差可控制在5%以内。本文研究结果表明,基于柄反作用矢量与膝关节角度的动力学与运动学双模态信息有望作为肢体刺激侧向性触发与反馈调整的有效信号,用于助行FES系统的自动控制,从而为更先进的下肢人工运动神经假体系统设计提供帮助。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 脊髓损伤与瘫痪
• 1.1.1 脊髓损伤与瘫痪的成因
• 1.1.2 脊髓损伤与瘫痪的治疗
• 1.2 功能性电刺激技术
• 1.2.1 功能性电刺激的定义及原理
• 1.2.2 功能性电刺激助行系统的分类及发展
• 1.3 本文研究内容及方法
• 第二章 助行功能性电刺激系统设计与实验
• 2.1 引言
• 2.2 系统整体结构
• 2.3 控制电路
• 2.4 刺激电路
• 2.4.1 刺激强度调整电路
• 2.4.2 升压电路
• 2.4.3 脉冲产生电路
• 2.5 人机界面
• 2.5.1 LCD液晶显示电路
• 2.5.2 功能键电路
• 2.6 刺激电极
• 2.7 临床实验
• 2.7.1 适应症和患者选择
• 2.7.2 案例实验和结果分析
• 第三章 基于柄反作用矢量的动力学模态控制信号研究
• 3.1 引言
• 3.2 多传感器融合步行器测力装置
• 3.2.1 柄反作用矢量的概念
• 3.2.2 测量位置的选取
• 3.2.3 测力系统的组成
• 3.3 功能性电刺激助行动力学模态测试实验
• 3.3.1 步行器助行实验的设计
• 3.4 基于模糊聚类算法的侧向性控制特征提取
• 3.4.1 模糊C均值聚类算法
• 3.4.2 模糊K均值聚类算法
• 3.5 基于交叉验证与支持向量机的侧向性控制特征分类
• 3.5.1 交叉验证
• 3.5.2 支持向量机
• 3.6 实验结果与讨论
• 3.6.1 实验结果
• 3.6.2 分析与讨论
• 第四章 基于膝关节角度的运动学模态控制信号研究
• 4.1 引言
• 4.2 用于功能性电刺激助行的人体下肢肌肉模型
• 4.3 BP-PID闭环控制算法设计
• 4.3.1 PID的控制原理
• 4.3.2 神经网络与PID的复合控制
• 4.4 功能性电刺激助行运动学模态测试实验
• 4.5 实验结果及讨论
• 4.5.1 实验结果
• 4.5.2 分析与讨论
• 第五章 总结与展望
• 5.1 本论文内容总结
• 5.2 今后研究展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢