人工與自主控制融合的功能性電刺激運動康復系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種康復系統(tǒng)，具體地，涉及一種人工控制與自主控制融合的功能性 電刺激運動康復系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 上世紀60年代末，功能性電刺激作為一種新興的康復技術(shù)，廣泛地應用于醫(yī)療及 康復領域。目前，成熟的商業(yè)化功能性電刺激器有很多，著名的有德國的MotionStim，以及 西班牙的Compex等。功能性電刺激通過電脈沖刺激肌肉收縮，幫助運動功能喪失者產(chǎn)生預 先設定的運動功能。但由于肌骨系統(tǒng)的非線性及時變，使得控制算法非常復雜，加上肌肉的 易疲勞性，大大限制了功能性電刺激的應用。
[0003] 目前，電刺激療法忽略了病人殘余的自主運動能力。在接受電刺激理療時，患者完 全處于被動模式下，病人的自主運動能力被抑制，這不利于增強大腦可塑性以及康復效果。
[0004] 經(jīng)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利公開號CN101846977A，專利名稱為：功能性電刺激關(guān) 節(jié)角度遺傳模糊控制方法，申請日為2010年05月26日。該發(fā)明綜合模糊控制與遺傳算 法，實現(xiàn)電刺激運動的精密控制。該專利存在以下技術(shù)問題：1、沒有加入肌肉前饋控制器； 2、無法融合受試者的自主運動意識。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提供一種人工控制與自主控制融合的功 能性電刺激運動康復系統(tǒng)及方法，試圖將病人的自主運動意識融合到電刺激理療中，通過 這種控制模式，可將受試者的自主運動意識融合到康復訓練中，實現(xiàn)精密的運動訓練，提高 現(xiàn)有功能性電刺激的康復效果。
[0006] 本發(fā)明以肘關(guān)節(jié)為實例，是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0007] -種人工控制與自主控制融合的功能性電刺激運動康復系統(tǒng)，建立了包含三個模 塊的閉環(huán)控制系統(tǒng)：前饋控制器、PID反饋控制器及阻抗控制器；
[0008] 其中，前饋控制器采用神經(jīng)網(wǎng)絡模型，它根據(jù)關(guān)節(jié)角度及時生成一個功能性電刺 激強度，保證控制系統(tǒng)的響應速度；PID反饋控制器保證系統(tǒng)的抗干擾能力；阻抗控制器根 據(jù)自主力得到角度，附加到原先設定的關(guān)節(jié)角度，實現(xiàn)自主力與功能性電刺激的協(xié)同工作。
[0009] 優(yōu)選地，所述前饋控制器采用3層反向傳播網(wǎng)絡的BP神經(jīng)網(wǎng)絡，
[0010] 其中，網(wǎng)絡模型的輸入是關(guān)節(jié)角度、速度、加速度及過去的功能性電刺激強度，輸 出是當前功能性電刺激的電流強度；神經(jīng)網(wǎng)絡訓練通過梯度下降法訓練；為了提高網(wǎng)絡的 穩(wěn)定性，網(wǎng)絡的初值通過遺傳算法確定。
[0011] 優(yōu)選地，PID反饋控制器是為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力；
[0012] 其中，PID反饋控制器參數(shù)通過Ziegler-Nichols方法整定，反饋角度通過商用儀 器 Biometrics 得到。
[0013] 優(yōu)選地，所述PiD控制器與前饋控制器的連接，通過引入一個延時環(huán)節(jié)r1實現(xiàn)。
[0014] 其中，延時環(huán)節(jié)r1的n與控制系統(tǒng)的采樣周期有關(guān)，實際中可通過窮舉試探獲得 一個合適的值；
[0015] 優(yōu)選地，所述阻抗控制器通過二階微分方程實現(xiàn)；
[0016] 其中，阻抗控制器的輸入是自主力，輸出是附加角度。
[0017] 優(yōu)選地，所述自主力是通過測量與此關(guān)節(jié)運動相關(guān)肌肉的肌電信號獲得的；
[0018] 其中，肌肉選取為肱二頭肌，肌電信號是通過商用儀器Biometrics測量的；肌電 信號與自主力的關(guān)系認為是比例線性關(guān)系。
[0019] 優(yōu)選地，所述肌電信號需要通過兩次濾波處理；
[0020] 其中，第一次濾波是屏蔽處理，去除電刺激尾跡；第二次是梳狀濾波，去除M波尾 跡。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0022] 本發(fā)明通過三個模塊的協(xié)調(diào)控制，能融合病人的自主運動意識于康復訓練中，為 患者提供更有效的康復治療，具有以下優(yōu)點：
[0023] 1.融合患者的自主運動意圖
[0024] 患者在進行康復訓練時，可通過殘留自主力去改變預先設定的運動軌跡，將自主 運動意圖融入到新的軌跡中。。
[0025] 2.增強了系統(tǒng)的柔順性，降低系統(tǒng)復雜度
[0026] 由于引入了阻抗控制模型，增強了系統(tǒng)的柔順性，使得自主力與功能性電刺激協(xié) 同工作；而阻抗模型需要確定的參數(shù)很少，降低了由自主力到關(guān)節(jié)角度的復雜度。
【附圖說明】
[0027] 通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
[0028] 圖1為本發(fā)明的具體實施控制框圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術(shù) 人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術(shù) 人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明 的保護范圍。
[0030] 本發(fā)明提供的人工控制與自主控制融合的功能性電刺激運動康復系統(tǒng)，圖1所示 整體實施框圖，包括：前饋控制器UPID反饋控制器2、肌電信號去尾跡濾波模塊3、阻抗控 制器4、延時模塊5、功能性電刺激模塊6和自主控制模塊7,其中的CPd表示預先設定的運動 角度曲線，(Pm表示實際運動角度，^Pa表示由阻抗模型生成的附加關(guān)節(jié)角度。
[0031] 前饋控制器1包括：基于遺傳算法的3層反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡。其中，網(wǎng)絡模型的輸 入是關(guān)節(jié)角度、速度、加速度及過去的功能性電刺激強度，輸出是當前功能性電刺激的電流 強度；神經(jīng)網(wǎng)絡訓練通過梯度下降法訓練；網(wǎng)絡的初值通過遺傳算法確定。
[0032] PID反饋控制器2包括：PID控制器。其中PID控制器有三個參數(shù)：比例增益KP、 積分增益KI和微分增益KD ;三個參數(shù)通過Ziegler-Nichols方法確定。