基于功能性電刺激原理的下肢康復系統設計①

付彥銘

(沈陽體育學院運動人體科學學院 遼寧沈陽 110102)

基于功能性電刺激原理的下肢康復系統設計①

付彥銘

(沈陽體育學院運動人體科學學院 遼寧沈陽 110102)

該文采用芬蘭MEGAWIN ME6000十六通道肌電采集儀對10例正常人常態行走過程中下肢的主要肌肉進行肌電信號采集,采用Codamotion紅外三維動作捕捉系統同步獲取步態周期時空參數,分析常態行走周期中人體下肢前后肌群的肌肉電位變化特征,進一步分析相關肌肉的工作機制。同時分析左右側下肢肌電特征的差異性,并根據其差異,基于FES技術原理,提出設計下肢康復系統的技術思路,為后期基于功能性電刺激原理的下肢康復系統的研發奠定理論基礎。

FES 下肢 表面肌電 康復系統

表面肌電技術是一種安全、無創傷、快捷、沒有任何不良反應的肌肉工作機能檢測手段，其與運動學設備的同步使用也發展成為一種趨勢，對人體基本運動、體育運動以及康復治療的研究與評估具有極大的參考價值[1]。功能性電刺激是一種采用電刺激實現康復治療的技術，以正常狀態下的肌電信號為標準，對患側施加相同的刺激順序與強度，保證患側肌群的正常工作，促進下肢康復[2-3]。采用表面肌電技術與三維動作捕捉運動學設備同步獲取常人正常步態的時空參數與肌電參數，分析下肢肌群肌電動態變化特征和肌群的工作機制，對比分析左右側下肢肌群的步態周期特征差異?；贔ES原理，提出設計下肢康復系統的技術思路，為后期下肢康復系統的研發奠定理論與試驗基礎。

圖1 下肢康復系統設計流程圖

表1 測試對象步態周期時空參數(n=30)

表2 下肢各肌肉肌電振幅(μV)

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

該文選取非體育專業男性大學生為測試對象，均已了解并同意測試，最終經過篩選確定10名測試對象：年齡(22.30±1.06)歲，身高(177.05±3.42)cm，體重(83.07±2.11)kg 。下肢無損傷和手術史，可自然行走，關節活動度均正常，同時保證測試對象測試前5 h內未進行劇烈運動。

1.2 實驗設備

采用Codamotion三維動作捕捉系統，包括Codamotion CX1裝置2臺、Marker24個及配套驅動6個、擴展Hub1臺和MEGAWIN表面肌電測試系統。

1.3 測試流程

分別選取左右側股直肌、左右側股二頭肌、左右側脛骨前肌、左右側腓腸肌內側。在肌腹部位粘貼電極貼片2片，旁側粘貼輔助電極片，三者呈等邊三角形。用繃帶捆綁固定，外側粘貼Codamotion設備Marker點。每人行走5遍，選取其中3次較為成功的數據。

2 結果與分析

2.1 步態周期特征

表1是對10名測試對象的30次行走步態周期時空參數的統計結果。由數據可以看出，測試人員常速行走時的速度大約是1.15 m/s，步長在61cm，每分鐘大約行走98步，每個步態周期人體呈站立相的時間大約為總時間的69.87%。進一步將步態周期分為4個階段，即初始著地階段、前掌接觸階段、整足接觸階段和腳掌離地階段，所占比例依次為15.48%、17.29%、33.91%、33.31%?？梢娙梭w在行走過程中腳掌會快速著地以實現維持自身平衡。

2.2 步態各時相下肢肌肉肌電特征

2.2.1 步態周期原始肌電圖特征

在完整的步態周期內，從8個頻道至上而下肌肉順序依次是：左側股直肌、右側股直肌、左側股二頭肌、右側股二頭肌、左側脛骨前肌、右側脛骨前肌、左側腓腸肌內側、右側腓腸肌內側。經測試，左右側下肢各肌肉激發順序呈現一靜一動特征，一側下肢肌電活動靜息，另一側則是活動的，左右側下肢肌電變化呈交替活動。

2.2.2 不同時相肌電特征

通過對步態周期中不同時相每塊肌肉的活動狀態和時間節點分析得出：股直肌與股二頭肌僅在站立相的著地初期以及擺動相的最終擺動時期處于活動狀態，其他均處于靜息狀態。脛骨前肌在著地時期以及整個擺動相均處于活動狀態，其他時期處于靜息狀態。腓腸肌內側的狀態恰好與脛骨前肌狀態相反。

2.2.3 下肢肌肉肌電振幅值特征

從表2可以看出，左右側下肢肌肉肌電振幅變化規律較為一致，均是腓腸肌內側最大，其次是脛骨前肌、股二頭肌和股直肌。股直肌與腓腸肌內側的肌電振幅左側下肢大于右側下肢，股二頭肌與脛骨前肌的肌電振幅左側下肢小于右側下肢。不過，左右側下肢肌肉肌電振幅沒有顯著性差異，差異無統計學意義(P＞0.05)。

2.2.4 步態周期下肢肌肉積分肌電特征

測試對象在常速行走步態周期中，左右側股直肌的積分肌電值具有顯著性差異，差異有統計學意義(P ＜0.05)，兩側下肢肌肉的iEMG變化規律一直，均是腓腸肌內側較大，其次是脛骨前肌、股二頭肌和股直肌。左右側下肢肌肉iEMG差異與肌電振幅基本一致，右側下肢的股二頭肌和脛骨前肌大于左側下肢，左側下肢的股直肌與腓腸肌內側大于右側下肢。

2.3 基于FES原理下肢康復系統設計

綜合分析人體正常步態周期中下肢肌肉的肌電特征可以得出，左右側下肢肌肉肌電特征差異較小，肌電振幅、iEMG與平均功率的變化特征較為一致?；诖送ㄟ^控制下肢肌肉的肌電變化達到促進患側腿康復、預防肌肉萎縮的目的[4-6]。具體設計流程如圖1所示。

3 結論與建議

3.1 結論

左右側下肢各肌肉激發順序呈現一靜一動交替特征。在步態周期中，腓腸肌在所測試的肌肉中電位活動最強。優勢側對下肢肌肉電位變化影響較小，左右側下肢肌肉差異很小。

3.2 建議

人體下肢損傷后幾乎喪失了運動能力，容易導致肌肉功能退化甚至萎縮。該研究通過步態周期下肢肌電測試得到左右側下肢肌肉電位變化基本一致的結論，因此該文基于FES原理提出設計下肢康復系統的思路，為后期系統的研發打下基礎，也為下肢運動損傷的康復治療提供借鑒。

[1]王靜，吳效明.基于表面肌電的步態分析[J].中國組織工程研究.2012(26)：4834-4840.

[2]游國清，燕鐵斌，Christina WY HUI-CHAN.功能性電刺激改善腦卒中早期患者偏癱下肢功能的隨機對照研究[J].中國康復醫學雜志，2007(10)：867-870.

[3]薛晶晶，燕鐵斌，陳月桂，等.功能性電刺激對腦卒中患者體感誘發電位影響的信度研究[J].中國康復醫學雜志，2007(10)：874-876.

[4]黃立男，陳宏偉，葉曉勤，等.經皮電神經刺激在機器人輔助上肢運動訓練中對表面肌電信號的影響[J].中國康復醫學雜志，2010(10)：963-969.

[5]陳丹鳳，燕鐵斌，黎冠東，等.多通道功能性電刺激對腦卒中患者下肢運動功能的影響[J].中國康復，2013(4)：289-291.

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The Lower Limbs Rehabilitation System Design Based on the Principle of Functional Electrical Stimulation

Fu Yanming
(College of sports and Human Science,Shenyang Sport University, Shenyang Liaoning, 110102, China)

This paper use MEGAWIN ME6000 which has 16 channel electromyography collection device get 10 cases of normal walking lower limb on the muscles of the sEMG signal acquisition, adopts the Codamotion infrared 3 d motion capture system, get gait cycle time and space parameters at the same time, analysis of normal walking cycle of lower limb muscle group before and after muscle in the body potential variation characteristics, and further analysis related to the working mechanisms of muscle. At the same time, analysis of the differences between left and right side of the lower limb muscle electrical characteristics, and according to the difference. Based on the FES technology, puts forward some ideas about design the lower limb rehabilitation system, for the later of build the lower limb rehabilitation system and realize the function of electrical stimulation provides theory basis.

FES; Lower limbs; SEMG; Rehabilitation system

G80-32

A

2095-2813(2016)11(b)-0174-02

10.16655/j.cnki.2095-2813.2016.32.174

遼寧省體育局體育科研資助課題(2015lntyyb-32)，遼寧省教育廳科學研究一般項目(L2015504)，遼寧省社科聯與高校社科聯合課題(lslgslhl-151)。