结合sEMG的多通道电刺激技术研究及在CPM中的应用

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废用性肌萎缩是一种常见临床并发症,其具体表现为肌肉体积萎缩、肌肉失活、肌肉力量下降等。常见的预防与治疗废用性肌萎缩的手段包括运动疗法与物理疗法。运动疗法中最常见的仪器为持续被动运动(CPM)康复器,它能够促进骨关节软骨再生和修复,但由于肢体缺乏主动运动,肌肉活性提高的程度是有限的。电刺激疗法是目前最流行的物理疗法,它能够强化患侧肌肉收缩来预防和治疗废用性肌萎缩,但是却存在易疲劳、参数选择依赖治疗师和难以让患者实现精准动作等缺陷。本文针对CPM康复器与电刺激的一些缺陷,设计了一种适用于多场景的废用性肌萎缩综合康复治疗系统。该系统将电刺激疗法与CPM康复疗法结合起来,这样既能够克服两种疗法的一些各自缺陷,也能够将两者的优点融合起来。该系统将电刺激系统分为了作用于表层肌肉的低频电刺激系统与作用于深层肌肉的低频调制中频电刺激系统,两者能够分别适用于不同的症状。这两个电刺激系统均拥有4个能够进行时分复用的通道,相较于同时刺激多块肌肉,时分复用交替刺激能够降低肌肉疲劳程度。并且,时分复用技术相较于传统的电极笔而言,能够更高效地寻找体表神经肌肉运动点。此外,该系统还包括了基于健肢与患肢对侧镜像表面肌电信号(sEMG)反馈电刺激模式,能够将sEMG的特征值映射为电刺激强度,从而构成闭环电刺激系统,提高患者的被动反馈与主动参与,也能够降低肌肉疲劳程度。为了方便使用,设计了GUI页面,能够实现电刺激参数设置以及sEMG信号处理与反馈算法。为了将电刺激与CPM结合起来,系统包括了基于CPM康复器中膝关节弯曲角度反馈电刺激作用位点模式。该模式能够根据膝关节弯曲角度去精准刺激当前主要发力的肌肉,从而降低电刺激带来的疲劳性,以及解决CPM康复器只能够让患者进行被动运动,导致的肌肉活性提高程度有限的问题。经过综合实验测试,证明了该系统能够安全、正常和稳定地工作,能够按照设定的参数精准地输出电刺激波形。其中低频电刺激系统的刺激强度与脉宽的误差在10%以内,频率误差在1%以内。低频调制中频电刺激系统的刺激强度误差在5%以内,低频频率误差在1%以内,中频频率误差在3%以内。该系统可以有效地根据sEMG信号反馈电刺激参数,能够根据CPM康复器中膝关节弯曲角度精准刺激当前主要发力的肌肉,能够满足不同场景下废用性肌萎缩患者的康复需求,具有良好的市场应用空间。
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