[发明专利]一种功能性电刺激膝关节角度控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及残疾人康复治疗指导控制领域，特别涉及一种功能性电刺激膝关节角度控制方法。

背景技术

近年来，脊髓损伤以及中风等脑血管病导致瘫痪的发病率呈显著上升趋势，不但给个人和家庭都带来较大的负担，也成为日益沉重的社会问题。2011年我国召开的国务院常务会议指出，力争到2015年，使我国残疾人生活总体达到小康，参与和发展状况显著改善，初步实现残疾人“人人享有康复服务”目标。

肢体功能重建是对截瘫患者进行康复治疗时关注的一个重点与难点，这关系到其日常生活活动能力和生活质量的提高问题。目前在截瘫患者行走能力恢复方面，FES(Functional electrical stimulation，功能性电刺激)被普遍认为是一种比较有效的临床工具。FES是利用某种特定的电流(电压)信号刺激易兴奋的肌肉、组织或器官，以改善其肌肉性能、恢复或重建由神经损伤而丧失的肢体活动功能的技术。20世纪60年代，Liberson首次成功地利用电刺激腓神经矫正了偏瘫患者足下垂的步态，开创了功能性电刺激用于运动和感觉功能康复治疗的新途径。

在FES中，利用神经细胞对电刺激的响应来传递外加的人工控制信号，通过外电流的作用，神经细胞能产生一个与自然激发引起的动作电位相似的神经冲动，使其支配的肌肉纤维产生收缩，从而获得运动的效果。尽管随着了解的不断深入，FES已被应用于康复的许多领域，但是与其广阔的应用前景相比，很多新的FES技术还只局限于实验室阶段，临床应用的FES刺激模式以及达到的效果都非常有限。FES要想充分发挥其在康复领域的作用，就必须要建立一套完善的FES系统。

传统的下肢功能电刺激系统根据控制信号可分为：肢体控制式功能性电刺激系统、生物电控制式功能性电刺激系统：

(a)肢体控制式功能性电刺激系统

肢体控制式FES系统又可分为：脚控式FES系统、手控式FES系统等。

脚控式是最早的功能性电刺激器的控制方式，主要优点是简单方便、易于操作。但它有许多局限性，如：受光脚使用等环境限制；脚底开关的触发功能不稳定；适用范围小，只适用于轻度瘫痪、尚存部分下肢功能的患者，对于下肢严重瘫痪的患者并不是理想的康复方案。

手控式功能性电刺激优点在于相对其他控制方式操作方便；相比于脚控式功能性电刺激系统，患者使用过程中有更多的主动性，容易被患者所接受。其局限性在于使用过程中患者需集中精力操作，有可能发生误操作，导致患者在使用中因失去身体平衡而摔倒现象的发生，从而造成患者二次损伤。

肢体式控制除脚控式和手控式外还有利用身体的其他部位的动作或者残存功能的信息控制功能性电刺激，如肩部伸屈、头部转动、呼吸和语音等。目前，这些控制方式仍处于实验室阶段，尚未实际控制下肢行走；同时这些方式的控制源与控制对象之间的关系都是间接的，学习训练相对比较复杂，不利于系统的方便灵活应用。

(b)生物电控制式FES系统

生物电控制式FES系统常见的是肌电信号控制FES系统，神经电信号控制FES系统和脑电信号控制FES系统等。

肌电信号控制FES系统是利用肌电信息作为控制信号，控制相应的部位以恢复和重建由脊髓损伤所丧失的活动功能。但在实际运用中，肌电信号可能被FES系统刺激电流信号所湮没，同时肌电信号还可能受到工频、心电、运动伪迹等噪声干扰影响，而且肌疲劳对FES下肌肉活动能力的影响是一个复杂的问题，致使肌电信号对功能性刺激系统控制能力下降，此控制方式尚处于实验室阶段。

神经电信号控制FES系统是利用环绕在目标神经周围的神经卡环电极采集神经电信号控制功能性电刺激器刺激相关肌肉块使其产生相应的运动。但是由于对神经卡环电极的材料要求较高，而且神经电信号的提取速度比较缓慢；再者该控制方式需要将电极植入人体内，属于有创的控制方式，所以该技术仍处于初级研究阶段。

脑电信号控制FES系统是利用脑电信号的某个特征控制FES系统的电流控制模式。但是，脑电信号控制FES系统也面临很大的困难，如脑-机接口速度较慢，而且将脑电信号作为控制信号还有一个缺陷是脑电的模式简单，脑电比较弱，采集和处理都比较困难，至今很少能走出实验室。

发明人在实现本发明的过程中发现现有技术中至少存在以下的缺点和不足：

传统的肢体控制式和生物电控制式FES系统的各自缺点严重限制FES在截瘫患者康复训练中的广泛应用，总结而言，主要的限制因素就是用于预测控制的输入信号不能实时、准确反映目标肌肉的功能活动状态(如肌疲劳)，从而使FES系统存在控制精度问题和系统稳定性问题。