基于FES的下肢运动神经假体系统设计与研究

论文摘要

据统计,脊髓损伤(Spinal Cord Injury, SCI)瘫痪患者人数逐年递增,已成为“一个亟需关注和照顾的特殊社会群体”。但由于脊髓再生能力微弱,目前尚未有可直接修复损伤的有效措施,只能以功能康复治疗为主。神经假体(Neuroprosthesis)是一类帮助神经损伤后恢复功能的电子装置。它通常以功能性电刺激(Functional Electrical Stimulation,FES)技术代替大脑发出神经控制命令,驱动假体和矫形器动作,从而达到恢复肢体肌肉活动功能的目的。在脊髓损伤瘫痪患者康复方面,功能电刺激(FES)目前被认为是最有效的一种方式。为促进国内FES研究发展和满足脊髓损伤瘫痪患者的需求,本文设计了基于FES的下肢运动神经假体系统。其硬件包括控制、D/A转换、恒流源、波形翻转、刺激电极、功能键、显示及供电电源等8个模块。软件采用C语言协调各模块之间的工作。该系统含有4个独立通道,采用手动控制方案,可以根据瘫痪患者的病情来调节刺激电流的大小。本文运用人体运动学指标对该系统的刺激效果进行了评价。测量了刺激受试者大腿时的膝关节角度及角速度的变化,表明通过刺激可以达到使受试者站立的目的;检测了在不同电流值刺激小腿时的基本运动学参数(步长指数、迈步时间)和最佳迈步阈值时的膝关节角度并与正常迈步时的膝关节角度,并进行了对比。结果说明系统能够达到良好的刺激效果。总之,本研究为将来更好地实现下肢运动神经假体重建奠定了良好的理论和实验基础。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 神经假体的定义
• 1.2 FES运动神经假体分类及发展现状
• 1.2.1 肢体控制方式
• 1.2.2 生物电控制方式
• 1.3 FES神经假体的临床应用
• 1.4 本课题研究内容及方法
• 第二章 瘫痪与功能电刺激（FES）基础
• 2.1 瘫痪及瘫痪原因
• 2.1.1 脊髓
• 2.1.2 瘫痪
• 2.2 瘫痪的治疗
• 2.3 FES的生物学原理
• 2.4 FES系统的组成
• 2.5 FES的应用及治疗效果
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于FES的下肢运动神经假体系统硬件设计
• 3.1 引言
• 3.2 系统整体结构
• 3.3 系统各模块硬件设计
• 3.3.1 控制单元
• 3.3.2 D/A转换设计
• 3.3.3 恒流源的设计
• 3.3.4 波形翻转的设计
• 3.3.5 刺激电极
• 3.3.6 功能键设计
• 3.3.7 显示单元设计
• 3.3.8 电源模块
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于FES的下肢运动神经假体系统软件设计
• 4.1 引言
• 4.2 各个模块的软件设计
• 4.2.1 D/A转换模块的软件设计
• 4.2.2 波形翻转的软件设计
• 4.2.3 功能键的软件设计
• 4.2.4 显示的软件设计
• 4.2.5 系统的软件流程
• 4.3 本章小结
• 第五章 基于FES的下肢运动神经假体系统实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 参与下肢运动的肌群及神经
• 5.3 刺激下肢肌肉的实验
• 5.3.1 实验设计
• 5.3.2 实验设计步骤
• 5.3.3 刺激大腿实验与数据总结
• 5.3.4 刺激迈步与正常迈步的实验数据分析总结
• 5.4 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 课题总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢