Controlled FES-assisted gait training for hemiplegic stroke patients based on inertial sensors
Year: 2009
Type: dissertation
Abstract: Ein Schlaganfall führt in der Regel zu massiven Störungen des zentralen Nervensystems und oftmals zur Invalidität des Betroffenen. Als Folge der Hirnschädigungen kommt es häufig zur Beeinträchtigung motorischer und sensorischer Funktionen, zu Ausfällen in der Sprache sowie zu einer gestörten Wahrnehmung. Ein einseitiger Schlaganfall bezüglich des Gehirns führt in der Regel zu einer halbseitigen Lähmung der gegenüberliegenden Körperseite. Die Lähmung kann dabei vollständig oder teilweise (paretisch) sein. Ein wichtiger Bestandteil in der Rehabilitation nach Schlaganfall stellt die Mobilisierung der Patienten dar. Die Unterstützung des Gehens mittels Funktioneller Elektrischer Stimulation (FES) der paretischen Muskeln wurde erstmals von Liberson et al. 1961 bei Schlaganfallpatienten mit Fußheberschwäche praktiziert. Die Stimulation wurde dabei mittels eines einfachen Fußkontaktschalters getriggert. Der Elektrostimulation lassen sich sowohl prothetische als auch ein therapeutische Effekte nachweisen. Die Dissertation beschäftigt sich mit der technologischen Entwicklung und Erforschung eines neuartigen Therapiesystems für das FES-unterstützte Gangtraining bei Schlaganfallpatienten. Das Training findet auf einem Laufband mit teilweiser Gewichtsentlastung des Patienten statt. Grundlage der Entwicklung ist ein Inertialsensorsystem bestehend aus zwei Miniaturinertialsensoren, die an beiden Schuhen des Patienten angebracht sind. Jeder Sensor besteht aus 3 Beschleunigungs- und 3 Winkelratensensoren mit orthogonaler Anordnung. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Algorithmen entwickelt zur Gangphasenerkennung und zur Schätzung der Orientierung sowie der Raumtrajektorie des Fußes basierend auf den Inertialsensordaten. Unter Ausnutzung der gewonnenen Informationen wurde eine geregelte mehrkanalige funktionelle Elektrostimulation realisiert, bei der die Stimulation mit dem Gang exakt synchronisiert ist und ausgewählte Gangparameter, wie z.B. der Grad der Fußhebung, gezielt beeinflusst werden können. Das Gangphasenerkennung mit Intertialsensoren erlaubt die Unterscheidung von 4 Gangphasen (Belastungsantwort, Standphase (Fußflachphase), Vorschwungphase und Schwungphase) sowie die Registrierung von 3 Gangereignissen (initialer Bodenkontakt, Ablösung von Ferse und Zehen vom Boden). Der entwickelte Algorithmus funktioniert robust für verschiedene Patienten ohne individuelle Anpassungen. Die Sensoren müssen lediglich in Zeitabständen von mehreren Monaten kalibriert werden. Am Patienten ist keine Kalibrierung der Sensoren notwendig, so dass das System nach einer einfachen Montage der Sensoren an den Außenseiten der Schuhe sofort einsatzbereit ist. Die Gangphasenerkennung mittels Interialsensoren wurde in einer klinischen Studie mit 5 Schlaganfallpatienten erfolgreich getestet und die Ergebnisse mit einem kommerziellen Gangphasenerkennungssystem mit Drucksensoren unter der Fußsohle verglichen. Neben der exakten zeitlichen Synchronisation der Elektrostimulation mit dem Gang erlaubt das entwickelte System auch eine gezielte Anpassung der Stimulationintensität, um gewünschte Sollwerte für ausgewählte Gangparameter zu realisieren. Bei dem vorgestellten Regelungskonzept werden nach jedem Schritt die gemessenen Kenngrößen des Ganges mit den Sollvorgaben verglichen. Anschließend werden die Stimulationsintensitäten für den nächsten Schritt angepasst. Während eines Schrittes werden die Stimulationsintensitäten konstant gehalten. Um die Machbarkeit einer solchen Regelung zu demonstrieren, wurden experimentelle Untersuchungen mit einem Schlaganfallpatienten mit ausgeprägter Fußheberschwäche durchgeführt. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass ein hochgenaues und zuverlässiges System zur Gangphasenerkennung und Bewegungsschätzung mittels Inertialsensoren realisiert werden konnte. Für den späteren klinischen Einsatz spricht ferner die einfache und schnelle Anbringung der Sensoren am Patienten. Das System eignet sich sehr gut für die Regelung der Elektrostimulation beim Gangtraining von Schlaganfallpatienten.
Source: DepositOnce
Author: Negard, Nils-Otto
Language: German
Subfield: Rehabilitation
Field: Medicine
Domain: Health Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W2480946177