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基于功能性电刺激的足下垂步态矫正方法及系统实现

作　者: 陈默
导　师: 郑筱祥
学　校: 浙江大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 足下垂步态功能性电刺激康复肌电
分类号: R454.1
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

目的：本文主要研究利用功能性电刺激技术矫正足下垂步态的方法与系统。通过实时调节的方式改进功能性电刺激输出包络线,达到使足下垂患者行走时,患侧足尖上抬过程更接近健康人,从而进一步矫正足下垂步态的目的。方法：总体研究思路为,利用健康人在平地行走时胫骨前肌肌电发放强度曲线来指导功能性电刺激输出包络线,从而使得足下垂患者在行走时胫骨前肌的收缩特征与健康人一致,达到最大程度接近健康步态的矫正目的。具体步骤为：分析健康人步态特征,在健康人进行正常行走时采集其胫骨前肌肌电、踝关节角度以及足跟压力信号；根据健康人正常行走时的胫骨前肌肌电发放强度曲线建立功能性电刺激输出包络线映射方法；分析健康人正常行走时的步频规律,测试并选择最优步频预测算法；根据功能性电刺激输出包络线映射模型和步频预测算法研制自适应单通道便携式功能性电刺激器；在足下垂病人上验证所研制功能性电刺激器的系统性能以及上述方法的有效性。结果：实验数据显示,步态预测算法效果较之前算法显著改善；所研制系统使足下垂患者步态得到显著改善,行走速度提高,步态稳定、一致性好。本文的主要创新点为：1.根据健康人平地行走时的胫骨前肌肌电发放强度数据集调制功能性电刺激输出包络,解决了行走速度的自适应问题；2.利用新的步频估计方法对患者步频进行实时估计,基于健康人正常行走的步频规律,提出了新的最优步频预测算法；3.基于FES输出包络线映射模型和最优步频预测算法,研制出自适应单通道便携式FES足下垂步态矫正系统,初步验证了该系统的有效性。

全文目录

致谢  3-4
摘要  4-5
Abstract  5-6
目次  6-10
1 绪论  10-15
  1.1 研究意义  10-11
  1.2 研究内容  11-13
    1.2.1 健康人步态特征分析  11-12
    1.2.2 胫骨前肌肌电与功能性电刺激在健康步态中的映射关系模型建立  12
    1.2.3 健康人步频估计方法研究  12
    1.2.4 自适应功能性电刺激器研制  12
    1.2.5 系统效果评估  12-13
  1.3 创新点  13-14
    1.3.1 根据健康人平地行走时的胫骨前肌肌电发放强度数据集调制功能性电刺激输出包络,解决了行走速度的自适应问题  13
    1.3.2. 利用新的步频估计方法对患者步频进行实时估计,基于健康人正常行走的步频规律,提出了新的最优步频预测算法  13
    1.3.3. 基于FES输出包络线映射模型和最优步频预测算法,研制出自适应单通道便携式FES足下垂步态矫正系统,初步验证了该系统的有效性  13-14
  参考文献  14-15
2 技术背景介绍  15-70
  2.1 足下垂及其治疗方法  15-20
    2.1.1 足下垂的定义  15-16
    2.1.2 足下垂的临床特征  16-17
    2.1.3 足下垂的形成原因  17
    2.1.4 足下垂的治疗方法  17-20
  2.2 功能性电刺激  20-34
    2.2.1 功能性电刺激的定义  20
    2.2.2 功能性电刺激发展历史  20-28
    2.2.3 功能性电刺激的技术参数  28-32
    2.2.4 功能性电刺激的典型电路  32-34
  2.3 表面肌电技术  34-52
    2.3.1 表面肌电的概念  34-35
    2.3.2 表面肌电的用途  35
    2.3.3 表面肌电的优点  35-36
    2.3.4 表面肌电的来源  36-37
    2.3.5 表面肌电信号形态的产生过程  37-38
    2.3.6 表面肌电信号的性质和特征  38-39
    2.3.7 影响表面肌电信号的因素  39-40
    2.3.8 肌电信号的放大  40-41
    2.3.9 肌电信号的数字化  41-42
    2.3.10 采集位点皮肤表面处理  42-43
    2.3.11 表面贴片采集电极的选型  43-44
    2.3.12 电极贴敷位点  44-45
    2.3.13 肌电信号处理  45-48
    2.3.14 肌电信号的标准化  48-51
    2.3.15 肌电强度的平均  51-52
  2.4 功能性电刺激在足下垂治疗中的应用进展  52-62
    2.4.1 全或无刺激包络线  53-54
    2.4.2 梯形刺激包络线  54-57
    2.4.3 自然刺激包络线  57-62
  2.5 本文研究问题的提出  62-64
  2.6 背景及问题总结  64-65
  参考文献  65-70
3 方法  70-101
  3.1 健康人步态特征分析  70-83
    3.1.1 实验范式  70-74
    3.1.2 实验装置  74-81
    3.1.3 数据处理  81-83
  3.2 肌电强度与功能性电刺激输出包络线映射模型  83
  3.3 健康人步频估计方法研究  83-89
    3.3.1 待选算法简介  85-88
    3.3.2 实验设计  88
    3.3.3 实验装置  88-89
    3.3.4 数据处理  89
  3.4 自适应功能性电刺激器研制  89-96
    3.4.1 硬件系统  89-94
    3.4.2 固件程序  94-96
    3.4.3 系统测试实验  96
  3.5 临床应用效果评估  96-99
    3.5.1 实验设计  97-98
    3.5.2 实验装置  98
    3.5.3 数据处理  98-99
  3.6 数据差异显著性检验  99-100
    3.6.1 步频预测算法效果差异显著性检验  99
    3.6.2 系统临床应用效果差异显著性检验  99-100
  参考文献  100-101
4 实验结果及刺激器效果评估  101-113
  4.1 步态特征分析结果  101-103
    4.1.1 肌电信号处理结果  101-103
    4.1.2 踝关节角度信号处理结果  103
  4.2 肌电强度与功能性电刺激输出包络线模型结果  103-104
  4.3 健康人步频估计方法结果  104-109
  4.4 自适应功能性电刺激器系统测试实验结果  109-110
  4.5 临床应用效果评估结果  110-111
  4.6 差异显著性检验结果  111-112
    4.6.1 步频预测算法效果差异显著性检验结果  111
    4.6.2 临床效果评估实验范式T1结果差异显著性检验结果  111
    4.6.3 临床效果评估实验范式T2结果差异显著性检验结果  111-112
  参考文献  112-113
5 讨论  113-120
  5.1 步态特征分析结果讨论  113
    5.1.1 肌电信号处理结果讨论  113
    5.1.2 踝关节角度信号处理结果讨论  113
  5.2 肌电强度与功能性电刺激输出包络线模型结果讨论  113-114
  5.3 健康人步频估计方法结果讨论  114-116
  5.4 自适应功能性电刺激器系统测试实验结果讨论  116
  5.5 临床应用效果评估结果讨论  116-119
  参考文献  119-120
6 结论  120-121
7 展望  121-124
  参考文献  123-124
作者简历  124-125
作者攻读博士学位期间所发表的论著  125-126
  文章列表  125-126
  专利列表  126

基于功能性电刺激的足下垂步态矫正方法及系统实现

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