[發明專利]功能性電刺激PID參數雙源特征融合微粒子群整定方法

有效

• 申請號: 201010184133.0
• 申請日: 2010-05-27
• 公開（公告）號: CN101816822A
• 公開（公告）日: 2010-09-01
• 發明（設計）人: 明東;張廣舉;邱爽;徐瑞;劉秀云;程龍龍;萬柏坤
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: A61N1/36
• 分類號: A61N1/36;A61H3/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

技術領域

本發明涉及以電脈沖刺激進行肢體康復的器械領域，尤其是功能性電刺激中PID參數的 雙源特征融合混沌微粒子群整定方法。

背景技術

功能性電刺激(Functional?Electrical?Stimulation，FES)是通過電流脈沖序列來刺 激肢體運動肌群及其外周神經，有效地恢復或重建截癱患者的部分運動功能的技術。據統計， 由于脊髓再生能力微弱，針對脊髓損傷癱瘓患者，目前尚未有可直接修復損傷的有效醫治方 法，實施功能康復訓練是一有效的措施。脊髓損傷癱瘓患者人數逐年增多，功能康復訓練是 亟待需求的技術。20世紀60年代，Liberson首次成功地利用電刺激腓神經矯正了偏癱患者 足下垂的步態，開創了功能性電刺激用于運動和感覺功能康復治療的新途徑。目前，FES已 經成為了恢復或重建截癱患者的部分運動功能，是重要的康復治療手段。然而，如何精密控 制FES的觸發時序和脈沖電流強度以保證電刺激作用效果能準確完成預定的功能動作仍是 FES的技術關鍵。據統計，目前FES的觸發控制的方式研究尚少，而且根據作用效果與預定 動作偏差，用閉環控制來自動調整FES刺激強度和時序參數，從而大大提高了FES系統的準 確性和穩定性，但是現在有效的控制方法仍然在探索之中。

柄反作用矢量(handle?reactions?vector，HRV)是根據步行器幫助下的站立及行走的 過程中，步行器提供給患者的效用實際上可以分為明確獨立的3個部分：前后向的力推進， 左右向的力平衡和上下向的力支持，這其實也可理解為患者為維持自身正常站立行走對外界 所需的附加力學訴求提出的新概念，即是患者在站立行走過程中對步行器的作用合成簡化為 集中載荷，分別用手柄中點橫截面形心處的兩個力學矢量來表示，如圖1所示，矢量在x，y， z軸上的方向分量合力大小可以分別表征患者借助步行器所獲得的力推進，力平衡和力支持 水平。其中，定義坐標系所設定的x軸正向為患者的右向，y軸正向為患者的前向，z軸正向 為患者的上向。這樣，HRV的定義公式也可以寫為：

[HRV]＝[HRV₁，HRV_r]^T＝[F_lx，F_ly，F_lz，F_rx，F_ry，F_rz]^T??????????????(1)

目前，HRV被廣泛地應用在監視在電刺激過程中病人行走時的狀況，繼而防止病人摔倒， 造成二次傷害。本專利提出利用此參數預測膝關節角度，繼而精密控制FES系統的電流水平 強度，保證電刺激作用效果能準確完成預定的功能動作，并且防止肌疲勞。

比例微積分(proportional-integral-differential，PID)是一種非常實用的反饋調節 算法，它根據系統檢測或操作偏差，利用比例、積分、微分運算獲得所需調節量以對系統進 行反饋控制，因其操作方便而廣泛用于工程實踐。尤其當被控系統特性參數不明確或難以及 時在線測定時，穩妥的閉環控制即可采用PID整定算法。面對肌肉的復雜性和時變性操作環 境，由于PID的穩定性好、工作可靠，目前仍在功能性電刺激領域得到了廣泛的應用。PID 核心技術是精密確定其中比例、積分、微分系數，尤其在FES領域，對系統穩定性要求極為 嚴格，所以對PID參數選擇尤為重要。PID控制要取得較好的控制效果，必須調整好比例、 積分和微分三種控制作用，形成控制量中既相互配合又相互制約的關系。

發明內容

為克服現有技術的不足，提供一種功能性電刺激中PID參數的雙源特征融合混沌微粒子 群整定方法，能夠準確穩定實時地控制FES系統地電流強度，有效地提高FES系統準確性和 穩定性，并獲得可觀的社會效益和經濟效益。為達到上述目的，本發明采用的技術方案是： 功能性電刺激中PID參數的雙源特征融合混沌微粒子群整定方法，包括：

首先，利用助行過程的柄反作用矢量HRV預測膝關節角度；