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

Funktionelle Elektrostimulation nachSchlaganfall und Querschnittlähmung

Thomas Schauer1,2, Holger Nahrstaedt1, Nils-Otto Negård2 undJörg Raisch1,2

1 Fachgebiet RegelungssystemeTechnische Universität [email protected]

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

Funktionelle Elektrostimulation FES-Fahrradfahren Gang training Fallfuß EMG-geregelte Elektrostimulation Zusam menfassung

Gliederung

1 Grundlagen der Funktionellen Elektrostimulation

2 FES-Fahrradfahren mit Motorunterstützung

3 FES-unterstütztes Gangtraining mittels Interialsensore n

4 Iterativ Lernende Regelung eines Fallfußstimulators

5 Elektromyographie-geregelte Elektrostimulation

6 Zusammenfassung

Funktionelle Elektrostimulation FES-Fahrradfahren Gangtraining Fallfuß EMG-geregelte El ektrostimulation Zusammenfassung

Gliederung






6 Zusammenfassung


Funktionsweise von Neuroprothesen

Regler

StimulatorRückenmarkverletzung

Sensorinformation

elektrische Impulse

Referenztrajektorie

Überwachung

Goniometer

(Gelenkwinkel)+

sensorischer Nerv

motorischer Nerv

ZNS

Zeit

Impulsbreite

1/Frequenz

Stromstärke(0...127 mA)

(0...500 us)

Frequenz: 20...100 Hz

Modulation der Kraft über Impulsladung (Impulsbreite × Höhe)

oder Stimulationsfrequenz

Anwendungen

Fahrradfahren

Gehen

Rudern

Greifen

Voraussetzungen

Intaktes unteresMotoneuron

Tolerierung derStimulation


Medizinischer Nutzen und Probleme bei derklinischen Umsetzung

Allgemeiner Nutzen

Herz-Kreislauf-Training

Muskelaufbau, Belastung der Knochen

Stärkere Durchblutung und dadurchRückgang der Häufigkeit vonDruckgeschwüren

Verbesserungen in Darm- undBlasenfunktion

Verbesserung der Insulinempfindlichkeit

Erhöhtes Wohlbefinden des Patienten

Verringerung von Spastik

Probleme

Muskelermüdung

geringe Anzahl vonStimulationskanälen

ungenaueMuskelaktivierung

hoher Zeitaufwand

Interaktion vonPatient undStimulation

Nutzen bei teilweiser Lähmung

Motorische Rehabilitation auf Grund der Plastizität des Gehirns


Lähmungserscheinungen nach Schlaganfall undQuerschnittlähmung

Sensibilitätszonen nachRückenmarksegment

Wernicke-Mann-Gangbild nachSchlaganfall (Hemiplegie / Spastik)


Beispiel Knieregelung: Vorgehen

Experimentelle Systemidentifikation und Reglerentwurf

controller

identification & controller design

closed-looptracking anddisturbancerejection tests

open-loopPRBS tests

pulsewidth

angle

angle

referenceangle

pulsewidth


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[µ

s]

output data

input data

Einfache linearezeitdiskrete Übertra-gungsfunktionen alsModelle

Identifikation anverschiedenenArbeitspunkten

Keine Erfassung derErmüdung


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[µ

s]

– measured angle, – desired angle


Beispiel Knieregelung: Störgrößenausregelung

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[µ

s]

– measured angle, – desired angle

stimulation intensity

lifting up the leg

pushing down the shank spasm

Time [sec]


Besonderheiten der Physiologie künstlichaktivierter Muskeln

Muskelfasertypen

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

viel Myoglobin und Mitochondrien arm an Myoglobin und Mitochon-drien

Energie durch aerobe Stoffwech-selvorgänge (oxidative)

Energie vorwiegend durch anaerobeStoffwechelvorgänge

langsame, tonische Kontraktionen schnelle, phasische Kontraktionenermüdungsresistent rasche Ermüdungbei Muskeln mit HaltefunktionNervenfasern mit kleinerem Durch-messer und höherer Reizschwelle

Nervenfaser mit größerem Durch-messer und kleinerer Reizschwelle

Intermediärtypfasern vernachlässigt


Normales physiologisches Aktivierungsmusterund Aktivierungsmuster bei FES

physiologisches Aktivierungsmuster

Aktivierungsmuster bei FESmit Hautlelektroden

Zeitpunkt 1:niedrigesAktivierungsniveau

Zeitpunkt 2:niedrigesAktivierungsniveau

Zeitpunkt 3:hohes Aktivierungsniveau

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

Typ I−Faser

Typ II−Faser


Rekruitierungsverhalten motorischer Einheiten beiFES mit Oberflächenelektroden

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

Typ II−Faser

Typ I−Faser

Typ II−Faser

Typ I−Faser

rekr

utie

rte

mot

oris

che

Ein

heite

n

Reizintensität

Reizintensität

SättigungReizschwelle

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


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

Willkür−EMG

Regelung

Aufgabe

NervenSensorische

EMG−Messungund 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 Fallfußstimulator -

Geregelte Elektrostimulation

Endeffektor-basierte Reha-Robotik

in der Gangtherapie nach Schlaganfall

in Kombination mit elektrischer Stimulation

gerate

Stimulations-

Messung des Gelenkwinkels

uber Bioimpedanz

Fallfußstimulation mit

Bioimpedanz-Analyse des Schluckens

Funktionelle Elektrostimulation FES-Fahrradfahren Gangtraining Fallfuß EMG-geregelte Elektrostimulation Z usammenfassung

Gliederung






6 Zusammenfassung


GrundlagenM. quadriceps (Kniestrecker u. Hüftbeuger)

Hamstring−muskelgruppe(Kniebeugeru. Hüftstrecker)

(Hüftstrecker)

M. gluteus maximus

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

QR

QL

HL

GR

HR

GL

Tre

trich

tung

Geschw

indigkeitskorrektur

Kurbel−winkel

Training für Querschnittgelähmtenur ein Freiheitsgrad (Kurbelwinkel), stabiles SystemVereinfachung des Systems: einheitliche Impulsbreite (Stellgröße) für alleMuskeln, Amplitude und Frequenz für jeden Muskel vorgegeben und konstant

Regelgrößen: Trittgeschwindigkeit oder Antriebsmoment


FES-Ergometer mit Hilfsmotor

Daten - RehaMove

8 Stimulationskanäle

basierend auf kommerziell erhältlichenErgometern

Unterstützung oder Hemmung derTrittbewegung durch den Motor

elektronische Schwungscheibe(Nachbildung eines großenTrägheitsmomentes)

verschiedene Betriebsarten

erweiterbar für die oberen Extremitätenbei Tetraplegikern

Verbundprojekt der HASOMED GmbH und des MPI Magdeburg; gefördert durch das

BMBF (Innomed/Innoregio)


Belastungsregelung

Momentenregler

Elektro-

stimulations-

ergometer

Stimulations-

intensitat

Stimulations-

intensitat

Trittgeschwindig-

keitsregler

Trittgeschwindig-

keitsregler

(Belastung)

Sollleistung

Momentenregler

Elektro-

stimulations-

ergometer

Trittgeschwindigkeit

Moment

Trittgeschwindigkeit

Moment

Isotonisches Training Isokinetisches Training

Motor

Sollleistung

(Belastung)

Sollgeschwindigkeit

Motor

Sollmoment

Sollgeschwindigkeit

Belastungsregelung

Leistung = Trittgeschwindigkeit × Kurbelmoment

Entkopplung der Regelkreise (verschiedene Bandbreiten)

Experimentelle Systemidentifikation und zeit-diskreter Reglerentwurf

LQG-Regelung der Trittgeschwindigkeit im isotonischen Fall(Schauer et al. (2002))

Adaptive Regelung des Antriebsmomentes im isokinetischen Fall(Schauer et al. (2005))


Interne Regelung des Hilfsmotors

Moment

controller

Cadence

controller

Ergometer

with

DC drive

ωTr

mTM

ωT

m m

m

m

γCc Cm

mr

mCr

MoI emulationMoment of Inertia

mFCr

−Ms sign(ωT)

mMoIr

Isotonisches Training

Regelgröße: Widerstandsmoment

Sollgeschwindigkeit ωTr = 0

Spezifikation des durch den Motoraufgebrachten mittlerenWiderstandmoments über m und Ms

Keine Unterstützung: m = 0

Isokinetisches Training

Regelgröße: Trittgeschwindigkeits

Sollgeschwindigkeit ωTr

Motor bremst oder unterstützt(4Q-Antrieb)

Genaue Momentenberechnungmöglich


Mobiles Fahrradfahren? - Pilotstudie

Southern General Hospital, Glasgow

Probanden und Methoden

3 komplett querschnittgelähmteProbanden (T6-T12)

Muskelaufbautraining für 4-8 Wochen

FES-Fahrradfahren einen Tag proWoche; tägliches Muskeltraining zuHause

Studiendauer: 18 Monate

Ergebnisse

1 Stunde Fahrradfahren auf demErgometer bei einer Leistung von10-20 W möglich

mobiles Fahrradfahren mit Streckenvon bis zu 4 km möglich


Praxistaugliche Umsetzung

RehaBike System (ohne Hilfsmotor)

Ein Hilfsmotor ist erforderlich, um auch bei Anstiegen und/oder Gegenwind sowie beistarker Muskelermüdung eine Fortbewegung zu ermöglichen.

⇓Regelstrategien zur gezielten Aufteilung der Last auf Beine und Motor


FES-Fahrradfahren zur Vorbereitung einesGangtrainings nach Schlaganfall

Vorteile

Verbesserung der Muskelkraft undAusdauer

Einprägen korrekterBewegungsmuster

Vorbeugung von Muskelschwund undSpastik

Probleme

Patienten können mit gesundem Beintreten → Störung der Symmetrie

Schlechte Tolerierung der Stimulation(große Elektroden + VariableFrequency Trains)

Spastische Reaktionen möglich

Kraft-sensoren

Ergometer MOTOmed

USB

USBStimulator

RS 232

Bluetooth

System

EMG-

Gleichstrommotor

Lösungsansätze

Erfassung der Symmetrie überKraftsensoren

Regelung der Symmetrie überStimulation beider Beine

Symmetrietraining mittels Biofeedback+ EMG-getriggerte Stimulation

Erkennung von Spastik- undFehlkoordinationen mittels Kraft- undEMG-messungen

Funktionelle Elektrostimulation FES-Fahrradfahren Gangtraining Fallfuß EMG-geregelte Elektrostimulation Zusammenfassu ng

Gliederung






6 Zusammenfassung


Motivation - Stand der Technik

Schlaganfall

ca. 250000 Fälle pro Jahr (D)

90 % mit motorischen Defiziten

75 % gehfähig

25 % nicht gehfähig (Rollstull oderbettlägrig)

Gangtherapie

wiederholtes Üben (>10000)

Laufbandtraining mitGewichtsentlastung

Elektrostimulation

FallfußstimulatorFußkontaktschalterHandschalter

Exoskeletons, Endeffektorgeräte


FES-unterstütztes Gangtraining mitIntertialsensoren

(e)(a)

(c)(b)

Electrical

usingstimulation

surfaceelectrodes

(d)

Harness support

DSP

Stimulator

USB

Inertial sensor

Treadmill

Verwendung der Sensoren zur

1 Gangphasenerkennung

2 Bewegungsanalyse

3 Regelung der Stimulation

Intertialsensorsystem

2 Miniatursensoren

Entwickelt von der HASOMED GmbHund dem Fraunhofer Institut fürFabrikbetrieb und -automatisierung

3 Beschleunigungssensoren und 3Gyroskope orthogonal angeordnet(Analog Devices)

DSP-Auswerteeinheit

Inertial sensor

yB

zB

xB


Gangphasenerkennung 1/2

Automat

Erkennung von 4 Gangphasen:Vorschwungphase, Schwungphase,Belastungsantwort und Standphase(Fußflachphase)

Transitionen sind logische Funktionender Beschleunigungen,Winkelgeschwindigkeiten undOrientierungen

Robuste Erkennung von Stand- undSchwungphase anhand derBeschleunigungssensoren undGyroskope

Erkennung von Gangereignissen (zumTeil Transitionen): Fersenablösung,Ablösen der Zehen vom Boden,Fersen-Boden-Kontakt, Fußsohle mitBodenkontakt

Stance

Loading

T3

Swing

T2

T6

T1 T4

T5

swingPre

response


Gangphasenerkennung 2/2

Validierung

12 Schlaganfallpatienten

Referenz:Fußdrucksohlenmesssystem

24

23

22

21

19

20

18

17 13

14

15

1612

11

107

8

9 6

5

3

4

1

2

76 78 80

Time [s]

Stance

Pre-swing

Swing

Load. res.


Schätzung von Orientierung und 3D-Raumkurve

Methoden

Orientierungsschätzung durchIntegration derWinkelgeschwindigkeiten

Indirekter Kalman-Filter für dasFehlermodell derOrientierungsschätzung

Vergleichsmessungen für dieOrientierung in den Standphasenanhand der statischenBeschleunigungswerte

Doppelintegration derBeschleunigungen zur Berechnungder 3D-Raumkurve

Berücksichtigung vonRandbedingungen bei der Integration

Ableitung von Bewegungsparameternaus der Raumkurve und derOrientierung des Fußes

45 46 47 48 49−0.2

00.20.40.6

45 46 47 48 49−0.05

00.050.1

Reference measurement Inertial sensor

x-po

sitio

n[m

]z-

posi

tion

[m]

Time [s]

Time [s]

ES of Hamstring

Foot clearance θmax

ES of Tibialis A.Hei

ght

Step length


Stimulationsmuster und Regelung der Intensität

1 114 11

2 134 21

2 32 314 31

2 334 4

SwingswingPre

Stance

Hamstrings

Tibialis anterior

Peroneal Nerve

Quadriceps

Gluteus maximus

Loading Response

Stimulationsmuster

20 25 30 35 40 450

10

20

30Winkel des Fusses gegenueber dem Boden

Win

kel [

deg]

linkes Beinrechtes Bein

20 25 30 35 40 450

100

200

300

Zeit [s]

Stimulationsintensitaet des M. tibialis anterior

Pul

sebr

eite

[µs]

Regelungsstrategie

Zyklische Anpassung der Stimulation nach jedem Schritt

SISO - Systeme (Eingang - Stimulationsintensität eines Kanals, Ausgang - einBewegungsparameter)

Annahme statischer Modelle→ gegebenenfalls Online-Schätzung derVerstärkung


Ergebnis eines Regelungsversuchs

50 100 150 200 25010

20

30

50 100 150 200 2500

100

200

300

Schrittindex

Schrittindex

Win

kel[◦ ]

Impu

lsbr

eite

[µs]

Maximale Fußhebung wahrend der Schwungphase

Stimulationsintensitat

IstwertSollwert


Zusammenfassung - Inertialsensoransatz

Inertialsensoransatz

+ Genaue Gangphasenerkennung

+ Informationen über Position und Ausrichtung des Sensors

+ Validierung mit Schlaganfallpatienten

− zu teuer

− weitere Miniaturisierung notwendig

Funktionelle Elektrostimulation FES-Fahrradfahren Gang training Fallfuß EMG-geregelte Elektrostimulation Zusammenfassung

Gliederung






6 Zusammenfassung


Gliederung






6 Zusammenfassung


Regelung der Elektrotherapie mittelsElektromyographie am stimulierten Muskel

Motivation

Wenig direkte Therapie für den Arm unddie Hand nach Schlaganfall

Eher Kompensationsmaßnahmen

Prinzip

Ausnutzung der Restwillkürmotorik

Erfassung über Elektromyographie (EMG)

EMG-geregelte Stimulationsintensität

Verstärkung schwacherBewegungsintentionen

Patient ⇒ Regler

Online SpastikerkennungEMG−Messung

und Analyse

Motorische Nerven

Sensorische Nerven

VisuelleWahrnehmung

Willkür−EMG

Regelung

Aufgabe

Stimulation

Trizeps

Bizeps

Problem

Erfassung des Willkür-Elektromyogramms während der Elektrostimulation


Elektromyogramm bei willkürlicher undkünstlicher Muskelaktivierung

Motor unitimpulserespones

Motor unitaction potentialtrains

Nerve impulsetrains

h1(t)

h1(t)Σ

Noise

Electrode andrecordingequipment

Spi

nalCor

d

SignalRecorded EMG

Vol

unta

ryCon

trat

ions

Recording side

hs−1(t)

hs(t)

Willkürliche Muskelaktivierung

Quasi-Rauschen (20-500 Hz)

Amplitude im µV Bereich

Motor unitimpulserespones

Motor unitaction potentialtrains

impulse trainsStimulated nerve

h1(t)

h1(t)

Noise

Σ

Electrode andrecordingequipment

Spi

nalCor

d

Ele

ctrica

llyev

oked

cont

ract

ion

Recorded EMGSignal

Recording side

hs(t)

hs−1(t)

Künstliche Muskelaktivierung

Deterministisches Signal (0-200 Hz)

Amplitude im mV Bereich

sogenannte M-Welle


Signalverarbeitung - Willküraktivität

M−waveStimulation artefact

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50−3000

−2000

−1000

0

1000

2000

3000Raw electromyogramSelected Window

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50−30

−20

−10

0

10

20

30

40

50Highpass filtered EMGRectified EMGAveraged (volitional) EMG

M−waveStimulation artefact

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50−3000

−2000

−1000

0

1000

2000

3000Raw electromyogramSelected Window

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50−30

−20

−10

0

10

20

30

40

50Highpass filtered EMGRectified EMGAveraged (volitional) EMG

Time [ms]

Time [ms]

Time [ms]

Time [ms]

EM

G[µ

V]

EM

G[µ

V]

(A) Stimulation period withstrong volitional activity

(B) Stimulation period withweak volitional activity

EM

G[µ

V]

EM

G[µ

V]


Beispiel - Handstreckung 1/2

A B

Electrical stimulator

Mute signal

Volitional EMG

EMG amplifier

and analyser


Beispiel - Handstreckung 2/2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18−50

−40

−30

−20

−10

0

10

20

Angle [deg]

0 2 4 6 8 10 12 14 16 180

2

4

6

8

10

12

14

16

Volitional EMG [uV]

Pulsewidth/10 [us]

Time [s]

Time [s]

Wris

t-jo

inta

ngle

[deg

]

Volitional extension on top of a stimulation

—V

oliti

onal

EM

G[µ

V]

—P

ulse

wid

th/1

0[µ

s]

Video


Klinisches Fallbeispiel und weitere Umsetzung

Fallbeispiel

Video Patient

Klinische Untersuchungen

In Zusammenarbeit mit der CharitéUniversitätsmedizin Berlin(Prof. Dr.-med. Stefan Hesse)

Geräteentwicklung

Im Rahmes eines BMBFVerbundprojektes zur Kombination vonelektrischer Stimulation mitendeffektorbasierter Reha-Robotik(Fraunhofer IPK, Charité,HASOMED GmbH, TU Berlin)

Gerät mit 4 Stimulationskanälen und 2EMG-Kanälen

Integriete EMG- undStimulationselektroden


Gliederung






6 Zusammenfassung


Zusammenfassung

Neue Regelungskonzepte für die FES:Berücksichtigung der geringen Leistung und der schnellenErmüdung elektrisch stimulierter MuskelnVerwendung von „unauffälliger“und robuster SensorikBerücksichtigung der Willkürmotorik des Patienten

Ergebnis: praxistaugliche Systeme

Zusammenarbeit mit Kliniken und kleinen mittelständischenUnternehmen aus der Medizintechnikbranche(Charité Universitätsmedizin Berlin, Unfallkrankenhaus Berlin-Marzahn,Median-Kliniken in Berlin und Magdeburg sowie St.-Mauritius-Klinik inMeerbusch)

Gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung

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