DE102020120164A1

DE102020120164A1 - Medizinisches System zur Laufunterstützung durch Muskelstimulation sowie Verfahren zur Regelung eines medizinischen Systems zur Laufunterstützung durch Muskelstimulation

Info

Publication number: DE102020120164A1
Application number: DE102020120164.8A
Authority: DE
Inventors: Alin Albu-Schäffer; Annika Schmidt; Dominic Lakatos; Philipp Stratmann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Technische Universitaet Muenchen
Priority date: 2020-07-30
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2022-02-03
Anticipated expiration: 2040-07-31
Also published as: DE102020120164B4

Abstract

Medizinisches System zur Laufunterstützung durch Muskelstimulation, mit mindestens zwei Elektroden zur Muskel- oder Nervenstimulation, wobei über die mindestens zwei Elektroden Muskeln von voneinander beabstandeten Gelenken eines menschlichen oder tierischen Körpers direkt oder indirekt stimulierbar sind, und mit mindestens zwei Sensoreinrichtung zur Bestimmung der Auslenkung des jeweiligen Gelenks in Bezug auf mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad des jeweiligen Gelenks, und mit einem Regelungssystem, das Elektroden regelt, wobei das Regelungssystem die von allen oder mehreren Sensoreinrichtungen bestimmten Auslenkungen der jeweiligen Gelenke zu einem Sensorberechnungswert zusammenfasst und die Elektrode Muskeln der jeweiligen Gelenke in Abhängigkeit von dem Sensorberechnungswert periodisch anregt.

Description

Die vorliegenden Erfindung betrifft ein medizinisches System zur Laufunterstützung durch Muskelstimulation sowie Verfahren zur Regelung eines medizinisches System zur Laufunterstützung durch Muskelstimulation.
Bei Störungen des Zentralen Nervensystems, wie einem Schlaganfall, Zerebralparese, oder einer Rückenmarksverletzung, verlieren Patienten teilweise oder vollständig die Fähigkeit zu Laufen. Um den Patienten wieder Bewegungen zu ermöglichen, können ihre Muskeln durch künstliche, funktionale Elektrostimulation angeregt werden. Aber die so erzeugten Bewegungen sind um ein Vielfaches schwächer und langsamer als die natürlichen Bewegungen gesunder Menschen. Zudem sind die Bewegungen unintuitiv für den Patienten, was die Gefahr für Verletzungen erhöht. Um den Patienten eine Rückkehr in ihr normales Leben zu ermöglichen, müssten gezielt die elektrischen Signale nachgeahmt werden, mit denen das zentrale Nervensystem im gesunden Zustand starke und schnelle Bewegungen erzeugt.
Dass auch Patienten mit einer unvollständigen Lähmung nur eine geringe Laufperformance erreichen, ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass sie die elastischen Eigenschaften ihres Bewegungsapparats nicht mehr nutzen. Gesunde Menschen erreichen ihre hohe Laufperformance vornehmlich dadurch, dass sich in jedem Schritt die Muskeln und Sehnen wie Federn strecken, um die Aufprallenergie zu speichern und wieder zum Abstoßen zu verwenden. Hierdurch können einzelne Muskeln bis zu 80% ihrer Energie sparen und besonders kraftvolle und große Schritte und Sprünge hervorbringen. Die Steuerung dieser Bewegungen ist allerdings komplex, da das menschliche Bein komplexe, nicht-lineare Resonanzeigenschaften aufweist. Um die hohe Leistung menschlicher Fortbewegung hervorzubringen, muss das zentrale Nervensystem seine Steuerung beständig anpassen an mechanische Änderungen des Körpers (der Mensch hebt ein Gewicht auf, Ermüdung der Muskeln, ...) oder der Umwelt (der Mensch läuft von hartem auf nachgiebigen Boden, ...). Z.B. verringert ein Läufer die Steifigkeit seines Beines, wenn der Boden nachgiebiger wird, wodurch die (optimale) Lauffrequenz gleichbleibt. Da nun das Bein beim Auftreten weniger durchknickt, müssen die einzelnen Gelenke anpassen, wie viel Drehmoment sie aufbringen, um sich weiterhin mit der gleichen Kraft vom Boden abzustoßen. Bei Verletzungen des zentralen Nervensystems können Patienten diese elastischen Eigenschaften ihres Bewegungsapparats nicht mehr richtig steuern und anpassen. Daher ist es wünschenswert, dass die elastischen Eigenschaften der Muskeln und Sehnen wieder gezielt genutzt werden können, um Patienten Fortbewegung mit hoher Kraft und Geschwindigkeit zu ermöglichen.
Funktionale Elektrostimulation wird bereits vielfach eingesetzt, um die Muskeln von Patienten zu stimulieren. Hierbei werden Elektroden typischerweise entweder invasiv an den Nerven positioniert, welche zu den Muskeln führen, invasiv in die Muskeln implantiert, oder nicht-invasiv auf der Haut oberhalb der Muskeln aufgeklebt. Auch wurden die Elektroden an der Wirbelsäule angebracht, sodass sie sensorische Nerven stimulieren. Diese sensorischen Stimuli werden durch das Rückenmark bearbeitet und lösen indirekt im zentralen Nervensystem motorische Signale aus, welche das periphere Nervensystem dann an die Muskeln weiterleitet. Während der Stimulationsprotokolle können die Probanden wieder einfache Bewegungen wie Radfahren oder auch gestütztes Laufen durchführen.
Bisher fehlen Systeme, die ein energieeffizientes Laufen durch Muskelstimulation ermöglichen.
Die zuvor beschriebenen Systeme zur Elektrostimulation geben den allgemeinen Kenntnisstand der Anmelder wieder, beziehen sich jedoch nicht notwendigerweise auf konkrete Dokumente oder veröffentlichen Stand der Technik.
Es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein medizinisches System zur Laufunterstützung durch Muskelstimulation sowie ein Verfahren zur Regelung eines medizinisches System zur Laufunterstützung durch Muskelstimulation zu schaffen, das eine hohe Energieeffizienz des Laufvorgangs bereitstellt.
Das erfindungsgemäße medizinische System ist definiert durch die Merkmale des Anspruch 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist definiert durch die Merkmale des Anspruch 7.
Das erfindungsgemäße medizinisches System zur Laufunterstützung durch Muskelstimulation weist mindestens zwei Elektroden zur Muskel- oder Nervenstimulation auf, wobei über die mindestens zwei Elektroden Muskeln von voneinander beabstandeten Gelenken eines menschlichen oder tierischen Körpers direkt oder indirekt stimulierbar sind, sowie mindestens zwei Sensoreinrichtung zur Bestimmung der Auslenkung des jeweiligen Gelenks in Bezug auf mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad des jeweiligen Gelenks.
Das erfindungsgemäße medizinische System weist ferner ein Regelungssystem, das die Elektroden regelt, wobei das Regelungssystem die von allen oder mehreren Sensoreinrichtungen bestimmten Auslenkungen der jeweiligen Gelenke zu einem Sensorberechnungswert zusammenfasst und die Elektrode Muskeln der jeweiligen Gelenke in Abhängigkeit von dem Sensorberechnungswert periodisch anregt.
Die für das Laufen verwendeten Gelenke eines menschlichen oder tierischen Körpers weisen jeweils mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad auf. In Bezug auf mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad weist jedes der Gelenke darüber hinaus eine Elastizität auf und die Gelenke bilden ein Schwingungssystem bzw. sind Teil eines solchen.
Die Gelenke weisen durch die Elastizität der Gelenke eine elastische Dynamik auf, durch die z.B. beim Auftreten die Bewegungsenergie elastisch gespeichert und wiederverwendet werden kann, um sich abzustoßen. Über einen Großteil des Bewegungszyklus wird die Laufbewegung durch die passive, intrinsische Dynamik bestimmt. Diese nutzt das erfindungsgemäße System, um ein energieeffizientes Laufen zu bewirken.
Das Regelungssystem bildet mit den Elektroden und den Sensoreinrichtungen eine Rückkopplungsschleife. Das Regelungssystem erhält von jedem Freiheitsgrad den Gelenken des menschlichen Beines, die verwendet werden, sensorische Signale, welche die Bewegung der Patienten beschreiben. Die sensorischen Signale beschreiben zumindest die Auslenkung der Gelenke. Basierend auf diesen Signalen berechnet das Regelungssystem Signale, welche das Regelungssystem als Regelungsgröße weiterleitet, um die Muskeln der einzelnen Gelenk der Elektroden anzuregen. Hierdurch wird eine Bewegung des Beins des Patienten erzeugt. Die Sensoreinrichtungen, welche z.B. an dem Bein angebracht sind, leiten Information zu dieser Bewegung wiederum als Feedback an das Regelungssystem weiter.
Zu Beginn benötigt das Regelungssystem als Modellwissen über das Bein lediglich die Anzahl der Freiheitsgrade der Gelenke. Danach baut sich das Regelungssystem sukzessiv ein Modell des menschlichen Bewegungsapparats, welches das Regelungssystem während der Bewegung durchgehend adaptiert und damit an mechanische Veränderungen anpasst. Hierzu sendet er zu Beginn an alle stimulierten Muskeln ein Signal und treibt damit das Bein an. Die resultierende Bewegung ist nun stark bestimmt durch die passive Dynamik des Beins. Basierend auf der resultierenden Bewegung verändert das Regelungssystem die Signale, z.B. deren Frequenz und die Amplitude des Signals an einer Elektrode für ein spezifisches Gelenk relativ zu der Amplitude des Signals an einer Elektrode für ein anderes Gelenk. Mit dem veränderten Signal regt das Regelungssystem nun die Bewegung weiter an und adaptiert die Signale wiederum basierend auf der resultierenden Bewegung. Hierdurch erlernt das Regelungssystem Stück für Stück die Regelungssignale, welche eine besonders energieeffiziente Bewegung des Beines ermöglichen, also eine große Bewegungsamplitude aufweist.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Regelungssystem die Elektroden zur Stimulation der Muskeln entlang einer Haupteigenmode eines durch die Gelenke gebildeten Schwingungssystems bzw. entlang einer Haupteigenmode einer Linearisierung des durch die Gelenke gebildeten Schwingungssystems anregt, wobei die Haupteigenmode dem Regelungssystem vorgegeben ist oder von dem Regelungssystem bestimmt wird.
Die Haupteigenmode des durch die Gelenke gebildeten Schwingungssystems wird durch die Gelenke selbst inklusive Muskeln und Sehnen und der Umgebung bestimmt, insbesondere auch durch Ansprechverhalten der Muskeln auf die elektrischen Signale und einen Untergrund auf dem ein Bein eines Benutzers des medizinischen Systems aufsetzt. Beispielsweise ist die Haupteigenmode auf einem harten Untergrund anders als auf einem weichen Untergrund. Die Haupteigenmode kann durch das Regelungssystem selbst bestimmt werden oder von außen, beispielsweise durch ein separates System vorgegeben werden. Unter Haupteigenmode wird die dominante Eigenmode des Systems verstanden. Durch die Stimulation der Muskeln entlang der Haupteigenmode kann ein besonders energieeffizienter Antrieb erreicht werden.
Bei nicht-linearen Systemen liegt keine Haupteigenmode vor. Daher wird eine Linearisierung des Systems approximiert und Muskeln entlang der Haupteigenmode des linearisierten Systems stimuliert.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Regelungssystem die Elektroden mit einer Resonanzfrequenz des durch die Gelenke gebildeten Schwingungssystems anregt, wobei die Resonanzfrequenz dem Regelungssystem vorgegeben ist oder von dem Regelungssystem bestimmt wird.
Die Resonanzfrequenz ist durch die Gelenke, Muskeln und Sehnen des Benutzers des erfindungsgemäßen medizinischen Systems selbst und seine Umgebung bestimmt, insbesondere auch durch das Ansprechverhalten der Muskeln auf die elektrischen Signale und durch einen Untergrund, auf dem ein Bein des Benutzers aufsetzt. Beispielsweise ist die Resonanzfrequenz des auf einem harten Untergrund anders als auf einem weichen Untergrund. Die Resonanzfrequenz kann durch das Regelungssystem selbst bestimmt werden oder von außen, beispielsweise durch ein separates System vorgegeben werden.
Durch die Anregung der Elektroden mit der Resonanzfrequenz kann ein besonders energieeffizienter Gang des Benutzers erreicht werden.
Besonders energieeffizient ist es, wenn eine Anregung entlang der Haupteigenmode mit der Resonanzfrequenz erfolgt.
Bei dem erfindungsgemäßen medizinischen System kann vorgesehen sein, dass alle oder ein Teil der Sensoreinrichtungen Drehmomente und/oder Kräfte, die in Bezug auf den Freiheitsgrad auf dem jeweiligen Gelenk einwirken, bestimmen.
Die bestimmten Drehmomente und/oder Kräfte können als weitere Werte bei der Zusammenfassung zu einem Sensorberechnungswert verwendet werden, wodurch die Genauigkeit erhöht werden kann.
Die Sensoreinrichtungen können die Auslenkungen, die Kräfte und/oder die Drehmomente direkt bestimmen, beispielsweise messen, oder auch indirekt bestimmen, beispielsweise durch Ableitung aus anderen gemessenen Werten.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen dass das Regelungssystem von den Sensoreinrichtungen bestimmte Werte für die Auslenkungen oder die Auslenkungen und die Kräfte und/oder die Drehmomente bei der Zusammenfassung zu dem Sensorberechnungswert mit Gewichtungsfaktoren gewichtet und addiert, und das Regelungssystem für die Anregung der Elektroden aus dem Sensorberechnungswert ein Anregungssignal erzeugt und für die einzelnen Elektroden mit den Gewichtungsfaktoren gewichtet.
Jedem Freiheitsgrad kann dabei ein skalarer Gewichtungsfaktor zugeordnet werden, so dass sich skalare Werte ergeben, die zu dem Sensorberechnungswert addiert werden.
Mathematisch entspricht diese Operation einer lineare Koordinatentransformation von dem mehrdimensionalen Gelenkraum in einen eindimensionalen latenten Regelungsraum. Dadurch lässt sich beispielsweise die Resonanzfrequenz des Systems approximieren. Auch können beispielsweise durch die Sensoreinrichtungen bestimmte Werte von Freiheitsgraden bzw. Gelenken, welche sich viel bewegen müssen, besonders hoch gewichtet werden. Diese Werte weisen normalerweise ein besonders kleines Rauschen auf.
Vorzugsweise sind die Gewichtungsfaktoren an die Haupteigenmode des durch die Gelenke gebildeten Schwingungssystems angepasst.
Das erfindungsgemäße medizinische System bietet den Vorteil, dass die Gewichtungsfaktoren nur an sensorische Werte von bestimmten Zeitpunkten anzupassen, insbesondere solche, die zeitlich nah an dem Regelungsvorgang des Regelungssystems liegen. Dies begründet sich folgendermaßen: Die Gewichtungsfaktoren stellen ein simples (linearisiertes) mechanisches Modell des gesamten Systems (bestehend aus Gelenken, Muskeln und Sehnen des Benutzers des erfindungsgemäßen medizinischen Systems, Ansprechverhalten der Muskeln auf die elektrischen Signale und Umgebung) dar. Da das Regelungssystem mit dem System nur interagiert, wenn es schaltet, ist es insofern besonders sinnvoll, das System nahe des Schaltvorgangs zu modellieren, was durch die Gewichtung der von den Sensoreinrichtungen bestimmten Werten erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung eines medizinischen Systems zur Laufunterstützung durch Muskelstimulation, wobei das medizinische System mindestens zwei Elektroden zur Muskel- oder Nervenstimulation aufweist, wobei über die mindestens zwei Elektroden Muskeln von voneinander beabstandeten Gelenken eines menschlichen oder tierischen Körpers direkt oder indirekt stimulierbar sind, wobei über die Elektroden Muskeln der jeweiligen Gelenke in Bezug auf den mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad anregbar sind, weist folgende Schritte auf:

a) Bestimmen einer Auslenkungen der Gelenke in Bezug auf den mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad des jeweiligen Gelenks,
b) Zusammenfassen der Auslenkungen der jeweiligen Gelenke zu einem Sensorberechnungswert,
c) Regelung der Elektroden der jeweiligen Gelenke in Abhängigkeit von dem Sensorberechnungswert,

Die für das Laufen verwendeten Gelenke eines menschlichen oder tierischen Körpers weisen jeweils mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad auf. In Bezug auf mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad weist jedes der Gelenke darüber hinaus eine Elastizität auf und die Gelenke bilden ein Schwingungssystem bzw. sind Teil eines solchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorgesehen sein, dass basierend auf der resultierenden Bewegung durch Schritt c) Signale für die Anregung der Elektroden, z.B. deren Frequenz und die Amplitude des Signals an einer einzelnen Elektrode relativ zu der Amplitude des Signals an einer anderen Elektrode bzw. anderen Elektroden geändert werden. Dies kann beispielsweise durch Gewichtung erfolgen, so dass die Frequenz und die Amplitude mit entsprechenden Faktoren gewichtet werden. Diese Faktoren können bestimmt oder vorgegeben werden. Mit dem veränderten Signal werden die Elektroden des medizinischen Systems weiter angeregt und die Signale werden wiederum basierend auf der resultierenden Bewegung verändert bzw. gewichtet. Die Faktoren können an die Eigenmode des durch die Gelenke gebildeten Schwingungssystem angepasst sein bzw. werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur Regelung eines erfindungsgemäßen medizinischen Systems geeignet.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind identisch zu den zuvor beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen medizinischen Systems.
Bei der Erfindung kann sich durch eine Änderung der Umgebung die Regelung kurzzeitig ändern, wobei kurzzeitig auch nicht periodische Anregungen erfolgen können.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass sich die Haupteigenmode des durch die Gelenke gebildeten Schwingungssystems bestimmt wird und dass die Elektroden in Schritt c) entlang der Haupteigenmode angetrieben werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorgesehen sein, dass die Resonanzfrequenz des durch die Gelenke gebildeten Schwingungssystems bestimmt wird und dass die Elektroden mit der Resonanzfrequenz angetrieben werden.
Dabei kann vorgesehen sein, dass für die Bestimmung der Resonanzfrequenz der Sensorberechnungswert mit einem Schwellenwert verglichen wird. Dadurch lässt sich die Resonanzfrequenz auf besonders einfache Art und Weise bestimmen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in Schritt b) zusätzlich zu den Auslenkungen Drehmomente und/oder Kräfte, die in Bezug auf den Freiheitsgrad auf das jeweiligen Gelenk einwirken, bestimmt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei dem Zusammenfassen der Auslenkungen zu dem Sensorberechnungswert die bestimmten Werte für die Auslenkungen oder die bestimmten Werte für die Auslenkungen und die Kräfte und/oder die Drehmomente mit Gewichtungsfaktoren gewichtet werden, wobei der Sensorberechnungswert ein skalarer Wert ist, wobei über die Gewichtungsfaktoren die bestimmten Werte transformiert werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass aus dem Sensorberechnungswert ein Anregungssignal erzeugt wird, wobei das Anregungssignal mit den Gewichtungsfaktoren gewichtet wird und das Anregungssignal gewichtet an die Elektroden ausgegeben wird.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Gewichtungsfaktoren an die Haupteigenmode angepasst sind.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei der Wiederholung der Schritte a)-c) die Gewichtungsfaktoren kontinuierlich angepasst werden.
Dabei kann vorgesehen sein, dass für die Anpassung der Gewichtungsfaktoren aus den Auslenkungen bestimmte Positionsdaten der Gelenke verwendet werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass einmalig vor Schritt a) ein Initiierungs-Antriebssignal an alle Elektroden ausgegeben wird.
Es hat sich ferner herausgestellt, dass zu Beginn für die Regelung als Modellwissen über das System lediglich die Anzahl ihrer Freiheitsgrade der Gelenke benötigt wird. Danach wird sukzessiv ein Modell des Systems erbaut, welches während der Bewegung durchgehend adaptiert wird und damit an mechanische Veränderungen, wie beispielsweise sich ändernder Untergrund, anpasst. Durch Initiierungs-Anregungssignal werden die Elektroden des medizinischen Systems initial angeregt. Die resultierende Bewegung ist nun stark bestimmt durch die passive Dynamik der Elastizität des Systems. Basierend auf der resultierenden Bewegung werden, wie zuvor beschrieben, bei der Regelung die Signale für die Anregung der Elektroden geändert und angepasst.
Mathematisch kann das Regelungssystem bzw. die Regelung wie folgt beschrieben werden:

Zunächst werden die Sensorwerte (z.B. die gemessene Auslenkungen q) der einzelnen Gelenke bestimmt. Alle in diesem Abschnitt fett gedruckten Variablen bezeichnen Vektoren.

Das Regelungssystem führt nun vier aufeinander folgenden Berechnungen durch:

1) Die Sensordaten werden zu einem skalaren Wert zusammengefasst, um die Resonanzfrequenz des mechanischen Systems abzuschätzen. Zu diesem Zweck werden die Sensordaten (hier als Beispiel durchgeführt für die gemessene Auslenkung q) durch multiplikative Gewichtungsfaktoren w gewichtet und zusammenaddiert. Jedem Freiheitsgrad i wird hierbei ein skalarer Gewichtungsfaktor w_i zugeordnet, dessen Bestimmung später behandelt wird. Es ergibt sich der skalare Sensorwert $q_{z} = \sum_{i} w_{i} \cdot q_{i} = w^{T} \cdot q .$
Mathematisch entspricht diese Operation einer lineare Koordinatentransformation von dem mehrdimensionalen Gelenkraum in einen eindimensionalen latenten Regelungsraum.
2) Im zweiten Schritt werden die sensorischen Werte benutzt, um die Resonanzfrequenz des Systems herauszufinden. Das Regelungssystem regelt dann mit der Resonanzfrequenz, um das System energieoptimal anzuregen. Der skalare Sensorwert q_z kann je nach Sensorwerten entweder negativ oder positiv sein und wird mit einem positiven Schwellenwert (S) verglichen. Wenn q_z kleiner ist als der negative Wert des Schwellenwerts (q_z <-S), wird ein negatives Regelungssignal (= -θ̂_z) initiiert. Wenn q_z größer ist als der positive Wert des Schwellenwerts (q_z> S) wird ein positives Regelungssignal (= θ̂_z) gesetzt. Falls q_z zwischen dem negativen und positiven Wert des Schwellenwerts liegt (-S< q_z<S), wird das Regelungssignal auf null (= 0) gesetzt: $θ_{z} (t) = {\begin{matrix} + {\hat{θ}}_{z} & w e n n & q_{z} > s \\ 0 & w e n n & S > q_{z} > - S \\ - {\hat{θ}}_{z} & w e n n & q_{z} < - S \end{matrix}$
3) Um die berechneten Signale auf die Elektroden bzw. Muskeln zu übertragen, muss das skalare Regelungssignal auf die Freiheitsgrade des Systems abgebildet werden. Um aus dem skalaren Regelungssignal (θ_z) entsprechende Signale für die einzelnen Elektroden bzw. Muskeln der verschiedenen Gelenke zu generieren (θ_i), wird es entgegengesetzt zu 1) aus dem eindimensionalen Regelungsraum in den Gelenkraum transformiert. Hier bestimmt es die Amplitude θ der Ströme, welche auf die Muskeln gegeben werden $θ = w \cdot θ_{z} .$
4) Um den Regler an sich verändernde Bedingungen anzupassen, werden die multiplikativen Gewichtungsfaktoren w während einer Bewegung laufend an sensorische Informationen über die Bewegung angepasst. Dabei sollen die Gewichtungsfaktoren der Eigenmode (im Fall von linearen mechanischen Systemen) bzw. der Eigenmode des linearisierten Systems oder der nichtlinearen Normalmode (nichtlineare mechanische Systeme) entsprechen.

Für die Adaption werden die sensorischen Signale über die Positionen q der Gelenke genutzt. Um die Gewichtungsfaktoren zu bestimmen, wird eine Hauptkomponentenanalyse („principal component analysis“, PCA) auf die Gelenkpositionen angewandt, die Gewichtungsfaktoren w werden mit der dominanten Haupteigenmode gleichgesetzt, und normiert, d.h. $| w | = \sum_{i} \sqrt{w_{i}^{2}} = k o n s t a n t .$
Bei der Bestimmung der PCA sollen neuere Sensorwerte q(t) eine höhere Gewichtung haben als ältere, damit sich die Gewichtungsfaktoren ständig an neue Bedingungen anpassen können.
Zur Ermittlung der Haupteigenmode können verschiedene mögliche Verfahren angewendet werden: Um die dominante Hauptkomponente zu ermitteln kann eine vorteilhafte Ausgestaltung iterative Verfahren anwenden, die in jedem Zeitpunkt einen neuen Sensorwert q(t) erhält und die Gewichte entsprechend anpasst. Ein Beispiel ist gegeben durch die sogenannte Oja'sche Lernregel, $\dot{w} = γ (w^{T} q) [q - (w^{T} q) w] .$
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, die Gewichtungsfaktoren nur an sensorische Daten von bestimmten Zeitpunkten anzupassen, insbesondere solche, die zeitlich nah an dem Schalten des Regelungssystems liegen. Dies begründet sich folgendermaßen: Die Gewichtungsfaktoren stellen ein simples (linearisiertes) mechanisches Modell des gesamten mechanischen Systems (bestehend aus Gelenken, Muskeln und Sehnen des Benutzers des erfindungsgemäßen medizinischen Systems, Ansprechverhalten der Muskeln auf die elektrischen Signale und Umgebung) dar. Da das Regelungssystem mit dem System nur interagiert, wenn es schaltet, ist es insofern besonders sinnvoll, das System nahe des Schaltvorgangs zu modellieren.
Bei dem erfindungsgemäßen medizinischen System und dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Elektroden direkt Muskeln oder deren Nerven stimulieren und beispielsweise auf der Haut oberhalb von Muskeln aufgeklebt sein. Die Elektroden können auch sensorische Nerven stimulieren, deren Signale vom zentralen Nervensystem verarbeitet werden und die wiederum motorische Signale auslösen (epidurale Elektrostimulation).
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die einzige Figur näher erläutert
Die Figur zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes medizinisches System 1 zur Laufunterstützung durch Muskelstimulation. Das medizinische System 1 ist an einem Bein 30 eines Benutzer angeordnet. Das Bein 30 weist ein erstes Gelenk 50, das einem Kniegelenk entspricht, und ein zweites Gelenk 70, das einem Fußgelenk entspricht, auf. Die Gelenke 50,70 weisen jeweils einen rotatorischen Freiheitsgrad auf und sind voneinander beabstandet angeordnet. Das erste Gelenk 50 wird über einen ersten Muskel 50a entlang eines rotatorischen Freiheitsgrads angeregt. Zur Anregung des ersten Muskel 50a weist das medizinische System eine erste Elektrode 5a auf. Ferner ist eine erste Sensoreinrichtung 5b an dem ersten Gelenk 50 angeordnet, über die eine erste Auslenkung q₁ des ersten Gelenks 50 in Bezug auf den Freiheitsgrad gemessen werden kann. Das zweite Gelenk 70 wird über einen zweiten Muskel 70a entlang eines rotatorischen Freiheitsgrads angeregt. Zur Anregung des zweiten Muskel 70a weist das medizinische System eine zweite Elektrode 7a auf. Ferner ist eine zweite Sensoreinrichtung 7b an dem zweiten Gelenk 70 angeordnet, über die eine erste Auslenkung q₁ des zweiten Gelenks 70 in Bezug auf den Freiheitsgrad gemessen werden kann.
Das erste und das zweite Gelenk 50,70 weisen in Bezug auf ihren rotatorischen Freiheitsgrad eine Elastizität auf und bilden ein Schwingungssystem, wobei das Schwingungssystem auch den Boden 100 und die Muskeln 50, 70 sowie Sehnen des Beins 30 mit umfasst.
Ein Regelungssystem 9 regelt die Elektroden 5a,7a, wobei das Regelungssystem 9 von Sensoreinrichtungen 5b,7b gemessene Auslenkungen q₁, q₂ der jeweiligen Gelenke 50,70 zu einem Sensorberechnungswert q_z zusammenfasst und die Elektroden 5a,7a die Muskeln 50a,70a der jeweiligen Gelenke 50,70 in Abhängigkeit von dem Sensorberechnungswert q_z durch periodische Anregung regelt.
Die Anregung erfolgt durch Signale θ₁, θ₂ die von dem Regelungssystem 9 an die Elektroden 5a,7a ausgegeben werden. Dabei ermittelt das Regelungssystem 9 aus den Sensorberechnungswert q_z zunächst einen skalaren Regelungssignal θ_z, das mittels Gewichtungsfaktoren zu den Signale θ₁, θ₂ gewandelt wird. Dadurch werden die Signale θ₁, θ₂ bzw. deren Frequenz und die Amplitude eines der Signale θ₁, θ₂ an einer der Elektroden 5a,7a relativ zu der Amplitude des Signals θ₁,θ₂ an anderen Elektroden 5a,7a.
Die Signale θ₁, θ₂ werden über Gewichtungsfaktoren w₁,w₂ gewichtet.
Dabei kann das Regelungssystem bei der Zusammenfassung der von den Sensoreinrichtungen bestimmten Werte q₁, q₂ für die Auslenkungen zu dem Sensorberechnungswert q_z die Gewichtungsfaktoren w₁,w₂ festlegen und von den Sensoreinrichtungen bestimmten Werte q₁, q₂ für die Auslenkungen mit Gewichtungsfaktoren gewichten und addieren.
Die Gewichtungsfaktoren w₁,w₂ sind an die Haupteigenmode des Schwingungssystems angepasst.
Es hat sich ferner herausgestellt, dass zu Beginn das Regelungssystem 9 als Modellwissen über das erfindungsgemäße medizinischen System 1 lediglich die Anzahl ihrer Freiheitsgrade der Gelenke 50,70 benötigt. Danach baut sich das Regelungssystem 9 sich sukzessiv ein Modell des Beins 30, welches während der Bewegung durchgehend adaptiert wird und damit an mechanische Veränderungen, wie beispielsweise sich ändernder Untergrund, anpasst. Hierzu sendet das Regelungssystem 9 zu Beginn an jede Elektrode 5a,7a ein Signal θ₁, θ₂ und treibt damit das medizinische System an. Die resultierende Bewegung ist nun stark bestimmt durch die passive Dynamik der Elastizität des Beins 30. Basierend auf der resultierenden Bewegung verändert das Regelungssystem 9 die Signale θ₁, θ₂ für die Anregung der Elektroden 5a,7a, z.B. deren Frequenz und die Amplitude des Signals an einer der Elektroden 5a,7a relativ zu der Amplitude des Signals an der anderen Elektroden 5a,7a. Dies erfolgt durch Gewichtungsfaktoren w₁, w₂, so dass beispielsweise die Frequenz und die Amplitude mit entsprechenden Gewichtungsfaktoren w₁, w₂ gewichtet werden. Diese Gewichtungsfaktoren w₁, w₂ können wie zuvor beschrieben durch das Regelungssystem bestimmt oder vorgegeben werden. Mit dem veränderten Signalen θ₁, θ₂ regt das Regelungssystem 9 nun Elektroden 5a,7a und somit die Bewegung des Beins 30 weiter an und verändert bzw. gewichtet die Signale θ₁, θ₂ wiederum basierend auf der resultierenden Bewegung. Hierdurch kann das Regelungssystem 9 beispielsweise Stück für Stück Regelungssignale, welche eine besonders energieeffiziente Bewegung ermöglichen, erlernen.
Das erfindungsgemäße medizinische System weist ferner eine nicht dargestellte Recheneinheit auf, die die Berechnungen für das Regelungssystem vornimmt. Ferner ist eine nicht dargestellte Stromversorgung, beispielsweise ein Akkumulator vorgesehen.
Bezugszeichenliste

1: medizinisches System
5a: erste Elektrode
5b: erste Sensoreinrichtung
7a: zweite Elektrode
7b: Sensoreinrichtung
9: Regelungssystem
30: Bein
50: erstes Gelenk
50a: erster Muskel
70: zweites Gelenk
70a: zweiter Muskel
100: Boden
q1: erste Auslenkung
q2: zweite Auslenkung

Claims

Medizinisches System zur Laufunterstützung durch Muskelstimulation, mit mindestens zwei Elektroden zur Muskel- oder Nervenstimulation, wobei über die mindestens zwei Elektroden Muskeln von voneinander beabstandeten Gelenken eines menschlichen oder tierischen Körpers direkt oder indirekt stimulierbar sind, und mit mindestens zwei Sensoreinrichtung zur Bestimmung der Auslenkung des jeweiligen Gelenks in Bezug auf mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad des jeweiligen Gelenks, und mit einem Regelungssystem, das Elektroden regelt, wobei das Regelungssystem die von allen oder mehreren Sensoreinrichtungen bestimmten Auslenkungen der jeweiligen Gelenke zu einem Sensorberechnungswert zusammenfasst und die Elektrode Muskeln der jeweiligen Gelenke in Abhängigkeit von dem Sensorberechnungswert periodisch anregt.
Medizinisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelungssystem die Elektroden zur Stimulation der Muskeln entlang einer Haupteigenmode eines durch die Gelenke gebildeten Schwingungssystems anregt, wobei die Haupteigenmode dem Regelungssystem vorgegeben ist oder von dem Regelungssystem bestimmt wird.
Medizinisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelungssystem die Elektroden mit einer Resonanzfrequenz des durch die Gelenke gebildeten Schwingungssystems anregt, wobei die Resonanzfrequenz dem Regelungssystem vorgegeben ist oder von dem Regelungssystem bestimmt wird.
Medizinisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass alle oder ein Teil der Sensoreinrichtungen Drehmomente und/oder Kräfte, die in Bezug auf den Freiheitsgrad auf dem jeweiligen Gelenk einwirken, bestimmen.
Medizinisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelungssystem von den Sensoreinrichtungen bestimmte Werte für die Auslenkungen oder die Auslenkungen und die Kräfte und/oder die Drehmomente bei der Zusammenfassung zu dem Sensorberechnungswert mit Gewichtungsfaktoren gewichtet und addiert, und das Regelungssystem für die Anregung der Antriebvorrichtungen aus dem Sensorberechnungswert ein Anregungssignal erzeugt und für die einzelnen Elektroden mit den Gewichtungsfaktoren gewichtet.
Medizinisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtungsfaktoren an die Haupteigenmode des durch die Gelenke gebildeten Schwingungssystems angepasst sind.
Verfahren zur Regelung eines medizinischen Systems zur Laufunterstützung durch Muskelstimulation, wobei das medizinische System mindestens zwei Elektroden zur Muskel- oder Nervenstimulation aufweist, wobei über die mindestens zwei Elektroden Muskeln von voneinander beabstandeten Gelenken eines menschlichen oder tierischen Körpers direkt oder indirekt stimulierbar sind, wobei über die Elektroden Muskeln der jeweiligen Gelenke in Bezug auf den mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad anregbar sind, mit folgenden Schritten: a) Bestimmen einer Auslenkungen der Gelenke in Bezug auf den mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad des jeweiligen Gelenks, b) Zusammenfassen der Auslenkungen der jeweiligen Gelenke zu einem Sensorberech nu ngswert, c) Regelung der Elektroden der jeweiligen Gelenke in Abhängigkeit von dem Sensorberechnungswert, wobei die Schritte a)-c) wiederholt werden und somit eine periodische Anregung der Elektroden erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupteigenmode des durch die Gelenke gebildeten Schwingungssystems bestimmt wird und dass die Elektroden in Schritt c) die Muskeln entlang der Haupteigenmode angetrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz des durch die Gelenke gebildeten Schwingungssystems bestimmt wird und dass die Elektroden mit der Resonanzfrequenz angetrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung der Resonanzfrequenz der Sensorberechnungswert mit einem Schwellenwert verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) zusätzlich zu den Auslenkungen Drehmomente und/oder Kräfte, die in Bezug auf den Freiheitsgrad auf das jeweiligen Gelenk einwirken, bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Zusammenfassen der Auslenkungen zu dem Sensorberechnungswert die bestimmten Werte für die Auslenkungen oder die bestimmten Werte für die Auslenkungen und die Kräfte und/oder die Drehmomente mit Gewichtungsfaktoren gewichtet werden, wobei der Sensorberechnungswert ein skalarer Wert ist, wobei über die Gewichtungsfaktoren die bestimmten Werte transformiert werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Sensorberechnungswert ein Anregungssignal erzeugt wird, wobei das Anregungssignal mit den Gewichtungsfaktoren gewichtet wird und das Anregungssignal gewichtet an die einzelnen Elektroden ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtungsfaktoren an die Haupteigenmode angepasst sind.
Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Wiederholung der Schritte a)-c) die Gewichtungsfaktoren kontinuierlich angepasst werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass für die Anpassung der Gewichtungsfaktoren aus den Auslenkungen bestimmte Positionsdaten der Gelenke verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt a) ein Initiierungs- Anregungssignal an alle Elektroden ausgegeben wird.