付彥銘

(沈陽(yáng)體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)學(xué)院 遼寧沈陽(yáng) 110102)

基于功能性電刺激原理的下肢康復(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)①

付彥銘

(沈陽(yáng)體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)學(xué)院 遼寧沈陽(yáng) 110102)

該文采用芬蘭MEGAWIN ME6000十六通道肌電采集儀對(duì)10例正常人常態(tài)行走過(guò)程中下肢的主要肌肉進(jìn)行肌電信號(hào)采集,采用Codamotion紅外三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)同步獲取步態(tài)周期時(shí)空參數(shù),分析常態(tài)行走周期中人體下肢前后肌群的肌肉電位變化特征,進(jìn)一步分析相關(guān)肌肉的工作機(jī)制。同時(shí)分析左右側(cè)下肢肌電特征的差異性,并根據(jù)其差異,基于FES技術(shù)原理,提出設(shè)計(jì)下肢康復(fù)系統(tǒng)的技術(shù)思路,為后期基于功能性電刺激原理的下肢康復(fù)系統(tǒng)的研發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。

FES 下肢 表面肌電 康復(fù)系統(tǒng)

表面肌電技術(shù)是一種安全、無(wú)創(chuàng)傷、快捷、沒(méi)有任何不良反應(yīng)的肌肉工作機(jī)能檢測(cè)手段，其與運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)備的同步使用也發(fā)展成為一種趨勢(shì)，對(duì)人體基本運(yùn)動(dòng)、體育運(yùn)動(dòng)以及康復(fù)治療的研究與評(píng)估具有極大的參考價(jià)值[1]。功能性電刺激是一種采用電刺激實(shí)現(xiàn)康復(fù)治療的技術(shù)，以正常狀態(tài)下的肌電信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)患側(cè)施加相同的刺激順序與強(qiáng)度，保證患側(cè)肌群的正常工作，促進(jìn)下肢康復(fù)[2-3]。采用表面肌電技術(shù)與三維動(dòng)作捕捉運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)備同步獲取常人正常步態(tài)的時(shí)空參數(shù)與肌電參數(shù)，分析下肢肌群肌電動(dòng)態(tài)變化特征和肌群的工作機(jī)制，對(duì)比分析左右側(cè)下肢肌群的步態(tài)周期特征差異?；贔ES原理，提出設(shè)計(jì)下肢康復(fù)系統(tǒng)的技術(shù)思路，為后期下肢康復(fù)系統(tǒng)的研發(fā)奠定理論與試驗(yàn)基礎(chǔ)。

圖1 下肢康復(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

表1 測(cè)試對(duì)象步態(tài)周期時(shí)空參數(shù)(n=30)

表2 下肢各肌肉肌電振幅(μV)

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

該文選取非體育專(zhuān)業(yè)男性大學(xué)生為測(cè)試對(duì)象，均已了解并同意測(cè)試，最終經(jīng)過(guò)篩選確定10名測(cè)試對(duì)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(wú)損傷和手術(shù)史，可自然行走，關(guān)節(jié)活動(dòng)度均正常，同時(shí)保證測(cè)試對(duì)象測(cè)試前5 h內(nèi)未進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用Codamotion三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，包括Codamotion CX1裝置2臺(tái)、Marker24個(gè)及配套驅(qū)動(dòng)6個(gè)、擴(kuò)展Hub1臺(tái)和MEGAWIN表面肌電測(cè)試系統(tǒng)。

1.3 測(cè)試流程

分別選取左右側(cè)股直肌、左右側(cè)股二頭肌、左右側(cè)脛骨前肌、左右側(cè)腓腸肌內(nèi)側(cè)。在肌腹部位粘貼電極貼片2片，旁側(cè)粘貼輔助電極片，三者呈等邊三角形。用繃帶捆綁固定，外側(cè)粘貼Codamotion設(shè)備Marker點(diǎn)。每人行走5遍，選取其中3次較為成功的數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 步態(tài)周期特征

表1是對(duì)10名測(cè)試對(duì)象的30次行走步態(tài)周期時(shí)空參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由數(shù)據(jù)可以看出，測(cè)試人員常速行走時(shí)的速度大約是1.15 m/s，步長(zhǎng)在61cm，每分鐘大約行走98步，每個(gè)步態(tài)周期人體呈站立相的時(shí)間大約為總時(shí)間的69.87%。進(jìn)一步將步態(tài)周期分為4個(gè)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?jiàn)人體在行走過(guò)程中腳掌會(huì)快速著地以實(shí)現(xiàn)維持自身平衡。

2.2 步態(tài)各時(shí)相下肢肌肉肌電特征

2.2.1 步態(tài)周期原始肌電圖特征

在完整的步態(tài)周期內(nèi)，從8個(gè)頻道至上而下肌肉順序依次是：左側(cè)股直肌、右側(cè)股直肌、左側(cè)股二頭肌、右側(cè)股二頭肌、左側(cè)脛骨前肌、右側(cè)脛骨前肌、左側(cè)腓腸肌內(nèi)側(cè)、右側(cè)腓腸肌內(nèi)側(cè)。經(jīng)測(cè)試，左右側(cè)下肢各肌肉激發(fā)順序呈現(xiàn)一靜一動(dòng)特征，一側(cè)下肢肌電活動(dòng)靜息，另一側(cè)則是活動(dòng)的，左右側(cè)下肢肌電變化呈交替活動(dòng)。

2.2.2 不同時(shí)相肌電特征

通過(guò)對(duì)步態(tài)周期中不同時(shí)相每塊肌肉的活動(dòng)狀態(tài)和時(shí)間節(jié)點(diǎn)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(dòng)相的最終擺動(dòng)時(shí)期處于活動(dòng)狀態(tài)，其他均處于靜息狀態(tài)。脛骨前肌在著地時(shí)期以及整個(gè)擺動(dòng)相均處于活動(dòng)狀態(tài)，其他時(shí)期處于靜息狀態(tài)。腓腸肌內(nèi)側(cè)的狀態(tài)恰好與脛骨前肌狀態(tài)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(cè)下肢肌肉肌電振幅變化規(guī)律較為一致，均是腓腸肌內(nèi)側(cè)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(nèi)側(cè)的肌電振幅左側(cè)下肢大于右側(cè)下肢，股二頭肌與脛骨前肌的肌電振幅左側(cè)下肢小于右側(cè)下肢。不過(guò)，左右側(cè)下肢肌肉肌電振幅沒(méi)有顯著性差異，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)。

2.2.4 步態(tài)周期下肢肌肉積分肌電特征

測(cè)試對(duì)象在常速行走步態(tài)周期中，左右側(cè)股直肌的積分肌電值具有顯著性差異，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P ＜0.05)，兩側(cè)下肢肌肉的iEMG變化規(guī)律一直，均是腓腸肌內(nèi)側(cè)較大，其次是脛骨前肌、股二頭肌和股直肌。左右側(cè)下肢肌肉iEMG差異與肌電振幅基本一致，右側(cè)下肢的股二頭肌和脛骨前肌大于左側(cè)下肢，左側(cè)下肢的股直肌與腓腸肌內(nèi)側(cè)大于右側(cè)下肢。

2.3 基于FES原理下肢康復(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合分析人體正常步態(tài)周期中下肢肌肉的肌電特征可以得出，左右側(cè)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。基于此通過(guò)控制下肢肌肉的肌電變化達(dá)到促進(jìn)患側(cè)腿康復(fù)、預(yù)防肌肉萎縮的目的[4-6]。具體設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

左右側(cè)下肢各肌肉激發(fā)順序呈現(xiàn)一靜一動(dòng)交替特征。在步態(tài)周期中，腓腸肌在所測(cè)試的肌肉中電位活動(dòng)最強(qiáng)。優(yōu)勢(shì)側(cè)對(duì)下肢肌肉電位變化影響較小，左右側(cè)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(yùn)動(dòng)能力，容易導(dǎo)致肌肉功能退化甚至萎縮。該研究通過(guò)步態(tài)周期下肢肌電測(cè)試得到左右側(cè)下肢肌肉電位變化基本一致的結(jié)論，因此該文基于FES原理提出設(shè)計(jì)下肢康復(fù)系統(tǒng)的思路，為后期系統(tǒng)的研發(fā)打下基礎(chǔ)，也為下肢運(yùn)動(dòng)損傷的康復(fù)治療提供借鑒。

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

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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(xué)研究一般項(xiàng)目(L2015504)，遼寧省社科聯(lián)與高校社科聯(lián)合課題(lslgslhl-151)。