基于透皮穴位电刺激的肢体运动功能重建方法与实验研究

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肢体残疾是所有残疾中发生率最高的一种。在所有肢残患者当中,有相当高的比例是因脊髓损伤导致的截瘫和脑卒中导致的偏瘫患者。为此,课题组提出了“微电子神经/肌电桥”的概念与方法进行瘫痪肢体的运动功能重建。  考虑到植入式刺激与体表刺激存在的不足之处,本论文提出了基于透皮穴位电刺激的瘫痪肢体运动功能重建方法,其实现思路是:以体表肌电探测电极采集健康肢体不同动作时的肌电信号,经“微电子肌电桥”系统进行信号处理后,将刺激信号施加到刺入人体特定穴位的针状电极上,从而实现瘫痪肢体运动功能重建的现场效果和功能恢复的长期效果。  本论文首先使用四棱形同心圆电极,以损脊蟾蜍为实验对象,进行了透皮电刺激下蟾蜍伸腿与缩腿动作刺激位点的探测实验。在蟾蜍下肢股外肌找到4个伸腿动作刺激位点,在半膜肌找到3个缩腿动作刺激位点,得到了小于2V的阈值电压。  接着,进行了基于八通道信号处理系统与MENB-Ⅱ-02型瘫痪肢体运动功能重建仪的人体体表肌电信号实时控制蟾蜍伸腿与缩腿运动实验。采用体表电极作为肌电信号探测电极,以四棱形同心圆电极作为刺激电极,开展透皮电刺激下的瘫痪肢体运动控制实验,初步证明了以透皮电刺激方式和“微电子肌电桥”技术实现瘫痪肢体运动功能重建的可行性。  随后,在以透皮电刺激方式实现了损脊蟾蜍运动功能重建的基础上,开展了透皮电刺激下肢体运动时电刺激参数的特性实验。分别进行了刺激信号脉宽与刺激信号频率两种参数的特性实验。对刺激信号脉宽,采用肢体受到电刺激后的运动情况为指标进行评价,实验结果表明,在脉宽为50-300μs的刺激信号作用下,刺激信号的脉宽越小所需要的阈值电压越大,在刺激脉宽小于150μs范围内运动阈值在以电压作用量(电压与脉宽之积)表示时基本为常数,在刺激脉宽大于150μs后,阈值电压趋于不变。对刺激信号频率,通过对肢体(受到电刺激后)运动时的针电极肌电信号进行分析来评价刺激频率对于肢体运动状态的影响,实验结果表明10-80Hz刺激信号作用下,其肌电信号的积分肌电值(iEMG)与均方根值(RMS)存在显著性的差异,在刺激信号频率Hz值为60时,iEMG与RMS存在最大值,之后呈现减小趋势,其原因可能是由于肌肉在相对高频刺激后产生肌肉疲劳效应所致。所以考虑在实际应用中刺激信号频率的选取范围在30-60Hz之间。  最后,开展了基于骨度折量定位法和小面积体表电极的人体腕伸动作刺激位点的探测实验以及不同尺寸体表刺激电极的敏感度差异实验。在位点探测实验中,统一采用1.5cm×1.5cm的小面积无纺布自粘附体表刺激电极,对5名志愿者进行了腕伸动作刺激位点的探测,并采用骨度折量定位法对位点进行定位,实验结果显示,腕伸动作刺激位点位于人体手阳明大肠经上的手三里和上廉穴。在不同尺寸体表刺激电极的灵敏度差异实验中,所用电极尺寸分别为1.5cm×1.5cm、2cm×2cm、3cm×3cm和4cm×4cm,采用最小腕伸动作时阈值电流的方法对不同尺寸体表刺激电极的灵敏度进行初评,结果显示电极尺寸越小,产生可见腕伸动作的阈值电流越小。
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