Registro fonte: Controle motor de movimentos funcionais empregando sistema de estimulação elétrica em malha fechada

Controle motor de movimentos funcionais empregando sistema de estimulação elétrica em malha fechada

Introduction: Spinal cord injury can affect several areas of the human body. Mobility, proprioception and tactile sensitivity are consequences of the disability. Adaptations are required to perform daily activities. Functional electrical stimulation (FES) is an effective rehabilitation resource for...

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Autor principal:	Souza, Delmar Carvalho de
Formato:	Tese
Idioma:	Português
Publicado em:	Universidade Tecnológica Federal do Paraná 2020
Assuntos:	Medula espinhal - Ferimentos e lesões Estimulação elétrica Estimulação elétrica transcutânea do nervo Articulações - Amplitude de movimento Articulações - Amplitude de movimento - Medição Eletroterapia Pernas - Ferimentos e lesões Spinal cord - Wounds and injuries Electric stimulation Transcutaneous electrical nerve stimulation Joints - Range of motion Joints - Range of motion - Measurement Electrotherapeutics Leg - Wounds and injuries CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA BIOMEDICA Engenharia Elétrica
Acesso em linha:	http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/4954
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id	riut-1-4954
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spelling	riut-1-49542020-05-20T06:01:01Z Controle motor de movimentos funcionais empregando sistema de estimulação elétrica em malha fechada Motor control of functional movements using closed loop electrical stimulation system Souza, Delmar Carvalho de Nohama, Percy https://orcid.org/0000-0002-8051-8453 http://lattes.cnpq.br/5055126579468463 Leal, André Giacomelli http://lattes.cnpq.br/8839339099897728 Nogueira Neto, Guilherme Nunes https://orcid.org/0000-0002-7040-6255 http://lattes.cnpq.br/9185638358501479 Nievola, Julio Cesar https://orcid.org/0000-0002-2212-4499 http://lattes.cnpq.br/9242867616608986 Nohama, Percy https://orcid.org/0000-0002-8051-8453 http://lattes.cnpq.br/5055126579468463 Sanches, Paulo Roberto Stefani https://orcid.org/0000-0002-0345-7845 http://lattes.cnpq.br/9763437636509266 Medula espinhal - Ferimentos e lesões Estimulação elétrica Estimulação elétrica transcutânea do nervo Articulações - Amplitude de movimento Articulações - Amplitude de movimento - Medição Eletroterapia Pernas - Ferimentos e lesões Spinal cord - Wounds and injuries Electric stimulation Transcutaneous electrical nerve stimulation Joints - Range of motion Joints - Range of motion - Measurement Electrotherapeutics Leg - Wounds and injuries CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA BIOMEDICA Engenharia Elétrica Introduction: Spinal cord injury can affect several areas of the human body. Mobility, proprioception and tactile sensitivity are consequences of the disability. Adaptations are required to perform daily activities. Functional electrical stimulation (FES) is an effective rehabilitation resource for these persons because it allows the control of functional movements. This study aims to develop a motor control strategy using closed-loop FES to generate functional movements in the lower limbs of persons who have suffered spinal cord injury. This motor control strategy involves the agonist and antagonist muscle groups of the impaired lower limb. Methodology: The quadriceps muscle group is stimulated in combination with the hamstring muscle group to assess the feasibility of knee position control for the construction of a future neuroprosthesis. Written in C language, the PI controller algorithm was implemented using Raspberry Pi and ATmega328. The pulses generated by the stimulator follow the recommendations of the literature regarding the signal profile, frequency, duration, and amplitude. The FES system was tested on 10 volunteers, seven of then with spinal cord injuries, one with stroke sequelae, one with transverse myelitis, and one with polio (uninjured leg). The domain frequency method was used to find stable parameters for the PID controller. Results: In vivo tests have shown that control over knee range of motion has the same tendency among volunteers, but is also strongly dependent on the individual. The time taken to achieve the goal or the predicted range of motion was inversely proportional to the controller gain (Kc), whereas the overshooting was directly proportional to Kc. Settling time and target showed a tendency to follow the controller time constant (Tc). Conjugated stimulation between quadriceps and hamstrings accentuates the response observed with relation to stimulation of the quadriceps exclusively. When the parameters of the controller are appropriately chosen for the quadriceps, the combined stimulation improves the performance of the control, such as reducing overshoot and the time to reach the target extension. Conclusions: It is concluded that FES can be used to control the range of motion of the knee of people with spinal cord injury, being able to reach a predefined range safely. Controller parameters can be adjusted to suit the characteristics of each volunteer’s, making it possible to reach the target extension with greater or lesser speed, reduce overshoot and even minimize undesirable oscillations. The combined stimulation of the quadriceps and hamstring muscle groups, with the parameters of the controller properly chosen, promotes better control of the extension. Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Introdução: A lesão medular pode afetar diversas regiões do corpo prejudicando a motricidade, a propriocepção e a sensibilidade, exigindo adaptações para realização das atividades diárias. A estimulação elétrica funcional (FES) é um recurso eficaz na reabilitação dessas pessoas na medida em que permite o controle de movimentos funcionais. O objetivo deste estudo consiste em desenvolver e avaliar uma estratégia de controle motor empregando FES em malha fechada, para obtenção de movimentos funcionais em membros inferiores de pessoas com lesão medular, atuando sobre os grupos musculares agonista e antagonista da perna. Metodologia: Os grupos musculares dos quadríceps são estimulados em combinação com os isquiotibiais, a fim de avaliar a viabilidade do controle de posição do joelho para constituição de uma futura neuroprótese híbrida. O algoritmo do controlador PI foi escrito em linguagem C, e implementado em Raspberry PI3 e ATmega328. O perfil estimulatório gerado pelo sistema de FES segue as recomendações da literatura quanto à forma do sinal, frequência, duração e amplitude. O estimulador foi testado em 10 voluntários, sendo que 7 deles apresentavam lesões medulares, 1 apresentava sequelas de AVC, 1 voluntário com mielite transversa e 1 com pólio (perna sem lesão). Utilizou-se o método do domínio da frequência para encontrar parâmetros estáveis para o controlador PI. Resultados: Os testes in vivo mostraram que o controle sobre a amplitude de movimento do joelho apresenta a mesma tendência entre os voluntários, mas também é fortemente dependente do indivíduo. Observou-se que o tempo para atingir a amplitude de extensão-alvo, ou seja, a amplitude de movimento prevista, é inversamente proporcional ao Kc (ganho do controlador), enquanto o overshooting é diretamente proporcional ao Kc; o settling time e o atraso eletromecânico mostram a tendência de acompanhar Tc (constante de tempo do controlador). A estimulação conjugada entre quadríceps e isquiotibiais acentua o comportamento observado com relação à estimulação exclusivamente do quadríceps. Quando os parâmetros do controlador são adequadamente escolhidos para a estimulação do quadríceps, a estimulação combinada melhora a estabilidade do controle, como reduzindo overshoot e reduzindo o tempo para atingir a extensão-alvo. Conclusões: Conclui-se que a FES pode ser empregada no controle da amplitude de movimento do joelho de pessoas com lesão medular, podendo-se alcançar uma amplitude predefinida de forma segura. Parâmetros do controlador podem ser ajustados para adequar-se às características de cada voluntário, possibilitando atingir-se a extensão-alvo com maior ou menor velocidade, reduzir o overshoot e até minimizar oscilações indesejáveis. A estimulação conjugada dos grupos musculares quadríceps e isquiotibiais, com os parâmetros do controlador adequadamente escolhidos, promove um melhor controle da extensão. 2020-05-19T20:35:49Z 2020-05-19T20:35:49Z 2019-10-30 doctoralThesis SOUZA, Delmar Carvalho de. Controle motor de movimentos funcionais empregando sistema de estimulação elétrica em malha fechada. 2019. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2019. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/4954 por openAccess application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Curitiba Brasil Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial UTFPR
institution	Universidade Tecnológica Federal do Paraná
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topic	Medula espinhal - Ferimentos e lesões Estimulação elétrica Estimulação elétrica transcutânea do nervo Articulações - Amplitude de movimento Articulações - Amplitude de movimento - Medição Eletroterapia Pernas - Ferimentos e lesões Spinal cord - Wounds and injuries Electric stimulation Transcutaneous electrical nerve stimulation Joints - Range of motion Joints - Range of motion - Measurement Electrotherapeutics Leg - Wounds and injuries CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA BIOMEDICA Engenharia Elétrica
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description	Introduction: Spinal cord injury can affect several areas of the human body. Mobility, proprioception and tactile sensitivity are consequences of the disability. Adaptations are required to perform daily activities. Functional electrical stimulation (FES) is an effective rehabilitation resource for these persons because it allows the control of functional movements. This study aims to develop a motor control strategy using closed-loop FES to generate functional movements in the lower limbs of persons who have suffered spinal cord injury. This motor control strategy involves the agonist and antagonist muscle groups of the impaired lower limb. Methodology: The quadriceps muscle group is stimulated in combination with the hamstring muscle group to assess the feasibility of knee position control for the construction of a future neuroprosthesis. Written in C language, the PI controller algorithm was implemented using Raspberry Pi and ATmega328. The pulses generated by the stimulator follow the recommendations of the literature regarding the signal profile, frequency, duration, and amplitude. The FES system was tested on 10 volunteers, seven of then with spinal cord injuries, one with stroke sequelae, one with transverse myelitis, and one with polio (uninjured leg). The domain frequency method was used to find stable parameters for the PID controller. Results: In vivo tests have shown that control over knee range of motion has the same tendency among volunteers, but is also strongly dependent on the individual. The time taken to achieve the goal or the predicted range of motion was inversely proportional to the controller gain (Kc), whereas the overshooting was directly proportional to Kc. Settling time and target showed a tendency to follow the controller time constant (Tc). Conjugated stimulation between quadriceps and hamstrings accentuates the response observed with relation to stimulation of the quadriceps exclusively. When the parameters of the controller are appropriately chosen for the quadriceps, the combined stimulation improves the performance of the control, such as reducing overshoot and the time to reach the target extension. Conclusions: It is concluded that FES can be used to control the range of motion of the knee of people with spinal cord injury, being able to reach a predefined range safely. Controller parameters can be adjusted to suit the characteristics of each volunteer’s, making it possible to reach the target extension with greater or lesser speed, reduce overshoot and even minimize undesirable oscillations. The combined stimulation of the quadriceps and hamstring muscle groups, with the parameters of the controller properly chosen, promotes better control of the extension.
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Controle motor de movimentos funcionais empregando sistema de estimulação elétrica em malha fechada

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