Distribuirani sistem za funkcionalnu električnu stimulaciju
Distributed functional electrical stimulation system
Author
Jovičić, Nenad
Mentor
Saranovac, Lazar
Committee members
Popović, Dejan
Konstantinović, Ljubica

Drndarević, Vujo

Popović, Ivan

Metadata
Show full item recordAbstract
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 stimu...lacijom 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 contr...ols. 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.