CN101711908A - 针对下肢的层级式功能性电刺激康复系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种肢残人康复医疗技术领域的针对下肢的层级式功能性电刺激康复系统，包括：脑机接口模块、中枢模式发生器模块和功能性电刺激模块，脑机接口模块包括：脑电采集单元、预处理单元、特征提取单元、分类识别单元和信号转换单元，中枢模式发生器模块包括：仿生脊髓神经网络、稳定性分析单元、参数设定单元和自适应单元，功能性电刺激模块包括：电刺激器和反馈电路，其中：脑机接口模块与中枢模式发生器模块相连传输控制指令信息，中枢模式发生器模块与功能性电刺激模块相连传输节律运动模式信息，功能性电刺激模块发出弱电流脉冲信号。本发明可行性高，能提高病人的康复效果，增加了反馈控制功能，确保了康复效果的可信性和有效性。

Description

针对下肢的层级式功能性电刺激康复系统
技术领域
本发明涉及的是一种肢残人康复医疗技术领域的系统，具体是一种针对下肢的层级式功能性电刺激康复系统。
背景技术
功能性电刺激(FES-Functional Electrical Stimulation)利用人工弱电流脉冲信号刺激瘫痪病人骨骼肌，以期望恢复其受损或丧失的运动功能。最初的应用是以理疗为目的，“功能性”的概念起源于60年代，矫正足部下垂，效果非常理想。近些年，随着电子计算机科技的发展，功能性电刺激的应用越来越广泛，早已突破了单纯理疗的范畴，其应用包括对于上肢的屈伸、抓握；对于下肢的站立、行走、骑自行车等。与此同时，高级智能的功能性电刺激系统也应运而生。当前国际上的很多科研团队正致力于这方面的研发，比如美国克里夫兰FES中心、加拿大多伦多康复工程中心、英国格拉斯哥大学康复工程中心等。
一套完整的功能性电刺激系统通常包括控制器、刺激器和传感器，其中的核心部分是控制器，它的作用相当于人类神经系统中的大脑，可根据反馈信息并产生恰当的电脉冲。在以往传统的控制器设计中，都是使用一些人工控制算法来实现瘫痪肢体关节对期望轨迹的跟踪，比如比例积分微分控制、最优控制、模糊逻辑控制、神经网络控制、滑模控制等等。这些功能性电刺激系统的控制器都是外界人工设计的，病人的主观意识不参与其中，这在某种程度上大大限制了功能性电刺激系统的“功能性”。
根据神经修复的理念，最理想的康复系统应是搭建从脑部到肌肉的神经信号“桥梁”：人脑→脊髓→骨骼肌(末梢神经)。脑机接口(BCI-Brain-Computer Interface)是一种获取人脑信息的很好手段。但是目前的脑机接口技术，尤其是常用的脑电信号(EEG)处理水平还非常有限，最多能识别二维平面里的四种状态(比如前、后、左、右)，脑机接口与功能性电刺激的联合应用大多是针对上肢。神经科学已经证实了中枢模式发生器(CPGCentral Pattern Generator)是存在于动物脊髓中的一种生物神经网络，负责控制动物的节律运动(行走、奔跑、游泳、飞翔等)，它无需大脑的支持，可以独立地为参与节律运动的肌肉产生期望的激励模式，中枢模式发生器的功能相当于一个前馈控制器，但又不是纯粹的前馈控制器，反馈信息可以增强其自适应功能。
经对现有文献检索发现，中国专利申请号：200510126360.7，名称为：利用脑电波直接控制功能性电刺激器的方法，该技术提供了一种功能性电刺激器康复系统，脑机接口与功能性电刺激器直接连接，但是该技术忽略了当前脑电信号的发展水平，可实现性很困难；该技术没有考虑脊髓神经网络的作用，仿生机制在康复效果上有非常重要的作用；且该康复系统是一种开环系统，没有反馈信息，不能实现肢体关节对期望轨迹的准确跟踪，即不能确保实现正常人的行走步态。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，提供一种针对下肢的层级式功能性电刺激康复系统。本发明通过仿生技术，实现对脊髓神经网络抓中枢模式发生器的功能性复制，为刺激肌肉产生节律模式，实现了对瘫痪病人下肢行走运动的康复性训练。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：脑机接口模块、中枢模式发生器模块和功能性电刺激模块，其中：脑机接口模块与中枢模式发生器模块相连传输控制指令信息；中枢模式发生器模块与功能性电刺激模块相连传输节律运动模式信息；功能性电刺激模块与人体下肢肌骨系统相连传输弱电流脉冲信号。
所述的脑机接口模块包括：脑电采集单元、预处理单元、特征提取单元、分类识别单元和信号转换单元，其中：脑电采集单元的输入端与患者的运动大脑皮层相连传输脑电信号，预处理单元的输入端与脑电采集单元的输出端相连传输原始脑电信号，特征提取单元的输入端与预处理单元的输出端相连传输与想象运动相关的信号，分类识别单元的输入端与特征提取单元的输出端相连传输特征值信息，信号转换单元的输入端与分类识别单元的输出端相连传输模式分类结果信息，信号转换单元的输出端与中枢模式发生器模块相连传输控制指令信息，脑机接口模块的作用是：根据脑电信号识别患者运动企图。
所述的中枢模式发生器模块包括：仿生脊髓神经网络、稳定性分析单元、参数设定单元和自适应单元，其中：仿生脊髓神经网络与脑机接口模块相连传输控制指令信息，稳定性分析单元与仿生脊髓神经网络相连传输神经元的参数和网络链接的权值信息，参数设定单元与仿生脊髓神经网络相连传输仿生神经网络的网络结构、神经元的参数、网络链接的权值和调节信息，自适应单元的输入端与功能性电刺激模块相连传输反馈信息，自适应单元的输出端与仿生脊髓神经网络相连传输调节信息，仿生脊髓神经网络与功能性电刺激模块相连传输节律运动模式信息，中枢模式发生器模块的作用是：由脑电信号触发，自主地为行走产生节律控制信号。
所述的功能性电刺激模块包括：电刺激器和反馈电路，其中：电刺激器的输入端与中枢模式发生器模块相连传输节律性运动模式信息，电刺激器的输出端与人体下肢肌骨系统相连传输弱电流脉冲信号，反馈电路的一端与电刺激器相连传输反馈信息，反馈电路的另一端与人体下肢肌骨系统相连传输反馈信息，功能性电刺激模块的作用是：在中枢模式控制器模块的节律信号控制下，产生期望的弱电流脉冲信号，刺激骨骼肌。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：首先，利用中枢模式发生器模块，克服了现有脑机接口技术的局限，降低了对脑电信号处理的要求，使系统的可实现性大大提高，同时中枢模式发生器符合人体脊髓神经网络运行机制，从神经修复的角度来说，更有助于患者(脑卒中、脊髓损伤等)受损神经的可塑性发展，提高康复效果；其次，反馈控制机制使系统实现闭环控制，增强了系统对外部环境的自适应能力和抗干扰能力，提高了控制效果，也就是使瘫痪患者能实现与正常人一致的步态康复训练，这样会确保康复效果的可信性和有效性。
附图说明
图1为实施例的结构原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的系统进一步描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示，本实施例包括：脑机接口模块1、中枢模式发生器模块2和功能性电刺激模块3，其中：脑机接口模块1与中枢模式发生器模块2相连传输控制指令信息；中枢模式发生器模块2与功能性电刺激模块3相连传输节律运动模式信息；功能性电刺激模块3与人体下肢肌骨系统4相连传输弱电流脉冲信号。
所述的脑机接口模块1包括：脑电采集单元5、预处理单元6、特征提取单元7、分类识别单元8和信号转换单元9，其中：脑电采集单元5的输入端与运动大脑皮层10相连传输脑电信号，预处理单元6的输入端与脑电采集单元5的输出端相连传输原始脑电信号，特征提取单元7的输入端与预处理单元6的输出端相连传输与想象运动相关的信号，分类识别单元8的输入端与特征提取单元7的输出端相连传输特征值信息，信号转换单元9的输入端与分类识别单元8的输出端相连传输模式分类结果信息，信号转换单元9的输出端与中枢模式发生器模块2相连传输控制指令信息，脑机接口模块的作用是：根据脑电信号识别运动企图。
所述的脑电采集单元5是美国的Neuroscan脑电采集系统。
所述的中枢模式发生器模块2包括：仿生脊髓神经网络11、稳定性分析单元12、参数设定单元13和自适应单元14，其中：仿生脊髓神经网络11与信号转换单元9相连传输控制指令信息，稳定性分析单元12与仿生脊髓神经网络11相连传输神经元的参数和网络链接的权值信息，参数设定单元13与仿生脊髓神经网络11相连传输仿生神经网络的网络结构、神经元的参数、网络链接的权值和调节信息，自适应单元14的输入端与功能性电刺激模块3相连传输反馈信息，自适应单元14的输出端与仿生脊髓神经网络11相连传输调节信息，仿生脊髓神经网络11与功能性电刺激模块3相连传输节律运动模式信息，中枢模式发生器模块2的作用是：由脑电信号触发，自主地为行走产生节律控制信号。
所述的中枢模式发生器模块2选用的是松冈(Mastuoka)神经振荡器。
所述的稳定性分析单元12的作用是：设定神经元的参数、网络链接的权值，保证中枢模式发生器模块2输出平稳的节律信号。
所述的参数设定单元13的作用是：设定仿生脊髓神经网络11的网络结构、神经元的参数、网络链接的权值，调节中枢模式发生器模块2输出信号的幅度、相位、频率和占空比信息。
所述的自适应单元14的作用是：作用是：调节仿生脊髓神经网络11的参数信息，利用反馈信息赋予仿生脊髓神经网络11自适应调整功能。
所述的功能性电刺激模块3包括：电刺激器15和反馈电路16，其中：电刺激器15的输入端与仿生脊髓神经网络11相连传输节律性运动模式信息，电刺激器15的输出端与人体下肢肌骨系统4相连传输弱电流脉冲信号，反馈电路16的一端与电刺激器15相连传输反馈信息，反馈电路16的另一端与人体下肢肌骨系统4相连传输反馈信息，功能性电刺激模块3的作用是：在中枢模式发生器模块2的节律信号控制下，产生期望的弱电流脉冲信号，刺激骨骼肌。
所述的电刺激器15是瑞士的Compex Motion II。
所述的反馈电路16是角度传感器和足部压力传感器。
本实施例的工作过程：当瘫痪病人想象下肢开始运动时，Neuroscan脑电采集系统开始采集脑电信号，原始的脑电信号依次经过预处理单元6、特征提取单元7、分类识别单元8被识别出来，再经过信号转换单元9变成控制指令“开始”，该指令将触发松冈神经振荡器，该振荡器将自主地产生节律信号，这个节律信号调节和控制功能性电刺激模块3，电刺激器Compex Motion II将产生电脉冲刺激骨骼肌，带动下肢运动。角度传感器检测关节角，足部压力传感器检测应力。反馈信息将传给中枢模式发生器模块2以调整节律模式，同时传给电刺激器Compex Motion II，使该电刺激器进一步调整电脉冲；当瘫痪病人想象运动停止时，将终止运动。
本实施例的优点：首先，仿生机制(中枢模式发生器模块2)的引入带来两大优点：1)克服了现有脑机接口技术的局限，降低了对脑电信号处理的要求，使系统的可实现性大大提高，2)中枢模式发生器模块2符合人体脊髓神经网络运行机制，从神经修复的角度来说，更有助于患者(脑卒中、脊髓损伤等)受损神经的可塑性发展，提高康复效果；其次，反馈控制机制使系统实现闭环控制，增强了系统对外部环境的自适应能力和抗干扰能力，提高了控制效果，也就是使瘫痪患者能实现与正常人一致的步态康复训练，这样会确保康复效果的可信性和有效性。

Claims (4)

1.一种针对下肢的层级式功能性电刺激康复系统，其特征在于，包括：脑机接口模块、中枢模式发生器模块和功能性电刺激模块，其中：脑机接口模块与中枢模式发生器模块相连传输控制指令信息；中枢模式发生器模块与功能性电刺激模块相连传输节律运动模式信息；功能性电刺激模块与人体下肢肌骨系统相连传输弱电流脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的针对下肢的层级式功能性电刺激康复系统，其特征是，所述的脑机接口模块包括：脑电采集单元、预处理单元、特征提取单元、分类识别单元和信号转换单元，脑机接口模块根据脑电信号识别患者的运动企图，其中：脑电采集单元的输入端与患者的运动大脑皮层相连传输脑电信号，预处理单元的输入端与脑电采集单元的输出端相连传输原始脑电信号，特征提取单元的输入端与预处理单元的输出端相连传输与想象运动相关的信号，分类识别单元的输入端与特征提取单元的输出端相连传输特征值信息，信号转换单元的输入端与分类识别单元的输出端相连传输模式分类结果信息，信号转换单元的输出端与中枢模式发生器模块相连传输控制指令信息。
3.根据权利要求1所述的针对下肢的层级式功能性电刺激康复系统，其特征是，所述的中枢模式发生器模块包括：仿生脊髓神经网络、稳定性分析单元、参数设定单元和自适应单元，中枢模式发生器模块由脑电信号触发，自主地为行走产生节律控制信号，其中：仿生脊髓神经网络与脑机接口模块相连传输控制指令信息，稳定性分析单元与仿生脊髓神经网络相连传输神经元的参数和网络链接的权值信息，参数设定单元与仿生脊髓神经网络相连传输仿生神经网络的网络结构、神经元的参数、网络链接的权值和调节信息，自适应单元的输入端与功能性电刺激模块相连传输反馈信息，自适应单元的输出端与仿生脊髓神经网络相连传输调节信息，仿生脊髓神经网络与功能性电刺激模块相连传输节律运动模式信息。
4.根据权利要求1所述的针对下肢的层级式功能性电刺激康复系统，其特征是，所述的功能性电刺激模块包括：电刺激器和反馈电路，功能性电刺激模块在中枢模式控制器模块的节律信号控制下，产生期望的弱电流脉冲信号，刺激骨骼肌，其中：电刺激器的输入端与中枢模式发生器模块相连传输节律性运动模式信息，电刺激器的输出端与人体下肢肌骨系统相连传输弱电流脉冲信号，反馈电路的一端与电刺激器相连传输反馈信息，反馈电路的另一端与人体下肢肌骨系统相连传输反馈信息。
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