用于偏瘫康复系统的无线肌电桥设计文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：
2. 无线体域网（WBAN）

无线体域网（WBAN）是新一代用于人体信号监测的可穿戴技术框架，它受到了越来越多的人们和应用领域的关注。无线体域网中，存在很多有创或无创的可穿戴传感器用来收集重要的信息[1]。其无线传输的形式使得设备的移动性和应用性大大增强，这同时也是对设备稳定性和集成性的一种考量。

国际无线体感网（WBAN）组织于2007年提出了专用于体域的通信标准IEEE802.15.6。这当中含有对低功耗的要求标准，要求峰值电流小于3mA,数据速率达到100-500kbps，以保证信号传输的实时性。目前，可以用来实施BAN的通信标准主要有蓝牙、ZigBee、Wi-Fi等，见表1[2][3]。

表1 Zigbee、蓝牙、WiFi技术规范

WBAN是一种为未来老龄化社会实现高效医疗和远程医疗的新兴技术[4]，是无线重要数据监控的基础技术，能提供持续性监测、同步测量和实时反馈服务，也是未来医疗保健的关键功能。WBAN通过移除阻碍日常生活和康复顺利运行的电缆，减轻患者的身心负担，同时为医疗监护提供了很好的平台。通常来讲，医疗监护系统需要进行有效的患者监测，他们的各类身体相关信息如体温、ECG、EEG、心率等，将由WBAN设备进行收集并发送给诸如医生和护士的许多个体以便分析患者的状况。

同时这项技术也被广泛运用于健身、运动、保健等日常生活中，如运动员在平时训练中会利用WBAN收集身体数据进行评估（血压、心率等），同时会以此分析运动员的状态和心理素质，以便于更好地提高和保持成绩。

WBAN这项技术是十分有发展潜力的，目前针对其发展的一些方向有：

1. 在固定活动范围（如医院）设置用于医疗监控的虚拟WBAN群。
2. 将WBAN与生物反馈技术相结合形成监控实时反馈系统。
3. 单一个体中不同传感器位点的协作等。
4. 生物反馈技术

如上文所述经典的WBAN是一个可以监测发生在人体内或人体上的动态变化传感器网络，而加入生物反馈技术后的WBAN可以达到不需要人类参与监测-反馈的程度。因为在分析完输入的传感器数据后，它就能从检测中心获取生物反馈信号，并将自动应用于维持设备所需的性能。通过在必要时实现移动性，独立性和自动医疗支持，与生物反馈机制相结合的WBAN保证了主动的健康监测能力。

图1示出了人工生物反馈控制系统的框架。支持WBAN的生物反馈控制系统包括三个主要组件[1]：

1. 用于检测生理症状或物理状态的便携式传感器。
2. 用于信号处理、电源管理和信息存储的中央处理控制单元。
3. 用于提醒用户采取行动的反馈控制驱动的枢纽。

整个交互过程允许通过根据参考输入的数据进行学习和调整，来自动获得期望的性能。

支持生物反馈的WBAN主要用于运动和医疗康复，课题中着重在医疗方面的应用。因为来自人体肌电生理记录可用作机器人康复装置的控制信号，而影响人类系统的疾病都与异常的肌肉活动模式有关，所以如果利用生物反馈技术就可以优化人机交互，最终提高运动恢复能力[5]。由于神经紊乱，中风幸存者经常在中风后的急性期出现痉挛或肌肉无力。此外，与肌肉张力增加相关的痉挛，会扰乱肌肉减弱的使用并加剧运动控制不良，可能在卒中后一至四周内发展[6]。研究表明，生物反馈在抑制异常肌肉激活和促进运动恢复方面具有优势，因此生物反馈的结合的治疗方案促进了患者运动功能的康复。神经疾病可能在肌电图信号中产生完全不同的表现，例如中风与影响运动起始和控制的肌无力有关，而小脑患者表现出激动剂肌肉激活的延长和拮抗肌肉激活的延迟。由于神经损伤，这些患者可能产生补偿性运动，以最大限度地减少任务错误。因此，由神经病患者和健康群组产生的协同模块之间的比较可以量化协同控制中的缺陷，并且这种信息可以用于塑造控制信号以帮助患者。

传统的研究和临床中的被动开环循环FES疗法以设定好的模型输出刺激电流，这样容易诱发肌肉疲劳。当在这之中应用EMG生物反馈时，其中刺激过程通过神经肌肉状态实时调整，并且使用与循环常数FES相比较低的平均刺激强度，从而肌肉疲劳得到缓解[7]。抽象微处理器具有足够的功率，可用于残疾人的许多实时生物反馈应用。与基于笔记本电脑的系统相比，这种电源允许设计更小更轻的便携式或可穿戴设备，并且具有更长的电池寿命[8]。

1. 433MHz频段的无线传输

无线传感器网络目前广泛用于各种监察和控制应用中。由于更宽的信道可用性，具有更高数据速率等优点，现在大多数部署的无线传感器网络基于2.4GHz无线电。然而，这种优势以通信距离短和传输频带拥挤为代价。 选择使用433MHz无线电通信是对于2.4GHz无线电频段的替代方案，这种方案解决了2.4GHz无线电的一些缺点，同时在其他方面有一定优势[9]。433MHz无线传输系统在相同参数情况下通信距离长，接受灵敏度高且噪声小，绕射性能强且可用于复杂环境。

433MHz无线传输相关背景资料研读可以发现，其具有广泛的发展前景和应用途径。如一种基于RFID技术，433MHz无线通信技术和WEB服务器技术的智能远程运行测试系统[10]，致力于解决高校传统长跑的问题（监督困难、学生参与积极性低等）。无线采集终端通过433MHz无线模块将卡片标记信息传送到数据基站。另一个应用是使用433MHz实现地下到地表无线传输的无线地下传感器网络（WUSN）[11]，用于从智能灌溉到安全和辅助导航的许多领域，包括土壤状况监测，地震和滑坡预测，地下基础设施监测，运动场草坪管理，景观管理，边境巡逻和安全。

参考文献：

[1]Rui Li , Student Member, IEEE,etc.A Survey on Biofeedback and Actuation in Wireless Body Area Networks (WBANs)[J].IEEE REVIEWS IN BIOMEDICAL ENGINEERING,2017,10:162-173.

[2]Kyung Sup Kwak, Sana Ullah, and NiamatUllah, An Overview of IEEE 802.15.6 Standard,IEEE 2010

[3]Sana Ullah and Kyung Sup Kwak, Throughput and Delay Limits of IEEE 802.15.6, IEEE WCNC 2011:174-178

[4]Jun-ichi Naganawa, Karma Wangchuk, Minseok Kim,etc.Simulation-Based Scenario-Specific Channel Modeling for WBAN Cooperative Transmission Schemes[J].IEEE JOURNAL OF BIOMEDICAL AND HEALTH INFORMATICS,2015,2(19):559-570.

[5]Marianna Semprini, Anna Vera Cuppone, Ioannis Delis,etc.Biofeedback Signals for Robotic Rehabilitation: Assessment of Wrist Muscle Activation Patterns in Healthy Humans[J].IEEE TRANSACTIONS ON NEURAL SYSTEMS AND REHABILITATION ENGINEERING,2017,7(25):883-892.

[6]Yupeng Ren,Yi-Ning Wu, Chung-Yong Yang,etc.Developing a Wearable Ankle Rehabilitation Robotic Device for in-Bed Acute Stroke Rehabilitation[J].IEEE TRANSACTIONS ON NEURAL SYSTEMS AND REHABILITATION ENGINEERING,2017,6(25):589-596.

[7]Yu Zhou,Kairu Li,Honghai Liu.sEMG Bias-Driven Functional Electrical Stimulation System for Upper-Limb Stroke Rehabilitation[J].IEEE SENSORS JOURNAL,2018,16(18):6812-6821.

[8]Luigi Bianchi, Fabio Babiloni, Febo Cincotti,etc.Developing Wearable Bio-Feedback Systems: A General-Purpose Platform[J].IEEE TRANSACTIONS ON NEURAL SYSTEMS AND REHABILITATION ENGINEERING,2003,2(11):117-119.

[9]Guohua Yang , Kui Zhang , Nirvana Meratnia ,etc.Finding Optimum Settings for a 433MHz Radio for Long Range Communication[R].Shanghai:IEEE CPS/IE,2015.

[10]Lei Zhou, Suodong Sun, Y ongxiang Zhang,etc.Long-distance Running Test System Based on 433MHz Wireless Module[R].Hangzhou:ICCT,2015.

[11]Dan Du, Heng Zhang, Jing Yang*,etc.Propagation Characteristics of the Underground-to-Aboveground Communication Link about 2.4GHz and 433MHz Radio Wave: An Empirical Study in the Pine Forestof Guizhou Province[R].Sichuan:IEEE,2017.

资料编号：[180475]

1. 文献综述（或调研报告）：
2. 无线体域网（WBAN）

无线体域网（WBAN）是新一代用于人体信号监测的可穿戴技术框架，它受到了越来越多的人们和应用领域的关注。无线体域网中，存在很多有创或无创的可穿戴传感器用来收集重要的信息[1]。其无线传输的形式使得设备的移动性和应用性大大增强，这同时也是对设备稳定性和集成性的一种考量。

国际无线体感网（WBAN）组织于2007年提出了专用于体域的通信标准IEEE802.15.6。这当中含有对低功耗的要求标准，要求峰值电流小于3mA,数据速率达到100-500kbps，以保证信号传输的实时性。目前，可以用来实施BAN的通信标准主要有蓝牙、ZigBee、Wi-Fi等，见表1[2][3]。