IEEE trans:结合功能性电刺激的全方位步态康复辅助平台研究

大约三分之二的中风幸存者有行走障碍。中风后的偏瘫通常以平衡受损、不对称的自主运动和严重的肌肉无力或瘫痪为特征。这些运动功能的改变严重损害了人的独立性水平，影响了他们的生活质量。辅助机器人结合功能性电刺激（FES）被提出作为脑卒中后早期下肢和步态康复的一种方法，近十年来，应用FES的康复机器人数量迅速增加。该领域的大部分工作都是开发跑步机与FES结合的装置。在使用跑步机疗法时，患者在步行速度、功能性步行能力、和下肢关节活动范围方面均有改善。此外，在中风康复中使用FES进行康复已被证明能有效地提高肌肉力量和运动功能。

就肌肉刺激而言，大多数可用于足部下垂治疗的FES系统是“开环”的，即刺激强度，即脉冲宽度和脉冲幅度的组合保持不变。开环FES的主要局限性在于，它不能使刺激强度适应剩余肌肉活动和痉挛的变化，这需要频繁地手动调整刺激参数。在这项研究中，提出通过改变FES脉冲宽度来实现闭环方法，以响应关节屈曲角度的变化。

刺激系统

在正常行走过程中，骨盆向前向后、侧对侧（侧向）和旋转运动可减少身体重心（COM）在垂直和水平方向上的运动，从而降低代谢成本和施加在下肢的机械功。另一方面，骨盆运动的限制会导致异常的肌肉激活和步态运动学，从而导致异常的步态模式。全方位移动平台由一个的轮式平台、一个骨盆和躯干安全带、一个用于BWS的线性驱动装置和一个用于控制的力/扭矩（F/T）传感器组成。控制的目的是部分消除由于平台机构的惯性和摩擦造成的运动阻力，从而使助行器对患者尝试的运动做出快速反应。在这项初步研究中，将落脚作为目标，因为它是中风患者普遍存在的缺陷，而且落脚矫正是中风康复的既定目标。

系统使用电池供电的FES装置（RehaStim，Hasomed GmbH，德国）在摆动阶段刺激踝关节背屈肌以纠正落脚刺激脉冲由35hz的双相方波组成。通过改变脉冲宽度来调节肌肉产生的力。这允许更精确的控制，并且比调制脉冲幅度需要更少的每脉冲电荷。FES控制采用类似于比例控制的方案，帮助患者达到期望的脚地夹角峰值。1例慢性脑卒中患者（女，57岁，体重59公斤，身高165厘米，卒中后19个月）右侧瘫痪，用本系统进行步态训练。她的脚下垂，右脚和脚踝背屈无力。患者在两周内用助行器和FES系统进行了五次步态训练。每个实验包括两个15分钟的不间断步行，步行者在FES的协助下进行。受试者沿着一条11米长的直线来回行走。步行期间允许休息5分钟。

系统流程图

对患者数据的分析显示，所有实验的步调和选定的步行速度相对于基线均有增加。对于每个实验，轻瘫侧和非轻瘫侧的步幅时间基本相同。不同侧之间在与摆动相对应的步态周期百分比上存在显著差异。就站姿与摆动比例而言，患者在机器人装置中行走时具有更大的时间对称性。在基线条件下，轻瘫侧在摆动阶段表现出严重的脚-地角度异常，其特征是大部分为负的角度值，这是落脚条件的证据。在基线检查时，足背跖屈角的轻瘫和非轻瘫轨迹均表现出严重的异常。这些异常随着步态训练的发展变化很大。在基线检查时，轻瘫足基本上只表现为足底屈曲。在步行者实验中，情况是相反的：脚角轨迹主要表现为背屈，这无疑是因为电刺激。在基线检查时，患者倾向于在步态周期的大部分时间内双膝弯曲行走，最大的弯曲角度出现在非瘫痪侧。通过步态训练，患者在轻瘫侧发展出类似于正常膝关节角度轨迹的东西，但在步态周期中，从站姿到摆动的过渡和弯曲角度峰值出现得比正常更早。在非轻瘫侧，结果是步态周期中膝关节屈曲逐渐消失。实验结果证明，FES系统在补偿关节运动缺陷方面被证明是有效的，同时，该研究强调了纠正非瘫痪侧步态异常的必要性，以及系统使用BWS的潜在价值。

F. Anaya-Reyes, A. Narayan, G. Aguirre-Ollinger, H. -J. Cheng and H. Yu, "An Omnidirectional Assistive Platform Integrated With Functional Electrical Stimulation for Gait Rehabilitation: A Case Study," in IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 28, no. 3, pp. 710-719, March 2020, doi: 10.1109/TNSRE.2020.2972008.