Journal of Biomedical Engineering Research (대한의용생체공학회:의공학회지)

The Korean Society of Medical and Biological Engineering (대한의용생체공학회)
권호 표지

Development of Closed-loop Control Type FES System for Restoration of Gait in Patients with Foot Drop

족하수 환자의 보행보조를 위한 피드백 제어형 전기자극기 개발

  • 정호춘 (원광대학교 공과대학 전자공학과) ;
  • 임승관 (원광대학교 공과대학 전자공학과) ;
  • 이상세 (원광대학교 공과대학 전자공학과) ;
  • 진달복 (원광대학교 공과대학 전자공학과) ;
  • 박병림 (원광대학교 이과대학 생리학교실)
  • Published : 1999.04.01
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Abstract

The purpose of this study was to develop a portable and convenient closed-loop contrel type electrical stimulator for patients with foot drop. This system restores walking movement as well as prevents from atrophy or necrosis of lower limb muscles and increases blood circulation in hemiplegic patients caused by traffic accident, industrial disaster or stoke. This system detects the changes of the ankle joint angle during walking, and then controls the stimulus intensity automatically to maintain the programmed level of the ankle joint angle. Also, this automatic system controls the stimulus intensity which is affected by increased electrode impedance resulting from long time use. The system detects the joint angle by an optical sensor and includes modified PID control which adjusts the stimulus intensity if the joint angle deviates from the preset value. Stimulus parameters are 30~80 volt, 40 Hz, and 0.2 ms. The system was applied to five hemiplegic patients for 42 days. Duration of stimulation was 15 min/day for the first week and then the duration was gradually increased to 30, 60, 90 and 120 min/day. The muscle force was increased up to 29.7%, muscle fatigue was decreased compared with the level before stimulation and the pattern of locomotion was improved. These results suggest that the electrical stimulator with closed-loop control type is more convenient and effective in restoration of locomotion of patients with foot drop than open-loop system.

본 논문은 족하수 환자를 대강으로 휴대가 간편하고 사용이 편리한 피드백 제어형 전기자극기를 제안하는 데 그 목적이 있다. 이 시스템은 교통사고, 산업재해, 뇌졸중 등으로 인하여 하지마비를 동반한 환자에서 마비된 하지근의 위축 및 괴사를 방지하고 혈액순환을 증가시킬 뿐만아니라 보행을 보조하여 안정된 활동을 가능케 한다 피드백 제어형 전기자극기는 환자가 오랜 시간 보행시 전극의 임피던스 변화나 근피로에 의해 족하수증이 다시 발생하게 되면 관절각의 변화가 관절각 센서에 의해 검출되고 이때의 오차는 PID 제어에 의한 자극전압의 변화를 가져와 설정된 위치에 발목이 도달하도륵 자극레벨이 자동 조절된다. 자극조건은 자극주파수 40 Hz, 자극펄스 0.2 ms, 30∼80 V이다. 족하수 환자 5명을 대상으로 42일 동안 첫째 1주일 동안에는 하루에 15분을 자극하고, 다음 주기는 1주일 단위로 하루에 30분, 60분, 70분, 120분씩 점차적으로 시간을 증가하면서 자극하였다. 이때 근력은 27.7%가 향상되었고, 근 피로도는 22.9%가 감소되었다. 이런 결과를 종합할 때 피드백 제어형 전기자극기는 족하수 환자의 보행기능 및 운동기능을 회복하는 데 효과적이라 하겠다.

Keywords

References

  1. Arch Phys Med Rehabil v.42 Functional eletrotherapy:stimulation of the peroneal nerve synchronized with the swing phase of the gait in hemiplegia patients Liberson W. T.;Holmquest H. J.;Scott D.;Dow A.
  2. Funtional electrical stimulation of extremities, in Advances in Electronics and Electron Physics v.30 Vodovnik L.
  3. Int Rehabil Med v.6 Functional electrical stimulation in external control of motor activity and movements of paralysed extremities Franjo G.
  4. Prosthetics and Orthotics Int v.17 Enhancement of hemiplegic patient rehanilitation by means of functional electrical stimulation Kralj A.;Acimovic R.;Stanic U.
  5. Scand J Rehab Med suppl v.17 Chronic electrical stimulation for the modification of spasticity in hemiplegic patients Aneta S.;Nusa G.;Lojze V.;Stanislav R.;Ruza A.
  6. Scand J Rehab Med suppl v.10 Multichannel electrical stimulation for correction of hemiplegic gait Stanic U.;Acimovic R.;Gros N.;Trnkoczy A.;Bajd T.;Kljajic M.
  7. 전자공학회지 v.29 일측 마비환자의 전기자극에 의한 보행기능의 회복 박병림;김민선;김상수;정도명;홍승홍
  8. J. Biomed Eng v.5 Patient controlled electrical stimulation via EMG signature discrimination for providing certain paraplegics with primitive walking functions Graupe D.;Kohn K. H.;Kralj A.;Basseas S.
  9. Orthopedics v.7 Electromyographic control of functional electrical in selected patients Gruaupe D.;Kokn K. H.;Basseas S.;Naccarati E.
  10. Orthopedics v.11 Torque History of Electrically Stimulated Human Quadriceps: Implications for Stimulation Therapy Richard L.;Lieber M.;Jeanne K.
  11. Arch Phys Med Rehabil v.75 The effects of functional electrical stimulation on shoulder subluxation, arm function recovery, and shoulder pain in hemiplegic stroke patients Pouran D.;Mary M.;Roger M.;John G.;Charles Ho.;Pain A.
  12. 의공학회지 v.19 하반신 마비환자의 FES 독립보행을 위한 근육 강화 프로그램 강선화;강곤;최현주;김종문;정순영;정진상
  13. IEEE Trans Biomed Eng v.36 Development of Percutaneous Intramusclar Electrode for Multichannel FES System Yasunbu H.;Hozomu H.;Yasutaka I.;Takashi O.
  14. IEEE Trans Biomed Eng v.36 Functional Neuromusclar Stimulation Using an Implantable Hydroxyapatite Connector and a Microprocessor-Based Portable Stimulator Kenzo A.;Masaaki M.;Jiro K.;Hideki A.
  15. Arch Phys Med Rehabil v.77 Peroneal Stimulator:Evaluation for the Correction of Spastic Drop Foot in Hemiplegia Malcolm;Douglas J.;Amanda C.B.;Kennedy R.;Joseph C.
  16. Arch Phys Med Rehabil v.42 Functional electrotherapy:stimulation of the peroneal nerve synchtonized with the swing phase of gait of hemiplegic patients Liverson W.T.;Holmquest H.J.;Scott D.;Dow M.
  17. Arch Phys Med Rehabil v.77 Gait training efficacy using a home-based practice model in chronic hemiplegia Arthur A.;Pamela O.;Kay A.;Jack S.;Bath S.;James M.;Jane R.;Rileen S.
  18. Arch Phys Med Rehabil v.69 Biofeedback and functional electric stimulation in stroke rehabilitation Colette D.;William S.;Susan L.
  19. IEEE Trans Biomed Eng v.42 Artificial neural network control of FES in paraplegics for patient responsive ambulation Daniel G.;Hubert K.
  20. IEEE Trans Biomed Eng v.40 Sensory nerve recording for closed-loop control to restore motor functions Dejan B.;Richard B.;Ksenija Lj.;Jovanovic;Rongching D.;Aleksandar K.;William W.
  21. J. Physiol v.104 Resting and action potentials in single nerve fibers Hodgkin A. L.;Huxley A. F.
  22. 운동생체역학 강곤
  23. 대한재활의학회지 v.20 척수손상 후 위축근 하지근에서 기능적 전기자극을 위한 자극조건 박병림;김민선;이문영;박동식;박형준;강곤
  24. 의공학회지 v.15 하반신마비 환자에서 보행기능의 복원을 위한 전기자극법의 개발 박병림;김민선;김상수;김성곤;류원영
  25. 기능적전기자극 강곤