CN101804241A - 一种经皮刺激仪及其增强人体手部精细动作水平的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种经皮刺激仪及其增强人体手部精细动作水平的方法。该经皮刺激仪包括上位PC机、单片机、显示模块、A/D转换器、D/A转换器、信号调整电路、噪声刺激装置和反馈电路，信号调整电路包括幅值调整电路，反馈电路含有RMS/DC转换电路；PC机、显示模块、A/D转换器和D/A转换器分别与单片机电连接，反馈电路的RMS/DC转换电路与A/D转换器电连接，信号调整电路与D/A转换器、噪声刺激装置分别电连接。本发明的有益效果是：将产生的白噪声波形转换成电噪声刺激或机械振动噪声刺激，以满足人体发生随机共振现象的产生条件，再给予手部合适强度的电噪声或振动噪声刺激以降低手部感觉阈限，从而增强手部精细动作水平。

Description

一种经皮刺激仪及其增强人体手部精细动作水平的方法

技术领域

本发明涉及一种应用人体感觉系统中的随机共振现象增强手部精细动作水平的方法，特别是涉及一种通过给予手部一定量的电流或者振动噪声刺激，从而提升手指精细动作水平的装置和方法。

背景技术

手部精细动作是以触觉为基础的一种复杂动作，是人类生活的基础。但是随着年龄的增长的影响，手部精细动作水平也会降低。另外，在某些特殊行业或者领域中，比如需要操作精密仪器的工人和实施手术的大夫，手部精细动作水平的高低直接决定了工作完成的质量。一般的改善精细动作的办法需要通过长期的训练和锻炼，又费时又费力。目前尚未有快速改善人体手部精细动作的方法和装置。

发明内容

本发明的目的是针对人们急需改善人体手部精细动作水平这一问题而提供一种经皮刺激仪及其增强人体手部精细动作水平的方法。

在某些非线性系统中，噪声能够起到放大微弱信号的作用，这种现象被称之为随机共振现象。人体神经系统中广泛存在随机共振现象，并且这种现象已经被用来增强或弥补人体感觉功能。为达到上述目的，本发明利用人体感觉系统中的随机共振现象来增强手部精细动作水平。

根据随机共振现象产生所需的条件，首先开发增强人体感觉功能的经皮刺激仪。该经皮刺激仪产生的白噪声电流刺激或者机械噪声刺激，施加在人体皮肤上，通过降低人体感觉阈值，从而起到增强手部精细动作水平。本发明采用下位机与上位PC机进行交互，由下位机控制产生随机的白噪声信号，通过电压-电流转换电路或者电压-振动转换装置，来产生白噪声电流刺激或机械噪声刺激。

为实现上述目的，本发明采取的具体技术方案如下：该经皮刺激仪主要包括上位PC机、单片机、显示模块、模拟/数字转换器、数字/模拟转换器、信号调整电路、噪声刺激装置和反馈电路，所述信号调整电路含有幅值调整电路，所述反馈电路含有RMS/DC转换电路；所述PC机、显示模块、模拟/数字转换器和数字/模拟转换器分别与单片机电连接，反馈电路的RMS/DC转换电路与模拟/数字转换器电连接，信号调整电路与数字/模拟转换器、噪声刺激装置分别电连接。

进一步地，本发明所述噪声刺激装置包括电噪声刺激器，所述电噪声刺激器含有电压/电流转换电路。

进一步地，本发明所述电噪声刺激器包括过流保护电路，过流保护电路与电压/电流转换电路、反馈电路分别电连接。

进一步地，本发明所述噪声刺激装置包括振动噪声刺激器，所述振动噪声刺激器含有相互电连接的振动驱动电路和振荡器，振动驱动电路与反馈电路电连接。

进一步地，本发明所述信号调整电路还包括滤波电路和跟随电路，所述信号调整电路的滤波电路、幅值调整电路和跟随电路依次串联。

进一步地，本发明所述反馈电路还包括滤波电路和放大电路，所述反馈电路的滤波电路、放大电路和RMS/DC转换电路依次串联。

进一步地，本发明还包括控制按键，所述各控制按键分别通过单片机的I/O口与单片机电连接。

使用本发明经皮刺激仪增强人体手部精细动作水平的一种方法主要包括如下步骤：

(1)经皮刺激仪的上位PC机产生白噪声序列的数字信号，所述白噪声序列的数字信号传输到单片机的数据存储器中进行保存；

(2)单片机把数据存储器中的白噪声序列的数字信号按时间间隔输出到数字/模拟转换器转换成白噪声序列的模拟信号，该白噪声序列的模拟信号由信号调整电路进行幅值调整处理，得到幅值可调的白噪声模拟信号；

(3)将所述幅值可调的白噪声模拟信号经过电压/电流转换电路转换成电流刺激信号，所述电流刺激信号传送到附着于人体手部的电极以给予人体电噪声刺激；

(4)根据反馈电路显示的由电噪声刺激导入人体的电流大小，使用心理物理学方法测定得到人体手部电噪声感觉阈值；

(5)在人体手部完成精细动作的同时，给予手部所述感觉阈值的50％～80％的电噪声刺激以降低人体手部感觉阈限，从而增强手部精细动作水平。

使用本发明经皮刺激仪增强人体手部精细动作水平另一种方法主要包括如下步骤：

(1)经皮刺激仪的上位PC机产生白噪声序列的数字信号，所述白噪声序列的数字信号传输到单片机的数据存储器中进行保存；

(2)单片机把数据存储器中的白噪声序列的数字信号按时间间隔输出到数字/模拟转换器转换成白噪声序列的模拟信号，该白噪声序列的模拟信号由信号调整电路进行幅值调整处理，得到幅值可调的白噪声模拟信号；

(3)将所述幅值可调的白噪声模拟信号经过振动驱动电路和振荡器转换成机械噪声刺激信号，振荡器将所述机械噪声刺激信号传送到人体手部以给予人体机械噪声刺激；

(4)根据反馈电路显示的机械噪声刺激大小，使用心理物理学方法测定人体手部机械噪声感觉阈值；

(5)在人体手部完成精细动作的同时，给予手部所述感觉阈值的50％～80％的刺激以降低人体手部感觉阈限，从而增强手部精细动作水平。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明使用DDWS波形发生技术，产生白噪声波形，通过电压/电流转换电路转换成电噪声刺激，或者通过振动驱动电路和振荡器转换成振动噪声刺激，以满足发生随机共振现象产生的条件。应用人体感觉系统中的随机共振现象，通过给予手部一定强度的电噪声刺激或者振动噪声刺激以降低人体手部的感觉阈限，从而增强手部精细动作水平。

附图说明

图1是本发明经皮刺激仪一种实施方式的结构示意框图；

图2是本发明经皮刺激仪上位PC机产生白噪声信号的工作流程图；

图3是本发明经皮刺激仪电噪声刺激器中的电压/电流转换电路原理图；

图4是本发明经皮刺激仪电噪声刺激器中的过流保护电路原理图；

图5是本发明经皮刺激仪单片机的工作流程图；

图6是使用本发明经皮刺激仪刺激人体手部时完成手指灵活性测试所需时间与电噪声刺激强度的关系图；

图7是使用本发明经皮刺激仪刺激人体手部时完成手指灵活性测试所需时间与机械噪声刺激强度的关系图。

具体实施方式

作为本发明的一种实施方式，图1所示的经皮刺激仪包括上位PC机、单片机、显示模块、控制按键、模拟/数字(A/D)转换器、数字/模拟(D/A)转换器、信号调整电路、噪声刺激装置和反馈电路。

其中，上位PC机、显示模块、各控制按键、模拟/数字转换器和数字/模拟转换器分别与单片机电连接。其中，各控制按键分别与单片机的I/O口电连接。

单片机是下位机系统的控制核心，可选用具有较大数据存储空间的MSP430系列单片机，或其他类型的单片机，例如AVR系列单片机、PIC系列单片机等。如果所选用的单片机自带模拟/数字转换器、数字/模拟转换器，则无需另行配备模拟/数字转换器和数字/模拟转换器。

若单片机未自带模拟/数字转换器、数字/模拟转换器，则模拟/数字转换器可以选用8bit、10bit或者12bit分辨率的与单片机电平兼容的A/D转换器。若单片机未自带数字/模拟转换器，则数字/模拟转换器可以选用12bit、14bit或者16bit分辨率，与单片机电平兼容的数字/模拟转换器。

图1中，信号调整电路包括依次串联的滤波电路、幅值调整电路和跟随电路，滤波电路与数字/模拟转换器电连接。信号调整电路主要实现输出刺激大小的调整。其中，幅值调整电路由反相比例运算电路构成，通过改变反馈电阻的阻值，调节幅值调整电路的放大倍数，从而实现输出刺激大小的调整。

本发明中，噪声刺激装置可同时设置有电噪声刺激器和振动噪声刺激器。通过在信号调整电路后安装一个单刀双掷(SPDT)开关使本发明经皮刺激仪在使用时，信号调整电路或与电噪声刺激器电连接，或与振动噪声刺激器电连接，由此选择输出刺激形式是电噪声刺激或者是机械噪声刺激。电噪声刺激器中含有电压/电流转换电路，可将电压/电流转换电路与信号调整电路电连接。振动噪声刺激器则含有相互电连接的振动驱动电路和振荡器，可通过振动驱动电路与信号调整电路电连接。

在图1所示的实施例中，电噪声刺激器包括电压/电流转换电路和过流保护电路。如图4所示，在过流保护电路中，跟随电路、电压比较电路和信号锁存电路依次串联，过流保护电路的跟随电路与电压/电流转换电路电连接。信号调整电路中的跟随电路或与电噪声刺激器的电压/电流转换电路(V/I转换电路)电连接，或与振动噪声刺激器的振动驱动电路电连接。

电压/电流转换电路如图3所示，Vin为信号调整电路输出的幅值可调的白噪声模拟信号，通过推挽式的共基极放大电路进行初级电压放大，该电压通过运算放大器进行跟随，最后通过共集电极电流放大电路，实现恒电流输出。

机械噪声刺激器含有相互电连接的振动驱动电路和振荡器。振动驱动电路采用无输出电容(OCL)的功率放大电路，可以使输出电流达到100mA以上。振荡器可以由电磁铁结构的小继电器改造而来：即拆除小继电器的外壳，把继电器的悬臂梁非固定端往上折起，使悬臂梁非固定端方便地与皮肤接触，引出继电器的两个控制端与振动驱动电路进行连接，再给继电器安装一外壳。使用时，将振荡器粘贴在人体手背上，并使继电器的悬臂梁非固定端与手背皮肤接触，从而给予人体手部机械噪声刺激。本发明振荡器结构简单，体积小巧，便于固定安装。将振动驱动电路与所述继电器的两个控制端相连接，给予适当的交流信号后，线圈上便会产生顺时针或者逆时针流动的电流，根据电磁感应原理，其在空间产生的磁场会随之改变方向和大小。这样继电器的悬臂梁会受到不同大小的牵引力的作用下而产生上下振动，带动悬臂梁非固定端振动，就可以给予人体皮肤振动刺激。

反馈电路与模拟/数字转换器电连接。在图1中，反馈电路包括依次串联的滤波电路、放大电路和RMS/DC转换电路，RMS/DC转换电路与模拟/数字转换器电连接、过流保护电路分别电连接。具体地说，如图4所示，RMS/DC转换电路与过流保护电路中的跟随电路电连接。

通过反馈电路可以实时显示噪声刺激强度的大小，是控制调整输出噪声刺激大小的基础，也是过流保护电路的基础。反馈电路包括依次串联的滤波电路、放大电路和RMS/DC转换电路。从串联于人体的采样电阻得到流过人体的电流量并转换成电压量，或者从振动驱动电路得到振荡器的驱动电压送入反馈电路的滤波电路，经过滤波，放大，RMS/DC转换，将复杂的白噪声波形转换成直流电压量。RMS/DC转换电路可以使用AD公司的AD637高精度、宽频带的任意波形真有效值/直流电压转换器。该直流电压量送入模拟/数字转换器或者送入过流保护电路的跟随电路。

人体所能承受的电流强度是有一定的安全限度的，当电流超过该限度时就会对人体造成刺痛或者伤害。通过过流保护电路，保障了设备的安全可靠。如图4所示，Vrms为反馈电路得到的复杂白噪声波形转换而来的直流电压量，经过跟随电路，送入电压比较电路与设定的极限电压值比较，如果大于极限电压值，电压比较电路输出一个上升的脉冲，该脉冲信号通过信号锁存电路进行锁存，控制串连于人体的继电器断路，从而实现保护。

显示模块一般选用7段LED显示模块或LCD液晶显示模块。

控制按键可采用独立按键结构，一般有暂停按键、运行按键、复位按键等，相应的完成暂停、运行、复位等功能。

上位PC机采用直接数字波形合成(DDWS)技术，在Matlab编程环境下，产生0～1000Hz带宽的白噪声序列，通过有线或者无线的方式，下载数据到单片机数据存储器中存储，上位PC机白噪声信号发生流程图如图2所示。

单片机把数据存储器中的白噪声序列的数字信号每隔100us输出一个到数字/模拟转换器转换成白噪声序列的模拟信号。该白噪声序列的模拟信号由信号调整电路进行幅值调整处理，得到幅值可调的白噪声模拟信号。

将幅值可调的白噪声模拟信号经过电压/电流转换电路转换成电流刺激信号，电流刺激信号传送到附着于人体手部的电极以给予人体电噪声刺激。将幅值可调的白噪声模拟信号经过振动驱动电路和振荡器得到机械噪声刺激，振荡器将所述机械噪声刺激信号传送到人体手部以给予人体机械噪声刺激。

如图5所示为本发明经皮刺激仪单片机的工作流程。在本发明经皮刺激仪上电复位后，需要对经皮刺激仪的单片机资源进行重新分配和管理，包括关闭看门狗、初始化时钟、初始化A/D、初始化FLASH、初始化UART、初始化I/O口、初始化中断、初始化显示等工作。初始化工作结束后，上位PC机下载白噪声序列数字波形到单片机数据存储器中，单片机读取存储在数据存储器中的波形数据，进行波形输出。每完成一次序列的输出，单片机就进行一次采样和显示并判断刺激强度是否超过设定的极限值。一般0.5mA的电流对人体手部就有明显的刺痛感，因而一般设定极限值为0.5mA。当流过人体的电流超过0.5mA，则断开输出电路，显示报警，等待单片机系统复位。如果未超出该极限范围，则进行下一轮序列的输出。

综上所述，本发明由上位PC机系统和下位机系统组成。下位机电路由单片机、模拟/数字转换器、数字/模拟转换器、信号调整电路、电压/电流转换电路、振动驱动电路、过流保护电路、显示模块、控制按键和反馈电路环节组成，这几部分皆在单片机的控制下有序的工作，在人体进行精细动作的同时，给予手部一定强度的电噪声刺激或者机械噪声刺激，以满足人体感觉系统发生随机共振现象的条件，从而降低人体感觉阈值，增强人体手部精细动作水平。

作为本发明的其他实施方式，在电噪声刺激器中可以没有过流保护电路。此时电压/电流转换电路直接通过附着于人体手部的电极以给予人体电噪声刺激。噪声刺激装置可以仅设置有电噪声刺激器或仅设置振动噪声刺激器。当仅有电噪声刺激器时，电噪声刺激器与信号调整电路电连接。当仅有振动噪声刺激器时，振动噪声刺激器与信号调整电路电连接。

当本发明的信号调整电路仅有幅值调整电路时，幅值调整电路直接分别与D/A转换器和电噪声刺激器的电压/电流转换电路电连接。若反馈电路仅含有RMS/DC转换电路，则RMS/DC转换电路除了与A/D转换器电连接外，还直接与电噪声刺激器的过流保护电路或振动噪声刺激器的振动驱动电路电连接。

使用本发明经皮刺激仪时按以下方法进行操作：

(1)如果是电流刺激模式，把两个电极分别固定在人体手背和食指上；如果是机械振动刺激模式，把振荡器固定在人体的手背上；

(2)将经皮刺激仪通电，使用心理物理学中的最小变化法测定人体的电流阈值或者振动阈值，具体操作步骤如下：首先，选定一个人体明显感觉不到的噪声刺激，然后以较小步长逐渐增强，每变化一次，被测试对象报告有无感觉到刺激，直到被测试对象感觉到刺激为止，记录此时刺激强度，然后选定一个被测试对象能够明显感觉到的噪声刺激，以较小步长逐渐降低，每变化一次，被测试对象报告有无感觉到刺激，直到被测试对象感觉不到刺激为止，记录此时刺激强度，重复上述步骤各10次，得到20个临界值，求其平均值，即为此被测试对象的噪声感觉阈值；

(3)调节本发明经皮刺激仪的信号调整电路调整信号输出幅度，使得输出电流或者振动强度是电流阈值或者机械振动阈值的50％～80％；在人体手部完成精细动作的同时，给予手部所述感觉阈值的50％～80％的刺激以降低人体手部感觉阈限，从而增强手部精细动作水平。

如图6所示为使用本发明经皮刺激仪刺激人体手部时完成手指灵活性测试所需时间与电噪声刺激强度的关系图。测试仪器是SAN LING EP707A手指灵活性测试仪。图6中，横坐标表示电噪声的强度，0为没有电噪声刺激，其中，0.2、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8和1依次对应电感觉阈值强度的20％、40％、50％、60％、70％、80％和100％。纵坐标表示完成手指灵活性测试的时间，时间越少，说明手指精细动作的水平越高。从图6中可以看出，从40％至100％的阈值强度刺激下，表现出了随机共振现象典型的U型曲线，即随着刺激强度的增大，完成手指灵活性测试的时间先减少再增多，也就是说手指精细动作水平先增强后减弱，在50～80％的阈值强度刺激下完成时间比没有电噪声情况下的完成时间低，其中，在60％的阈值强度刺激下具有最佳效果。

如图7所示为使用本发明经皮刺激仪刺激人体手部时完成手指灵活性测试所需时间与机械噪声刺激强度的关系图。测试仪器是SAN LING EP707A手指灵活性测试仪。图中横坐标表示机械噪声的强度，0为没有机械噪声刺激，0.2、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8和1依次对应电感觉阈值强度的20％、40％、50％、60％、70％、80％和100％。纵坐标表示完成手指灵活性测试的时间，时间越少，说明手指精细动作的水平越高。从图中可以看出，从40％至100％的阈值强度刺激下，表现出了随机共振现象典型的U型曲线，即随着刺激强度的增大，完成手指灵活性测试的时间先减少再增多，也就是说手指精细动作水平先增强后减弱，在50～80％的阈值强度刺激下完成时间比没有电噪声情况下的完成时间低，其中，在60％的阈值强度刺激下具有最佳效果。

Claims (9)

1.一种经皮刺激仪，其特征是：包括上位PC机、单片机、显示模块、模拟/数字转换器、数字/模拟转换器、信号调整电路、噪声刺激装置和反馈电路，所述信号调整电路含有幅值调整电路，所述反馈电路含有RMS/DC转换电路；所述PC机、显示模块、模拟/数字转换器和数字/模拟转换器分别与单片机电连接，反馈电路的RMS/DC转换电路与模拟/数字转换器电连接，信号调整电路与数字/模拟转换器、噪声刺激装置分别电连接。

2.根据权利要求1所述的经皮刺激仪，其特征是：所述噪声刺激装置包括电噪声刺激器，所述电噪声刺激器含有电压/电流转换电路。

3.根据权利要求2所述的经皮刺激仪，其特征是：所述电噪声刺激器包括过流保护电路，过流保护电路与电压/电流转换电路、反馈电路分别电连接。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的经皮刺激仪，其特征是：所述噪声刺激装置包括振动噪声刺激器，所述振动噪声刺激器含有相互电连接的振动驱动电路和振荡器，振动驱动电路与反馈电路电连接。

5.根据权利要求1所述的经皮刺激仪，其特征是：所述信号调整电路还包括滤波电路和跟随电路，所述信号调整电路的滤波电路、幅值调整电路和跟随电路依次串联。

6.根据权利要求1所述的经皮刺激仪，其特征是：所述反馈电路还包括滤波电路和放大电路，所述反馈电路的滤波电路、放大电路和RMS/DC转换电路依次串联。

7.根据权利要求1所述的经皮刺激仪，其特征是：还包括控制按键，所述各控制按键分别通过单片机的I/O口与单片机电连接。

8.一种使用经皮刺激仪增强人体手部精细动作水平的方法，其特征是包括如下步骤：

(1)经皮刺激仪的上位PC机产生白噪声序列的数字信号，所述白噪声序列的数字信号传输到单片机的数据存储器中进行保存；

(2)单片机把数据存储器中的白噪声序列的数字信号按时间间隔输出到数字/模拟转换器转换成白噪声序列的模拟信号，该白噪声序列的模拟信号由信号调整电路进行幅值调整处理，得到幅值可调的白噪声模拟信号；

(3)将所述幅值可调的白噪声模拟信号经过电压/电流转换电路转换成电流刺激信号，所述电流刺激信号传送到附着于人体手部的电极以给予人体电噪声刺激；

(4)根据反馈电路显示的由电噪声刺激导入人体的电流大小，使用心理物理学方法测定得到人体手部电噪声感觉阈值；

(5)在人体手部完成精细动作的同时，给予手部所述感觉阈值的50％～80％的电噪声刺激以降低人体手部感觉阈限，从而增强手部精细动作水平。

9.一种使用经皮刺激仪增强人体手部精细动作水平的方法，其特征是包括如下步骤：

(1)经皮刺激仪的上位PC机产生白噪声序列的数字信号，所述白噪声序列的数字信号传输到单片机的数据存储器中进行保存；

(2)单片机把数据存储器中的白噪声序列的数字信号按时间间隔输出到数字/模拟转换器转换成白噪声序列的模拟信号，该白噪声序列的模拟信号由信号调整电路进行幅值调整处理，得到幅值可调的白噪声模拟信号；

(3)将所述幅值可调的白噪声模拟信号经过振动驱动电路和振荡器转换成机械噪声刺激信号，振荡器将所述机械噪声刺激信号传送到人体手部以给予人体机械噪声刺激；

(4)根据反馈电路显示的机械噪声刺激大小，使用心理物理学方法测定人体手部机械噪声感觉阈值；

(5)在人体手部完成精细动作的同时，给予手部所述感觉阈值的50％～80％的刺激以降低人体手部感觉阈限，从而增强手部精细动作水平。

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