CN103751909A - 实时反馈智能型电刺激装置及其刺激方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时反馈智能型电刺激装置及其刺激方法，实时反馈智能型电刺激装置包括人体接触装置等，人体接触装置、肌电采集器、刺激输出器、微处理器都与通道选择开关连接，肌电采集器、刺激输出器还都与微处理器连接，所述人体接触装置是集刺激输出与肌电采集为同一通道的电极装置，通道选择开关用于切换人体接触装置的工作状态是肌电采集器还是刺激输出器，所述肌电采集器采集处理人体肌电信号，所述刺激输出器产生刺激脉冲输出，所述微处理器用于A/D转换肌电采集器的肌电信号和控制刺激输出器的刺激波形。本发明宏观上实现刺激与采集的同时进行，实时、完整地反映患者主观运动意愿和要求，如此来帮助患者完成想要进行的动作。

Description

实时反馈智能型电刺激装置及其刺激方法

技术领域

本发明属于医疗器械领域，特别是涉及一种实时反馈智能型电刺激装置及其刺激方法。

背景技术

神经肌肉电刺激技术发展至今，已经经历了以下三个发展阶段：

第一代电刺激技术：开环电刺激，即电刺激器按照治疗师事先设置好的刺激参数（刺激强度、频率、脉宽等）对患者进行一定时间的刺激。这种刺激方式仅实现了对神经肌肉的单纯治疗效应，对肌肉结构和功能的维持方面具有积极作用。但在治疗过程中，患者只是被动接受治疗，不能实现患者和设备的交互。所以治疗效果仅体现在对神经和运动系统的低级功能上。

第二代电刺激技术：肌电反馈电刺激技术，是普通肌电生物反馈与神经肌肉电刺激疗法的有机结合的产物，又称为肌电信号触发的神经肌肉电刺激或肌电触发电刺激（EMG stim）。它可以检测出脑卒中患者瘫痪肢体残存的微弱肌电信号，当患者努力使其瘫痪肌群自身的肌电信号达到特设阈值时，仪器将自动输出一组电流刺激，促使患肌收缩，强化其想做而又难以完成的动作，并可引起明显的关节运动，此时由于输出电流引起的被动运动将有机地融于患者的主动运动之中。

但是，由于技术上的原因，现有肌电触发电刺激设备均存在一个缺点：当进行电刺激时，设备处于刺激状态，这时，是不进行肌电信号的采集的。只有当一个刺激周期结束后，才能继续下一循环的肌电信号采集。由于刺激和肌电信号的采集不能同时进行，所以所建立的反馈存在一个缺陷。另外，电刺激的发出仅体现了肌电信号的幅度达到阈值，实际的刺激强度无法按照实际患者的肌电信号强度进行调节。所以，此项技术还存在优化改进的潜力。

第三代电刺激技术：就是本发明所要实现的，针对第二代电刺激技术中刺激和肌电信号不能同时采集、刺激强度不能随肌电信号强度调节的缺点来进行改进的。本发明利用两个刺激脉冲之间的短暂时间，快速切换通道选择开关进行肌电采集。从而，在宏观上实现刺激和采集的同时进行，进而实现刺激参数随患者肌电信号的变化而自动做出相应的调节。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种实时反馈智能型电刺激装置及其刺激方法，其宏观上实现刺激与采集的同时进行，实时、完整地反映患者主观运动意愿和要求，如此来帮助患者完成想要进行的动作，让患者随心所欲，使用方便。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种实时反馈智能型电刺激装置，其包括人体接触装置、通道选择开关、肌电采集器、刺激输出器、微处理器，其特征在于，人体接触装置、肌电采集器、刺激输出器、微处理器都与通道选择开关连接，肌电采集器、刺激输出器还都与微处理器连接，所述人体接触装置是集刺激输出与肌电采集为同一通道的电极装置，通道选择开关用于切换人体接触装置的工作状态是肌电采集器还是刺激输出器，所述肌电采集器采集处理人体肌电信号，所述刺激输出器产生刺激脉冲输出，所述微处理器用于A/D转换肌电采集器的肌电信号和控制刺激输出器的刺激波形。

优选地，所述人体接触装置包含有两个以上通道。

优选地，所述人体接触装置的每个通道连接一组电极片，每组电极片包含三个电极片。

优选地，所述肌电采集器包括仪表放大器、陷波器和滤波器，仪表放大器的输出端连接陷波器，陷波器的输出端连接滤波器，所述仪表放大器放大由人体接触装置采集的肌电差分信号，所述陷波器滤除肌电信号中的市电工频干扰，所述滤波器滤波输出传给微处理器进行A/D转换处理。

优选地，所述刺激输出器包括刺激波形选择器、刺激波形放大器和变压器，所述刺激波形放大器与微处理器相连，所述刺激波形选择器选取波形放大器的输出刺激波形方式，所述刺激波形放大器的输出端与变压器相连，使刺激电流进行再次放大后通过通道选择开关切换至刺激输出状态，刺激电流通过人体接触装置输入到人体进行刺激。

优选地，所述刺激波形选择器控制输出波形为正单向波、负单向波或双向波。

优选地，所述通道选择开关的切换响应时间不大于1毫秒，并且截止耐压不小于500伏，导通电阻不大于30欧姆。

优选地，所述肌电采集器对肌电信号进行工频陷波、放大以及10～1000Hz带通滤波处理。

本发明还提供一种实时反馈智能型电刺激装置的刺激方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一，将人体接触装置的电极片与人体接触，通道选择开关选择肌电采集模式，通过肌电采集器的仪表放大器的放大、陷波器的50Hz工频陷波和滤波的10～1000Hz的带通滤波处理，处理后的肌电信号传输给微处理器进行A/D转换，并由微处理器计算一段时间内肌电信号的RMS值，并保存肌电信号强度RMS的最小值与最大值；

步骤二，将通道选择开关切换至刺激输出模式，通过刺激输出器的刺激波形放大器放大由微处理器输出的刺激信号，通过刺激波形选择器控制刺激波形为正向波、负向波或双向波，刺激波形最后通过变压器放大输出到人体接触装置的电极上对人体的肌肉进行刺激，刺激过程中调节刺激电流的强度，并保存人体所能够感受到的最小刺激电流值和能够接受的最大刺激电流值；

步骤三，让系统工作在连续反馈电刺激状态，即通道先切换至肌电采集状态采集一段时间的肌电信号后切换至刺激输出状态，在切换的这段延时时间内通过微处理器快速计算这段时间内肌电的RMS值，再依据肌电信号与刺激输出之间的对应关系，计算得出刺激输出电流值，并在刺激输出状态以此电流值进行刺激，之后再让通道切换至肌电采集状态，如此循环采集、刺激工作状态的切换。

本发明的积极进步效果在于：本发明实现了肌电采集与电刺激输出在宏观上的同步，通过检测目标部位的肌电，并按照肌电的大小给予相应强弱的电刺激，让患者完成相应的肢体运动，对于提高主动肌的随意性和抑制拮抗肌的挛缩性，会获得更佳的康复治疗效果。

附图说明

图1为本发明装置的原理图；

图2为本发明装置的肌电信号与刺激输出关系的示意图；

图3为本发明装置的一个通道选择开关电路图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，本发明提供一种实时智能型电刺激装置，其包括人体接触装置1、通道选择开关2、肌电采集器3、刺激输出器4、微处理器5，人体接触装置1、肌电采集器3、刺激输出器4、微处理器5都与通道选择开关2连接，肌电采集器3、刺激输出器4还都与微处理器5连接，所述人体接触装置1是集刺激输出与肌电采集为同一通道的电极装置，通道选择开关2用于切换人体接触装置1的工作状态是肌电采集器3还是刺激输出器4，所述肌电采集器3采集处理人体肌电信号，所述刺激输出器4产生刺激脉冲输出，所述微处理器5用于A/D转换肌电采集器3的肌电信号和控制刺激输出器4的刺激波形。人体接触装置1包含有两个以上通道。人体接触装置1的每个通道连接一组电极片，每组电极片包含三个电极片。

其中，肌电采集器3包括仪表放大器31、陷波器32和滤波器33，仪表放大器31的输出端连接陷波器32，陷波器32的输出端连接滤波器33，所述仪表放大器31放大由人体接触装置1采集的肌电差分信号，所述陷波器32滤除肌电信号中的市电工频干扰，所述滤波器33滤波输出传给微处理器5进行A/D转换处理。

其中，刺激输出器4包括刺激波形选择器41、刺激波形放大器42和变压器43，所述刺激波形放大器42与微处理器5相连，微处理器5通过计算一定时间内的肌电信号ADC的RMS值，再通过采集与刺激之间的对应关系输出刺激波形，所述刺激波形选择器41选取波形放大器42的输出刺激波形方式，所述刺激波形放大器42的输出端与变压器43相连，使刺激电流进行再次放大后通过通道选择开关2切换至刺激输出状态，刺激电流通过人体接触装置1输入到人体进行刺激。刺激波形选择器41可以控制输出波形为正单向波、负单向波或双向波。

通道选择开关2的切换响应时间不大于1毫秒，并且截止耐压不小于500伏，导通电阻不大于30欧姆。

肌电采集器3对肌电信号进行工频陷波、放大以及10～1000Hz带通滤波处理。

人体接触装置1可以采用一般电刺激设备所用的通用电极片。通道选择开关2可以采用欧姆龙公司的G3VM-601BY-EY芯片。

本发明实时智能型电刺激装置的刺激方法包括以下步骤：

步骤一，将人体接触装置的电极片与人体接触，通道选择开关1选择肌电采集模式，通过肌电采集器3的仪表放大器31的放大、陷波器32的50Hz工频陷波和滤波器33的10～1000Hz的带通滤波处理，处理后的肌电信号传输给微处理器5进行A/D转换，并由微处理器5计算一段时间内肌电信号的RMS（Root Mean Square，均方根）值，并保存肌电信号强度RMS的最小值与最大值。

步骤二，将通道选择开关2切换至刺激输出模式，通过刺激输出器4的刺激波形放大器42放大由微处理器5输出的刺激信号，通过刺激波形选择器41可以控制刺激波形为正向波、负向波或双向波，刺激波形最后通过变压器43放大输出到人体接触装置1的电极上对人体的肌肉进行刺激，刺激过程中调节刺激电流的强度，并保存人体所能够感受到的最小刺激电流值和能够接受的最大刺激电流值。

步骤三，让系统工作在连续反馈电刺激状态，即通道先切换至肌电采集状态采集一段时间的肌电信号后切换至刺激输出状态，在切换的这段延时时间内通过微处理器快速计算这段时间内肌电的RMS值，再依据图2所示的肌电信号与刺激输出之间的对应关系，计算得出刺激输出电流值，并在刺激输出状态以此电流值进行刺激，之后再让通道切换至肌电采集状态，如此循环采集、刺激工作状态的切换，由于切换时间较快，所以在宏观上实现刺激和采集的同时进行，进而实现刺激参数随患者肌电信号的变化而自动做出相应的调节，帮助患者完成想要完成的动作，真正让患者随心所欲。

如图3所示，为本分发明装置的一个通道选择开关的电路图。人体接触装置1有三根电极线，其中一根为地线，另外两根均为信号线。每根信号线都可以工作在两种状态，但在同一时刻的两根信号线必须处于同一种状态。所以每根信号线通过两个光绝缘继电器通过微处理器5控制选通。当微处理器5控制通道选择开关2的第一个和第三个光绝缘继电器工作时，即如图3中的SEMG_A1与SEMG_A2信号被选通，则人体接触装置1工作在肌电采集状态；当微处理器5控制通道选择开关1的第二个和第四个光绝缘继电器工作时，即STIM_A1与STIM_A2信号被选通，则人体接触装置1工作在刺激输出状态。通道选择开关的切换响应时间不大于1毫秒，并且耐压不小于500伏，导通电阻不大于30欧姆。

人体接触装置可以工作在肌电采集与刺激输出两种工作状态，其状态是通过通道选择开关来控制的；肌电采集器实现信号放大滤波处理，刺激输出器实现正向单向波、负向单向波和双向波刺激电流输出；微处理器实现肌电采集信号A/D转换，并根据肌电采集信号与刺激输出电流之间的对应关系输出合适大小的刺激电流进行刺激，如此循环工作。本发明通过微处理器实时采集人体肌电信号并实时计算RMS值反映到输出的刺激电流中，使得电刺激脉冲的波形包络与采集肌电的RMS值曲线趋势一致，即本发明可以实时地、完整地反映患者主观运动的意愿和要求，如此来帮助患者完成想要进行的动作，符合当代FES（Functional Electrical Stimulation，功能性电刺激）康复领域的发展方向。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式和细节上做出各种变化。

Claims (9)

1.一种实时反馈智能型电刺激装置，其包括人体接触装置、通道选择开关、肌电采集器、刺激输出器、微处理器，其特征在于，人体接触装置、肌电采集器、刺激输出器、微处理器都与通道选择开关连接，肌电采集器、刺激输出器还都与微处理器连接，所述人体接触装置是集刺激输出与肌电采集为同一通道的电极装置，通道选择开关用于切换人体接触装置的工作状态是肌电采集器还是刺激输出器，所述肌电采集器采集处理人体肌电信号，所述刺激输出器产生刺激脉冲输出，所述微处理器用于A/D转换肌电采集器的肌电信号和控制刺激输出器的刺激波形。

2.如权利要求1所述的实时反馈智能型电刺激装置，其特征在于，所述人体接触装置包含有两个以上通道。

3.如权利要求2所述的实时反馈智能型电刺激装置，其特征在于，所述人体接触装置的每个通道连接一组电极片，每组电极片包含三个电极片。

4.如权利要求1所述的实时反馈智能型电刺激装置，其特征在于，所述肌电采集器包括仪表放大器、陷波器和滤波器，仪表放大器的输出端连接陷波器，陷波器的输出端连接滤波器，所述仪表放大器放大由人体接触装置采集的肌电差分信号，所述陷波器滤除肌电信号中的市电工频干扰，所述滤波器滤波输出传给微处理器进行A/D转换处理。

5.如权利要求1所述的实时反馈智能型电刺激装置，其特征在于，所述刺激输出器包括刺激波形选择器、刺激波形放大器和变压器，所述刺激波形放大器与微处理器相连，所述刺激波形选择器选取波形放大器的输出刺激波形方式，所述刺激波形放大器的输出端与变压器相连，使刺激电流进行再次放大后通过通道选择开关切换至刺激输出状态，刺激电流通过人体接触装置输入到人体进行刺激。

6.如权利要求5所述的实时反馈智能型电刺激装置，其特征在于，所述刺激波形选择器控制输出波形为正单向波、负单向波或双向波。

7.如权利要求1所述的实时反馈智能型电刺激装置，其特征在于，所述通道选择开关的切换响应时间不大于1毫秒，并且截止耐压不小于500伏，导通电阻不大于30欧姆。

8.如权利要求1所述的实时反馈智能型电刺激装置，其特征在于，所述肌电采集器对肌电信号进行工频陷波、放大以及10～1000Hz带通滤波处理。

9.一种实时反馈智能型电刺激装置的刺激方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一，将人体接触装置的电极片与人体接触，通道选择开关选择肌电采集模式，通过肌电采集器的仪表放大器的放大、陷波器的50Hz工频陷波和滤波的10～1000Hz的带通滤波处理，处理后的肌电信号传输给微处理器进行A/D转换，并由微处理器计算一段时间内肌电信号的RMS值，并保存肌电信号强度RMS的最小值与最大值；

步骤二，将通道选择开关切换至刺激输出模式，通过刺激输出器的刺激波形放大器放大由微处理器输出的刺激信号，通过刺激波形选择器控制刺激波形为正向波、负向波或双向波，刺激波形最后通过变压器放大输出到人体接触装置的电极上对人体的肌肉进行刺激，刺激过程中调节刺激电流的强度，并保存人体所能够感受到的最小刺激电流值和能够接受的最大刺激电流值；

步骤三，让系统工作在连续反馈电刺激状态，即通道先切换至肌电采集状态采集一段时间的肌电信号后切换至刺激输出状态，在切换的这段延时时间内通过微处理器快速计算这段时间内肌电的RMS值，再依据肌电信号与刺激输出之间的对应关系，计算得出刺激输出电流值，并在刺激输出状态以此电流值进行刺激，之后再让通道切换至肌电采集状态，如此循环采集、刺激工作状态的切换。

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