کنترل بدون اتکاء در افراد دچار ضایعه نخاعی با استفاده از فناوری عصبی

ایستادن، یکی از مهمترین عملکردهایی است که در افراد دچار ضایعات عصبی، بوسیله تحریک الکتریکی عملکردی، قابل بازیابی است. عملکرد ایستادن، برای بیماران دچار فلج حرکتی، دارای مزّیت های ویژه ای است. بطور کلّی، عملکرد ایستادن با استفاده از تحریک الکتریکی عملکردی به دو نوع ایستادن بدون اتکاء و ایستادن با اتکاء، قابل تقسیم است. در ایستادن با اتکاء، شخص برای حفظ تعادل خود ناچار است از ابزارهای کمکی چون عصا یا واکر استفاده نماید. در ایستادن بدون اتکاء، شدت تحریک الکتریکی عضلات درگیر حرکت ایستادن، بگونه ای تعیین می شوند، تا فرد برای حفظ تعادل خود نیازی به استفاده از ابزارهایی چون عصا یا واکر نداشته باشد. به این ترتیب، این امکان برای فرد فراهم می شود تا از حداکثر توانایی های حرکتی باقی مانده اعضای بالا تنه، بویژه دستها، استفاده نماید. از این روی، ایستادن بدون اتکاء از اهمیت خاصّی برخوردار است.
تحقیقات مختلف در زمینه آنالیز نحوه ایستادن بدون اتکاء در افراد سالم، نشان داده اند که در انسان سالم، برای خنثی کردن اغتشاش های مکانیکی ضعیفی که در صفحه ساجیتال اعمال می شوند، بطور عمده از تنظیم گشتاور حول مفاصل مچ پا استفاده می شود. این استراتژی، استراتژی مچ پا نام دارد. عمده‌ترین اغتشاش خارجی در هنگام ایستادن، گشتاور ناشی از نیروی وزن در صفحه ساجیتال است. به همین دلیل در هنگام ایستادن بدون اتکاء، وضعیت فرد در مرز ناپایداری قرار دارد. لذا، استفاده از استراتژی مچ پا برای حفظ تعادل فرد در صفحه ساجیتال با استفاده از تحریک الکتریکی عملکردی، از مسائل باز و به روز تحقیقاتی است. ضمن اینکه با توجه به رفتار متغیّر با زمان سیستم‌های عضله- مفصل، برای تعیین شدت تحریک عضلات درگیر حرکت، مانند عضلات مچ پا، طراحی یک راهکار کنترلی اجتناب ناپذیر است.
در مطالعات تحقیقاتی که توسط سایر محقّقین، در راستای طراحی استراتژی کنترلی مناسب به منظور ایستادن بدون اتکاء انجام شده‌اند، محدودیت‌ها و نقایصی وجود دارد. از جمله اینکه درتمامی آنها، علاوه بر اندازه‌گیری زوایای مفاصل، نیاز به اندازه گیری گشتاور هم بوده است. از سوی دیگر در برخی از مطالعات ارائه شده، علاوه بر طراحی کنترل کننده، فرد دچار فلج پایین تنه مجبور بوده است تا از حرکت های ارادی بالا تنه برای حفظ تعادل خود استفاده نماید. دسته ای از محقّقین از مدل های خطی و غیر متغیر بازمان برای مدل کردن رفتار سیستم اسکلتی و عضلانی، استفاده کرده اند. همچنین استفاده از تحریک الکتریکی یک گروه عضلانی به تنهایی، هنگام استفاده از استراتژی مچ پا، دیگر محدودیت موجود در مطالعات مذکور بوده اند. برخی از مطالعات فقط به صورت شبیه سازی کامپیوتری بوده اند و فاقد ارزیابی های عملی بوده اند. در بعضی از تحقیقات، آزمایش های انسانی روی افراد غیر فلج انجام شده اند و .... در راستای رفع نقائص فوق، در این پایان نامه، یک استراتژی کنترلی غیر متمرکز مقاوم تطبیقی فازی، مبتنی بر کنترل مد لغزشی، طراحی و پیاده سازی شده است. به منظور ارزیابی روش کنترلی ارائه شده، ابتدا مطالعات شبیه سازی کامپیوتری روی مدل های مناسبی از سیستم های اسکلتی- عضلانی انجام شده اند. در ادامه با طراحی و ساخت سیستم تحریک کننده الکتریکی کامپیوتری مناسب، خرید و ساخت تجهیزات لازم، سیستم آزمایش های انسانی آماده شده است. سپس آزمایش های انسانی مختلف و متعدّدی روی افراد سالم و افراد دچار فلج پایین تنه طراحی و انجام شده اند. نتایج نشان داده اند که استراتژی کنترلی پیشنهادی توانسته است سیگنال های تحریک عضلات باز کننده و جمع کننده درگیر را بگونه‌ای تنظیم کند تا تعادل فرد در هنگام ایستادن بدون اتکاء در صفحه آناتومیکی ساجیتال، در وضعیت های ایستادن مختلف، در شرایط اعمال اغتشاش های مکانیکی خارجی و در هنگام ایستادن های طولانی مدّت که تواْم با وقوع پدیده خستگی عضلانی بوده اند، حفظ شود.

ایستادن بیمار دچار ضایعه نخاعی بدون اتکاء با استفاده از سیستم تحریک کننده عصبی-عضلانی کامپیوتری، مرکز فناوری عصبی ایران

مقالات چاپ شده:

1. H.-R. Kobravi and A. Erfanian, "A Decentralized Adaptive Robust Control Based on Sliding Mode and Nonlinear Compensator for Control of Ankle Movement Using Functional Electrical Stimulation of Agonist-Antagonist Muscles," J. Neural Eng. vol., 6, pp. 2009. (PDF)

2. H.-R. Kobravi and A. Erfanian, "A decentralized adaptive fuzzy robust strategy for control of upright standing posture in paraplegia using functional electrical stimulation, Medical Engineering & Physics, 2011. (PDF)