[发明专利]功能性电刺激中PID参数的双源特征融合蚁群整定方法

说明书

技术领域

本发明涉及以电脉冲刺激进行肢体康复的器械领域，尤其是功能性电刺激中PID参数的双源特征融合蚁群整定方法。

背景技术

功能性电刺激(Functional Electrical Stimulation，FES)是通过电流脉冲序列来刺激肢体运动肌群及其外周神经，有效地恢复或重建截瘫患者的部分运动功能的技术。据统计，由于脊髓再生能力微弱，针对脊髓损伤瘫痪患者，目前尚未有可直接修复损伤的有效医治方法，实施功能康复训练是一有效的措施。脊髓损伤瘫痪患者人数逐年增多，功能康复训练是亟待需求的技术。20世纪60年代，Liberson首次成功地利用电刺激腓神经矫正了偏瘫患者足下垂的步态，开创了功能性电刺激用于运动和感觉功能康复治疗的新途径。目前，FES已经成为了恢复或重建截瘫患者的部分运动功能，是重要的康复治疗手段。然而，如何精密控制FES的触发时序和脉冲电流强度以保证电刺激作用效果能准确完成预定的功能动作仍是FES的技术关键。据统计，目前FES的触发控制的方式研究尚少，而且根据作用效果与预定动作偏差，用闭环控制来自动调整FES刺激强度和时序参数，从而大大提高了FES系统的准确性和稳定性，但是现在有效的控制方法仍然在探索之中。

柄反作用矢量(handle reactions vector，HRV)是根据步行器帮助下的站立及行走的过程中，步行器提供给患者的效用实际上可以分为明确独立的3个部分：前后向的力推进，左右向的力平衡和上下向的力支持，这其实也可理解为患者为维持自身正常站立行走对外界所需的附加力学诉求提出的新概念，即是患者在站立行走过程中对步行器的作用合成简化为集中载荷，分别用手柄中点横截面形心处的两个力学矢量来表示，如图1所示，矢量在x，y，z轴上的方向分量合力大小可以分别表征患者借助步行器所获得的力推进，力平衡和力支持水平。其中，定义坐标系所设定的x轴正向为患者的右向，y轴正向为患者的前向，z轴正向为患者的上向。这样，HRV的定义公式也可以写为：

[HRV]＝[HRV₁，HRV_r]^T＝[F_lx，F_ly，F_lz，F_rx，F_ry，F_rz]^T                   (1)

目前，HRV被广泛地应用在监视在电刺激过程中病人行走时的状况，继而防止病人摔倒，造成二次伤害。本专利提出利用此参数预测膝关节角度，继而精密控制FES系统的电流水平强度，保证电刺激作用效果能准确完成预定的功能动作，并且防止肌疲劳。

比例微积分(proportional-integral-differential，PID)是一种非常实用的反馈调节算法，它根据系统检测或操作偏差，利用比例、积分、微分运算获得所需调节量以对系统进行反馈控制，因其操作方便而广泛用于工程实践。尤其当被控系统特性参数不明确或难以及时在线测定时，稳妥的闭环控制即可采用PID整定算法。面对肌肉的复杂性和时变性操作环境，由于PID的稳定性好、工作可靠，目前仍在功能性电刺激领域得到了广泛的应用。PID核心技术是精密确定其中比例、积分、微分系数，尤其在FES领域，对系统稳定性要求极为严格，所以对PID参数选择尤为重要。PID控制要取得较好的控制效果，必须调整好比例、积分和微分三种控制作用，形成控制量中既相互配合又相互制约的关系。

发明内容

为克服现有技术的不足，提供一种功能性电刺激中PID参数的双源特征融合蚁群整定方法，能够准确稳定实时地控制FES系统地电流强度，有效地提高FES系统准确性和稳定性，并获得可观的社会效益和经济效益。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：功能性电刺激中PID参数的双源特征融合蚁群整定方法，包括下列步骤：

首先，利用助行过程的肌肉模型HRV预测膝关节角度；

其次，利用蚁群算法整定PID参数，实时调控FES电流水平强度，其整定流程为：首