[發(fā)明專利]助行功能性電刺激系統(tǒng)中遺傳算法整定控制參數(shù)的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010115882.8
• 申請(qǐng)日: 2010-03-02
• 公開（公告）號(hào): CN101794114A
• 公開（公告）日: 2010-08-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張廣舉;明東;程龍龍;劉秀云;萬(wàn)柏坤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B13/02
• 分類號(hào): G05B13/02;G05B11/12
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 劉國(guó)威

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及以電流脈沖序列來(lái)刺激肢體運(yùn)動(dòng)肌群及其外周神經(jīng)的裝置中參數(shù)控制方法。具體講，本發(fā)明涉及基于步行器HRV參數(shù)的模糊控制FES系統(tǒng)開閉工作狀態(tài)，涉及助行功能性電刺激系統(tǒng)中遺傳算法整定PID控制參數(shù)的方法。

技術(shù)背景

功能性電刺激(Functional?Electrical?Stimulation，F(xiàn)ES)是通過(guò)電流脈沖序列來(lái)刺激肢體運(yùn)動(dòng)肌群及其外周神經(jīng)，有效地恢復(fù)或重建截癱患者的部分運(yùn)動(dòng)功能的技術(shù)。目前，由于脊髓再生能力微弱，針對(duì)脊髓損傷癱瘓患者，尚未有可直接修復(fù)損傷的有效醫(yī)治方法，實(shí)施功能康復(fù)訓(xùn)練是一有效的措施。據(jù)統(tǒng)計(jì)，脊髓損傷癱瘓患者人數(shù)逐年增多，功能康復(fù)訓(xùn)練是亟待需求的技術(shù)。20世紀(jì)60年代，Liberson首次成功地利用電刺激腓神經(jīng)矯正了偏癱患者足下垂的步態(tài)，開創(chuàng)了功能性電刺激用于運(yùn)動(dòng)和感覺(jué)功能康復(fù)治療的新途徑。目前，F(xiàn)ES已經(jīng)成為了恢復(fù)或重建截癱患者的部分運(yùn)動(dòng)功能，是重要的康復(fù)治療手段。然而，如何精密控制FES的觸發(fā)時(shí)序和脈沖電流強(qiáng)度以保證電刺激作用效果能準(zhǔn)確完成預(yù)定的功能動(dòng)作仍是FES的技術(shù)關(guān)鍵。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前FES的觸發(fā)控制的方式研究尚少，而且根據(jù)作用效果與預(yù)定動(dòng)作偏差，用閉環(huán)控制來(lái)自動(dòng)調(diào)整FES刺激強(qiáng)度和時(shí)序參數(shù)，從而大大提高了FES系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，但是現(xiàn)在有效的控制方法仍然在探索之中。

柄反作用矢量(handle?reactions?vector，HRV)根據(jù)步行器幫助下的站立及行走的過(guò)程中，步行器提供給患者的效用實(shí)際上可以分為明確獨(dú)立的3個(gè)部分：前后向的力推進(jìn)，左右向的力平衡和上下向的力支持，這其實(shí)也可理解為患者為維持自身正常站立行走對(duì)外界所需的附加力學(xué)訴求提出的新概念，即是患者在站立行走過(guò)程中對(duì)步行器的作用合成簡(jiǎn)化為集中載荷，分別用位于手柄中點(diǎn)橫截面形心處的兩個(gè)力學(xué)矢量來(lái)表示，如圖1所示。矢量在x，y，z軸上的方向分量合力大小可以分別表征患者借助步行器所獲得的力推進(jìn)，力平衡和力支持水平。其中，定義坐標(biāo)系所設(shè)定的x軸正向?yàn)榛颊叩挠蚁颍瑈軸正向?yàn)榛颊叩那跋颍瑉軸正向?yàn)榛颊叩纳舷颉＿@樣，HRV的定義公式可以寫為：

[HRV]＝[HRV₁，HRV_r]^T＝[F_lx，F(xiàn)_ly，F(xiàn)_lz，F(xiàn)_rx，F(xiàn)_ry，F(xiàn)_rz]^T????(1)

HRV目前用來(lái)監(jiān)視在電刺激過(guò)程中，病人行走時(shí)的狀況，防止病人摔倒，造成二次傷害。

比例微積分(proportional-integral-differential，PID)是一種非常實(shí)用的反饋調(diào)節(jié)算法，它根據(jù)系統(tǒng)檢測(cè)或操作偏差，利用比例、積分、微分運(yùn)算獲得所需調(diào)節(jié)量以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行反饋控制，因其操作方便而廣泛用于工程實(shí)踐。尤其當(dāng)被控系統(tǒng)特性參數(shù)不明確或難以及時(shí)在線測(cè)定時(shí)，穩(wěn)妥的閉環(huán)控制即可采用PID整定算法。面對(duì)肌肉的復(fù)雜性和時(shí)變性操作環(huán)境，由于PID的穩(wěn)定性好、工作可靠，目前仍在功能性電刺激領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。PID核心技術(shù)是精密確定其中比例、積分、微分系數(shù)，尤其在FES領(lǐng)域，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性要求極為嚴(yán)格，所以對(duì)PID參數(shù)選擇尤為重要。PID控制要取得較好的控制效果，必須調(diào)整好比例、積分和微分三種控制作用，形成控制量中既相互配合又相互制約的關(guān)系。

發(fā)明內(nèi)容

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確穩(wěn)定實(shí)時(shí)地控制FES系統(tǒng)地電流強(qiáng)度，有效地提高FES系統(tǒng)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：助行功能性電刺激系統(tǒng)中的遺傳算法整定比例微積分參數(shù)控制的方法，包括下列步驟：

首先對(duì)步行器施加力，引起HRV參數(shù)變化，進(jìn)而利用模糊控制器控制啟動(dòng)，HRV是：柄反作用矢量，是施加在步行器上力的反作用力的向量組合；

其次，利用遺傳算法整定PID參數(shù)，根據(jù)膝關(guān)節(jié)的變化實(shí)時(shí)調(diào)控助行功能性電刺激系統(tǒng)電流水平強(qiáng)度，最后根據(jù)HRV的變化關(guān)閉助行電刺激系統(tǒng)，PID由比例單元P、積分單元I和微分單元D三部分組成。

所述引起HRV參數(shù)變化，繼而利用模糊控制器控制助行電刺激系統(tǒng)啟動(dòng)是指：首先對(duì)HRV參數(shù)進(jìn)行模糊化，然后在根據(jù)不同的控制規(guī)則計(jì)算，最后去模糊化，不同的控制規(guī)則指：

如dHRV(t)/dt＞a且為第一次出現(xiàn)則啟動(dòng)助行電刺激系統(tǒng)；

如dHRV(t)/dt＜-a且dHRV(t+T)/dt＞α則走路狀態(tài)；