抑制腕部病理性震顫的功能性電刺激系統(tǒng)的仿真與實驗

姚 鵬 張定國* 劉建榮

1(上海交通大學(xué)機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室， 上海 200240)2(上海交通大學(xué)附屬瑞金醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科， 上海 200250)

抑制腕部病理性震顫的功能性電刺激系統(tǒng)的仿真與實驗

姚 鵬1張定國1*劉建榮2

1(上海交通大學(xué)機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室， 上海 200240)2(上海交通大學(xué)附屬瑞金醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科， 上海 200250)

研發(fā)一種用于抑制腕部病理性震顫的功能性電刺激(FES)康復(fù)系統(tǒng)，包括信息處理、控制器設(shè)計、仿真建模以及實驗測試。仿真階段利用Matlab軟件構(gòu)建了腕關(guān)節(jié)肌肉骨骼模型；設(shè)計控制器采用比例-積分-微分(PID)算法，對肌骨模型中存在的震顫擾動進行抑制。仿真結(jié)果表明，控制器保證了在抑制高頻低幅震顫擾動的同時不影響其低頻高幅的自主運動，對震顫擾動幅值的抑制平均達到約95%。實驗階段搭建了FES閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗平臺，由電刺激器、角度傳感器、電腦控制器和輸出板卡以及實時控制軟件系統(tǒng)組成。研發(fā)的系統(tǒng)在5例健康受試者及1例震顫患者身上進行了測試，震顫抑制效果分別約為90%和80%。

病理性震顫；震顫抑制；功能性電刺激；控制器設(shè)計；PID控制

引言

病理性震顫是常見于老年人群的一種疾病?；颊呱眢w的某些部位如手臂、大腿會出現(xiàn)不由自主地有節(jié)律性地抖動，頻率范圍為3～12Hz。根據(jù)震顫的頻率和特征，一般可以分為靜止性震顫、意向性震顫和姿勢性震顫。震顫雖然不是致命的疾病，但是會給患者的生活和社交造成極大的困擾和生活的嚴重不便。病理性震顫的臨床治療主要采用手術(shù)和藥物治療。手術(shù)治療如典型的深部腦刺激，需要進行腦部微創(chuàng)手術(shù)，只是對小腦病變引起的意向性或姿勢性震顫有效。手術(shù)治療風(fēng)險大，費用高。藥物治療對于靜止性震顫有一定的療效，能使震顫癥狀得到緩解。但藥物會引起一些副作用，如異動癥、幻覺、體位性低血壓、惡心嘔吐、疲乏等。因此，在傳統(tǒng)的治療手段之外，需要尋求新的輔助式抑震方法[1]。

目前輔助式抑震方法主要包括機器人外骨骼[2]和功能性電刺激(FES)[3]。外骨骼隸屬機器人領(lǐng)域，其相關(guān)技術(shù)比較成熟，但用來控制柔性人體關(guān)節(jié)還面臨很多難題，而且其機構(gòu)很難輕型化。FES隸屬康復(fù)工程技術(shù)，可集成為袖套式樣，美觀、輕巧、裝飾性好、外表更人性化，潛在用戶對FES抑制震顫方式接受度更高。因此，歐盟陸續(xù)開展了兩個基于FES的震顫抑制研究大型項目(TREMOR和NeuroTREMOR)。

在前期研究[3]的基礎(chǔ)上，面向患者需求，研發(fā)一種實用的FES震顫抑制系統(tǒng)。研究內(nèi)容包括仿真和實驗兩個部分，重點進行實驗研究，并在正常受試者和震顫患者上對系統(tǒng)的性能進行測試。

1 方案和方法

利用功能性電刺激技術(shù)抑制腕部病理性震顫系統(tǒng)的工作原理總體框架如圖1所示。這里手臂腕關(guān)節(jié)被看成是被控對象。腕關(guān)節(jié)系統(tǒng)模型由肌肉模型(腕伸肌和腕屈肌)和骨骼動力學(xué)模型組成[4]。震顫可看作內(nèi)部擾動，來源于作用在肌骨系統(tǒng)上的震顫力矩。角度傳感器采集腕關(guān)節(jié)實時角度變化數(shù)據(jù)反饋給計算機。計算機在接收到腕關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)之后經(jīng)過所設(shè)計的控制器分析處理，輸出相應(yīng)的電刺激器控制信號，調(diào)用PC板卡輸出模擬控制信號給電刺激器的兩個輸入端口A和B，電刺激器根據(jù)輸入口的控制電壓，在兩個輸出通道分別輸出相應(yīng)幅值的電流刺激手臂的伸肌和屈肌，產(chǎn)生腕關(guān)節(jié)主動力矩，繼而帶動腕關(guān)節(jié)相應(yīng)的轉(zhuǎn)動。震顫被看成是控制系統(tǒng)的擾動，該控制系統(tǒng)的目標可以理解為抑制擾動(震顫)對系統(tǒng)輸出的影響；同時使系統(tǒng)輸出(腕關(guān)節(jié)實際角度)最大限度地跟隨預(yù)期角度輸入值，即不影響腕關(guān)節(jié)自主運動。

1.1控制器仿真設(shè)計

首先在Matlab/Simulink平臺中，對腕關(guān)節(jié)肌肉骨骼系統(tǒng)進行生理動力學(xué)建模。肌骨系統(tǒng)模型的建立是基于經(jīng)典的Hill-type肌肉模型之上的[5]。它是一個的模型，使用緩沖器、彈簧、阻尼等機械元素模擬肌肉在受到電刺激時的響應(yīng)特性[6]。骨骼動力學(xué)在控制系統(tǒng)中往往被簡化為一個二階系統(tǒng)。詳細的肌骨模型數(shù)學(xué)描述參見文獻[7]。

比例-積分-微分(PID)控制器是最常用的控制器，也是最實用的控制器之一。因此，在本系統(tǒng)控制器的設(shè)計部分，選用經(jīng)典的PID控制器，其數(shù)學(xué)表達為:

(1)

式中，u(t)為PID誤差調(diào)節(jié)的輸出；e(t)是誤差向量，代表PID控制器的輸入;Kp、Ki、Kd分別代表比例、積分、微分增益因子。

由圖1的系統(tǒng)工作原理圖可知，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)施加在伸肌和屈肌上的電刺激脈沖強度來刺激相應(yīng)肌肉產(chǎn)生關(guān)節(jié)主動力矩，從而達到間接控制關(guān)節(jié)角度的目的。控制器的輸入為預(yù)期輸入角度與實際輸出關(guān)節(jié)角度之間的瞬時誤差值，控制器的輸出即為施加在電刺激器上控制信號。電刺激器在接收到雙通道的輸入控制信號之后，輸出為雙通道的電脈沖信號，分別施加在腕伸肌和腕屈肌上。

1.2實驗平臺搭建

1.2.1硬件平臺構(gòu)成

如圖1所示的系統(tǒng)總體框架，系統(tǒng)硬件主要包括：電刺激器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集反饋系統(tǒng)、PC信號輸出板卡等。

1)電刺激器系統(tǒng)：本系統(tǒng)采用的功能性電刺激器為產(chǎn)自瑞士的Compex MotionⅡ電刺激器。在所設(shè)計的FES抑制震顫系統(tǒng)中，把電刺激的相關(guān)參數(shù)設(shè)定為脈沖頻率為25 Hz，脈寬為300 μs，脈沖幅值在0～15 mA之間，其中脈沖幅值是被控量，由控制器自動調(diào)節(jié)。控制器的模式程序存儲在寫有Tremor標簽的內(nèi)存卡中。電刺激器在本套系統(tǒng)中的作用相當于控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器。它的輸入為PC處理角度信號之后的控制信號，輸出為分別施加在前臂腕伸肌和腕屈肌兩塊肌肉上的電刺激脈沖。

2)數(shù)據(jù)采集反饋系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集反饋系統(tǒng)采用的是英國Biometrics公司的多功能生理信號采集儀，型號為BIOM-Datalog-PS900。在這套系統(tǒng)中，主要使用的是角度傳感器(SG65)測量腕關(guān)節(jié)震顫角度，以及肌電傳感器測量前臂腕伸肌和腕屈肌兩塊肌肉在腕關(guān)節(jié)震顫時的肌電信號。所有采集到的數(shù)據(jù)均可通過系統(tǒng)配套的軟件Biometrics DataLog實時顯示并作后續(xù)分析。Biometrics多功能數(shù)據(jù)采集儀在本套系統(tǒng)中的作用相當于控制系統(tǒng)中的反饋環(huán)節(jié)。它的輸入輸出均為實時采集到的腕關(guān)節(jié)角度變化數(shù)據(jù)或前臂相應(yīng)肌肉的肌電信號。

3)PC控制信號輸出板卡：該器件的作用為輸出PC處理后的控制信號給電刺激器，采用的是研華公司的PCI-1727U板卡。該板卡是一塊帶通用PCI插槽，可提供12路14位模擬輸出量。其配套帶有一根長1 m的20針扁平電纜和一個可導(dǎo)軌安裝的DB-37接線端子ADAM-3937。通過接線端子引出兩個帶3.5 mm Audio 接頭的信號線，即可把PC機處理輸出的控制信號傳遞給電刺激器，以實現(xiàn)PC實時控制電刺激器輸出的電脈沖幅值。在FES抑制震顫系統(tǒng)中使用的編譯開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2010中的Visual C#。它提供相應(yīng)的.dll動態(tài)鏈接庫，簡化了用戶對其的操作控制。用戶在添加相應(yīng)動態(tài)鏈接庫之后，即可直接調(diào)用相關(guān)函數(shù)輸出控制信號。本系統(tǒng)中，該板卡的作用主要是接收Biometrics采集到的角度數(shù)據(jù)，并輸出控制信號給Compex MotionⅡ電刺激器。

1.2.2控制軟件系統(tǒng)

本系統(tǒng)所采用的主要儀器分屬不同公司，我們采用基于.NET的C#語言開發(fā)第三方軟件完成統(tǒng)一的硬件接口，進而實現(xiàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及輸出。主要功能包括兩個方面：一為輸出特定的模擬控制信號，從而使Compex MotionⅡ電刺激器產(chǎn)生特定的電刺激脈沖波形(如不同幅值/頻率的正弦波、恒定幅值/頻率的方波等)。該功能主要用來前期給實驗受試者尋找準確的相關(guān)肌肉，確定合適的刺激參數(shù)，此時相當于開環(huán)控制模式；二為接收Biometrics采集到的角度數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理過后，調(diào)用PCI-1727U板卡輸出相應(yīng)的控制信號給電刺激器，使之產(chǎn)生相應(yīng)的刺激波形，刺激手臂肌肉來抑制腕關(guān)節(jié)的顫抖，此時相當于閉環(huán)控制模式。

系統(tǒng)的硬件平臺及軟件系統(tǒng)界面如圖2所示。圖中左上為電刺激器系統(tǒng)，右上為數(shù)據(jù)采集反饋系統(tǒng)，左下為PC控制信號輸出板卡，右下為控制軟件系統(tǒng)界面。

1.3實驗范式及過程

1.3.1抑制模擬震顫實驗

本系統(tǒng)共有5位正常受試者參與抑制模擬震顫實驗，其實驗平臺如圖3所示，受試者均知情同意。下面就其中某一例受試者實驗過程作相關(guān)說明。

首先要準確找好FES電極位置。把Biometrics角度傳感器貼于腕關(guān)節(jié)外側(cè)皮膚表面，用于給PC提供實時的腕關(guān)節(jié)角度反饋數(shù)據(jù)。實驗過程中，蒙住受試者雙眼，盡量降低受試者自主意識的影響，如圖3所示。實驗過程中受試者把手臂自然支撐于桌子上，全身處于放松狀態(tài)。

實驗初期，受試者憑借自己的感覺以一定頻率做手臂任意擺動動作。此時只打開角度儀測量腕關(guān)節(jié)角度。電刺激器處于關(guān)閉狀態(tài)，對受試者肌肉沒有任何刺激作用。具體實驗分為以下兩種情況：

實驗范式一：讓受試者一直自主保持一個較為平穩(wěn)、幅值不大的力矩做手腕的擺動動作，在受試者毫不知情的情況下打開電刺激器，使得系統(tǒng)閉環(huán)回路開始工作。PC機接收到反饋的角度數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理之后，通過PCI板卡輸送給電刺激器的兩個輸入控制端口input A和input B?？刂齐姶碳て鞯膬蓚€輸出通道以一定幅值一定相位交替刺激腕關(guān)節(jié)的伸肌和屈肌。

實驗范式二：閉環(huán)FES震顫抑制系統(tǒng)始終打開。在這種情況下，受試者起初以一個較大的足以克服電刺激產(chǎn)生的肌肉力矩的腕關(guān)節(jié)力矩做隨意擺動。在任意某一時刻或任意位置，受試者突然放松肌肉，不再施加主動力矩，而是完全聽從由電刺激產(chǎn)生的肌肉力矩控制。系統(tǒng)默認只有當腕關(guān)節(jié)在零點位置時，才表示震顫消失。由于受試者腕關(guān)節(jié)擺動停止的位置一般不在零點的平衡位置，因此閉環(huán)FES系統(tǒng)會產(chǎn)生相應(yīng)力矩促使受試者的腕關(guān)節(jié)回到平衡位置。只有當受試者跟隨電刺激的感覺使腕關(guān)節(jié)回到了平衡位置之后，手臂肌肉上的電刺激脈沖才會停止，否則，受試者將持續(xù)受到施加在肌肉上電刺激脈沖。

1.3.2抑制真實震顫實驗

在上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，對一例患者(女，44歲，患病0.5年，震顫頻率0.5 Hz，病因未知)進行了臨床實驗，受試者知情同意，實驗包括數(shù)據(jù)采集和震顫抑制兩個環(huán)節(jié)，如圖4所示?；颊甙Y狀屬于靜止性震顫，震顫主要集中在其左臂腕關(guān)節(jié)處。首先依次采集了患者在自然狀態(tài)下和握有負載狀態(tài)的腕關(guān)節(jié)角度信息和肌電信號。分析患者在握有負載情況下震顫角度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)負載下，腕關(guān)節(jié)震顫角度明顯比自然狀態(tài)下要小一些。

在分析患者的相關(guān)震顫數(shù)據(jù)之后，開始對其進行震顫抑制實驗。與在正常受試者身上抑制模擬震顫實驗一樣，首先需要利用開環(huán)FES實驗。通過不斷調(diào)整電極片的位置，準確尋找到腕關(guān)節(jié)相應(yīng)的伸肌和屈肌，找到合適的前臂肌肉位置之后，開啟閉環(huán)FES震顫抑制系統(tǒng)，對腕關(guān)節(jié)震顫抑制現(xiàn)象進行數(shù)據(jù)采集與分析。

2 結(jié)果

肌肉在參考輸入電刺激脈沖下產(chǎn)生的主動力矩信號大約為0.5 Hz頻率，而作為擾動的類震顫力矩信號為5 Hz頻率，如圖5所示，這分別代表系統(tǒng)工作原理圖中的預(yù)期低頻高幅自主運動信號和需要抑制的高頻低幅震顫信號。PID本質(zhì)上就是一個基于誤差調(diào)節(jié)的控制算法，通過設(shè)計PID控制器，反復(fù)整定調(diào)節(jié)合適的參數(shù)Kp、Ki、Kd，最終可以得到電刺激脈沖下肌肉產(chǎn)生的對抗震顫力矩，相當于把圖5中的擾動消除。最終，在Simulink平臺中采用PID算法考察抑制腕關(guān)節(jié)震顫效果，腕關(guān)節(jié)的角度輸出結(jié)果如圖6所示。

2.1仿真計算結(jié)果

圖6包含關(guān)閉FES和開啟FES兩個狀態(tài)。在第4s以前，自然情況下(未開啟FES)，腕關(guān)節(jié)角度為低頻高幅的自主運動和高頻低幅的震顫運動的結(jié)合。在第4s開啟PID閉環(huán)控制系統(tǒng)以后，腕關(guān)節(jié)輸出角度主要成分為低頻高幅的自主運動，而高頻低幅的震顫運動對系統(tǒng)輸出結(jié)果的影響很小。從仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)輸出對代表自主意向運動的輸入有較為良好的跟隨性。經(jīng)過多次參數(shù)的整定調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)的PID參數(shù)最終確定為比例增益Kp=5，積分增益Ki=1.5，微分增益Kd=0.3。誠然，這一組PID參數(shù)可能并不是適合于該系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)，通過反復(fù)修改調(diào)節(jié)，也許還可以找到更優(yōu)解。另外，具體PID參數(shù)的選擇也和肌骨模型的相關(guān)參數(shù)密切相關(guān)。在仿真環(huán)境中，所取的一組參數(shù)只是代表著一部分情況，不可能適用于所有受試者。在后續(xù)的抑制患者震顫臨床實驗中，也發(fā)現(xiàn)針對不同受試者，PID參數(shù)需要進行相應(yīng)調(diào)整才能達到較好的控制效果。

針對文中選用的肌骨系統(tǒng)參數(shù)[7]及相應(yīng)的PID控制器參數(shù)，可以得到如圖6所示的仿真結(jié)果，該結(jié)果表明系統(tǒng)對震顫幅度的抑制達到95%。另外，通過改變肌骨系統(tǒng)的某些參數(shù)，模擬了多個不同的受試者。只要合理地調(diào)整PID的參數(shù)，基本都能取得93%以上的抑震效果。通過仿真研究，認為PID控制算法用于腕關(guān)節(jié)單自由度抑制震顫是行之有效的。該控制器可以使系統(tǒng)輸出較好地跟隨預(yù)期輸入信號(自主運動)，同時對高頻震顫有良好的抑制效果，基本能實現(xiàn)在不影響自主運動的前提下最大程度地抑制震顫。

2.2實際實驗結(jié)果

2.2.1抑制模擬震顫

實驗范式一的結(jié)果如圖7所示。可以看出，在受試者毫不知情的情況下，于實驗開始大約第8 s時刻突然開啟閉環(huán)FES震顫抑制系統(tǒng)，其實驗的最終效果是：即使受試者有意一直保持一個恒定的擺動力矩，其腕關(guān)節(jié)擺動角度最終也會逐漸趨向于零點平衡位置，并在后續(xù)時刻持續(xù)穩(wěn)定在零點平衡位置附近。

實驗范式二的結(jié)果如圖8所示。腕關(guān)節(jié)在非零點的非平衡位置上時，會有相應(yīng)電刺激脈沖促腕關(guān)節(jié)自主回到平衡位置。當受試者關(guān)節(jié)回到平衡位置之后，其肌肉則不再感覺有電刺激脈沖了。此后受試者再重復(fù)之前的運動，使腕關(guān)節(jié)停擺在一個新的非平衡位置之上。實驗結(jié)果顯示，閉環(huán)FES震顫抑制系統(tǒng)依然會通過電刺激脈沖刺激相關(guān)肌肉，使其重新回到零點平衡位置。另外正常人想要產(chǎn)生頻率接近患者的模擬震顫，腕關(guān)節(jié)的角度幅值會很大，遠大于實際患者震顫的幅值。

2.2.2抑制真實震顫

在所設(shè)計的FES系統(tǒng)作用下，患者腕關(guān)節(jié)角度變化如圖9所示?？梢钥闯?，患者原始震顫角度為±5°，加入閉環(huán)FES震顫抑制系統(tǒng)后，震顫角度被抑制在±1°范圍內(nèi)，關(guān)閉FES系統(tǒng)，患者震顫角度又重新恢復(fù)為±5°范圍。經(jīng)計算，對靜止性震顫幅值產(chǎn)生了約為80%的抑制。

3 結(jié)論

本研究從仿真和實驗兩個層面出發(fā)，研發(fā)了一種用于抑制腕關(guān)節(jié)病理性震顫的功能性電刺激系統(tǒng)。實現(xiàn)了對人體腕關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)的實時采集，同時對前臂肌肉實時刺激，形成了一套閉環(huán)抑震控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在仿真層面上取得了對震顫信號的極大抑制且對自主運動極小影響的結(jié)果。在正常受試者和震顫患者上的測試也取得了滿意的效果。

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SuppressingPathologicalTremoronWristJointUsingFunctionalElectricalStimulation:SimulationandExperiment

YAO Peng1ZHANG Ding-Guo1*LIU Jian-Rong2

1(StateKeyLaboratoryofMechanicalSystemandVibration,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China)2(DepartmentofNeurology,RuijinHospital,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200250,China)

pathological tremor; tremor suppression; functional electrical stimulation; controller design; PID control

10.3969/j.issn.0258-8021. 2014. 03.017

2013-01-17， 錄用日期:2014-03-24

機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室項目(SKLRS-2012-ZD-04)

R318.08

D

0258-8021(2014) 03-0379-06

*通信作者(Corresponding author)，E-mail: dgzhang@sjtu.edu.cn