CN102580240B - 一种电刺激助行装置及其输出控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电刺激助行装置及其输出控制方法，将一个电刺激助行装置固定在腿部，所述电刺激助行装置包括一个随脚的前后摆动形成高、中、低电位信号变化的传感器、一个对传感器信号进行滤波的滤波器电路、一个将滤波电路输出信号进行模数转换并进行分析处理的微处理器、一个由微处理器控制的脉冲电刺激电路。其方法是：启动电刺激助行装置电源；确定一个启动输出电刺激信号阈值；开启和关闭电刺激信号输出。本发明只需设定启动阈值，而无需设定停止阈值，实现了电刺激助行装置输出的全自动控制，方便了使用者；利用软硬件两种方式去除了病人使用中出现的抖动干扰，保证了电刺激信号的准确开启与关闭，保证了当患足落地时助行装置的电刺激信号输出自动停止。

Description

一种电刺激助行装置及其输出控制方法

技术领域

本发明属于医疗器械领域，特别涉及一种电刺激助行装置及其输出控制方法，通过一个加速度传感器采集电刺激助行装置处于的状态，通过一个滤波电路和上下波形幅值的变化对步态状况的准确判断，为电刺激信号提供一个准确的开启和关断的信号。 

背景技术

脑卒中, 脑外伤, 脊髓损伤, 及多发性硬化症等中枢神经疾病常引起足下垂和后弯膝等影响步行的症状。患者表现为不能背屈足部和/或膝部，行走时或是拖曳病足或是将病侧下肢举得较高,因此步态缓慢,异常,稳定性差,不能长时间行走。这种异常的步态进一步引起髋关节,背, 和膝关节损伤,严重影响病人日常生活。

以神经功能电刺激原理为基础的助行装置，检测病人在步行时的步态并根据步态信号控制电刺激的输出和停止。电刺激通过电极输出刺激信号到特定的神经和肌肉，该刺激信号帮助病人抬足和/或曲膝。然而病人抬足和/或曲膝的过程是一个抖动的过程，如何准确的判断病人抬足和/或曲膝的过程，适当的控制电刺激输出信号，是电刺激助行装置要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种电刺激助行装置及其输出控制方法，通过一个加速度传感器采集电刺激助行装置处于的状态，通过一个滤波电路和上下波形幅值的变化对步态状况的准确判断，为电刺激信号提供一个准确的开启和关断的信号。 

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种电刺激助行装置，其特征在于，所述电刺激助行装置包括一个随脚的前后摆动形成高、中、低电位信号变化的步态传感器、一个对步态传感器信号进行滤波的滤波器电路、一个将滤波电路输出信号进行模数转换并进行分析处理的微处理器、一个由微处理器控制的脉冲电刺激电路。

所述步态传感器是加速度传感器，所述微处理器还连接一个安装在患足足底的启动脉冲电刺激电路输出的压力传感器。

所述的滤波器电路是通过频率低于2.5赫兹信号的滤波器电路。

所述滤波器电路由电阻和电容组成，电阻串接在传感器和模数转换输入之间，电容一端接模数转换输入，电容另一端接公共地，所述电阻值是32千欧姆，所述电容值是2微法拉。

一种电刺激助行装置输出控制方法，所述输出控制方法基于有一个电刺激助行装置，所述电刺激助行装置包括一个随脚的前后摆动形成高、中、低电位信号变化周期的步态传感器、一个对所述步态传感器信号进行滤波的滤波器电路、一个将滤波电路输出的信号进行模数转换并进行分析处理的微处理器、一个由微处理器控制的脉冲电刺激电路；

所述步态传感器输出的有效电位变化周期是脚从后抬起向前摆动、落下往后摆动、再从后抬起向前摆动的周期；

所述电刺激助行装置输出控制方法的步骤顺序包括：

a.将一个电刺激助行装置绑扎或粘贴固定在腿部的步骤；

b.电刺激助行装置进入助行模式的步骤；

c.确定一个启动输出电刺激信号阈值的步骤；

d.开启和关闭电刺激信号输出的步骤；

e.重复步骤d直至电刺激助行装置退出助行模式的步骤；

所述阈值是脚落下往后摆动、再从后抬起向前摆动的时间内，对开启电刺激信号输出设置的阈值；

所述开启和关闭电刺激信号输出的步骤是：

连续获取步态传感器输出有效电位值，判断脚抬起向前摆动、落下往后摆动、再从后抬起向前摆动的电位变化，在脚落下往后摆动、再从后抬起向前摆动的时间内，当步态传感器输出有效电位到达阈值时开启电刺激信号输出；当脚向前摆动落下准备往后摆动时关闭电刺激信号输出。

所述确定一个启动输出电刺激信号阈值的步骤是：获取电刺激助行装置垂直于水平面时步态传感器输出的电位信号V1、和脚跟抬起准备腿往前摆动时腿与水平面的垂直线形成的角度值D，以及电刺激助行装置沿腿往后摆动的方向倾至与水平面平行时步态传感器输出的电位信号V2，由公式（V1-V2）/90算出腿往后摆动角度变化1度时步态传感器输出电位信号的变化量V3，由公式（V1-（D×V3））计算出的值为启动输出电刺激信号阈值。

所述确定一个启动输出电刺激信号阈值的步骤是：电刺激助行装置进入助行模式后，获取第一个从所述脚从后抬起向前摆动时步态传感器输出的有效电位做为启动输出电刺激信号阈值。

所述确定一个启动输出电刺激信号阈值的步骤是：电刺激助行装置进入助行模式后，获取2至10个从所述脚从后抬起向前摆动时步态传感器输出的有效电位，取其平均值做为启动输出电刺激信号阈值。

所述确定一个启动输出电刺激信号阈值的步骤是：有一个压力传感器，压力传感器输出高电位是脚落地状态，压力传感器输出低电位是脚抬起状态；所述压力传感器信号连接至电刺激器微处理器；压力传感器信号由高变低时的步态传感器输出有效电位为启动输出电刺激信号阈值。

所述有效电位值是10毫秒内连续获取步态传感器输出2至10个电位值的平均值。

本发明与已有技术相比产生的有益效果是：只需设定启动阈值，而无需设定停止阈值，就可实现电刺激助行装置输出的全自动控制，方便了使用者，利用软硬件两种方式去除了病人使用中出现的抖动干扰，保证了电刺激信号的准确开启与关闭。保证了无论病人迈出的步子多小，当患足落地时助行装置的电刺激信号输出自动停止，从而避免当病人往前迈步角度不够大时不能及时停止助行装置输出的问题。

下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述。

附图说明

图1为本发明装置电路结构示意图；

图2为本发明装置带有电阻电容滤波电路的结构示意图；

图3为本发明装置带有压力传感器的电路的结构示意图；

图4为本发明装置方法步骤顺序框图；

图5为本发明开启和关闭电刺激信号输出的波形示意图；

图6为本发明实施例6的一种滤波示意图。

具体实施方式

实施例1：

一种电刺激助行装置，参见图1，所述电刺激助行装置包括一个随脚的前后摆动形成高、中、低电位信号变化的步态传感器1、一个对步态传感器信号进行滤波的滤波器电路2、一个将滤波电路输出信号进行模数转换3并进行分析处理的微处理器4、一个由微处理器控制的脉冲电刺激电路5。

实施例中所述步态传感器是三轴加速度传感器，采用型号为SMB380或ADXL327的三轴加速度传感器。三轴加速度传感器具有X，Y，Z轴电位值输出，以型号ADXL327的三轴加速度传感器为例，在电源电压为3伏时，其X，Y，Z轴的原点电位值是1.5伏左右。

实施例中的微处理器为带有模数转换器的微处理器。

由于病人在实际的迈步过程中脚的抬起和落下会出现抖动，因此传感器会产生抖动的电压干扰影响微处理器做出正确的判断，在模数转换之前加入了一个滤波电路，滤掉那些出现频率过快的电压信号，因此本实施例所述的滤波器电路是通过频率低于2.5赫兹信号的滤波器电路。

实施例2：

本实施例是在实施例1的基础上进行的改进，本实施例中与实施例1相同的部分，请参照实施例1中公开的内容进行理解，实施例1公开的内容也应当作为本实施例的内容，此处不作重复描述。

参见图2，为了将线路简单同时又有有效地滤波，本实施例所述滤波器电路由电阻2-1和电容2-2组成，电阻串接在放大器电路输出和模数转换输入之间，电容一端接模数转换输入，电容另一端接公共地，所述电阻值是32千欧姆，所述电容值是2微法拉，由于本实施例使用的是型号为ADXL327的三轴加速度传感器其电阻是三轴加速度传感器的内阻。

实施例3：

本实施例是在实施例1的基础上进行的改进，本实施例中与实施例1相同的部分，请参照实施例1中公开的内容进行理解，实施例1公开的内容也应当作为本实施例的内容，此处不作重复描述。

本实施例与实施例1的不同点在于，所述微处理器还连接一个安装在患足足底的启动脉冲电刺激电路输出的压力传感器6，压力传感器的信号输出到所述微处理器。

所述压力传感器信号通过有线或无线连接到微处理器；患者佩戴所述电刺激助行装置后，开启电刺激助行装置电源并开始步行；当患足足跟抬起时，压力传感器信号由高变低，微处理器启动输出电刺激信号。

实施例4：

一种电刺激助行装置输出控制方法，本方法是基于实施例1所述的装置实现的一种输出控制方法，参见图1包括有一个电刺激助行装置，所述电刺激助行装置包括一个随脚的前后摆动形成高、中、低电位信号变化的周期的步态传感器1、一个对步态传感器信号进行滤波的滤波器电路2、一个将滤波电路输出信号进行模数转换3并进行分析处理的微处理器4、一个由微处理器控制的脉冲电刺激电路5。步态传感器输出的电位由低变高是脚向前抬起的过程，传感器输出的电位由高变低是脚落下的过程；

所述步态传感器输出的有效电位变化周期是脚从后抬起向前摆动、落下往后摆动、再从后抬起向前摆动的周期；

所述电刺激助行装置输出控制方法的步骤顺序包括：

a.将一个电刺激助行装置绑扎或粘贴固定在腿部的步骤；

b.电刺激助行装置进入助行模式的步骤；

c.确定一个启动输出电刺激信号阈值的步骤；

d.开启和关闭电刺激信号输出的步骤；

e.重复步骤d直至电刺激助行装置退出助行模式的步骤；

所述阈值是脚落下往后摆动、再从后抬起向前摆动的时间内，对开启电刺激信号输出设置的阈值；

所述开启和关闭电刺激信号输出的步骤是：参见图5，连续的获取步态传感器输出有效电位值7，判断脚抬起向前（图中箭头8所示）摆动、落下（图中箭头9所示）往后（图中箭头10所示）摆动、再从后抬起向前（图中箭头11所示）摆动的电位变化，在脚落下往后摆动、再从后抬起向前摆动的时间t内，当传感器输出有效电位绝对值达到阈值绝对值12时开启电刺激信号输出；当脚向前摆动落下再往后摆动13时关闭电刺激信号输出，或当脚向前摆动落下准备往后摆动时关闭电刺激信号输出，或传感器输出有效电位持续不变超过0.1秒至1秒时关闭电刺激信号输出，最佳持续时间是0.25秒。

实施例中，所述确定一个启动输出电刺激信号阈值的步骤是：获取电刺激助行装置垂直于水平面时步态传感器输出的电位信号V1、和脚跟抬起准备腿往前摆动时腿与水平面的垂直线形成的角度值D（D值可以是通过人测量患者步伐的角度后输入的角度值），以及电刺激助行装置沿腿往后摆动的方向倾至与水平面平行时步态传感器输出的电位信号V2，由公式（V1-V2）/90算出腿往后摆动角度变化1度时步态传感器输出电位信号的变化量V3，由公式（V1-（D×V3））计算出的值为启动输出电刺激信号阈值。

实施例5：

本实施例是在实施例4的基础上进行的改进，本实施例中与实施例1相同的部分，请参照实施例4中公开的内容进行理解，实施例4公开的内容也应当作为本实施例的内容，此处不作重复描述。

本实施例所述确定一个启动输出电刺激信号阈值的步骤是：电刺激助行装置进入助行模式后，获取第一个从所述脚从后抬起向前摆动时步态传感器输出的有效电位做为启动输出电刺激信号阈值。

该步骤是自我学习的步骤，是每一次启动电刺激助行装置工作所必须执行的第一个步骤，是为装置的每一个工作周期定一个基调，这种设置方便了不同使用者的使用，也方便了康复期间不同康复周期对刺激起始点不同要求的期望。

实施例6：

本实施例是在实施例4的基础上进行的改进，本实施例中与实施例1相同的部分，请参照实施例4中公开的内容进行理解，实施例4公开的内容也应当作为本实施例的内容，此处不作重复描述。

为了保证阈值为一个有效值，考虑患者每一个周期的不一致性，本实施例所述确定一个启动输出电刺激信号阈值的步骤是：电刺激助行装置进入助行模式后，获取2至10个周期的从所述脚从后抬起向前摆动时步态传感器输出的有效电位，取其平均值做为启动输出电刺激信号阈值。最佳方案是获取5个所述脚从后抬起向前摆动时步态传感器输出的有效电位，

实施例7：

本实施例是在实施例4的基础上进行的改进，本实施例中与实施例1相同的部分，请参照实施例4中公开的内容进行理解，实施例4公开的内容也应当作为本实施例的内容，此处不作重复描述。

本实施例所述确定一个启动输出电刺激信号阈值的步骤是：有一个压力传感器，压力传感器输出高电位是脚落地状态，压力传感器输出低电位是脚抬起状态；所述压力传感器信号连接至电刺激器微处理器；压力传感器信号由高变低时的步态传感器输出有效电位为启动输出电刺激信号阈值。这个压力传感器可以设置在患者脚下，有患者步行获取阈值，或者有医生手持控制配合患者设置阈值，例如患者佩戴所述电刺激助行装置，开启电刺激助行装置电源并开始步行；当患足足跟落地时，医务人员或专业人员按压压力传感器；当患足足跟抬起起步时，医务人员或专业人员释放压力传感器；微处理器获取压力传感器信号由高变低时的所述电刺激助行装置内传感器输出的电位信号为启动输出电刺激信号阈值。

上述实施例4、5、6、7中，所述有效电位值，是10毫秒内连续获取传感器2至10个电位值的平均值，通常是10毫秒内连续获取步态传感器输出5个电位值的平均值。

实施例8：

本实施例是在实施例4的基础上进行的改进，本实施例中与实施例1相同的部分，请参照实施例4中公开的内容进行理解，实施例4公开的内容也应当作为本实施例的内容，此处不作重复描述。

除了采用实施例6的平均值作为有效之外，本实施例所述有效电位值是电位值变化趋势一致的值直至拐点电位值，拐点电位值是当前的电位值变化趋势与原趋势不同时，当前电位值的取值时间点与原趋势起始时间点的差值低于设定赫兹值的电位值。

例如，设定赫兹值是两赫兹，参见图6，其判别的方法是在信号上升的过程中，凡是上升的电位值都是有效值直至出现拐点值14，此时的拐点值对应的时间t2到上升趋势的起始点时间t0的差值大于0.5秒，小于两赫兹，此时的拐点值为有效值，同时作为了下一个下降趋势的起点；如果在上升的过程中出现后一个电位值15比前一个电位值16低的下降值时，首先判断下降点t1到上升起始点t0的距离时间，如果小于0.5秒说明其变化大于两赫兹，认为此下降变化值无效，继续读取下一个电位值17与电位16比较；以此类推，在信号下降的过程中如果出现后一个电位值比前一个电位值高的上降值信号，首先判断上升点到下降起始点的距离时间，如果小于0.5秒说明其变化大于两赫兹，认为此上升变化值无效。根据实际需要也可以将设定赫兹值取不同值，例如五赫兹。进而实现了一种软件滤波，提高了电刺激助行装置输出控制的可靠性和有效性。

在微处理器上还可以连接了一个滤波选择旋钮，通过滤波选择旋钮可以选择抖动频率在2赫兹至5赫兹的范围或者是选择多少毫秒内连续获取传感器多少个电位值的平均值。 

Claims (6)

1.一种电刺激助行装置输出控制方法，其特征在于，所述输出控制方法基于有一个电刺激助行装置，所述电刺激助行装置包括一个随脚的前后摆动形成高、中、低电位信号变化周期的步态传感器、一个对所述步态传感器信号进行滤波的滤波器电路、一个将滤波电路输出的信号进行模数转换并进行分析处理的微处理器、一个由微处理器控制的脉冲电刺激电路；

所述步态传感器输出的有效电位变化周期是脚从后抬起向前摆动、落下往后摆动、再从后抬起向前摆动的周期；

所述电刺激助行装置输出控制方法的步骤顺序包括：

a.将一个电刺激助行装置绑扎或粘贴固定在腿部的步骤；

b.电刺激助行装置进入助行模式的步骤；

c.确定一个启动输出电刺激信号阈值的步骤；

d.开启和关闭电刺激信号输出的步骤；

e.重复步骤d直至电刺激助行装置退出助行模式的步骤；

所述阈值是脚落下往后摆动、再从后抬起向前摆动的时间内，对开启电刺激信号输出设置的阈值；

所述开启和关闭电刺激信号输出的步骤是：

连续获取步态传感器输出有效电位值，判断脚抬起向前摆动、落下往后摆动、再从后抬起向前摆动的电位变化，在脚落下往后摆动、再从后抬起向前摆动的时间内，当步态传感器输出有效电位到达阈值时开启电刺激信号输出；当脚向前摆动落下准备往后摆动时关闭电刺激信号输出。

2. 根据权利要求1所述的一种电刺激助行装置输出控制方法，其特征在于，所述确定一个启动输出电刺激信号阈值的步骤是：获取电刺激助行装置垂直于水平面时步态传感器输出的电位信号V1、和脚跟抬起准备腿往前摆动时腿与水平面的垂直线形成的角度值D，以及电刺激助行装置沿腿往后摆动的方向倾至与水平面平行时步态传感器输出的电位信号V2，由公式（V1-V2）/90算出腿往后摆动角度变化1度时步态传感器输出电位信号的变化量V3，由公式（V1-（D×V3））计算出的值为启动输出电刺激信号阈值。

3. 根据权利要求1所述的一种电刺激助行装置输出控制方法，其特征在于，所述确定一个启动输出电刺激信号阈值的步骤是：电刺激助行装置进入助行模式后，获取第一个从所述脚从后抬起向前摆动时步态传感器输出的有效电位做为启动输出电刺激信号阈值。

4. 根据权利要求1所述的一种电刺激助行装置输出控制方法，其特征在于，所述确定一个启动输出电刺激信号阈值的步骤是：电刺激助行装置进入助行模式后，获取2至10个从所述脚从后抬起向前摆动时步态传感器输出的有效电位，取其平均值做为启动输出电刺激信号阈值。

5. 根据权利要求1所述一种电刺激助行装置输出控制方法，其特征在于，所述确定一个启动输出电刺激信号阈值的步骤是：

有一个压力传感器，压力传感器输出高电位是脚落地状态，压力传感器输出低电位是脚抬起状态；所述压力传感器信号连接至电刺激器微处理器；压力传感器信号由高变低时的步态传感器输出有效电位为启动输出电刺激信号阈值。

6.根据权利要求1所述的一种电刺激助行装置输出控制方法，其特征在于，所述有效电位值是10毫秒内连续获取步态传感器输出2至10个电位值的平均值。

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