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Funktionelle Elektrostimulation FES-Fahrradfahren Gang ... · PDF fileFunktionelle Elektrostimulation FES-Fahrradfahren Gangtraining Fallfuß EMG-geregelte El ektrostimulation Zusammenfassung

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  • Funktionelle Elektrostimulation nachSchlaganfall und Querschnittlhmung

    Thomas Schauer1,2, Holger Nahrstaedt1, Nils-Otto Negrd2 undJrg Raisch1,2

    1 Fachgebiet RegelungssystemeTechnische Universitt [email protected]

    2Fachgruppe System- und RegelungstheorieMax-Planck-Institut fr Dynamik komplexer technischer Systeme

    Funktionelle Elektrostimulation FES-Fahrradfahren Gangtraining Fallfu EMG-geregelte Elektrostimulation Zusammenfassung

    Gliederung

    1 Grundlagen der Funktionellen Elektrostimulation

    2 FES-Fahrradfahren mit Motoruntersttzung

    3 FES-untersttztes Gangtraining mittels Interialsensoren

    4 Iterativ Lernende Regelung eines Fallfustimulators

    5 Elektromyographie-geregelte Elektrostimulation

    6 Zusammenfassung

    Funktionelle Elektrostimulation FES-Fahrradfahren Gangtraining Fallfu EMG-geregelte Elektrostimulation Zusammenfassung

    Gliederung

    1 Grundlagen der Funktionellen Elektrostimulation

    2 FES-Fahrradfahren mit Motoruntersttzung

    3 FES-untersttztes Gangtraining mittels Interialsensoren

    4 Iterativ Lernende Regelung eines Fallfustimulators

    5 Elektromyographie-geregelte Elektrostimulation

    6 Zusammenfassung

    Funktionelle Elektrostimulation FES-Fahrradfahren Gangtraining Fallfu EMG-geregelte Elektrostimulation Zusammenfassung

    Funktionsweise von Neuroprothesen

    Regler

    StimulatorRckenmarkverletzung

    Sensorinformation

    elektrische Impulse

    Referenztrajektorie

    berwachung

    Goniometer

    (Gelenkwinkel)+

    sensorischer Nerv

    motorischer Nerv

    ZNS

    Zeit

    Impulsbreite

    1/Frequenz

    Stromstrke(0...127 mA)

    (0...500 us)

    Frequenz: 20...100 Hz

    Modulation der Kraft ber Impulsladung (Impulsbreite Hhe)oder Stimulationsfrequenz

    Anwendungen

    Fahrradfahren

    Gehen

    Rudern

    Greifen

    Voraussetzungen

    Intaktes unteresMotoneuron

    Tolerierung derStimulation

    Funktionelle Elektrostimulation FES-Fahrradfahren Gangtraining Fallfu EMG-geregelte Elektrostimulation Zusammenfassung

    Medizinischer Nutzen und Probleme bei derklinischen Umsetzung

    Allgemeiner Nutzen

    Herz-Kreislauf-Training

    Muskelaufbau, Belastung der Knochen

    Strkere Durchblutung und dadurchRckgang der Hufigkeit vonDruckgeschwren

    Verbesserungen in Darm- undBlasenfunktion

    Verbesserung der Insulinempfindlichkeit

    Erhhtes Wohlbefinden des Patienten

    Verringerung von Spastik

    Probleme

    Muskelermdung

    geringe Anzahl vonStimulationskanlen

    ungenaueMuskelaktivierung

    hoher Zeitaufwand

    Interaktion vonPatient undStimulation

    Nutzen bei teilweiser Lhmung

    Motorische Rehabilitation auf Grund der Plastizitt des Gehirns

    Funktionelle Elektrostimulation FES-Fahrradfahren Gangtraining Fallfu EMG-geregelte Elektrostimulation Zusammenfassung

    Lhmungserscheinungen nach Schlaganfall undQuerschnittlhmung

    Sensibilittszonen nachRckenmarksegment

    Wernicke-Mann-Gangbild nachSchlaganfall (Hemiplegie / Spastik)

  • Funktionelle Elektrostimulation FES-Fahrradfahren Gangtraining Fallfu EMG-geregelte Elektrostimulation Zusammenfassung

    Beispiel Knieregelung: Vorgehen

    Experimentelle Systemidentifikation und Reglerentwurf

    controller

    identification & controller design

    closed-looptracking anddisturbancerejection tests

    open-loopPRBS tests

    pulsewidth

    angle

    angle

    referenceangle

    pulsewidth

    Funktionelle Elektrostimulation FES-Fahrradfahren Gangtraining Fallfu EMG-geregelte Elektrostimulation Zusammenfassung

    Beispiel Knieregelung: Systemidentifikation

    10 12 14 16 18 20100

    200

    300

    400

    500

    10 12 14 16 18 20100

    120

    140

    160

    1

    2

    3

    2

    3

    1

    measured angle

    output of estimated models

    Time [sec]

    Ang

    le[d

    egre

    e]P

    ulse

    wid

    th[

    s]

    output data

    input data

    Einfache linearezeitdiskrete bertra-gungsfunktionen alsModelle

    Identifikation anverschiedenenArbeitspunkten

    Keine Erfassung derErmdung

    Funktionelle Elektrostimulation FES-Fahrradfahren Gangtraining Fallfu EMG-geregelte Elektrostimulation Zusammenfassung

    Beispiel Knieregelung: Folgeregelung

    0 20 40 60 80 100110

    120

    130

    140

    150

    0 20 40 60 80 1000

    100

    200

    300

    400

    500

    Time [sec]

    Ang

    le[d

    egre

    e]P

    ulse

    wid

    th[

    s]

    measured angle, desired angle

    Funktionelle Elektrostimulation FES-Fahrradfahren Gangtraining Fallfu EMG-geregelte Elektrostimulation Zusammenfassung

    Beispiel Knieregelung: Strgrenausregelung

    15 20 25 30 35 40110

    120

    130

    140

    150

    160

    15 20 25 30 35 40300

    350

    400

    450

    500

    Ang

    le[d

    egre

    e]P

    ulse

    wid

    th[

    s]

    measured angle, desired angle

    stimulation intensity

    lifting up the leg

    pushing down the shank spasm

    Time [sec]

    Funktionelle Elektrostimulation FES-Fahrradfahren Gangtraining Fallfu EMG-geregelte Elektrostimulation Zusammenfassung

    Besonderheiten der Physiologie knstlichaktivierter Muskeln

    Muskelfasertypen

    Slow-twitch-Fasern Fast-twitch-Fasern(rote Muskeln, Typ I) (weie Muskeln, Typ II)

    viel Myoglobin und Mitochondrien arm an Myoglobin und Mitochon-drien

    Energie durch aerobe Stoffwech-selvorgnge (oxidative)

    Energie vorwiegend durch anaerobeStoffwechelvorgnge

    langsame, tonische Kontraktionen schnelle, phasische Kontraktionenermdungsresistent rasche Ermdungbei Muskeln mit HaltefunktionNervenfasern mit kleinerem Durch-messer und hherer Reizschwelle

    Nervenfaser mit grerem Durch-messer und kleinerer Reizschwelle

    Intermedirtypfasern vernachlssigt

    Funktionelle Elektrostimulation FES-Fahrradfahren Gangtraining Fallfu EMG-geregelte Elektrostimulation Zusammenfassung

    Normales physiologisches Aktivierungsmusterund Aktivierungsmuster bei FES

    physiologisches Aktivierungsmuster

    Aktivierungsmuster bei FESmit Hautlelektroden

    Zeitpunkt 1:niedrigesAktivierungsniveau

    Zeitpunkt 2:niedrigesAktivierungsniveau

    Zeitpunkt 3:hohes Aktivierungsniveau

    Typ IFaser

    Typ IIFaser

  • Funktionelle Elektrostimulation FES-Fahrradfahren Gangtraining Fallfu EMG-geregelte Elektrostimulation Zusammenfassung

    Rekruitierungsverhalten motorischer Einheiten beiFES mit Oberflchenelektroden

    Typ IIFaser

    Typ IFaser

    Typ IIFaser

    Typ IFaser

    rekr

    utie

    rte

    mot

    oris

    che

    Ein

    heite

    n

    Reizintensitt

    Reizintensitt

    SttigungReizschwelle

    Motorische Einheit: -Motoneuron und alle Muskelfasern, die esinnerviert.

    Funktionelle Elektrostimulation FES-Fahrradfahren Gangtraining Fallfu EMG-geregelte Elektrostimulation Zusammenfassung

    Forschungsthemen

    V1A

    I1A

    V2A

    I2A V2A I2A

    M. sternocleidomastoideusSchildkorpelkante

    Stimulation

    electrodes

    Voltage

    electrodes

    for bioimpedance

    electrodes

    for bioimpedance

    Current

    Laufband

    Miniaturinertialsensor

    Gewichtsentlastung

    am Schuh

    VisuelleWahrnehmung

    Motorische Nerven

    WillkrEMG

    Regelung

    Aufgabe

    NervenSensorische

    EMGMessungund Analyse

    Stimulation

    Grundlagen

    Regelungs-

    verfahren

    modellierung

    Muskel-

    Sensor-

    entwicklung

    Fahrradfahren mit funktioneller

    Elektrostimulation der Beinmuskulatur

    Elektromyographie-geregelte

    Elektrostimulation nach Schlaganfall

    Therapie und Diagnose

    neurologischer Schluckstorungen

    in der Gangrehabilitation

    - Intelligenter Fallfustimulator -

    Geregelte Elektrostimulation

    Endeffektor-basierte Reha-Robotik

    in der Gangtherapie nach Schlaganfall

    in Kombination mit elektrischer Stimulation

    gerate

    Stimulations-

    Messung des Gelenkwinkels

    uber Bioimpedanz

    Fallfustimulation mit

    Bioimpedanz-Analyse des Schluckens

    Funktionelle Elektrostimulation FES-Fahrradfahren Gangtraining Fallfu EMG-geregelte Elektrostimulation Zusammenfassung

    Gliederung

    1 Grundlagen der Funktionellen Elektrostimulation

    2 FES-Fahrradfahren mit Motoruntersttzung

    3 FES-untersttztes Gangtraining mittels Interialsensoren

    4 Iterativ Lernende Regelung eines Fallfustimulators

    5 Elektromyographie-geregelte Elektrostimulation

    6 Zusammenfassung

    Funktionelle Elektrostimulation FES-Fahrradfahren Gangtraining Fallfu EMG-geregelte Elektrostimulation Zusammenfassung

    GrundlagenM. quadriceps (Kniestrecker u. Hftbeuger)

    Hamstringmuskelgruppe(Kniebeugeru. Hftstrecker)

    (Hftstrecker)

    M. gluteus maximus

    0

    30

    6090

    120

    150

    180

    210

    240270

    300

    330

    QR

    QL

    HL

    GR

    HR

    GL

    Tre

    trich

    tung

    Geschw

    indigkeitskorrektur

    Kurbelwinkel

    Training fr Querschnittgelhmtenur ein Freiheitsgrad (Kurbelwinkel), stabiles SystemVereinfachung des Systems: einheitliche Impulsbreite (Stellgre) fr alleMuskeln, Amplitude und Frequenz fr jeden Muskel vorgegeben und konstant

    Regelgren: Trittgeschwindigkeit oder Antriebsmoment

    Funktionelle Elektrostimulation FES-Fahrradfahren Gangtraining Fallfu EMG-geregelte Elektrostimulation Zusammenfassung

    FES-Ergometer mit Hilfsmotor

    Daten - RehaMove

    8 Stimulationskanle

    basierend auf kommerziell erhltlichenErgometern