福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院(福州大學(xué)陳盛勤等)

福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院、福州大學(xué)福建省醫(yī)療器械和醫(yī)藥技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員陳盛勤、李玉榕等，在2018年第3期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，為幫助肢體功能障礙患者上肢運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)和重建，本文設(shè)計(jì)針對(duì)肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)康復(fù)的功能性電刺激（Functional Electrical Stimulation，F(xiàn)ES）系統(tǒng)。

首先應(yīng)用動(dòng)態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立電刺激下肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的模型。根據(jù)模型的非線性與肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡的重復(fù)性，采用迭代學(xué)習(xí)控制（IterativeLearning Control, ILC）算法設(shè)計(jì)FES系統(tǒng)的控制器,實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)角度精確控制的FES系統(tǒng)。經(jīng)過10次迭代控制，肘關(guān)節(jié)實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與期望軌跡之間的最大誤差為0.438°，相對(duì)平均誤差為0.32%，均方根誤差為0.245°。

結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的基于ILC算法的FES系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能性電刺激的精確控制，對(duì)幫助肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)康復(fù)的FES系統(tǒng)研究具有一定的指導(dǎo)意義。

肢體功能障礙患者由于大腦或神經(jīng)系統(tǒng)損傷導(dǎo)致肢體無法受思維控制完成期望動(dòng)作。這嚴(yán)重影響患者的日常生活，給家庭和社會(huì)帶來嚴(yán)重負(fù)擔(dān)。造成肢體功能障礙的兩大疾病腦卒中與脊髓損傷，隨著人口老齡化以及交通事故的增多，發(fā)病率不斷上升。

根據(jù)我國(guó)2016年腦卒中流行病學(xué)報(bào)告顯示，每年新增腦卒中患者200萬人，死亡人數(shù)165萬，存活的患者600 ~700萬人中有四分之三的患者有不同程度的肢體功能障礙[1, 2]。我國(guó)每年脊髓損傷的人數(shù)已經(jīng)達(dá)到數(shù)十萬人。目前沒有關(guān)于全球患病率的可靠估計(jì)，但每年的全球發(fā)生率估計(jì)為每百萬人40至80例[3]。對(duì)于如此龐大的肢體功能障礙病人群體，幫助他們肢體運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)的研究是十分有意義的。

在肢體運(yùn)動(dòng)功能中，上肢功能包括取物、抓物和操作物體，負(fù)擔(dān)著進(jìn)食、穿衣、洗漱等基本生活技能。上肢運(yùn)動(dòng)功能的重建是肢體功能障礙患者實(shí)現(xiàn)生活自理的關(guān)鍵。肘關(guān)節(jié)的康復(fù)對(duì)整個(gè)上肢運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)是至關(guān)重要的。功能性電刺激（Functional Electrical Stimulation，F(xiàn)ES）是治療肢體功能障礙患者四肢運(yùn)動(dòng)功能不全的重要康復(fù)治療技術(shù)之一，1961年由美國(guó)醫(yī)生Liberson首次提出，并定義為“對(duì)肌肉提供電流刺激，在刺激的瞬時(shí)產(chǎn)生肌肉收縮，達(dá)到移動(dòng)、抓握或其他肌肉動(dòng)作[4]。

FES技術(shù)在改善肢體功能障礙患者的運(yùn)動(dòng)功能起到重要作用，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究與臨床治療驗(yàn)證，F(xiàn)ES治療能有效的提高患者的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)[5, 6]。設(shè)計(jì)針對(duì)肘關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的FES系統(tǒng)，對(duì)于幫助肢體功能障礙患者的上肢運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)具有重要意義。

針對(duì)人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制的FES系統(tǒng)研究，國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者投入當(dāng)中。FES系統(tǒng)的發(fā)展是從簡(jiǎn)單的開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)到閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。功能性電刺激開環(huán)控制方式，指的是通常通過外部手動(dòng)控制開關(guān)，或者通過壓力、加速度等傳感器觸發(fā)FES系統(tǒng)啟動(dòng)或停止[7]。例如Nathan等人研發(fā)的HandMaster系統(tǒng)，其通過外部開關(guān)調(diào)節(jié)和控制刺激電流來幫助患者實(shí)現(xiàn)手部抓握功能[8]。Shimada等人使用加速度傳感器檢測(cè)足下垂患者的步態(tài)，用加速度信號(hào)觸發(fā)電刺激儀器產(chǎn)生指定刺激電流來校正足下垂患者的步態(tài)[9]。

在這些開環(huán)控制系統(tǒng)中，功能性電刺激輸出的刺激參數(shù)，包括刺激幅值、頻率、波形等是固定的，刺激參數(shù)依賴于康復(fù)指導(dǎo)師的經(jīng)驗(yàn)設(shè)置，采用固定的脈沖序列進(jìn)行刺激，這樣的方式要么產(chǎn)生多余的刺激量導(dǎo)致肌肉疲勞，要么刺激量不足難以使肌肉產(chǎn)生相應(yīng)的收縮以完成規(guī)定的訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)?？梢婇_環(huán)控制的功能性電刺激系統(tǒng)難以達(dá)到理想的康復(fù)效果。

為實(shí)現(xiàn)刺激量的精確調(diào)節(jié)，進(jìn)而產(chǎn)生了功能性電刺激系統(tǒng)的閉環(huán)控制方式，包括測(cè)量患者康復(fù)過程中的軌跡、角度、角速度、關(guān)節(jié)力矩等參數(shù)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出參數(shù)的精確控制。例如學(xué)者QiuShuang設(shè)計(jì)的針對(duì)膝關(guān)節(jié)控制的FES系統(tǒng)，其利用角度反饋，使用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法的PID算法進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的FES系統(tǒng)[10]。

Lew等人使用一組陀螺儀用于檢測(cè)手臂運(yùn)動(dòng)作，將位置信息反饋，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的FES系統(tǒng)，且使患者實(shí)現(xiàn)取物、放物等基本功能任務(wù)[11]。相比于國(guó)外，國(guó)內(nèi)對(duì)FES系統(tǒng)的研究起步較晚發(fā)展較慢，國(guó)內(nèi)更多的學(xué)者對(duì)下肢的FES系統(tǒng)進(jìn)行研究，主要在步態(tài)校正、膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、人體站立、以及閉環(huán)的FES腳踏車康復(fù)系統(tǒng)等研究領(lǐng)域，對(duì)上肢的康復(fù)訓(xùn)練的FES系統(tǒng)研究相對(duì)較少。

控制算法的應(yīng)用更多的采用傳統(tǒng)的PID控制算法與改進(jìn)的PID控制算法。而肢體康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作常具有重復(fù)性，ILC算法相比于PID控制算法更適用于控制重復(fù)軌跡跟蹤的系統(tǒng)，且ILC算法具有一定的學(xué)習(xí)能力，抵抗模型參數(shù)改變和系統(tǒng)外部噪聲的抗干擾能力更強(qiáng)[12, 13]。

本文針對(duì)肘關(guān)節(jié)在電刺激下的運(yùn)動(dòng)特性，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法建立電刺激量與肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度的模型關(guān)系。結(jié)合所建模型，用肘關(guān)節(jié)角度信號(hào)進(jìn)行反饋，用ILC算法控制電刺激量，實(shí)現(xiàn)電刺激肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的閉環(huán)控制FES系統(tǒng)。

圖2 肘關(guān)節(jié)實(shí)驗(yàn)示意圖

1肘關(guān)節(jié)模型（略）

1.1 建模方法

1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型測(cè)試

2迭代學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)（略）

2.1 ILC理論與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2系統(tǒng)仿真結(jié)果與討論

2.3 系統(tǒng)抗模型擾動(dòng)分析

3結(jié)論

本文根據(jù)肘關(guān)節(jié)在電刺激下矢狀面的運(yùn)動(dòng)特性，完成肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制的FES系統(tǒng)。建立電刺激量與肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)合所建模型設(shè)計(jì)出ILC算法控制的FES系統(tǒng)。

通過MATLAB仿真分析得出ILC方法控制的FES系統(tǒng)，最終迭代次的期望軌跡與實(shí)際軌跡之間的最大誤差為0.438°，對(duì)平均誤差為0.32%，均方根誤差為0.245°。通過模型擾動(dòng)分析PID系統(tǒng)與ILC系統(tǒng)，得出ILC方法控制下的FES系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗干擾能力，性能指標(biāo)優(yōu)于PID方法控制下的FES系統(tǒng)。

本研究通過建立模型來進(jìn)行仿真的，而實(shí)際肘關(guān)節(jié)的電刺激運(yùn)動(dòng)特性與所建模型還是有所不同的。未來研究需要以實(shí)際人體肘關(guān)節(jié)為對(duì)象，使用PID與 ILC方法控制的FES系統(tǒng)，進(jìn)行期望軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)，完善使所設(shè)計(jì)的FES系統(tǒng)，使其能夠切實(shí)幫助肢體功能障礙病人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。