20594

۲۰۵۹۴

كنترل لغزشي سرعت و گشتاور ركابزني در افراد دچار ضايعه نخاعي به كمك تحريك الكتريكي عملكردي

كارشناسي ارشد

بيوالكتريك

۱۳۹۴-۱۳۹۸

۱۳۹۸/۱/۲۸

دكتر عباس عرفانيان اميدوار

برق

تحريك الكتريكي عملكردي با بيش از 50 سال پيشينه، يكي از شناخته‌شده‌ترين روش‌هاي استفاده شده به منظور درمان و بازتواني حركتي و عملكردي در افراد مبتلا به بيماري‌هاي مرتبط با نورون‌هاي حركتي بالايي است. تحريك الكتريكي عملكردي از پالس‌هايي با سطوح پايين به منظور ايجاد انقباض در ماهيچه‌هاي اندام آسيب‌ديده استفاده مي‌كند. ركاب¬زني مبتني بر تحريك الكتريكي عملكردي فوايد فيزيولوژيكي و رواني بسياري براي افراد مبتلا به ضايعه‌ي نخاعي دربردارد كه از جمله‌ي مهم‌ترين آن‌ها عبارت‌اند از: بهبود عملكرد قلبي-ريوي، افزايش گردش خون، حجم و قدرت ماهيچه و كاهش آتروفي ماهيچه‌هاي اسكلتي. نوآوري اصلي اين پروژه، ابداع روشي نوين مبتني بر ژاكوبين‌هاي انتقال گشتاور عضلات به ركاب تحت عنوان الگوي تحريك آزاد عضلات است كه در آن الگوي تحريك بهينه براي هر فرد به صورت اختصاصي استخراج شده و تحريك عضلات به صورت خودكار صورت مي‌گيرد و هم‌چنين عملكرد آن با روش متداول الگوي تحريك ثابت مقايسه شده است. در اين تحقيق براي اولين بار از كنترل‌كننده‌ي فراپيچشي با ضرايب تطبيقي كه به صورت هم‌زمان داراي مشخصات مقاوم بودن و تطبيقي بودن در برابر اغتشاشات و شرايط سيستم فيزيولوژيكي است، به منظور كنترل گشتاور توليدي توسط عضلات استفاده شده است. در كنار گشتاور توليدي عضلات، سرعت ركاب‌زني نيز به كمك يك موتور الكتريكي متصل به شفت دوچرخه كنترل شده است. در ابتدا عملكرد الگوهاي تحريك ثابت و آزاد عضلات و هم‌چنين كنترل‌كننده‌هاي PID، فراپيچشي و فراپيچشي با ضرايب تطبيقي بر روي مدل دوچرخه-بيمار مجازي و براي هر حالت در سه وضعيت نرمال، در نظر گرفتن خستگي عضلاني و اعمال اغتشاش خارجي پله‌اي مورد ارزيابي قرار گرفتند كه نتايج آزمايش‌هاي شبيه‌سازي، نشان از برتري الگوي تحريك آزاد و كنترل‌كننده فراپيچشي با ضرايب تطبيقي داشته است. در قسمت آزمايش‌هاي انساني، دو پروتكل كنترل سرعت پسيو ركاب‌زني و كنترل هم‌زمان سرعت و گشتاور ركاب‌زني به كمك تحريك الكتريكي عملكردي بر روي سه فرد پاراپلژيك مورد ارزيابي قرار گرفته‌اند. در پروتكل نخست، خطاي تعقيب براي كنترل‌كننده فراپيچشي با ضرايب تطبيقي 03/0±17/4% بوده است و هم‌چنين در پروتكل دوم خطاي كنترل گشتاور در حالت الگوي تحريك آزاد و كنترل‌كننده فراپيچشي با ضرايب تطبيقي 6/0±04/5% بوده است كه نشان از برتري روش پيشنهادي در قياس با ساير روش‌هاي بررسي شده در اين تحقيق دارد. واژه‌هاي كليدي: تحريك الكتريكي عملكردي، ركاب‌زني، كنترل‌كننده فراپيچشي با ضرايب تطبيقي، الگوي تحريك آزاد، افراد دچار ضايعه نخاعي

1398/03/18

Sliding Mode Control of Cycling Cadence and Torque in Paraplegics Using Functional Electrical Stimulation

4/17/2019 12:00:00 AM

Functional electrical stimulation (FES) with a history of more than 50 years, is one of the most commonly used techniques for therapy, function restoration and maintenance of vital functions in persons with upper motor neuron diseases. FES uses low-level electrical pulses to generate contractions in paralyzed muscles and achieve functional outcome in related joints. FES-cycling has demonstrated many physiological and psychological benefits for SCI patients. Improvements were reported in cardiovascular and pulmonary functions, peripheral circulation, muscle bulk, strength and reduced atrophy of skeletal muscles. The main novelty of this study is to propose a new Jacobian-based stimulation pattern named free pattern which is exclusive for each patient and its determination is thoroughly automatic. In this method, each muscle is stimulated related to crank angle so fatigue effect is minimized and cycling process would be more effective than previous approaches proposed in literature. In this study, adaptive gain super twisting algorithm (ASTW) which is simultaneously robust and adaptive against disturbances and physiological system conditions is used for the first time to control the generated torque of muscles. A dc motor which is connected to ergometer shaft is responsible to control the cycling cadence. At first, fixed and free stimulation patterns of muscle groups and control strategies (PID, STW and ASTW) were evaluated on virtual patient under three conditions of operation such as normal, fatigue effect and external disturbance. The simulation results demonstrate the privilege of free stimulation pattern and ASTW algorithm. Experimental results on three paraplegic subjects consisted of two separated protocols: passive cycling cadence control and simultaneous control of cycling cadence and torque using functional electrical stimulation (FES). Cadence tracking error using ASTW in first protocol was 4.17±0.03% and torque tracking error using free stimulation pattern and ASTW in second protocol was 5.04±0.6% which indicate the advantage of proposed method over other approaches. Keywords: Functional electrical stimulation (FES), cycling, adaptive gain super twisting controller, free pattern stimulation, paraplegics