[發明專利]一種功能性電刺激膝關節角度控制方法

有效

• 申請號: 201110405730.6
• 申請日: 2011-12-08
• 公開（公告）號: CN102488963A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發明（設計）人: 明東;徐立峰;邱爽;陳元園;綦宏志;萬柏坤
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: A61N1/36
• 分類號: A61N1/36;A61B8/08;A61B5/103
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 溫國林

技術領域

本發明涉及殘疾人康復治療指導控制領域，特別涉及一種功能性電刺激膝關節角度控制方法。

背景技術

近年來，脊髓損傷以及中風等腦血管病導致癱瘓的發病率呈顯著上升趨勢，不但給個人和家庭都帶來較大的負擔，也成為日益沉重的社會問題。2011年我國召開的國務院常務會議指出，力爭到2015年，使我國殘疾人生活總體達到小康，參與和發展狀況顯著改善，初步實現殘疾人“人人享有康復服務”目標。

肢體功能重建是對截癱患者進行康復治療時關注的一個重點與難點，這關系到其日常生活活動能力和生活質量的提高問題。目前在截癱患者行走能力恢復方面，FES(Functional?electrical?stimulation，功能性電刺激)被普遍認為是一種比較有效的臨床工具。FES是利用某種特定的電流(電壓)信號刺激易興奮的肌肉、組織或器官，以改善其肌肉性能、恢復或重建由神經損傷而喪失的肢體活動功能的技術。20世紀60年代，Liberson首次成功地利用電刺激腓神經矯正了偏癱患者足下垂的步態，開創了功能性電刺激用于運動和感覺功能康復治療的新途徑。

在FES中，利用神經細胞對電刺激的響應來傳遞外加的人工控制信號，通過外電流的作用，神經細胞能產生一個與自然激發引起的動作電位相似的神經沖動，使其支配的肌肉纖維產生收縮，從而獲得運動的效果。盡管隨著了解的不斷深入，FES已被應用于康復的許多領域，但是與其廣闊的應用前景相比，很多新的FES技術還只局限于實驗室階段，臨床應用的FES刺激模式以及達到的效果都非常有限。FES要想充分發揮其在康復領域的作用，就必須要建立一套完善的FES系統。

傳統的下肢功能電刺激系統根據控制信號可分為：肢體控制式功能性電刺激系統、生物電控制式功能性電刺激系統：

(a)肢體控制式功能性電刺激系統

肢體控制式FES系統又可分為：腳控式FES系統、手控式FES系統等。

腳控式是最早的功能性電刺激器的控制方式，主要優點是簡單方便、易于操作。但它有許多局限性，如：受光腳使用等環境限制；腳底開關的觸發功能不穩定；適用范圍小，只適用于輕度癱瘓、尚存部分下肢功能的患者，對于下肢嚴重癱瘓的患者并不是理想的康復方案。

手控式功能性電刺激優點在于相對其他控制方式操作方便；相比于腳控式功能性電刺激系統，患者使用過程中有更多的主動性，容易被患者所接受。其局限性在于使用過程中患者需集中精力操作，有可能發生誤操作，導致患者在使用中因失去身體平衡而摔倒現象的發生，從而造成患者二次損傷。

肢體式控制除腳控式和手控式外還有利用身體的其他部位的動作或者殘存功能的信息控制功能性電刺激，如肩部伸屈、頭部轉動、呼吸和語音等。目前，這些控制方式仍處于實驗室階段，尚未實際控制下肢行走；同時這些方式的控制源與控制對象之間的關系都是間接的，學習訓練相對比較復雜，不利于系統的方便靈活應用。

(b)生物電控制式FES系統

生物電控制式FES系統常見的是肌電信號控制FES系統，神經電信號控制FES系統和腦電信號控制FES系統等。

肌電信號控制FES系統是利用肌電信息作為控制信號，控制相應的部位以恢復和重建由脊髓損傷所喪失的活動功能。但在實際運用中，肌電信號可能被FES系統刺激電流信號所湮沒，同時肌電信號還可能受到工頻、心電、運動偽跡等噪聲干擾影響，而且肌疲勞對FES下肌肉活動能力的影響是一個復雜的問題，致使肌電信號對功能性刺激系統控制能力下降，此控制方式尚處于實驗室階段。

神經電信號控制FES系統是利用環繞在目標神經周圍的神經卡環電極采集神經電信號控制功能性電刺激器刺激相關肌肉塊使其產生相應的運動。但是由于對神經卡環電極的材料要求較高，而且神經電信號的提取速度比較緩慢；再者該控制方式需要將電極植入人體內，屬于有創的控制方式，所以該技術仍處于初級研究階段。

腦電信號控制FES系統是利用腦電信號的某個特征控制FES系統的電流控制模式。但是，腦電信號控制FES系統也面臨很大的困難，如腦-機接口速度較慢，而且將腦電信號作為控制信號還有一個缺陷是腦電的模式簡單，腦電比較弱，采集和處理都比較困難，至今很少能走出實驗室。

發明人在實現本發明的過程中發現現有技術中至少存在以下的缺點和不足：

傳統的肢體控制式和生物電控制式FES系統的各自缺點嚴重限制FES在截癱患者康復訓練中的廣泛應用，總結而言，主要的限制因素就是用于預測控制的輸入信號不能實時、準確反映目標肌肉的功能活動狀態(如肌疲勞)，從而使FES系統存在控制精度問題和系統穩定性問題。