Distribuirani sistem za funkcionalnu električnu stimulaciju

Abstract

Funkcionalna električna stimulacija se koristi za vraćanje funkcije nervnomišićnom sistemu čoveka oštećenom fizičkom povredom, bolešću ili nekim drugim uzrokom. Kontrolisanim strujnim ili naponskim impulsima se vrši pobunjivanje nervnih motornih ili senzornih vlakana što se odražava kroz aktivaciju mišića. Posledica toga je restauracija funkcionalnog kretanja pojedinačnih ili grupe mišića. Počeci primene funkcionalne električne stimulacije sežu u šezdesete godine dvadesetog veka, kada je projektovan i proizveden prvi upotrebljiv električni stimulator, namenjen korekciji poremećaja padajućeg stopala. Nada da će tehnologija ubrzo omogućiti paralizovanim osobama da se ponovo pokreću podstakla je u narednim godinama razvoj mnogih rešenja za sisteme električne stimulacije. Meñutim, današnje stanje, pola veka kasnije, pokazuje da i pored jasne motivacije i ogromnog napretka na polju tehnologije još uvek nema značajnog pomaka na tom putu. Konzervativne strategije upravljanja električnom stimulacijom se zasnivaju na centralizovanom upravljanju. Raspoloživi istraživački sistemi se odlikuju manjim ili većim brojem senzorskih ulaza i nezavisnih stimulacionih kanala. Generalne mane su mnoštvo provodnika, komplikovane procedure postavljanja i podešavanja i vezanost za laboratoriju. Komercijalni sistemi su jednostavni za korišćenje ali imaju slabe funkcionalne performanse. U ovoj disertaciji je predstavljena nova arhitektura distribuiranog sistema za električnu stimulaciju inspirisana prirodnim biološkim sistemom. Nova filozofija u razumevanju mehanizma kretanja počiva na ideji hijerarhijski kontrolisane distribuiranosti u nervnom sistemu. Nekoliko kontrolnih sprega na različitim nivoima nervnog sistema doprinose ovoj kontroli: silazna motorna kontrola iz motornog korteksa (u mozgu), mreža generatora ritma u kičmenoj moždini (spinalni stepping generator) i senzorna povratna sprega za kontrolu hoda (sa zglobova u pokretu, mišića i kože). vii Biomimetičkim preslikavanjem hipotetičke strukture biološkog sistema dobijena je opšta arhitektura distribuiranog sistema za električnu stimulaciju koja je predmet ove disertacije. Mozak je preslikan na centralni kontroler, hipotetički autonomni centri u kičmenoj moždini na koordinator, a lokalne mišićno-čulne sprege na set periferijskih stimulacionih jedinica. Po ugledu na prirodni sistem definisane su dva režima rada sistema, režim motornog učenja i režim utvrñene primene. Za svaki režim rada analizirani su aktivnost i protok informacija izmeñu komponenti svakog hijerarhijskog nivoa. U režimu motornog učenja sistem karakteriše veliki protok informacija na svim nivoima i visoka aktivnost centralnog kontrolera. Nasuprot tome, u režimu utvrñene primene protok informacija je drastično smanjen a aktivnost je prebačena na periferijske jedinice. Rad sistema u režimu učenja daje mogućnost razvoja kompleksnih algoritama u kojima su upravljanje i nadzor pod kontrolom moćnog centralnog kontrolera, tj. računara, kojim upravljaju terapeuti, naučnici. Smanjena aktivnost i protok informacija u režimu utvrñene primene daje mogućnost rada sistema sa smanjenom potrošnjom i protokom podataka, što ga čini dugotrajnim i pouzdanim pomagalom. Uzimajući u obzir sadašnje stanje tehnike predložena je jedna implementacija opšte arhitekture u kojoj se komunikacija izmeñu komponenti sistema odvija bežičnim radio putem. Predstavljene su opšte karakteristike sistema sa stanovišta hardvera i softvera. Bežična komunikacija je razvijena na bazi jednog poznatog standarda bežične komunikacije i prilagoñena je ovoj nameni. Projektovan je novi protokol rutiranja u dva skoka koji uzima u obzir fizičke karakteristike sistema i obezbeñuje brz i siguran protok podataka. Za potrebe verifikacije i testiranja razvijen je prototip sistema korišćenjem komercijalno dostupnih komponenti. Opisane su značajne pojedinosti realizacije koje odslikavaju sadašnje stanje tehnike. Verifikacija sistema je izvedena kroz aplikaciju kontrole hvata kod osobe sa delimično oštećenom funkcijom usled moždanog udara. Zadatak je bilo rešavanje poznatog problema kompenzacije tenodeze tj. neželjenog savijanja ruke u zglobu usled stimulacije mišića koji savija prste. U režimu učenja upravljanje u zatvorenoj sprezi je iskorišćeno da se proceni i optimizuje optimalni stimulacioni profil koji obezbeñuje željeno kretanje. U režimu utvrñene primene pokazalo se da sistem obezbeñuje željenu funkciju sa minimalnim protokom podataka i niskom aktivnošću centralnog kontrolera. viii Samim tim ova aplikacija je potvrdila osnovne hipoteze ove disertacije. Pored primene u stimulaciji, senzorski podsistem je verifikovan kroz nekoliko aplikacija za objektivnu procenu parametara hoda.

Functional electrical stimulation (FES) is used for restoration of neuro-muscular system of patients with motor impairment provoked by physical injury, disease of some other cause. Stimulation of neural motor or sensory fibres is performed with controlled voltage or current pulses which perform muscle activation resulting with restoration of movement provoked provoked by individual muscle or muscle group. Application of FES begins in the 1960s, with design and production of the first usable electrical stimulator that aimed to correct drop foot disturbance. In the following years, there was a hope that new technology will soon allow restoration of movement for paralyzed persons which encouraged development of numerous systems for electrical stimulation. However, fifty years later, after immense technological progress and clear motivations, still there is no significant breakthrough in this area. Conservative strategies for control of electrical stimulation are based on centralized controls. Available research systems feature smaller or higher number of sensor input and independent stimulation channels. General fault of these systems are numerous conductors, complicated mounting procedures and adjustments and dependency on laboratory environment. Commercial systems are user-friendly but with weaker functional performances. In this dissertation, new architecture of a distributed system for functional electrical stimulation is presented, inspired by natural biological system. New philosophy in understanding movement mechanism relies on hierarchically controlled distribution in neural system. It is believed that motor control is performed on three levels: descending control from the motor cortex (brain), rhythm-generating network in the spinal cord (spinal stepping generator) and sensory feedback from joints, muscle and skin of extremities. Using biomimetic mapping of hypothetical structure of biological system, general architecture of distributed system for electrical stimulation has been made which is the x main subject of this dissertation. Brain has been mapped to central computer, hypothetical autonomous centers in spinal cord are mapped as network coordinator, and local sensory-motor feedbacks are mapped as peripheral stimulation units. Looking up to biological system, we defined two working modes: motor learning and application of mastered movement. For each mode, activity and information flow between components of all hierarchical levels have been analyzed. Motor learning mode is characterized by large data flow on all levels and high activity of central controller. On the opposite, application of mastered movement has drastically lower data flow and the activity is transferred to peripheral units. Motor learning mode allows possibility of development of complex algorithms where control and supervision are supervised by powerful central controller (computer) operated by therapist and/or researchers. Decreased activity and data flow during application of learnt movement allow low-consumption working regime and low data flow which makes this system long-lasting and reliable assistance. Considering today’s state-of-the-art in this area, one implementation of general architecture with radio-frequency wireless communication between system components has been proposed. General characteristics regarding hardware and software have been proposed. Wireless communication was developed based on one known standard of wireless communications which has been adapted for this application. New two-hop routing protocol has been created which considers physical characteristics of the system and provides fast and secure data flow. System prototype has been created for verification and testing, using commercially available components. Significant features related to realization of the system which describe current technical situation have been described. System verification is performed through application for assisting patient with partially impaired motor function has been selected. The goal was to resolve one familiar problem – compensation of involuntary wrist flexion due to muscle stimulation which provides finger flexions. For application of learned movement, the system provides desired function with minimal data flow and central controller activity. Hereby, this application has confirmed hypothesis of this dissertation. Besides stimulation, the sensor subsystem is verified through several applications for objective gait assessment.