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利用功能性电刺激技术抑制腕部震颤的研究

作　者: 姚鹏
导　师: 张定国
学　校: 上海交通大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 功能性电刺激控制器设计抑制病态震颤肌肉骨骼模型 LQR算法
分类号: R454.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

功能性电刺激（Functional Electrical Stimulation, FES）技术是利用微弱电流刺激肌肉以实现由于疾病或损伤的机体康复或运动功能重建的一种有效手段。病态震颤是老年人中常见的一种疾病，表现特征是身体的某些部位不由自主地有节律地抖动。本文的目标是研发一套基于功能性电刺激技术的震颤抑制系统，通过表面电极传输电流，刺激产生震颤的相关肌肉群，从而抑制患者病态震颤。本系统的研究内容主要包括信息处理，控制器设计，仿真建模以及实验测试。文章首先建立了基于Hill-type肌肉模型的人体腕关节单自由度和多自由度肌肉骨骼动力学模型，并通过电刺激产生人工震颤的实验佐证了所建立肌骨模型的可信度和实用价值。之后在Simulink平台中进行了抑制腕关节震颤的控制算法仿真研究：提出了使用PID算法抑制腕关节单自由度震颤，用LQR算法抑制腕关节多自由度震颤的算法。仿真结果表明，文中所设计的控制算法能在抑制系统中的震颤扰动同时，还可以较好地跟随预期给定输入，实现系统抑制震颤同时不影响自主运动的目标。在文章最后，我们搭建了FES腕关节震颤抑制系统的实验平台，平台包括硬件系统和软件系统两部分。该平台的实验测试工作首先在正常人受试者身上进行抑制模拟震颤的相关实验，后期通过与瑞金医院神经内科合作，在患者身上进行临床测试。实验测试结果表明，文中提出的FES震颤抑制系统效果良好。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-10
第一章绪论  10-24
  1.1 课题来源及研究目的和意义  10-13
  1.2 辅助方式抑制震颤系统的国内外研究现状  13-23
    1.2.1 外骨骼康复机器人抑制病态震颤的相关研究  13-18
    1.2.2 FES 发展简介  18-19
    1.2.3 抑制震颤 FES 系统的国内外研究现状  19-23
  1.3 本课题的主要内容与论文章节安排  23-24
第二章腕关节肌肉骨骼系统建模  24-45
  2.1 电刺激下肌肉响应模型  24-25
  2.2 腕关节单自由度肌肉骨骼模型  25-34
  2.3 腕关节多自由度肌肉骨骼模型  34-39
  2.4 腕关节肌骨模型的实验验证  39-43
  2.5 本章小结  43-45
第三章抑制腕关节震颤的 FES 系统控制算法仿真  45-65
  3.1 引言  45-46
  3.2 抑制腕关节单自由度震颤仿真研究  46-53
    3.2.1 经典 PID 控制算法  46-48
    3.2.2 PID 抑制腕关节单自由度震颤的仿真研究  48-53
  3.3 抑制腕关节多自由度震颤仿真研究  53-64
    3.3.1 LQR 控制算法  53-56
    3.3.2 LQR 抑制腕关节多自由度震颤的仿真研究  56-64
  3.4 本章小结  64-65
第四章抑制腕关节震颤的 FES 系统实验与临床数据分析  65-90
  4.1 抑制震颤 FES 实验系统概述  65-66
  4.2 系统硬件平台搭建  66-71
    4.2.1 电刺激器系统  66-68
    4.2.2 数据采集反馈系统  68-70
    4.2.3 PC 控制信号输出板卡  70-71
  4.3 系统软件功能实现  71-73
  4.4 基于 FES 的腕关节震颤抑制系统实验与数据分析  73-88
    4.4.1 抑制模拟震颤实验  73-77
    4.4.2 抑制患者震颤实验及临床震颤数据分析  77-88
  4.5 本章小结  88-90
第五章结束语  90-92
  5.1 本文主要工作与创新点  90-91
  5.2 本文后续研究工作  91-92
参考文献  92-96
致谢  96-97
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  97-99

利用功能性电刺激技术抑制腕部震颤的研究

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