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Methods for electrical stimulation control of lower limbs in individuals with spinal cord injury
Use este link compartilhar ou citar este material: http://educapes.capes.gov.br/handle/capes/893509
Registro completo de metadados
| Metadados | Descrição | Idioma |
|---|---|---|
| Autor(es): dc.contributor | Bó, Antônio Padilha Lanari | - |
| Autor(es): dc.creator | Sousa, Ana Carolina Cardoso de | - |
| Data de aceite: dc.date.accessioned | 2024-10-23T15:50:49Z | - |
| Data de disponibilização: dc.date.available | 2024-10-23T15:50:49Z | - |
| Data de envio: dc.date.issued | 2020-06-29 | - |
| Data de envio: dc.date.issued | 2020-06-29 | - |
| Data de envio: dc.date.issued | 2020-06-29 | - |
| Data de envio: dc.date.issued | 2019-12-02 | - |
| Fonte completa do material: dc.identifier | https://repositorio.unb.br/handle/10482/38309 | - |
| Fonte: dc.identifier.uri | http://educapes.capes.gov.br/handle/capes/893509 | - |
| Descrição: dc.description | Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2019. | - |
| Descrição: dc.description | A lesão medular (LM) é uma das lesões mais graves das deficiências motoras. Portanto, existem conjuntos de exercícios de reabilitação para fortalecimento muscular, circulação, liberação de pressão e melhora da densidade óssea. Tecnologias avançadas podem fornecer melhorias de reabilitação para movimentos funcionais. Algumas dessas rotinas usam métodos tradicionais com estimulação elétrica funcional (FES), que produz estimulação nervosa através de sinais elétricos, permitindo que a contração dos músculos paralisados produza torque. Para controle de feedback, é necessário executar a modelagem matemática da planta, seguida pelo design do controlador com base nas unidades de medida disponíveis. Alguns dos desafios de controle do FES incluem não linearidades de operação, o que requer técnicas sofisticadas de controle de feedback. Podemos aumentar o número de estudos de reabilitação da FES com pacientes com LM completa se diminuirmos a dificuldade de projetar um sistema seguro e controlável. Neste trabalho, propomos novas técnicas para o controle da FES de membros inferiores de um paciente com LM completa. Mais precisamente, para este documento, pretendemos desenvolver e avaliar três características da reabilitação de membros inferiores para melhorar o controle da FES. Cada uma dessas características ocorre em diferentes perspectivas do sistema: (1) a estimativa do sensor, (2) os algoritmos de controle e (3) a planta. Para a estimativa do sensor (1), utilizamos a eletromiografia (EMG) para estimar as atividades voluntárias (vEMG) e evocadas (eEMG). Desenvolvemos métodos para detectar artefatos de estimulação para dois canais no mesmo membro, para, em seguida, estimar o vEMG e o eEMG. Esses métodos são sincronizados por software e apresentaram sucesso superior a 95%. Para os algoritmos de controle (2), criamos ambientes de simulação e estudamos estratégias de controle de FES para marcha e ciclismo. Usando o ambiente de marcha, simulamos quatro controladores de trajetória (bang-bang (BB), proporcional-integrativo-derivativo (PID), aprendizado iterativo do PID (PID-ILC) e ajuste do PID usando o controlador de busca extrema (PID-ES)) para rastrear movimento do joelho durante a marcha em baixa velocidade. O PID-ES apresentou coeficientes de correlação um pouco mais alto e menores erros de desvio máximo e padrão. Além disso, usando o ambiente de ciclismo FES, simulamos um modelo músculo- esquelético detalhado para rastrear a cadência do pedal durante o ciclismo. O ambiente de ciclismo por FES permitiu a investigação de parâmetros de órteses passivas de joelho para aumentar a cadência do pedal. Para a planta (3), comparamos como a adição de elementos passivos nas órteses de joelho pode alterar a cadência durante um treinamento de ciclismo por FES com um indivíduo com LM. Realizamos dois dias de experimentos com e sem molas e descobrimos que a velocidade média de ciclismo foi superior a 10% nos dois dias. A LM representa um fardo pesado para a qualidade de vida dessas pessoas, e a investigação de protocolos de estimulação para reabilitação varia significativamente. Essas abordagens visam complementar a literatura, levando em consideração a segurança do voluntário e a eficácia do sistema de controle, o que pode melhorar a reabilitação de pessoas com lesão medular completa. | - |
| Descrição: dc.description | Spinal cord injury (SCI) is one of the most severe injuries from motor disabilities. Therefore, there are sets of rehabilitation exercises for muscle strengthening, circulation, pressure release, and improvement of bone density. Advanced technologies may provide rehabilitation improvements for functional movements. Some of these routines use traditional methods with functional electrical stimulation (FES), which produces nerve stimulation through electrical signals, allowing the contraction of paralyzed muscles to produce torque. For feedback control, it is necessary to perform the mathematical modeling of the plant, followed by the controller design based on the available measurement units. Some of FES control challenges include nonlinearities of operation, which requires sophisticated feedback control techniques. We might increase the number of FES rehabilitation studies with patients with complete SCI if we diminish the difficulty to generate a safe and controllable system. In this work, we propose new techniques for FES control of lower limbs of a patient with complete SCI. More precisely, for this document, we intend to develop and evaluate three features of the lower limb rehabilitation to improve FES control. Each of these traits occurs in different perspectives of the control system: (1) the sensor estimation, (2) the control algorithms, and (3) the plant. For the sensor estimation (1), we used electromyography (EMG) to estimate the voluntary (vEMG) and the evoked (eEMG) activities. We developed methods for detecting stimulation artifacts for two-channel stimulation on the same limb to estimate vEMG and eEMG. These methods are not hardwaresynchronized to a stimulator and presented a success higher than 95%. For the control algorithms (2), we created simulation environments and studied FES control strategies for gait and cycling. Using the FES gait environment, we simulated four trajectory controllers (bang-bang (BB), proportionalintegral- derivative (PID), PID iterative learning (PID- ILC), and PID tuning using extremum seeking (PID-ES) controller) to track knee movement during low-speed gait. The PID-ES presented slightly higher correlation coefficients and lower maximum and standard deviation errors. Furthermore, using the FES cycling environment, we simulated a detailed musculoskeletal model and simulated speed controllers to track crankset speed during cycling. The FES cycling environment allowed the investigation of passive knee orthoses parameters, which usually presented lower muscle excitation. For the plant (3), we compared how adding passive elements in knee orthoses could change the cadence during an FES bike training with an individual with SCI. We performed two days of experiments with and without springs and found that the average cycling speed was higher than 10% on both days. SCI poses a heavy burden on the quality of life, and the investigation of stimulation protocols for rehabilitation varies significantly. These approaches intended to complement the literature, taking into account the security of the volunteer and the effectiveness of the control system, which may improve rehabilitation for people with complete spinal cord injury. | - |
| Formato: dc.format | application/pdf | - |
| Direitos: dc.rights | Acesso Aberto | - |
| Direitos: dc.rights | A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data. | - |
| Palavras-chave: dc.subject | Estimulação elétrica | - |
| Palavras-chave: dc.subject | Controladores | - |
| Palavras-chave: dc.subject | Eletromiografia | - |
| Palavras-chave: dc.subject | Biomecânica | - |
| Título: dc.title | Methods for electrical stimulation control of lower limbs in individuals with spinal cord injury | - |
| Tipo de arquivo: dc.type | livro digital | - |
| Aparece nas coleções: | Repositório Institucional – UNB | |
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