文 | 中史华纳

编辑 | 中史华纳

震颤抑制矫形器是专为与受影响的肢体进行物理互动而开发的装置，这些矫形器可以根据所采用的震颤抑制机制的类型进行分类，包括主动、被动和半主动机制。

主动系统通过施加力来诱导震颤抑制效应，但由于肢体末端的负重较大，可能会干扰随意运动，因此可穿戴性和接受度较差。

被动机构则通过增加阻尼、惯性和刚度等方式来改变人体关节的阻抗，从而实现抑制震颤的效果。

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系统硬件设计

只是增加阻抗也会降低随意运动的自由度，为了克服这一问题，半主动机制引入了主动控制来调整阻抗，以适应颤抖的频率和个人需求，这种主动控制能够跟踪随意运动，同时无需过多的致动器和附加重量，半主动装置通常依赖于能量吸收机制，如气动袖带等。

这些系统还可以选择性地或同时利用能量耗散机制，例如磁可调粘性剪切阻力或摩擦阻尼，以增强震颤抑制效果。

其中一种新方法强调了耐磨性，它将带有控制器的电磁制动器应用到震颤抑制矫形器中，这个方法的优势在于它可以提供可调的震颤抑制，同时具备较高的耐磨性。

纺织集成矫形器是一项旨在提高佩戴者的耐磨性的技术，这一矫形器通过绳索连接手腕的伸展和弯曲动作，绳索固定在手的手掌和背侧，在前臂背侧绳索经过两次约90度的弯曲，然后返回手掌，形成了一个闭合的运动耦合环。

当手腕伸展时，绳索在掌侧被拉动，从背侧移动到掌侧，而在手腕弯曲时则相反，前臂背侧的弯曲点集成了制动器，这个装置的作用是固定绳索，防止其移动，从而控制手的运动。

制动器采用了ON/OFF电磁离合器，它在短短的13毫秒内产生高达0.2Nm的扭矩，将绳索连接到轴上，实现绳索的卷取。

制动器的卷轴直径为12毫米，分为两个隔室，一个用于背侧的绳索，一个用于掌侧的绳索，这种设计避免了绳索的重叠，从而防止了卷绕和展开过程的阻塞，制动单元固定在1.6毫米透气（穿孔）热塑性片材上，稍微弯曲以适应前臂的形状。

另一块热塑性片材（直径约30毫米）用于固定第二个90度绳索弯曲点在前臂的掌侧，为了确保最小的摩擦在弯曲点处，采用了BOA鞋带导向器，这些热塑性塑料片材手工缝制在纺织品上。

作为绳索的材料，使用了由聚乙烯纺丝纤维编织而成的0.4毫米超高分子量绳索，这种应用需要其低于1%的低拉伸率和低摩擦系数。

当制动器打开时，绳索的拉伸作为一种弹簧，吸收和延迟力的传递，而当制动器关闭时，绳索在导轨上和制动器内的摩擦起到阻尼作用，产生阻力，绳索被夹在手背和手掌侧，通过按扣固定。

制动机构的反作用力通过一种基于矫形技术的带子锚固在肘部，类似的力锚固方法也用于假肢。

在之前对健康受试者的测试中，经过设计调整和参数调整，确保了矫形器不会限制运动范围，然后进行了测试。

为了增加织物矫形器与佩戴者肢体的连接力，织物部分被涂覆了硅，硅涂层改善了剪切力在皮肤上的传递，防止了矫形器的擦伤和移位，不包括电源和控制器，矫形器的总重量为152克。

陀螺仪传感器以200Hz的频率安装在手背侧，并固定在定制的3D打印外壳中，传感器数据采集和制动控制由运行频率为600MHz的32位微控制器实现。

02

震颤抑制的控制策略

纺织集成矫形器旨在通过机械陷波滤波器的实施来应对颤抖，从而提高佩戴者的耐磨性，该制动器通过连接手腕的伸展和弯曲动作的绳索来控制手的运动，这些绳索固定在手的手掌和背侧。

然后在前臂背侧弯曲约90度，之后再次弯曲约90度返回手掌，形成一个闭合的耦合环。

为了有效应对颤抖，制动器的设计需要实现机械陷波滤波器，以过滤掉颤抖主导的频率，并产生反作用力，制动控制系统经过精心设计，以在正弦颤动周期的最佳时间内定期触发制动。

要在任何所需的延迟时间内触发制动器，需要一个有效的颤抖模型来补偿制动器的延迟，制动信号从发送到完全关闭制动器需要13毫秒。

采用基于感觉的阈值交叉控制可能会错过颤抖周期中的最佳偏移点，对于抑制颤抖并解释频率变化的评估，颤抖模型的重要性不言而喻。

颤抖信号是非平稳的，频率可变的信号，因此传统的傅立叶变换方法无法有效分析，取而代之的是，使用离散傅立叶变换可以揭示信号的频谱成分，但不能反映其时间依赖性。

为了实现实时动态模拟颤动速度，采用了Riviere开发的加权频率傅立叶线性组合器（WFLC），WFLC是一种自适应算法，通过估计随时间变化的频率、幅度和相位来构建颤抖估计的正弦模型。

虽然还有其他算法，如双自适应带限多重傅立叶线性组合器等，可以提供更高的估计精度，但本研究选择了WFLC，因为它具有较低的计算成本，WFLC用于估计一次谐波主频率。

由于颤抖运动的力量小于自愿运动的力量，因此WFLC可以收敛到自愿成分，需要将颤抖信号与来自手腕的随机运动分离，并使用一个传感器来隔离手部测量的其他身体运动。

为了生成孤立的颤抖信号，需要从感觉信号中减去随机运动分量的估计，卡尔曼滤波器被选为估计随机运动的算法，因为它是广泛用于实时人体运动跟踪的估计方法。

卡尔曼滤波器分为两种更新状态的步骤：时间更新和测量更新，时间更新用于向前预测时间并获得下一个时间步的状态估计，充当预测器，测量更新则通过合并新的测量来改进估计，充当校正器。

抑制控制器根据WFLC的估计过零点创建制动器的阶跃电压信号，这个阶跃信号的长度和延迟时间需要进行调整，延迟时间是根据颤抖频率计算的，以震颤周期的百分比表示，制动器会在这个时间点被触发，然后需要13毫秒才能完全关闭。

由于阶跃信号的持续时间和延迟时间需要在1毫秒内进行调整，因此抑制控制器的采样频率为1000Hz，而陀螺仪、卡尔曼滤波器和WFLC的采样频率为200Hz，足以进行颤抖评估和处理。

03

系统模型和计算模型

为了评估震颤抑制机制，进行了计算模拟和测试台实验，以在进行人体试验之前提高系统性能，这些模拟和实验的目的是确定最佳制动持续时间和延迟时间。

在计算模拟和测试台实验中，人体关节被简化为只有一自由度，模拟了手腕的屈伸运动，一个受控制的制动器连接到这个人体关节模型上，以确定最佳参数，并研究该制动器的震颤抑制效果，在这里最佳值的定义是在最大程度上抑制颤抖的同时最小化对随意运动的抑制。

人体肌肉与粘弹性结构相似，因为它们具有阻尼特性，因此人体系统被建模为具有旋转质量的弹簧阻尼器。

尽管反射可以调节肌肉提供的机械阻抗的粘性和弹性分量，但在这里我们假设这种效应可以忽略不计，并将人体简化为一个开环系统，其中阻抗或轨迹规划没有变化。

我们使用MATLAB Simulink设计了一个一自由度模型，模拟了人类手腕和带有制动器的控制系统，在计算模型中，制动器被实现为一个逻辑控制摩擦离合器，其摩擦扭矩为0.2Nm。

手腕被建模为一个半径为30mm的绳索鼓，它与制动器连接，而制动器本身的半径为6mm，并且带有理想的绳索（扭矩传递比r=1/5）。

连接手腕的绳索的30mm杠杆长度是根据人体测量数据估计的，并与文献中的数据相符，旋转质量与模拟手腕阻抗的旋转弹簧和阻尼器相连接，手腕、制动器、绳索、弹簧和阻尼器均使用Simscape mechanica模块进行建模。

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控制器参数确定

在计算模拟和测试台实验中，制动和抑制控制被设计成在主频率的正弦颤动周期内周期性地关闭制动器，以优化持续时间和最佳延迟时间，同时不影响其他频率成分。

研究的一个关键目标是确定最佳的制动持续时间和延迟时间，为了研究这些参数对系统动力学的影响，首先将制动持续时间设置为25毫秒，然后在0%、5%、10%、20%和30%的延迟时间范围内进行调整。

接着将延迟时间设置为5%，制动持续时间在5毫秒、10毫秒、20毫秒、25毫秒、30毫秒和40毫秒之间变化，以进一步研究制动持续时间对系统动态的影响。

为了确定两种状态抑制机制的最佳控制参数，使用测量的颤抖运动数据运行了计算模型，在这里，最佳参数的定义是在最大程度上抑制颤抖的同时最小化对随意运动的抑制，为了测量颤抖运动，加速度计被固定在伸出的手背上，用于测量和分析病理性颤抖。

使用来自5名Essential Tremor (ET)和5名Parkinson's Disease (PD)参与者的运动数据，计算了肌肉产生的扭矩，然后利用人类腕关节的逆动力学进行了测量的运动，这些扭矩数据用于确定不同控制参数下的颤抖和随意运动抑制效果。

系统模型的行为通过对控制参数的各种组合进行仿真来研究，其中制动持续时间范围从0毫秒到100毫秒，步长为1毫秒，延迟时间范围从0%到50%，步长为1%，每个参与者的数据可进行5151次模拟。

从这些模拟中，得到了每个颤抖数据集的震颤和随意运动抑制热图，最佳参数的确定方法是首先创建一个新的热图，从映射的随意运动抑制中减去映射的震颤抑制百分比，并为正值添加100%（称为随意震颤+100），然后找到该减法图的最小值。

最佳制动持续时间和延迟时间由每个数据集的计算模型确定，并通过测试台上的横截面方法进行验证。

验证过程中，最佳制动持续时间与0%至50%的延迟时间以5%的步长组合，而最佳延迟时间则与0毫秒至100毫秒的制动持续时间以5毫秒的步长组合。

结论

矫形器的设计采用了轻量、柔软和舒适的纺织材料，使患者能够长时间佩戴，不会感到不适。

内置的智能控制系统，可以根据需要切换矫形器的状态，一种状态用于减轻手腕震颤，另一种状态则用于放松手部肌肉，这种双重功能使患者能够更好地应对不同的日常活动和任务。

矫形器的实验测试表明，在震颤状态下，它可以显著减轻手部震颤，提高患者的精确性和控制能力。同时，在松弛状态下，它有助于缓解手部疲劳和不适感，提高了患者的舒适度。