CN101732796B - 肌电信号控制的主从式无线功能性电刺激康复系统 - Google Patents
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Abstract
一种康复医疗技术领域的肌电信号控制的主从式无线功能性电刺激康复系统，包括：主动单元和从动单元，其中：主动单元与主动方相连传输肌电信息，主动单元和从动单元无线连接传输运动模式信息，从动单元与从动方相连传输电脉冲信息。所述的主动单元包括：若干EMG电极片、放大器、滤波器、编码器和无线发送器；所述的从动单元包括：无线接收器、控制器、电刺激器和若干FES电极片。本发明中理疗师无需通过肢体接触来辅助瘫痪病人做训练，而且可实现多个患者同时跟随一个理疗师做康复训练，大大减轻了理疗师的工作负荷；同时能够保持病人肌肉活力，防止肌肉萎缩，减少痉挛，使病人的康复效果更为理想。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种康复医疗技术领域的系统，具体是一种肌电(EMG)信号控制的主从式无线功能性电刺激(FES)康复系统。
背景技术
据世界卫生组织统计，目前全球约有2500-3000万脑卒中(中风)患者，我国至少有600万人，这个数字还有日趋上升的趋势。如果加上其它原因造成的瘫痪病人，数目将会更为惊人。针对瘫痪病人的早期康复，运动疗法是个非常重要并且有效的手段。当前脑卒中患者的运动康复普遍是在理疗师的协助下进行，有时依靠一些简单的传统器械。这种方式下，病人的运动是被动进行的，这需要理疗师付出非常繁重的体力劳动。功能性电刺激是康复领域常见的一种技术，它利用人工弱电流脉冲信号刺激瘫痪病人的骨骼肌，病人的肌肉被刺激后收缩，带动肢体产生期望的运动。目前，功能性电刺激可实现瘫痪病人的上肢的屈伸、抓握；下肢的站立、行走、蹬自行车，矫正足下垂等。
随着电子科技的日益发展，功能性电刺激技术日趋成熟，一些商业化的产品已经问世，比如美国的Parastep、Freehand，英国的Finetech，加拿大的Bionic Glove，荷兰的Handmaster等等。近几年，新的控制技术以及生物传感器技术赋予了功能性电刺激系统更全面的功能，比如脑电信号和肌电信号已经成为了功能性电刺激重要的控制源。
经对现有的文献检索发现，现有的功能性电刺激在康复工程上的应用基本都是针对独立的患者个体设计的系统，使患者能够实现某种特定的运动功能，因此没有主从式的电刺激康复系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种肌电信号控制的主从式无线功能性电刺激康复系统。本发明通过无线式功能性电刺激，实现理疗师对瘫痪病人进行主从式的康复训练，具有减轻理疗师体力负荷、实现一对多康复训练的优点。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：主动单元和若干从动单元，其中：主动单元与主动方(理疗师)相连传输肌电信息，主动单元和从动单元无线连接传输运动模式信息，从动单元与从动方(瘫痪病患)相连传输电脉冲信息。
所述的主动单元包括：若干EMG电极片、放大器、滤波器、编码器和无线发送器，其中：EMG电极片与主动方的肌肉相连传输原始表面肌电信息，EMG电极片与放大器相连传输原始肌电信息，放大器与滤波器相连传输放大了的肌电信号，滤波器与编码器相连传输消噪的肌电信号，编码器与无线发送器相连传输编码的肌电信号，无线发送器与从动单元无线连接传输运动代码信息。
所述的主动单元还包括：特征提取单元和分类器，其中：特征提取单元的输入端与滤波器相连传输消噪的肌电信息，分类器的输入端与特征提取单元的输出端相连传输肌电信号的特征信息，分类器的输出端与编码器相连传输运动模式信息。
所述的从动单元包括：无线接收器、解码器、控制器、电刺激器和若干FES电极片，其中：无线接收器与主动单元无线连接传输运动代码信息，无线接收器与解码器相连传输运动代码信息，解码器与控制器相连传输运动解码信息，控制器与电刺激器相连传输刺激模式信息，电刺激器与FES电极片相连传输电脉冲信息，FES电极片与从动方的肌肉相连传输电脉冲信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：改变了传统的运动康复方式，理疗师无需通过肢体接触来亲自辅助瘫痪病人做训练，而且此系统可实现多个患者同时跟随一个理疗师做康复训练，大大减轻了理疗师的工作负荷；同时能够保持病人肌肉活力，防止肌肉萎缩，减少痉挛，使病人的康复效果更为理想。
附图说明
图1是实施例1的构成示意框图；
图2是实施例2的构成示意框图。
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1
如图1所示，本实施例考虑了主动方做指定动作时用到的全部肌肉，在主动方运动过程中用到的每块肌肉上都贴上了EMG电极片，本实施例具体包括：主动单元和若干从动单元，其中：主动单元与主动方所有参与指定运动的肌肉相连传输肌电信息，主动单元和从动单元无线连接传输肌电代码信息，从动单元与从动方所有参与指定运动的肌肉相连传输电脉冲信息。
所述的主动单元包括：若干EMG电极片、放大器、滤波器、编码器和无线发送器，其中：EMG电极片与主动方所有参与指定运动的肌肉相连传输原始表面肌电信息，EMG电极片与放大器相连传输原始肌电信息，放大器与滤波器相连传输放大了的肌电信息，滤波器与编码器相连传输消噪的肌电信息，编码器与无线发送器相连传输编码的肌电信息，无线发送器与从动单元无线连接传输肌电代码信息。
所述的EMG电极片、放大器和滤波器选用的是荷兰集成的Mega6000肌电仪，该仪器同时具有采集肌电信息、放大信息和滤波的功能。
所述的从动单元包括：无线接收器、解码器、控制器、电刺激器和若干FES电极片，其中：无线接收器与主动单元无线连接传输肌电代码信息，无线接收器与解码器相连传输肌电代码信息，解码器与控制器相连传输肌电模式信息，控制器与电刺激器相连传输刺激模式信息，电刺激器与FES电极片相连传输电脉冲信息，FES电极片与从动方所有参与指定运动的肌肉相连传输电脉冲信息。
所述的编码器、无线发送器、无线接收器和解码器选用的是美国的DR3000(RFMonolithics Inc)，该仪器同时具有编码、无线发送、无线接收和解码的功能。
所述的控制器是比例增益控制器。
所述的电刺激器是德国的Motionstim 8。
本实施例的工作过程：理疗师进行指定的康复运动时，与运动相关的全部肌肉的肌电信息被采集作为控制源，理疗师与瘫痪病人的肌肉一一对应，原始肌电信息通过EMG电极片采集后，放大，滤波去噪，信息被编码后无线发送给从动单元；从动单元收到信息后，进行解码，由控制器产生刺激模式，调节电刺激器，产生电脉冲，通过FES电极片的表面电极刺激瘫痪病人相应的肌肉，使病患产生与理疗师一致的运动。
本实施例的优点：改变了传统的运动康复方式，理疗师无需通过肢体接触来亲自辅助瘫痪病人做训练，而且此系统可实现多个患者同时跟随一个理疗师做康复训练，大大减轻了理疗师的工作负荷；同时能够保持病人肌肉活力，防止肌肉萎缩，减少痉挛，使病人的康复效果更为理想。本实例中考虑的是主动方与从动方肌肉一一对应的关系，因此减少了肌电信号的处理环节，即特征提取单元和分类器不必使用。
实施例2
如图2所示，本实施例只考虑了主动方做指定运动时相关的若干肌肉，只在若干肌肉上贴上了EMG电极片，本实施例具体包括：主动单元和若干从动单元，其中：主动单元与主动方的若干肌肉相连传输肌电信息，主动单元和从动单元无线连接传输运动代码信息，从动单元与从动方的若干肌肉相连传输电脉冲信息。
所述的若干肌肉包括：上臂的伸肌(肱三头肌)、上臂的屈肌(肱二头肌)、前臂的伸肌和前臂的屈肌。
所述的主动单元包括：若干EMG电极片、放大器、滤波器、特征提取单元、分类器、编码器和无线发送器，其中：EMG电极片与主动方的若干肌肉相连传输原始表面肌电信息，EMG电极片与放大器相连传输原始肌电信息，放大器与滤波器相连传输放大了的肌电信号，滤波器与特征提取单元相连传输消噪的肌电信息，特征提取单元与分类器相连传输肌电信号的特征信息，分类器与编码器相连传输运动模式信息，编码器与与无线发送器相连传输编码的运动模式信息，无线发送器与从动单元无线连接传输运动代码信息。
所述的从动单元包括：无线接收器、解码器、控制器、电刺激器和若干FES电极片，其中：无线接收器与主动单元无线连接传输运动代码信息，无线接收器与解码器相连传输运动代码信息，解码器与控制器相连传输运动解码信息，控制器与电刺激器相连传输刺激模式信息，电刺激器与FES电极片相连传输电脉冲信息，FES电极片与从动方的若干肌肉相连传输电脉冲信息。
所述的EMG电极、放大器和滤波器选用的是美国集成的Noraxon肌电仪，该仪器同时具有采集肌电信息、放大信息和滤波的功能。
所述的特征提取单元是自回归参数提取单元。
所述的分类器是线性判别分类器。
所述的编码器、无线发送器、无线接收器和解码器选用的是美国的DR3000(RFMonolithics Inc)，该仪器同时具有编码、无线发送、无线接收和解码的功能。
所述的控制器是一对多的映射模式，即实现一种运动模式对应若干块肌肉的控制模式。
所述的电刺激器是瑞士的Compex Motion II。
本实施例的工作过程：理疗师进行指定的康复运动时，与运动相关的主要肌肉的肌电信息被采集，经过处理后作为控制源，理疗师的原始肌电信息通过EMG电极片采集后，放大，利用滤波器消除噪声，肌电信息通过特征提取单元和分类器处理后，得到运动模式信息，然后编码后由无线发送器无线传输给从动单元；从动单元收到信息后，进行解码，由控制器产生刺激模式，调节电刺激器，产生电脉冲，通过FES电极片的表面电极刺激瘫痪病人相应的肌肉，使病患产生与理疗师一致的运动。
本实施例的优点：改变了传统的运动康复方式，理疗师无需通过肢体接触来亲自辅助瘫痪病人做训练，而且此系统可实现多个患者同时跟随一个理疗师做康复训练，大大减轻了理疗师的工作负荷；同时能够保持病人肌肉活力，防止肌肉萎缩，减少痉挛，使病人的康复效果更为理想。本实例中仅考虑主动方的主要肌肉来控制从动方的运动，因此肌电信号处理需要引入特征提取单元和分类器。但是由于EMG电极片数目的减少，减轻了理疗师前期繁琐的准备工作，方便了理疗师的运动，实用性更强。
Claims (2)
1.一种肌电信号控制的主从式功能性电刺激康复系统，其特征在于，包括：主动单元和从动单元，其中：主动单元与主动方相连传输肌电信息，主动单元和从动单元无线连接传输运动模式信息，从动单元与从动方相连传输电脉冲信息；
所述的主动单元包括：若干EMG电极片、放大器、滤波器、编码器和无线发送器，其中：EMG电极片与主动方的肌肉相连传输原始表面肌电信息，EMG电极片与放大器相连传输原始肌电信息，放大器与滤波器相连传输放大了的肌电信号，滤波器与编码器相连传输消噪的肌电信号，编码器与无线发送器相连传输编码的肌电信号，无线发送器与从动单元无线连接传输运动代码信息；
所述的从动单元包括：无线接收器、解码器、控制器、电刺激器和若干FES电极片，其中：无线接收器与主动单元无线连接传输运动代码信息，无线接收器与解码器相连传输运动代码信息，解码器与控制器相连传输运动解码信息，控制器与电刺激器相连传输刺激模式信息，电刺激器与FES电极片相连传输电脉冲信息，FES电极片与从动方的肌肉相连传输电脉冲信息。
2.根据权利要求1所述的肌电信号控制的主从式功能性电刺激康复系统，其特征是，所述的主动单元还包括：特征提取单元和分类器，其中：特征提取单元的输入端与滤波器相连传输消噪的肌电信息，分类器的输入端与特征提取单元的输出端相连传输肌电信号的特征信息，分类器的输出端与编码器相连传输运动模式信息。
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