Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8098
Main Title: Feedback-controlled functional electrical stimulation to restore upper extremity functions
Subtitle: improving the clinical feasibility of elaborated neuroprosthetic devices by automatic adaptation and feedback of muscle-recruiment
Translated Title: Geregelte funktionelle Elektrostimulation zur Wiederherstellung motorischer Fähigkeiten der oberen Extremität
Translated Subtitle: Regelung der muskulären Rekrutierung und automatische Anpassung für die Vereinfachung des klinischen Einsatzes von neuartigen Neuroprothesen
Author(s): Klauer, Christian
Advisor(s): Schauer, Thomas
Raisch, Jörg
Referee(s): Raisch, Jörg
Freeman, Chris
Holderbaum, William
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: This thesis considers Neuro-prosthetic systems using Functional Electrical Stimulation (FES) to restore or support motor functions in neurologically impaired patients. An often encountered difficulty is the precise control of limb motion by adjusting the stimulation intensity. The musculoskeletal systems involving muscle mechanics, limb motion dynamics, and muscle recruitment due to FES and possibly volitional activity are highly complex and non-linear. Hence, the stimulation effect is hard to model and predict. An intensive effort during a calibration phase would be required to adapt models describing such systems to the full extent, which is unfeasible in clinical environments or at home. Further, many parameters vary under the rapid progression of muscle fatigue with FES. Hence, most practically relevant devices focus on simple open-loop strategies that trigger pre-defined stimulation patterns on different events caused by the user. This thesis presents new methods to improve the applicability and movement precision of closed-loop FES systems and applies them to practically relevant applications to support or to restore functional arm reaching movements in entirely or partially paralyzed patients. The compensation of muscle fatigue and the linearization of the highly non-linear process of muscle recruitment is addressed in this thesis. Electromyography (EMG)-measurements can give insight into the muscular recruitment process. Therefore, a feedback of the stimulation-evoked EMG (eEMG) enforcing the desired recruitment level is presented. Because of this enforcement, a more predictable behavior is obtained such that muscles are much easier to model and control using this method as an underlying feedback loop. The positive effects on the predictability are shown in a study involving five healthy subjects. Further, the applicability of this approach was successfully tested in two stroke patients. In partially paralyzed patients it is often beneficial to take account the residual volitional activity to, e.g., realize a user-control of the neuroprosthesis. Devices exist that control FES based on a measurement the volitional EMG (vEMG). The low signal to noise ratio, however, typically leads to many restrictions in control performance. Hence, a different approach based on angular measurements is presented: An arm weight relief is realized by a FES-activation proportional to the elevation angle. This FES-activation reduces the required volitional effort significantly as demonstrated in five healthy subjects. In two acute stroke patients, arm function could be partially and fully restored, respectively, as long as the controller was active. For patients who have a complete paralysis of the upper extremity, the functional restoration of movements is difficult due to the numerous degrees of freedom (DoF). Hence, a system using a combination of a passive, light-weight exoskeleton with FES is proposed, wherein each DoF can be locked by brakes to reduce muscle fatigue during holding-postures and to guide movements. FES is feedback controlled, and the movement precision was evaluated in five healthy subjects showing a sufficient performance for performing simple reaching tasks. Further considered aspects include the improvement of motor precision by artificially introducing co-activations in antagonistic muscle pairs and the potential reduction of muscle fatigue by varying the stimulation frequency as desired for the contrary objectives "motor precision" and "muscle fatigue." For the former aspect, a non-linear system inversion based approach is developed to realize desired joint torques and co-activation levels and, further, applied to joint angle control yielding good results in a healthy subject. For the latter, a time-discretization method for linear time-invariant systems is presented that also considers variable sampling rates. Further, a system linearization approach is suggested allowing to apply standard discrete-time controllers for variable sampling rate systems.
Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Erforschung von Algorithmen zur Regelung von Neuroprothesen, die Funktionelle Elektrostimulation (FES) verwenden, um motorische Funktionen in neurologisch beeinträchtigten Patienten wiederherzustellen oder zu unterstützen. Die Generierung von feinmotorischen Bewegungen mittels einer Regelung der Stimulationsintensität ist oftmals schwierig. Da die involvierten biomechanischen Systeme sehr komplex und nichtlinear sind, ist der Effekt der Stimulation nur schwierig durch Modelle beschreibbar. Es wäre ein sehr hoher Zeitaufwand notwendig, um die Parameter eines solchen Modells für die jeweiligen Patienten anzupassen. Mit der schnell fortschreitenden Muskelermüdung bei Anwendung von FES ändern sich diese Parameter typischerweise im Laufe der Zeit so stark, dass nach kurzer Zeit eine neue Anpassung vorgenommen werden muss. Die meisten praktisch relevanten Ansätze konzentrieren sich deshalb auf einfache aber robuste Steuerstrategien ohne die Rückführung von Messgrößen und die Verwendung von komplexen Modellen. Hierbei werden oftmals fest einprogrammierte Stimulationsverläufe verwendet, die durch den Benutzter initiiert werden. Ein wichtiger Teil der Dissertation beschreibt eine neue Methode, mit der sich der Bedarf eines komplexen Modells bei der FES-Regelung zum großen Teil erübrigt. Eine Reduzierung der Komplexität wird hierbei durch eine unterlagerte Regelung der Muskelrekrutierung erreicht, welche durch eine Messung des FES-evozierten Elektromyogramms (EMG) bestimmt wird. Damit verbessert sich die Anwendbarkeit und die Feinmotorik mittels geregelter FES. In einer Studie mit fünf gesunden Probanden wurde gezeigt, dass dadurch z.B. der Einfluss muskulärer Ermüdung kompensiert wird und das nichtlineare muskuläre Ansprechverhalten teilweise linear wird. Dieser neue Ansatz der Rekrutierungsregelung wurde in praktisch relevanten Systemen zur Unterstützung/Wiederherstellung von Armbewegungen bei teilweise/komplett Gelähmten im Rahmen meiner Dissertation angewandt. Bei teilweise gelähmten Patienten ist es sinnvoll, die noch vorhandene Restaktivität des Patienten zur Steuerung der Neuroprothese zu verwenden. Hierzu gibt es bereits Geräte, die die FES anhand einer Willkür-EMG-Messung steuern. Allerdings beschränkt das schwache Signal zu Rauschverhältnis des Willkür-EMG die erzielbare Feinmotorik der Bewegungen. In der Dissertation wurde deshalb ein anderer Ansatz zur Unterstützung der Armhebung vorgestellt, welcher mittels einer Messung des Gelenkwinkels die Willküraktivität indirekt einbezieht. Hierbei wird eine Armgewichtsunterstützung durch Generierung einer mit dem Winkel proportional ansteigenden Muskelrekrutierung erzielt. Bei fünf gesunden Probanden konnte gezeigt werden, dass dies die willkürliche Armhebungen erleichtert. Bei zwei Schlaganfallpatienten konnte der Bewegungsumfang im einen Fall teilweise und im anderen Fall vollständig wiederhergestellt werden. Bei Patienten mit einer kompletten Lähmung der oberen Extremität ist die Wiederherstellung von Armfunktionen mittels FES durch die hohe Anzahl an Freiheitsgraden in der Bewegung sehr schwierig. Um dieses Problem zu lösen, wird eine Kombination aus geregelter FES mit einem leichten passiven Exoskelett zur Führung der Bewegungen und zur partiellen Gewichtsentlastung vorgeschlagen. Die einzelnen Freiheitsgrade können dafür mit Bremsen blockiert werden, was auch stabile Armhaltungen bei abgeschalteter FES ermöglicht. Die Positioniergenauigkeit der Hand mit dem System wurde bei fünf Probanden untersucht und ist ausreichend genug, um funktionelle Bewegungen des täglichen Lebens durchzuführen. Eine weitere Untersuchung der Dissertation beinhaltet die Verbesserung der Feinmotorik durch eine künstliche Koaktivierung in antagonistischen Muskelpaaren. Hierzu wird ein Regelungsansatz vorgestellt, der gewünschte Momente und Koaktivierung einstellt. Dieser wurde in einer Gelenkwinkelregelung an einem gesunden Probanden erfolgreich erprobt.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/8972
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8098
Exam Date: 25-Jan-2018
Issue Date: 2019
Date Available: 18-Jan-2019
DDC Class: 629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
Subject(s): functional electrical stimulation
control
biomedical engineering
neuroprosthetics
funktionelle Elektrostimulation
Regelungstechnik
Biomedizintechnik
Neuroprothetik
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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