抑制上肢病理性震颤的功能性电刺激系统研究

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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。
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