16533

16533

كنترل گام برداشتن در حالت تحمل وزن با استفاده از تحريك ميكروني نخاع

دكتري

الكترونيك

شهريور 1395

دكتر عباس عرفانيان اميدوار

برق

چكيده با آسيب ديدن نخاع، در اثر قطع ارتباط مغز و اعصاب محيطي، اندام‌هاي زير سطح ضايعه فلج مي‌شوند. تحريك الكتريكي عملكردي با تحريك مدار‌هاي عصبي سالم در زير سطح ضايعه مي‌تواند فعاليت را به اندام‌هاي ازكارافتاده در افراد دچار ضايعه نخاعي بازگرداند. تحريك ميكروني نخاع به‌عنوان يكي از روش‌هاي تحريك الكتريكي عملكردي با به‌كارگيري طبيعي فيبر‌هاي ماهيچه‌اي مي‌تواند حركت را با خستگي كم‌تر، جريان تحريك پايين‌تر و منحني به‌كارگيري با شيب خطي توليد كند. در پژوهش¬هاي مختلف نشان داده شده است كه مي ¬توان با تحريك ميكروني داخل نخاع حركت شبه‌گام برداشتن را ايجاد كرد؛ اما هنوز كنترل حلقه‌بسته تحريك ميكروني نخاع به‌عنوان يك چالش اصلي در اين زمينه مطرح است. هدف اصلي اين تحقيق كنترل حلقه‌بسته حركت با كنترل مستقل مفاصل اندام حركتي تحتاني رت از‌طريق تحريك ميكروني نخاع مي‌باشد. پارامترهاي تحريك مي‌توانند نقش موثري در كارايي حركت داشته باشند. در اين تحقيق تأثير پارامترهاي تحريك الكتريكي (عرض پالس، دامنه، فركانس) و استراتژي و روش تحريك (تحريك تك-الكترودي، تحريك چند الكترودي) بر حركت توليدي (تفكيك‌پذير‌ي، سرعت، خستگي) بررسي شده است. نتايج نشان مي‌دهد كه دامنه تحريك نسبت به عرض‌پالس اثر بيشتري بر گستره حركت توليدي دارد و همچنين شيب منحني به‌كارگيري نيز با افزايش دامنه تحريك افزايش مي‌يابد. نتايج نشان مي‌دهد كه تحريك‌هاي الكتريكي با دامنه تحريك كوچك فيبرهاي ماهيچه‌اي كند و كوچك را درگير مي‌كنند درحالي‌كه تحريك‌هاي الكتريكي با دامنه تحريك زياد فيبرهاي ماهيچه‌اي سريع و بزرگ را به‌كار مي‌گيرند. از مسائل مهم در كنترل حركت، تحريك انتخابي عضلات است. در اين تحقيق روشي مبتني بر تحريك چندالكترودي جهت تحريك انتخابي عضلات ارائه شده است. نتايج دلالت بر برتري تحريك چندالكترودي نسبت به تحريك تك‌الكترودي در گستره حركت، تفكيك پذيري، تكرارپذيري و خستگي دارد. براي كنترل حركت با تحريك چند-كاناله سه چهارچوب كنترلي ارائه شده است. كنترل‌كننده‌ فازي با تحريك چندكاناله نخاع در ساختارهاي مختلف نشان داده است كه مي‌توان با خطاي رديابي 1/7% مفصل قوزك را كنترل كرد. كنترل لغزشي به‌عنوان يك كنترل‌كننده مقاوم در برابر اعوجاج، خستگي و ساير عدم قطعيت‌ها ارائه شده است. اين كنترل‌كننده مي‌تواند با دقت رديابي 5/9% و 7/12% براي مفاصل قوزك و زانو اين دو مفصل را با تحريك چندكاناله حوضچه‌هاي موتوري آن‌ها و به‌طور هم‌زمان كنترل كند. خطاي رديابي با استراتژي تحريك چندكاناله نسبت به خطاي رديابي با استراتژي تحريك تك‌كاناله حدود 100% كاهش يافته است. همچنين در اين تحقيق يك پروتز عصبي-حركتي زيرجلدي 16 كاناله براي تحريك ماهيچه و نخاع طراحي و ساخته شده است. اين سيستم قادر است اطلاعات و توان را به‌صورت بي‌سيم از خارج بدن دريافت كند و تحريك الكتريكي را به‌صورت برخط و با تأخير كم‌تر از 100 ميلي‌ثانيه كنترل كند. اين سيستم مي‌تواند پالس‌هاي دوفازه تحريك با جريان تحريك 2 تا 360 ميكروآمپر، عرض پالس تحريك بزرگ‌تر از 4 ميكروثانيه و فركانس 1 تا 100 هرتز توليد نمايد. واژه‌هاي كليدي: تحريك الكتريكي عملكردي، تحريك ميكروني نخاع، تحريك چندالكترودي، كنترل فازي، كنترل لغزشي، پروتز عصبي-حركتي زيرجلدي

1395/11/17

1/1/1900 12:00:00 AM

Abstract Paralysis occurs after acute spinal cord injury due to interrupts in the communication link between the brain an​d peripheral nerves. Functional Electrical Stimulation (FES) utilizes artificial stimulation of motor nerves in individuals with spinal cord injury as a means of restoring function to their paralyzed muscles. Intraspinal microstimulation (ISMS) is a novel approach to FES that shows near normal recruitment order. ISMS can reduce fatigue, has low stimulation current an​d can produce linear recruitment curve. Different studies has shown the ability of ISMS in producing stepping like movement but closed-loop control of movement via ISMS yet has to be accomplished. The main goal of this study is the closed-loop control of movement by independent control of rat’s hindlimb joints. Besides the effect of stimulation parameters (pulse width (PW), current amplitude (PA), frequency) an​d stimulation strategy (single-electrode an​d multi-electrode stimulation) on movement characteristics (selectivity, range of motion, speed an​d fatigue) has been studied. The results shows that current amplitude has a bigger effect on range of motion an​d recruitment curve slope than pulse width. The results shows that electrical stimulation with lower PA activates small an​d slow muscle fibers while stimulation with higher PA activates large an​d fast muscle fibers. Selective muscle stimulation is an important issue in the control of movements. This study presents a method for selective stimulation of muscles based on multi-electrode stimulation. The results shows that multi-electrode stimulation of spinal cord can improve range of motion, selectivity, repeatability an​d fatigue. This study presents three control structures for control of movements based on multi-electrode stimulation. The tracking error was 7.1% for multi-electrode fuzzy control of ankle joint angle. Sliding mode control has been presented as a robust controller against uncertainties. The mean of tracking errors using multi-electrode sliding mode control were 9.5% an​d 12.7% for the ankle an​d knee joints, respectively. Tracking error for multi-electrode stimulation had 100% percent improvements over single-electrode stimulation. Also in this study a 16 channel implantable neuromuscular electrical stimulator also has been designed an​d fabricated. This system receive data an​d power from external module wirelessly an​d it can control stimulation parameters via PC o​r external module. Key Words: Functional Electrical Stimulation, Intraspinal microstimulation, multi-electrode stimulation, fuzzy control, sliding mode control, implantable neuromuscular stimulator