基于单IMU传感器的实时步态相位检测与有限状态控制FES行走系统实验验证

本研究针对功能性电刺激(FES)康复系统中步态相位检测复杂性问题，开发了基于单个惯性测量单元(IMU)的实时算法，实现四步态子相位精准识别（平均误差<70ms），为简化临床FES控制系统提供新方案，发表于《Biomedical Signal Processing and Control》。

　　

行走是人类最基本的移动方式，但脊髓损伤或脑卒中患者常因步态障碍丧失行动能力。功能性电刺激(Functional Electrical Stimulation, FES)通过电脉冲激活特定肌肉帮助行走，但现有系统多采用开环控制或需多传感器支持，难以精准匹配复杂步态子相位。传统压力传感器仅能识别足跟着地(Heel Contact)和脚尖离地(Toe Off)两个事件，而临床需要更精细的相位划分——如前摆期(Toe-Up)、摆向站转换期(Swing-to-Stance)等，以实现多肌肉协同刺激。日本JTEKT公司与加拿大阿尔伯塔大学团队合作，开发了基于单个可穿戴惯性测量单元(Inertial Measurement Unit, IMU)的实时检测算法，为有限状态机(Finite State Machine, FSM)控制的FES系统提供新解决方案。

研究采用10名健康受试者，在腰部佩戴单个IMU传感器行走，同步使用光学运动捕捉系统记录下肢运动学数据。通过机器学习算法提取髋膝关节角度特征，建立四状态（Swing-to-Stance、Push Off、Pre-Swing、Toe Up）转换规则。关键技术包括：1) 基于IMU的实时关节角度估计算法；2) 状态转换阈值优化；3) 与四通道FES刺激器的硬件同步。

【Accuracy of gait phase transition detection】
算法共检测到864次T1-T4相位转换，与运动捕捉数据的时差分别为-2.88ms、67.2ms、-0.68ms和6.63ms。除ID6受试者外，所有参与者均实现每步态周期四次转换识别，证明单传感器方案的可行性。

【Discussions】
相比需2-8个IMU的既往研究，本系统将设备简化至单个传感器，临床适用性显著提升。虽然T2相位检测存在67ms延迟（因膝关节伸展速度变化），但50ms内的FES触发延迟符合生理响应需求。

【Conclusions】
该研究首次实现基于单IMU的FSM-FES控制系统，精确识别四步态子相位。Hikaru Yokoyama等学者指出，系统简化有利于临床转化，但需在患者群体中进一步验证。研究获日本JSPS(18KK0272、20K19412)和佛罗里达卫生部(COPBC-R3)资助，成果为便携式步态康复设备开发奠定基础。