CN103638600A - 智能肌电假肢的多通道电刺激反馈系统 - Google Patents

Abstract

智能肌电假肢的多通道电刺激反馈系统，属于生物机电一体化领域，为解决现有电刺激反馈系统对肌电信号提取的干扰问题。包括交互控制器、多通道电刺激器和降干扰电刺激电极阵列，多通道电刺激器包括电源转换电路、多通道信号发生电路和多通道功率放大电路；交互控制器用于发送刺激信号调节信号给多通道电刺激器；电源转换电路用于将直流输入电压转换成直流输出电压，提供给多通道信号发生电路和多通道功率放大电路作为工作电源；多通道信号发生电路用于根据交互控制器发送的刺激信号调节信号产生多通道电刺激信号，发送给多通道功率放大电路；多通道功率放大电路将接收到的多通道电刺激信号分别进行功率放大之后输出。本发明用于肌电假肢控制中。

Description

智能肌电假肢的多通道电刺激反馈系统

技术领域

本发明涉及一种应用于肌电假肢控制的多通道电刺激反馈系统，属于生物机电一体化领域。

背景技术

肌电假肢是一种利用人体前臂的肌肉电信号(Electromyography，EMG)作为信息源，通过一定的信息解码策略，将人的控制意图转化为运动控制信息的康复装备。这种基于生物信号控制策略的肌电假手，利用了人体神经肌肉电传导的特性并将其输出至外界环境，对于残疾人的神经康复是相当有益的。为了提高使用者对假手的本体感觉和控制的直观性，从而提高控制效果，适当的感觉反馈通道是必须的。

电刺激作为一种常用的镇痛、理疗手段，由于其刺激感觉精细，被广泛应用于感觉替代（Sensory Substitution）中。然而，由于电刺激装置与肌电信号提取装置共享人体皮肤，不可避免地会对肌电信号提取产生干扰，因此长久以来没有得到商业应用。

发明内容

本发明目的是为了解决现有电刺激反馈系统对肌电信号提取的干扰问题，提供了一种智能肌电假肢的多通道电刺激反馈系统。

本发明所述智能肌电假肢的多通道电刺激反馈系统，它包括交互控制器、多通道电刺激器和降干扰电刺激电极阵列，多通道电刺激器包括电源转换电路、多通道信号发生电路和多通道功率放大电路；

交互控制器用于发送刺激信号调节信号给多通道电刺激器；

电源转换电路用于将+5V直流输入电压转换成+1.8V、+20V和-20V的直流输出电压，并提供给多通道信号发生电路和多通道功率放大电路作为工作电源；

多通道信号发生电路用于根据交互控制器发送的刺激信号调节信号产生多通道电刺激信号，并发送给多通道功率放大电路；

多通道功率放大电路用于将接收到的多通道电刺激信号分别进行功率放大之后输出；

降干扰电刺激电极阵列与多通道电刺激器通过屏蔽导线连接。

本发明的优点：本发明目标电刺激反馈系统简单可靠、易用性高，不仅能实现多种假手工作信息的感觉反馈，而且实现了多通道电刺激反馈与肌电信号提取的融合，为整个双向人机交互系统的实现提供了物理基础。

附图说明

图1是本发明所述智能肌电假肢的多通道电刺激反馈系统的电气原理框图；

图2是多通道信号发生电路的电路结构示意图；

图3是每个通道功率放大电路的电路结构示意图；

图4是具体实施方式八采用的降干扰电极阵列的单通道结构示意图；

图5是具体实施方式九采用的降干扰电极阵列的双通道结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述智能肌电假肢的多通道电刺激反馈系统，它包括交互控制器1、多通道电刺激器2和降干扰电刺激电极阵列3，多通道电刺激器2包括电源转换电路2-1、多通道信号发生电路2-2和多通道功率放大电路2-3；

交互控制器1用于发送刺激信号调节信号给多通道电刺激器2；

电源转换电路2-1用于将+5V直流输入电压转换成+1.8V、+20V和-20V的直流输出电压，并提供给多通道信号发生电路2-2和多通道功率放大电路2-3作为工作电源；

多通道信号发生电路2-2用于根据交互控制器1发送的刺激信号调节信号产生多通道电刺激信号，并发送给多通道功率放大电路2-3；

多通道功率放大电路2-3用于将接收到的多通道电刺激信号分别进行功率放大之后输出；

降干扰电刺激电极阵列3与多通道电刺激器2通过屏蔽导线连接。

本实施方式中的降干扰电刺激电极阵列3是用于实现人体与多通道电刺激器2之间的电气连接的，能够有效抑制电刺激噪声对肌电信号提取的干扰。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，多通道信号发生电路2-2产生多通道电刺激信号的原则为：基于直接数字频率合成技术产生多通道幅值、相位和频率均独立可调的正弦波形。

本实施方式中，直接数字频率合成即为DDS：Direct Digital Synthesizer。

具体实施方式三：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述多通道信号发生电路2-2采用四通道高速DDS芯片：AD9959；

每个通道电流源输出均有一个正相输出端口和一个反相输出端口，在任意时刻，正相输出端口与反相输出端口均输出汇电流，且电流之和为定值；其输出端口按顺序依次为：第0通道正相输出端口CH0+，第0通道反相输出端口CH0-，第1通道正相输出端口CH1+，第1通道反相输出端口CH1-，第2通道正相输出端口CH2+，第2通道反相输出端口CH2-，第3通道正相输出端口CH3+，第3通道反相输出端口CH3-；即：任意通道的正相输出端口为CHx+，任意通道的反相输出端口为CHx-，其中，x=0,1,2,3。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述的多通道功率放大电路2-3的每个通道均输出一路相位相反的对称双极性电流源输出：正相输出端OUTx+和反相输出端OUTx-；输出最大电流为10mA，输出最大电压为20V。

具体实施方式五：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式四作进一步说明，所述多通道功率放大电路2-3包括多个功率放大电路；

每个功率放大电路包括电流采样电阻、电压跟随电路、正相压控电流源电路和反相压控电流源电路，正相压控电流源电路和反相压控电流源电路相互对称；

所述电流采样电阻包括第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1与+1.8V供电端口和信号发生电路的正相输出端口CHx+连接，第二电阻R2与+1.8V供电端口和信号发生电路的反相输出端口CHx-连接；

所述电压跟随电路包括第一运算放大器A和第二运算放大器B，其反相输入端均与输出端相连，第一运算放大器A的正相输入端与信号发生电路的正相输出端口CHx+连接，第二运算放大器B的正相输入端与信号发生电路的反相输出端口CHx-连接；

所述正相压控电流源电路包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第三运算放大器C和第四运算放大器D，第三电阻R3一端与第一运算放大器A的输出端连接，另一端与第三运算放大器C的正相输入端相连接；第四电阻R4一端与第二运算放大器B输出端连接，另一端与第三运算放大器C的反相输入端连接；第五电阻R5一端与第三运算放大器C的反向输入端连接，另一端与第三运算放大器C的输出端连接；第六电阻R6一端与第三运算放大器C的输出端连接，另一端与第四运算放大器D的正相输入端连接；第七电阻R7一端与第三运算放大器C的正相输入端连接，另一端与第四运算放大器D的反相输出端连接；第四运算放大器D的反相输入端与输出端相连接，正相输入端与该通道功率放大电路的正相输出端OUTx+连接；

所述反相压控电流源电路包括第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第五运算放大器E和第六运算放大器F，第八电阻R8一端与第二运算放大器B的输出端连接，另一端与第五运算放大器E的正相输入端相连接；第九电阻R9一端与第一运算放大器A输出端连接，另一端与第五运算放大器E的反相输入端连接；第十电阻R10一端与第五运算放大器E的反向输入端连接，另一端与第五运算放大器E的输出端连接；第十一电阻R11一端与第五运算放大器E的输出端连接，另一端与第六运算放大器F的正相输入端连接；第十二电阻R12一端与第五运算放大器E的正相输入端连接，另一端与第六运算放大器F的反相输出端连接；第六运算放大器F的反相输入端与输出端相连接，正相输入端与该通道功率放大电路的反相输出端OUTx-连接。

本实施方式中，电流采样电阻用于将多通道信号发生电路2-2的电流输出转化为电压转出，并保护DDS芯片的输出端口；电压跟随电路用于将DDS芯片的输出端口与正、反相压控电流源电路隔离开，以稳定压控电流源电路的输入电压。

本实施方式中，所述六个运算放大器均采用凌力尔特公司(Linear Technology)的LT1639芯片，其供电电压为+20V和-20V。

具体实施方式六：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式五作进一步说明，所述第一电阻R1与第二电阻R2设定值为50Ω，第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十二电阻R12设定值为20kΩ，第六电阻R6、第十一电阻R11设定值为100Ω。

具体实施方式七：本实施方式对实施方式四作进一步说明，所述降干扰电刺激电极阵列3包括正相电极阵列、反相电极阵列、参考电极和绝缘材料，正相电极阵列与多通道功率放大电路2-3的各正相输出端OUTx+连接，反相电极阵列与多通道功率放大电路2-3的各反相输出端OUTx-连接，参考电极与参考地连接，绝缘材料位于各电极之间；所述正相电极阵列和反相电极阵列的各电极与皮肤的接触面积相等，所述参考电极与皮肤的接触面积不小于正相电极阵列和反相电极阵列的各电极与皮肤的接触面积。

具体实施方式八：下面结合图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式七作进一步说明，所述降干扰电刺激电极阵列3按通道进行组合，每个通道包括一枚正相电极、一枚反相电极和一枚参考电极，正相电极、反相电极和参考电极从内至外呈同心圆排列，依次为金属电极3-1、金属电极3-2和金属电极3-3，各电极固定在绝缘壳3-4上。

本实施方式中，所述的金属电极3-1、金属电极3-2和金属电极3-3的基体均采用不锈钢制成，为了避免电极对皮肤产生腐蚀，在其与皮肤的接触面镀有惰性金属银。所述的绝缘壳3-4采用对人体无毒害作用的聚酰亚胺材料。

具体实施方式九：下面结合图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式八作进一步说明，所述金属电极3-1的直径d1为12mm，金属电极3-2的内径d2为16mm，外径d3为20mm，金属电极3-3的内径d4为24mm，外径d5为30mm。

具体实施方式十：下面结合图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式七作进一步说明，所述降干扰电刺激电极阵列3的正相电极阵列和反相电极阵列呈矩形排列，为金属电极阵列3-5，参考电极为包围金属电极阵列3-5的无纺布电极3-6，金属电极阵列3-5和无纺布电极3-6之间无电接触。

具体实施方式十一：下面结合图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式十作进一步说明，所述每个金属电极阵列3-5的内径d6为10mm，外径d7为18mm，所述无纺布电极3-6的边长d8为52mm。

具体实施方式十二：本实施方式对实施方式八作进一步说明，所述金属电极3-1、金属电极3-2和金属电极3-3的表面涂抹导电胶后与皮肤接触。

本实施方式中，金属电极3-1、金属电极3-2和金属电极3-3的表面涂抹导电胶是为了减少电极阵列与皮肤接触不良导致的灼伤。

具体实施方式十三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述交互控制器1的核心采用DSP芯片，通过SPI总线与多通道电刺激器2进行通信。

具体实施方式十四：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述交互控制器1的核心采用PC机，通过RS232转SPI适配器与多通道电刺激器2连接。

本实施方式中，通过PC机可以实现直接控制点刺激参数。

Claims (9)

1.智能肌电假肢的多通道电刺激反馈系统，其特征在于，它包括交互控制器（1）、多通道电刺激器（2）和降干扰电刺激电极阵列（3），多通道电刺激器（2）包括电源转换电路（2-1）、多通道信号发生电路（2-2）和多通道功率放大电路（2-3）；

交互控制器（1）用于发送刺激信号调节信号给多通道电刺激器（2）；

电源转换电路（2-1）用于将+5V直流输入电压转换成+1.8V、+20V和-20V的直流输出电压，并提供给多通道信号发生电路（2-2）和多通道功率放大电路（2-3）作为工作电源；

多通道信号发生电路（2-2）用于根据交互控制器（1）发送的刺激信号调节信号产生多通道电刺激信号，并发送给多通道功率放大电路（2-3）；

多通道功率放大电路（2-3）用于将接收到的多通道电刺激信号分别进行功率放大之后输出；

降干扰电刺激电极阵列（3）与多通道电刺激器（2）通过屏蔽导线连接。

2.根据权利要求1所述智能肌电假肢的多通道电刺激反馈系统，其特征在于，所述多通道信号发生电路（2-2）采用四通道高速DDS芯片：AD9959；

每个通道电流源输出均有一个正相输出端口和一个反相输出端口，在任意时刻，正相输出端口与反相输出端口均输出汇电流，且电流之和为定值；其输出端口按顺序依次为：第0通道正相输出端口CH0+，第0通道反相输出端口CH0-，第1通道正相输出端口CH1+，第1通道反相输出端口CH1-，第2通道正相输出端口CH2+，第2通道反相输出端口CH2-，第3通道正相输出端口CH3+，第3通道反相输出端口CH3-；即：任意通道的正相输出端口为CHx+，任意通道的反相输出端口为CHx-，其中，x=0,1,2,3。

3.根据权利要求1所述智能肌电假肢的多通道电刺激反馈系统，其特征在于，所述的多通道功率放大电路（2-3）的每个通道均输出一路相位相反的对称双极性电流源输出：正相输出端OUTx+和反相输出端OUTx-；输出最大电流为10mA，输出最大电压为20V。

4.根据权利要求3所述智能肌电假肢的多通道电刺激反馈系统，其特征在于，所述多通道功率放大电路（2-3）包括多个功率放大电路；

每个功率放大电路包括电流采样电阻、电压跟随电路、正相压控电流源电路和反相压控电流源电路，正相压控电流源电路和反相压控电流源电路相互对称；

所述电流采样电阻包括第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1与+1.8V供电端口和信号发生电路的正相输出端口CHx+连接，第二电阻R2与+1.8V供电端口和信号发生电路的反相输出端口CHx-连接；

所述电压跟随电路包括第一运算放大器A和第二运算放大器B，其反相输入端均与输出端相连，第一运算放大器A的正相输入端与信号发生电路的正相输出端口CHx+连接，第二运算放大器B的正相输入端与信号发生电路的反相输出端口CHx-连接；

所述正相压控电流源电路包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第三运算放大器C和第四运算放大器D，第三电阻R3一端与第一运算放大器A的输出端连接，另一端与第三运算放大器C的正相输入端相连接；第四电阻R4一端与第二运算放大器B输出端连接，另一端与第三运算放大器C的反相输入端连接；第五电阻R5一端与第三运算放大器C的反向输入端连接，另一端与第三运算放大器C的输出端连接；第六电阻R6一端与第三运算放大器C的输出端连接，另一端与第四运算放大器D的正相输入端连接；第七电阻R7一端与第三运算放大器C的正相输入端连接，另一端与第四运算放大器D的反相输出端连接；第四运算放大器D的反相输入端与输出端相连接，正相输入端与该通道功率放大电路的正相输出端OUTx+连接；

所述反相压控电流源电路包括第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第五运算放大器E和第六运算放大器F，第八电阻R8一端与第二运算放大器B的输出端连接，另一端与第五运算放大器E的正相输入端相连接；第九电阻R9一端与第一运算放大器A输出端连接，另一端与第五运算放大器E的反相输入端连接；第十电阻R10一端与第五运算放大器E的反向输入端连接，另一端与第五运算放大器E的输出端连接；第十一电阻R11一端与第五运算放大器E的输出端连接，另一端与第六运算放大器F的正相输入端连接；第十二电阻R12一端与第五运算放大器E的正相输入端连接，另一端与第六运算放大器F的反相输出端连接；第六运算放大器F的反相输入端与输出端相连接，正相输入端与该通道功率放大电路的反相输出端OUTx-连接。

5.根据权利要求4所述智能肌电假肢的多通道电刺激反馈系统，其特征在于，所述第一电阻R1与第二电阻R2设定值为50Ω，第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十二电阻R12设定值为20kΩ，第六电阻R6、第十一电阻R11设定值为100Ω。

6.根据权利要求3所述智能肌电假肢的多通道电刺激反馈系统，其特征在于，所述降干扰电刺激电极阵列（3）包括正相电极阵列、反相电极阵列、参考电极和绝缘材料，正相电极阵列与多通道功率放大电路（2-3）的各正相输出端OUTx+连接，反相电极阵列与多通道功率放大电路（2-3）的各反相输出端OUTx-连接，参考电极与参考地连接，绝缘材料位于各电极之间；所述正相电极阵列和反相电极阵列的各电极与皮肤的接触面积相等，所述参考电极与皮肤的接触面积不小于正相电极阵列和反相电极阵列的各电极与皮肤的接触面积。

7.根据权利要求6所述智能肌电假肢的多通道电刺激反馈系统，其特征在于，所述降干扰电刺激电极阵列（3）按通道进行组合，每个通道包括一枚正相电极、一枚反相电极和一枚参考电极，正相电极、反相电极和参考电极从内至外呈同心圆排列，依次为金属电极（3-1）、金属电极（3-2）和金属电极（3-3），各电极固定在绝缘壳（3-4）上。

8.根据权利要求6所述智能肌电假肢的多通道电刺激反馈系统，其特征在于，所述降干扰电刺激电极阵列（3）的正相电极阵列和反相电极阵列呈矩形排列，为金属电极阵列（3-5），参考电极为包围金属电极阵列（3-5）的无纺布电极（3-6），金属电极阵列（3-5）和无纺布电极（3-6）之间无电接触。

9.根据权利要求7所述智能肌电假肢的多通道电刺激反馈系统，其特征在于，所述金属电极（3-1）、金属电极（3-2）和金属电极（3-3）的表面涂抹导电胶后与皮肤接触。

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