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自适应电刺激平衡康复训练系统

泰然健康网
2025-08-26 00:37

本发明涉及运动分析、康复工程技术以及机电系统控制领域，尤其涉及一种面向扰动的自适应电刺激控制策略，具体为一种自适应电刺激平衡康复训练系统。该研究通过采集受试者在多自由度平台上维持平衡期间的关节角度，基于实时关节角度控制功能性电刺激(functional electrical stimulation，fes)参数实现面向扰动的自适应电刺激策略，进而使受试者维持平衡完成平衡训练。

背景技术：

1、卒中，又称“中风”，是一种急性脑血管疾病，中风后的运动障碍主要由脊髓下行的损伤引起，这种损伤使大脑失去对四肢的控制。中风后,患者的平衡能力会因损伤部位不同而有所差异，但通常都会出现肌力减弱，肌张力控制障碍，协调性差，平衡感觉以及姿势控制能力的下降。

2、人的自身活动在使肢体的几何结构发生变化带来的重心偏移时，大脑的中枢神经系统会采取有效的姿势控制(postural control,pc)，以确保身体重心在支持多边形内，维持身体的平衡，支持多边形指的是以人的双脚为端点形成的一个虚拟的多边形区域，当人站立时，为了保持身体的稳定，身体的重心通常会被控制在双脚之间所构成的这个虚拟多边形区域内。首先大脑会通过前庭系统、视觉和本体感觉持续检测身体重心的位置,以判断身体是否处于平衡状态，当检测到身体倾斜时,中枢神经系统会指令相关肌肉群进行收缩或放松,产生修正作用，这一过程主要通过下肢和躯干肌肉的协同收缩放松来调整身体倾斜，如脚底肌、小腿三头肌、股四头肌等负责细微调整和姿势控制,躯干肌肉改变上身刚性,增加稳定性，最后通过关节调整身体部位的重心分布，使身体重心保持在支持多边形内，从而使身体保持平衡。在维持平衡的整个过程中，肌肉起到了调整，提供姿势刚性，进行躯干姿势控制，做出快速响动，吸收震动的作用，是平衡系统中最重要的执行器官，而中风患者的肌肉力量、速度、协调性会直接影响平衡能力。

3、近几年来，fes已经广泛应用于肌肉或肌群功能的改善或恢复，并且在在卒中患者平衡康复中起到了一定的作用，尤其是在帮助卒中患者改善肌肉控制、减轻肌肉萎缩、增强平衡和协调方面。通常fes可与康复训练相结合，帮助患者进行平衡和步态训练。通过刺激相关肌肉群，患者可以更好地练习站立、行走和平衡动作，或者作为便携式装置，使患者可以在家中进行自助训练，促进患者的康复进度。临床研究已经证明功能性电刺激可以有效改善偏瘫患者的运动能力和肌力。但刺激模式单一和缺少患者主动参与对功能性电刺激的进一步应用起到了阻碍，fes治疗需要根据患者的平衡能力实时调整，所以亟需发展适应患者平衡能力的自适应电刺激平衡康复系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于开发一种面向扰动的自适应电刺激平衡康复训练系统。将功能性电刺激与平衡任务相结合，实现扰动下的自适应电刺激训练，改善患者肢体和躯干肌群之间的协调性，恢复肌肉以及肌群功能，为中风患者提供更加有效的平衡康复训练方案。

2、本发明的技术方案是自适应电刺激平衡康复训练系统，该系统主要由多自由度平台、上位机、pid调节器以及电刺激器构成；首先，在扰动下采集健康受试者在多自由度平台上维持平衡的关节角度的数据生成关节角度模板；然后，通过pid算法控制调节输出电刺激，检测在扰动下患者实时的关节角度；最后，以患者实时的关节角度和关节角度模板的偏差作为输入，通过pid调节系统输出电刺激参数，实现扰动情况下的自适应电刺激训练。

3、该系统的方法，具体步骤如下：

4、(1)数据采集：清洁皮肤表面后，将惯性运动单元分别固定于受试者的踝关节、膝关节、髋关节体段两侧,令受试者站在多自由度平台上，实时记录平台变化角度，在前后左右四个不同的倾斜方向下平台进行0～5°的小幅度周期摆动，受试者站在平台上保持自身平衡，同步记录不同扰动方向下受试者维持平衡过程中的imu信号；

5、(2)数据离线处理及模板建立

6、首先去除高频噪声，通过检测静止状态的静息偏置，进行校准以消除零点漂移，然后基于静态校准建立下肢运动模型从而得到关节角度，最后标定各段数据，从而得到不同扰动方向下的关节角度数据，将同一扰动方向下的imu数据时间轴对齐，得到健康受试者的关节角度响应模板；

7、(3)数据在线处理及电刺激控制实现

8、将关节角度模板输入至上位机，患者在使用过程中，平台变化角度通过imu实时采集至上位机，在上位机中进行数据预处理，处理方式与离线处理方式相同，得到平台扰动下的患者实时关节角度数据，基于患者实时关节角度数据与健康受试者的关节角度响应模板计算得到实时偏差角度，再输入pid控制器完成自适应电刺激的控制；

9、(4)pid控制器实现自适应电刺激控制

10、在自适应电刺激实验中根据健康受试者的关节角度响应模板r(t)与患者实时关节角度y(t)构成偏差：e(t)＝r(t)-y(t)，将关节角度偏差的比例(p)、积分(i)和微分(d)通过线性组合构成控制量，对电刺激器进行控制,其控制规律为：

11、

12、传递函数为：

13、

14、其中，u(s)为pid控制器输出的拉普拉斯变换，e(s)为关节角度偏差的拉普拉斯变换，kp为比例系数，ti为积分时间常数，td为微分时间常数，ki＝kp/ti为积分系数，kd＝kp*td为微分系数；

15、(5)功能性电刺激参数控制

16、基于实时关节角度数据与健康受试者的关节角度响应模板计算得到实时偏差角度，以此作为控制量再输入pid控制器，通过控制器实时调节电刺激fes的不同参数，包括频率、脉冲、占空比、波升/波降、电流强度，使用低频脉冲电流刺激失去神经控制的肌肉，诱发肌肉运动或模拟正常的自主运动。

17、进一步，所述功能性电刺激参数的频率在15～50hz。

18、进一步，所述功能性电刺激参数的脉冲波宽在100～1000us。

19、进一步，所述功能性电刺激参数的占空比为1:1至1:3之间。

20、进一步，所述功能性电刺激参数的波升/波降取1～2s。

21、进一步，所述功能性电刺激参数在电流强度在0ma～100ma

22、有益效果

23、本发明运用电刺激控制技术，采集踝关节、膝关节、髋关节imu信号，通过多自由度平台扰动情况下患者的实时关节角度与健康人关节角度模板，实现基于平台变化角度的功能性电刺激康复训练。该发明根据患者平衡能力自动调整刺激方式，无需依赖患者，在帮助患者进行平衡训练的同时又促进患者肌肉功能的恢复，从而使患者获得更好的康复效果。

技术特征：

1.自适应电刺激平衡康复训练系统，其特征在于，系统主要由多自由度平台、上位机、pid调节器以及电刺激器构成；首先，在扰动下采集健康受试者在多自由度平台上维持平衡的关节角度的数据生成关节角度模板；然后，通过pid算法控制调节输出电刺激，检测在扰动下患者实时的关节角度；最后，以患者实时的关节角度和关节角度模板的偏差作为输入，通过pid调节系统输出电刺激参数，实现扰动情况下的自适应电刺激训练。

2.根据权利要求1所述的自适应电刺激平衡康复训练系统，其特征在于，具体步骤如下：

3.根据权利要求2所述的自适应电刺激平衡康复训练系统，其特征在于，所述功能性电刺激参数的频率在15～50hz。

4.根据权利要求2所述的自适应电刺激平衡康复训练系统，其特征在于，所述功能性电刺激参数的脉冲波宽在100～1000us。

5.根据权利要求2所述的自适应电刺激平衡康复训练系统，其特征在于，所述功能性电刺激参数的占空比为1:1至1:3之间。

6.根据权利要求2所述的自适应电刺激平衡康复训练系统，其特征在于，所述功能性电刺激参数的波升/波降取1～2s。

7.根据权利要求2所述的自适应电刺激平衡康复训练系统，其特征在于，所述功能性电刺激参数在电流强度在0ma～100ma。

技术总结
本发明属于康复医疗技术领域，公开一种自适应电刺激平衡康复训练系统。本发明通过采集受试者在多自由度平台上维持平衡期间的关节角度，基于实时关节角度控制功能性电刺激FES参数实现面向扰动的自适应电刺激。基于患者的关节角度实现自适应电刺激策略，进而帮助患者维持平衡，为中风患者的康复治疗提供简单有效的帮助。由于该技术效果明确，为患者的个性化及主动康复治疗提供了技术方案。

技术研发人员：徐瑞,白宇,明东,王维豪,王紫尧,孟琳
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/22