基于功能性电刺激原理的下肢康复系统设计①

付彦铭

(沈阳体育学院运动人体科学学院 辽宁沈阳 110102)

基于功能性电刺激原理的下肢康复系统设计①

付彦铭

(沈阳体育学院运动人体科学学院 辽宁沈阳 110102)

该文采用芬兰MEGAWIN ME6000十六通道肌电采集仪对10例正常人常态行走过程中下肢的主要肌肉进行肌电信号采集,采用Codamotion红外三维动作捕捉系统同步获取步态周期时空参数,分析常态行走周期中人体下肢前后肌群的肌肉电位变化特征,进一步分析相关肌肉的工作机制。同时分析左右侧下肢肌电特征的差异性,并根据其差异,基于FES技术原理,提出设计下肢康复系统的技术思路,为后期基于功能性电刺激原理的下肢康复系统的研发奠定理论基础。

FES 下肢 表面肌电 康复系统

表面肌电技术是一种安全、无创伤、快捷、没有任何不良反应的肌肉工作机能检测手段，其与运动学设备的同步使用也发展成为一种趋势，对人体基本运动、体育运动以及康复治疗的研究与评估具有极大的参考价值[1]。功能性电刺激是一种采用电刺激实现康复治疗的技术，以正常状态下的肌电信号为标准，对患侧施加相同的刺激顺序与强度，保证患侧肌群的正常工作，促进下肢康复[2-3]。采用表面肌电技术与三维动作捕捉运动学设备同步获取常人正常步态的时空参数与肌电参数，分析下肢肌群肌电动态变化特征和肌群的工作机制，对比分析左右侧下肢肌群的步态周期特征差异。基于FES原理，提出设计下肢康复系统的技术思路，为后期下肢康复系统的研发奠定理论与试验基础。

图1 下肢康复系统设计流程图

表1 测试对象步态周期时空参数(n=30)

表2 下肢各肌肉肌电振幅(μV)

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

该文选取非体育专业男性大学生为测试对象，均已了解并同意测试，最终经过筛选确定10名测试对象：年龄(22.30±1.06)岁，身高(177.05±3.42)cm，体重(83.07±2.11)kg 。下肢无损伤和手术史，可自然行走，关节活动度均正常，同时保证测试对象测试前5 h内未进行剧烈运动。

1.2 实验设备

采用Codamotion三维动作捕捉系统，包括Codamotion CX1装置2台、Marker24个及配套驱动6个、扩展Hub1台和MEGAWIN表面肌电测试系统。

1.3 测试流程

分别选取左右侧股直肌、左右侧股二头肌、左右侧胫骨前肌、左右侧腓肠肌内侧。在肌腹部位粘贴电极贴片2片，旁侧粘贴辅助电极片，三者呈等边三角形。用绷带捆绑固定，外侧粘贴Codamotion设备Marker点。每人行走5遍，选取其中3次较为成功的数据。

2 结果与分析

2.1 步态周期特征

表1是对10名测试对象的30次行走步态周期时空参数的统计结果。由数据可以看出，测试人员常速行走时的速度大约是1.15 m/s，步长在61cm，每分钟大约行走98步，每个步态周期人体呈站立相的时间大约为总时间的69.87%。进一步将步态周期分为4个阶段，即初始着地阶段、前掌接触阶段、整足接触阶段和脚掌离地阶段，所占比例依次为15.48%、17.29%、33.91%、33.31%。可见人体在行走过程中脚掌会快速着地以实现维持自身平衡。

2.2 步态各时相下肢肌肉肌电特征

2.2.1 步态周期原始肌电图特征

在完整的步态周期内，从8个频道至上而下肌肉顺序依次是：左侧股直肌、右侧股直肌、左侧股二头肌、右侧股二头肌、左侧胫骨前肌、右侧胫骨前肌、左侧腓肠肌内侧、右侧腓肠肌内侧。经测试，左右侧下肢各肌肉激发顺序呈现一静一动特征，一侧下肢肌电活动静息，另一侧则是活动的，左右侧下肢肌电变化呈交替活动。

2.2.2 不同时相肌电特征

通过对步态周期中不同时相每块肌肉的活动状态和时间节点分析得出：股直肌与股二头肌仅在站立相的着地初期以及摆动相的最终摆动时期处于活动状态，其他均处于静息状态。胫骨前肌在着地时期以及整个摆动相均处于活动状态，其他时期处于静息状态。腓肠肌内侧的状态恰好与胫骨前肌状态相反。

2.2.3 下肢肌肉肌电振幅值特征

从表2可以看出，左右侧下肢肌肉肌电振幅变化规律较为一致，均是腓肠肌内侧最大，其次是胫骨前肌、股二头肌和股直肌。股直肌与腓肠肌内侧的肌电振幅左侧下肢大于右侧下肢，股二头肌与胫骨前肌的肌电振幅左侧下肢小于右侧下肢。不过，左右侧下肢肌肉肌电振幅没有显著性差异，差异无统计学意义(P＞0.05)。

2.2.4 步态周期下肢肌肉积分肌电特征

测试对象在常速行走步态周期中，左右侧股直肌的积分肌电值具有显著性差异，差异有统计学意义(P ＜0.05)，两侧下肢肌肉的iEMG变化规律一直，均是腓肠肌内侧较大，其次是胫骨前肌、股二头肌和股直肌。左右侧下肢肌肉iEMG差异与肌电振幅基本一致，右侧下肢的股二头肌和胫骨前肌大于左侧下肢，左侧下肢的股直肌与腓肠肌内侧大于右侧下肢。

2.3 基于FES原理下肢康复系统设计

综合分析人体正常步态周期中下肢肌肉的肌电特征可以得出，左右侧下肢肌肉肌电特征差异较小，肌电振幅、iEMG与平均功率的变化特征较为一致。基于此通过控制下肢肌肉的肌电变化达到促进患侧腿康复、预防肌肉萎缩的目的[4-6]。具体设计流程如图1所示。

3 结论与建议

3.1 结论

左右侧下肢各肌肉激发顺序呈现一静一动交替特征。在步态周期中，腓肠肌在所测试的肌肉中电位活动最强。优势侧对下肢肌肉电位变化影响较小，左右侧下肢肌肉差异很小。

3.2 建议

人体下肢损伤后几乎丧失了运动能力，容易导致肌肉功能退化甚至萎缩。该研究通过步态周期下肢肌电测试得到左右侧下肢肌肉电位变化基本一致的结论，因此该文基于FES原理提出设计下肢康复系统的思路，为后期系统的研发打下基础，也为下肢运动损伤的康复治疗提供借鉴。

[1]王静，吴效明.基于表面肌电的步态分析[J].中国组织工程研究.2012(26)：4834-4840.

[2]游国清，燕铁斌，Christina WY HUI-CHAN.功能性电刺激改善脑卒中早期患者偏瘫下肢功能的随机对照研究[J].中国康复医学杂志，2007(10)：867-870.

[3]薛晶晶，燕铁斌，陈月桂，等.功能性电刺激对脑卒中患者体感诱发电位影响的信度研究[J].中国康复医学杂志，2007(10)：874-876.

[4]黄立男，陈宏伟，叶晓勤，等.经皮电神经刺激在机器人辅助上肢运动训练中对表面肌电信号的影响[J].中国康复医学杂志，2010(10)：963-969.

[5]陈丹凤，燕铁斌，黎冠东，等.多通道功能性电刺激对脑卒中患者下肢运动功能的影响[J].中国康复，2013(4)：289-291.

[6]李威，章荣，罗亚玲，等.步态诱发功能性电刺激改善痉挛型双瘫型脑瘫患儿下肢运动功能的疗效观察[J].中国康复医学杂志，2013(12)：1126-1130.

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

辽宁省体育局体育科研资助课题(2015lntyyb-32)，辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2015504)，辽宁省社科联与高校社科联合课题(lslgslhl-151)。