Inertial-sensor-based control of functional electrical stimulation for paraplegic cycling and swimming

dc.contributor.advisorSchauer, Thomas
dc.contributor.advisorRaisch, Jörg
dc.contributor.authorWiesener, Constantin
dc.contributor.grantorTechnische Universität Berlinen
dc.contributor.refereeRaisch, Jörg
dc.contributor.refereeGföhler, Margit
dc.contributor.refereeGollee, Henrik
dc.date.accepted2021-10-01
dc.date.accessioned2021-11-23T10:13:14Z
dc.date.available2021-11-23T10:13:14Z
dc.date.issued2021
dc.description.abstractThe physical activity and health of people suffering from a spinal cord injury is severely limited due to the accompanying paralysis and often in stark contrast to the physical condition before the injury, especially in young patients. However, participation in sports and therapeutic activities can reduce secondary diseases and improve precisely the overall well-being of those affected. New therapy systems make it possible to produce functional movements by Functional Electrical Stimulation of the paralyzed muscles, thus enabling to perform sports activities. In the first part of this thesis, a novel joint-angle-based stimulation pattern for cycling is presented. Using four inertial sensors attached to the upper and lower legs, knee-joint angles are estimated. The presented stimulation pattern maps the phases of knee-joint angle on the range of 0 to 100 % and activates the muscles for flexion and extension in the corresponding ranges. To reduce the effect of dynamic latency between stimulation onset and muscle response, a correction method was developed that shifts the stimulation pattern by a defined time delay based on the stimulation pattern of the preceding revolution, thus activating the corresponding muscles earlier. The resulting FES cycling system was verified in simulations at different seating positions using a computer model - pedaling could be successfully achieved for all situation using the joint-angle-based stimulation pattern without retuning. Subsequently, the developed algorithms were integrated into the Cybathlon-RehaBike of the Hasomed team. It was shown, that the same setting and stimulation pattern for stationary ergometer cycling can be used for mobile cycling. After 18 months of intensive training, our paraplegic pilot finished fourth in the FES cycling race of the Cybathlon competition with a new personal best time of 6 min 44 s over 750 m. The results show that the joint-angle-based stimulation pattern can be used for smooth and effective FES cycling. Wireless inertial sensors as well as a wearable stimulator are presented as a starting point for the transfer of the methods into cycling systems for home use. The second part of this thesis presents a waterproof electrical stimulation system that enables paraplegics to perform swimming exercises with their own legs for the first time. A ten weeks exploratory study demonstrated that the application with reusable silicone electrodes is safe and can be performed independently by experienced paraplegic swimmers. The study results show that swimming speed is increased by the presented stimulation procedures. In addition, it was shown that by means of an inertial sensor attached to the swimmers back, the roll angle of the trunk can be used to control the stimulation of the knee extensor muscles, allowing a synchronization of the generated leg movement with the voluntary upper body movement during front crawl swimming. This enables a new hybrid form of therapy and rehabilitation for paraplegic patients, which facilitates physical activity with the impaired legs and intact arms.en
dc.description.abstractDie körperliche Aktivität und Gesundheit von Menschen, die unter einer Rückenmarksverletzung leiden, ist aufgrund der einhergehenden Lähmung stark eingeschränkt und steht oft im starken Kontrast zum Zustand vor der Verletzung, insbesondere bei jungen Patienten. Doch gerade durch sportliche und therapeutische Aktivitäten können Begleiterkrankungen reduziert und das psychische Wohlbefinden der Betroffenen gesteigertwerden. Neue Therapiesysteme ermöglichen es durch gezielte Stimulation der gelähmten Muskulatur funktionelle Bewegungen zu erzeugen und so eine Teilnahme an sportlichen Aktivitäten zu ermöglichen. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde ein neuartiges gelenkwinkelbasiertes Stimulationsmuster für das Fahrradfahren mittels Elektrostimulation entwickelt. Anhand von vier an den Ober- und Unterschenkeln angebrachten Inertialsensoren werden die Kniegelenkwinkel bestimmt. Das darauf basierende Stimulationsmuster bildet die Phasen der Kniegelenksbewegung in einem Bereich von 0 bis 100 % ab und aktiviert die Muskeln für Flexion und Extension in festgelegten Bereichen. Um den Effekt der dynamischen Latenz zwischen Stimulationsbeginn und Muskelreaktion zu reduzieren, wurde eine Korrekturmethode entwickelt, die das Stimulationsmuster um eine definierte Zeit anhand des Winkelverlaufs des Tretzykluses verschiebt und so die entsprechenden Muskeln früher aktiviert. Das resultierende FES-Fahrradsystem wurde in Simulationen bei verschiedenen Sitzpositionen mit einem Computermodell verifiziert - in allen Fällen konnte erfolgreich eine Trittbewegung mit dem gelenkwinkelbasierten Stimulationsmuster ohne Anpassung generiert werden. Anschließend wurden die entwickelten Algorithmen im Cybathlon-RehaBike des Teams Hasomed integriert. Es konnte gezeigt werden, dass die Einstellungen und Stimulationsmuster für stationäres Ergometer-Radfahren auch für mobiles FES-Fahrradfahren verwendet werden konnten. Nach einem 18-monatigen intensiven Training belegte unser querschnittsgelähmter Pilot den vierten Platz beim FES Radrennen des Cybathlon-Wettkampfs mit einer neuen persönlichen Bestzeit von 6 min 44 s über 750 m. Es konnte anhand der Ergebnisse gezeigt werden, dass die auf Inertialsensoren basierende Gelenkwinkelschätzung für die Generierung einer gleichmäßigen und effektiven Trittbewegung beim FES-Radsport verwendet werden kann. Für die spätere Verwendung der entwickelten Methoden in Systemen für den Heimgebrauch werden drahtlose Inertialsensoren sowie ein tragbarer Stimulator als Grundlage vorgestellt. Im zweiten Teil der Arbeit werden ein wasserdichtes Elektrostimulationssystem und Methoden vorgestellt, die es Querschnittsgelähmten erstmals ermöglichen, Schwimmen mit ihren eigenen gelähmten Beinen zusätzlich zu den Armbewegungen durchzuführen. In einer 10-wöchigen explorativen Studie konnte gezeigt werden, dass die Durchführung mit wiederverwendbaren Silikonelektroden sicher ist und von erfahrenen querschnittsgelähmten Schwimmern selbstständig realisiert werden kann. Die Studienergebnisse zeigen, dass die Schwimmgeschwindigkeit durch die präsentierten Stimulationsverfahren erhöht wurde. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass mittels eines am Rücken angebrachten Inertialsensors der Rollwinkel des Rumpfes zur Steuerung der Stimulation der Kniestreckermuskulatur verwendet werden kann. Hierdurch wird eine Synchronisation der erzeugten Beinbewegung mit der willkürlichen Oberkörperbewegung beim Kraulschwimmen erreicht. Dies ermöglicht eine neuartige hybride Therapieform und Rehabilitationsmöglichkeit für querschnittsgelähmte Patienten, bei der die körperliche Aktivität durch die gleichzeitige Verwendung der betroffenen Beine und intakten Arme maximiert wird.de
dc.identifier.urihttps://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/13669
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.14279/depositonce-12457
dc.language.isoenen
dc.rights.urihttp://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/en
dc.subject.ddc610 Medizin und Gesundheitde
dc.subject.ddc620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeitende
dc.subject.otherfunctional electrical stimulationen
dc.subject.otherbiomedical engineeringen
dc.subject.otherFES cyclingen
dc.subject.otherFES swimmingen
dc.subject.otherinertial measurements uniten
dc.subject.otherfunktionelle Elektrostimulationde
dc.subject.otherBiomedizintechnikde
dc.subject.otherFES-Radfahrende
dc.subject.otherFES-Schwimmende
dc.subject.otherInertialmesseinheitde
dc.titleInertial-sensor-based control of functional electrical stimulation for paraplegic cycling and swimmingen
dc.title.translatedInertialsensorbasierte Steuerung der funktionellen elektrischen Stimulation für querschnittsgelähmtes Radfahren und Schwimmende
dc.typeDoctoral Thesisen
dc.type.versionacceptedVersionen
tub.accessrights.dnbfreeen
tub.affiliationFak. 4 Elektrotechnik und Informatik>Inst. Energie- und Automatisierungstechnik>FG Regelungssystemede
tub.affiliation.facultyFak. 4 Elektrotechnik und Informatikde
tub.affiliation.groupFG Regelungssystemede
tub.affiliation.instituteInst. Energie- und Automatisierungstechnikde
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