CN101041101A - 便携式自适应功能电刺激系统及电刺激方法 - Google Patents

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曹力
李睿
曹罡
郭琪超
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Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
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Abstract

一种便携式自适应功能电刺激系统及电刺激方法，属康复用医疗设备。该康复用医疗设备，包括功能电刺激主机(001)、电极组(002)、传感器组(003)。其中功能电刺激主机(001)包括微处理器(009)、电平转换器(006)、功率放大电路(008)、通道选择开关(007)。并提供了四种电刺激工作模式，供患者和医务人员选择使用。为实现有限资源下的参数调节，采用刺激能量控制的方法，刺激能量调节仅需要改变刺激信号宽度，简化系统结构；同时提出利用离线和在线神经网络辨识技术建立刺激能量和关节角度变化模型，准确地了解人体肌肉工作的时变特性。提高了控制精度、操作简单、方便，主要用于中风或肌肉损伤患者的康复。

Description

便携式自适应功能电刺激系统及电刺激方法
一、技术领域
本发明涉及一种康复用医疗设备，通过功能电刺激(Functional ElectricalStimulation，FES)方法恢复中风患者的肢体及手部运动功能。
背景技术
二、背景技术
统计显示，中国的脑中风发病率是冠心病的五倍，已成为引起人类死亡的第二类疾病和致残的第一类疾病。2005年预测我国未来两年内，中风的发病率将提高58％。值得注意的是，中风百分之三十的幸存者终身残疾，每年直接治疗费用达人民币二百六十三亿元。
中风患者由于屈肌痉挛，常受到舒张肌无力和不自主肌肉收缩的困扰。FES系统通过小电流刺激患者肌肉组织，帮助恢复人体肢体或手部运动，属于物理理疗方法，其中最典型的应用之一是心脏起搏器。早在1971年，Liberson就使用电流刺激的方法帮助足下垂患者行走，现在FES系统主要用于脊髓损伤和中风患者的康复，重点在于辅助恢复患者的肌肉功能等。
一些研究者已经为脊髓损伤的患者设计了植入式电极和刺激系统，通过外科手术将电极植入患者肌肉组织，实现深层肌肉的控制。事实上，在近年的FES临床应用中，一些患者已经通过表面电极的FES方法，部分或全部地恢复了肢体功能，没有必要为普通病人安装昂贵的植入式系统。
在美国的2005年专利申请10/278,575中，发明人公开了一种用于腕部功能恢复的便携式FES系统，该系统能根据预定程序和设定参数被动地接受电刺激。近年的研究表明，利用闭环的反馈控制技术调节刺激过程的参数和被刺激部位的运动轨迹，不仅有助于肌肉的恢复，还有助于神经的修复。最近，日本东北大学的Nozomu Hoshimiya教授领导的研究小组在利用神经网络实现FES的闭环控制方面取得了进展，但该技术是在以通用计算机为基础的实验系统下完成的，系统的便携性和移动性较差。在一项中国专利申请2005100065043.9中，发明人公开了一种利用患者剩余主动运动来控制刺激模式方法，弥补了述系统的部分缺陷。但该系统的控制仅仅实现了控制模式的调整，没有实现刺激参数的实时调节，本质上还是一种开环控制的刺激技术；另外刺激参数的调整和设定也是通过PDA或计算机实现，这对于残疾患者极为不便。同时，目前的FES系统均是采用同时调节刺激电流、电压和脉冲宽度的方式改变刺激强度，参数多，调节不方便。
三、发明内容
鉴于上述分析，本发明的主要目的在于提供一个不依赖于任何外部控制单元、可以实现参数在线自适应调节的便携式功能电刺激系统。利用角度传感器的反馈信号，实现FES肌肉控制模型的自动辨识、刺激信号的自适应调节以及各活动关节的运动控制。
本发明的另一个目的在于为那些康复专业知识较少的患者提供尽可能多的专业康复治疗，同时也可以减少那些有专业指导的患者就诊频率，减少康复治疗专业人员的工作压力，扩大受益患者人群。
本发明的具体构成，包括功能电刺激主机、电极组、传感器三部分。功能电刺激主机包括微处理器009、功率放大电路008、电平转换器006以及通道选择开关007。微处理器009输出的通道选择信号经电平转换器006连于通道选择开关007；微处理器009输出的刺激信号经功率放大电路008同样连于通道选择开关007；通道选择开关007的输出连于与人体肌肉相接触的电极组002，电极数量一个至四对；与人体肌肉相接触的传感器组003连于微处理器009，传感器组003由角度传感器组成，数量一个至四个。
本发明中的刺激参数实时调节，是通过给定脉冲幅度的条件下，调节脉冲宽度实现的。利用系统中微处理器009内部定时器计时时间的改变，调整刺激信号宽度。
本发明中的自主式康复训练技术，提出了建立刺激能量与关节运动角度关系模型，该模型具有高度非线性，无法用具体公式准确描述，通过神经网络良好逼近任意模型的特点，建立该模型的神经网络模型。上述技术主要包括康复肌肉的FES模型辨识技术，通过系统产生不同刺激强度的刺激信号，检测相应关节的角度变化情况，利用神经网络辨识技术离线辨识FES模型，并在此基础上不断修正神经网络辨识的FES模型，同时利用模型误差在线调节自适应PID控制参数，实现FES模型和控制参数的同时在线更新。
为了实现在有限系统资源下的刺激参数调节，本发明中结合设备特点，提出了仅通过改变刺激信号的脉冲宽度方法调节刺激能量，简化控制参数的计算，具体如下：
                           θ∝E
                           E＝U×Pw。                 (1)
式中：θ表示关节的运动角度；E表示刺激能量；U代表刺激电压；Pw是刺激脉冲宽度。
与现有技术相比，本发明中采用微处理器控制的便携式功能电刺激系统(简称FES系统)改进了现有系统的工作及控制模式。由于系统采用了角度传感器检测被测关节的运动情况，本发明的系统可以实现高级的控制策略和闭环控制，提高系统控制的精度。现有的便携式FES系统没有采用这种闭环控制的方法，无法实现刺激参数的实时在线调节。同时由于采用了传感器感受肌肉受到刺激后的运动情况，本发明的系统还能够实现离线和在线的FES模型辨识，更加准确地了解肌肉工作的时变情况，并以此制定合理的反馈控制策略。为简化参数的调节，系统提供了一套控制策略，将传统的多刺激参数调节方法，改进为仅利用改变刺激脉冲宽度的刺激能量控制方法，适合于类似本系统的有限资源系统的实际情况。在人体腕关节轨迹跟踪控制中，控制误差小于4％。
四、附图说明
图1是便携式自适应功能电刺激系统的组成框图；
图2是微处理器原理框图；
图3是功率放大电路部分原理图；
图4是本发明的便携式FES主机正面板图；
图5是本发明软件总流程；
图6是工作模式一的流程图；
图7是工作模式二的流程图；
图8是工作模式三和工作模式四的流程图；
五、具体实施方式
本发明提供的便携式功能电刺激系统(简称FES系统)，是用于对中风患者肢体和手部进行辅助康复。该系统包括一台便携式FES主机001：用于辨识刺激肌肉的FES模型、确定刺激工作模式、实现刺激参数的在线调节。接收并转换角度传感器的检测信号。生成肌肉刺激信号以及通道选择信号；简易的角度传感器组003：用于检测刺激肌肉相关关节的运动情况和控制指令(以下的工作模式2、3、4中)；电刺激电极002：用于上肢肌肉表皮刺激的连接介质，传导刺激电流刺激肌肉。
如上所述的便携式FES系统，其中包括的便携式主机，有4个刺激通道可以选择。包括：一个微处理器(C8051F005)，如图2。利用其内置的FLASH存储器004保存系统工作程序、刺激参数和用户数据等。利用其内置的A/D转换器005，实现数据的采集与转换。经过计算获得的脉冲信号，通过刺激通道输出到刺激电极；电平转换电路006，如图1；运算放大器008，将单片机I/O口输出信号转换为通道选择开关007驱动信号；通道选择开关007：MOFSFET“IRF510”，选择FES刺激通道；功率放大电路008：对脉冲刺激信号功率放大为实际肌肉刺激信号，如图3。
主机面板，如图4。包括：电源开关010，用于启动主机工作；脉冲宽度011、刺激频率012、持续时间013三组旋钮，用于在简单训练或专业人员指导时的刺激参数调整及设定；通道选择按钮一组2个014，用于选择工作通道0、1、2、3；多个LED 015指示，用于指示系统工作状态；
系统工作参数如下表：
    传感器输入门限     0到2V
    空载输出电压     180V
    工作电压(1K负载电阻)     50V
    输出频率     15~500Hz
    输出脉冲宽度     50us~1ms
    输出持续时间     0.1s~10s
    消退、延迟时间     0.1s~4s
如上所述的便携式FES系统，其中的角度传感器可以根据需要检测关节的运动情况。
相应地，本发明还提供了一套功能电刺激的方法，其中主要包括如下几种电刺激的工作模式，系统软件工作总流程如图5所示：
1.工作模式一，这种工作模式是利用功能电刺激主机和自己电极，通过便携式功能电刺激主机预先设置好的刺激参数或者在线人工调节的刺激参数下，有规律地自动刺激肢体或手部肌肉，达到康复目的，所述刺激参数包括刺激信号频率，刺激信号强度，刺激持续时间；
其特征在于，还包括无需专业指导的自主式肌肉康复训练的电刺激工作模式二、工作模式三、工作模式四；
2.工作模式二，称为自适应参数设置工作模式，这种工作模式是利用功能电刺激主机，刺激电极和角度传感器，控制刺激肌肉相关关节的运动变化，以检测不同刺激信号强度下肌肉的响应，功能电刺激主机产生的刺激信号频率自行设定为15-500Hz，刺激信号强度由小到大逐渐递增，刺激肌肉运动，同时功能电刺激主机中的A/D单元不断采集角度传感器的信号，微处理器通过分析角度传感器的信号变化确定患者的刺激信号频率，刺激信号强度和刺激持续时间三个刺激参数，采用刺激信号强度联系递增三个级别而没有引起角度传感器信号的变化，此时的刺激参数作为功能电刺激主机的工作参数保存在功能电刺激主机中，持续工作时间通过输入确定或者由系统自动设定；
3.工作模式三，是指在上述工作模式二的基础上，利用不同刺激信号强度下的传感器的反馈信号，实现刺激肌肉的功能电刺激主机模型离线及在线辨别，通过如下方法完成：利用不同刺激信号强度的刺激信号训练肌肉，获得该肌肉的刺激信号强度与运动角度的关系曲线，实现功能电刺激系统的离线辨别，该系统主机根据辨识模型，自动产生一套运定控制策略，实现肌肉运动的精确控制；
4.工作模式四，是指在上述工作模式三的基础上，首先辨识需要训练功能电刺激系统肌肉模型，利用一个置于健康肢体上产生运动指令的传感器和另一个置于不健康肢体上的用于检测在电刺激下运动情况的传感器，所产生的反馈信号，调节功能电刺激主机的刺激信号强度，实现肢体运动的精确控制和轨迹跟踪控制，达到患者的肌肉和神经功能的恢复。
如上述的一套功能电刺激方法，其中的刺激参数包括：刺激频率、刺激强度(主要是脉冲宽度)、持续工作时间。
实施例1
对专业人员指导的患者，可以采用工作模式一提供的方式进行康复治疗。专业人员根据患者的实际情况，通过便携式FES主机提供的参数调节功能，针对性的调整刺激频率、刺激强度和持续工作时间，指导患者的康复治疗过程。由于康复治疗是一项渐进恢复功能的过程，患者不必时刻在康复中心接受指导性治疗，因此患者每次就诊时的刺激参数，可以由专业人员直接保存到便携式FES主机，以方便患者回家后的康复治疗。另外，患者在家进行恢复治疗时，也可以根据自己的实际情况，小范围内调节刺激参数，并保存。这样患者每次开机时，此刺激参数可以自动装载，便携式FES主机会按此设置启动工作。
本实施例的基本配置包括便携式FES主机和刺激电极。一般针对有专业指导的重度康复患者，主要目的是在前期功能恢复性治疗过程中，用于保持和恢复患者的肌肉功能。工作流程如图6所示。
在本实施例中，系统能够有规律地自动刺激患者肢体，进行简单的训练控制，帮助肌肉运动。
实施例2
对于无法获得专业指导的患者，或专业指导间隔时间较长的患者，本系统提供了一种简单的康复治疗工作模式二。该模式下工作的最基本配置为：便携式FES主机、刺激电极以及一个角度传感器。工作流程如图7所示。
本实施例中，在系统确定刺激参数后，可以按如下两种方式工作：1、如实施例1的有规律自动刺激训练，角度传感器的作用仅仅是初始确定工作时的刺激参数；2、康复训练过程中，根据角度传感器的反馈信号，简单判断肌肉的疲劳程度，实时调整刺激参数，如肌肉比较疲劳，可以缩短系统持续工作时间。
实施例3
本实施例是一种实施上述工作模式三的方案。工作所需的基本配置同实施例2，即：便携式FES主机、刺激电极以及角度传感器。工作流程如图8所示。
在本实施例中，首先需要辨识训练肌肉的FES模型，通过如下方法完成：利用不同刺激强度的刺激信号刺激训练肌肉，获得该肌肉的刺激强度与运动角度的关系曲线，实现FES模型的离线辨识。
在本实施例中，需要患者按照某一确定轨迹做较高级的运动恢复训练，因此需要输入期望运动轨迹，便携式FES主机内设置了两种运动轨迹：正弦曲线运动和梯形轨迹运动。当然也可以由角度传感器采集通道输入期望运动轨迹，存于主机的存贮单元中。训练过程中，便携式FES主机采集到实际反馈角度信号后，利用其内置的控制算法不断调整刺激参数，实现轨迹跟踪运动的精确控制。同时考虑到在训练过程中肌肉模型的时变特性，还需要每次训练完成后，重新辨识FES模型，并以此为依据，实现控制参数的调节。
实施例4
本实施例是在患者有一个肢体(手臂或腿)健康的情况下，可以采用的一种工作模式。
本实施例中，对于训练肌肉模型的离线辨识与实施例3相同。所不同的是刺激指令以及刺激运动轨迹均由患者自己发出，需要康复治疗的肢体可以实时跟踪期望运动轨迹，做更加复杂的康复训练。
本实施例中需要的最低配置为：便携式FES主机、角度传感器一对、刺激电极。
此外，本发明涉及到FES模型的离线和在线辨识方法、刺激过程中的控制策略及方法，这方面有足够多的技术可供选择。关键在于相关的微处理器环境下的算法实现，要确保在可用资源极度匮乏的情况下，系统良好、高效的工作。上述相关实施例中，辨识采用神经网络辨识技术，控制策略采用自适应PID控制策略。

Claims (3)

1、一种便携式自适应功能电刺激系统，其特征在于，包括功能电刺激主机(001)，电极组(002)，传感器组(003)，所述功能电刺激主机(001)包括微处理器(009)、功率放大电路(008)、电平转换器(006)以及通道选择开关(007)，所述微处理器(009)输出的通道选择信号经电平转换器(006)连于通道选择开关(007)；微处理器(009)输出的刺激信号经功率放大电路(008)同样连于通道选择开关(007)；所述通道选择开关(007)的输出连于人体肌肉相接触的电极组(002)；与人体肌肉相接触的传感器组(003)连于微处理器(009)。
2、根据权利要求1所述的便携式自适应功能电刺激系统，其特征在于，传感器组(003)由角度传感器组成。
3、一种权利要求1所述的便携式自适应功能电刺激系统的电刺激方法，包括需专业指导的自主式肌肉康复训练的电刺激工作模式一，这种工作模式是利用功能电刺激主机和刺激电极，通过便携式功能电刺激主机预先设置好的刺激参数或者在线人工调节的刺激参数下，有规律地自动刺激肢体或手部肌肉，达到康复目的，所述刺激参数包括刺激信号频率，刺激信号强度，刺激持续时间；
其特征在于，还包括无需专业指导的自主式肌肉康复训练的电刺激工作模式二、工作模式三、工作模式四；
所述工作模式二，称为自适应参数设置工作模式，这种工作模式是利用功能电刺激主机，刺激电极和角度传感器，控制刺激肌肉相关关节的运动变化，以检测不同刺激信号强度下肌肉的响应，功能电刺激主机产生的刺激信号频率自行设定为15-500Hz，刺激信号强度由小到大逐渐递增，刺激肌肉运动，同时功能电刺激主机中的A/D单元不断采集角度传感器的信号，微处理器通过分析角度传感器的信号变化确定患者的刺激信号频率，刺激信号强度和刺激持续时间三个刺激参数，采用刺激信号强度联系递增三个级别而没有引起角度传感器信号的变化，此时的刺激参数作为功能电刺激主机的工作参数保存在功能电刺激主机中，持续工作时间通过输入确定或者由系统自动设定；
所述工作模式三，是指在上述工作模式二的基础上，利用不同刺激信号强度下的传感器的反馈信号，实现刺激肌肉的功能电刺激主机模型离线及在线辨别，通过如下方法完成：利用不同刺激信号强度的刺激信号训练肌肉，获得该肌肉的刺激信号强度与运动角度的关系曲线，实现功能电刺激系统的离线辨别，该系统主机根据辨识模型，自动产生一套运定控制策略，实现肌肉运动的精确控制；
所述工作模式四，是指在上述工作模式三的基础上，首先辨识需要训练功能电刺激系统肌肉模型，利用一个置于健康肢体上产生运动指令的传感器和另一个置于不健康肢体上的用于检测在电刺激下运动情况的传感器，所产生的反馈信号，调节功能电刺激主机的刺激信号强度，实现肢体运动的精确控制和轨迹跟踪控制，达到患者的肌肉和神经功能的恢复。
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