CN104288909A - 多感互动多模控制功能性电刺激系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了将功能性电刺激技术、运动辅具、物联网技术、多感互动游戏及人体生命体征参数有机结合的多感互动多模控制功能性电刺激系统。本系统由功能性电刺激、生命体征参数采集、运动辅具信息采集、信息融合、基于物联网技术的多感互动游戏竞技等模块组成。生命体征反馈控制功能性电刺激器对运动功能重建更自然、更符合人体运动，视觉、听觉的实时反馈能够有效地促使运动功能重建，提高康复训练的效率。基于物联网的游戏互动式沉浸环境可为训练者提供运动过程和运动效果的视觉、听觉等多感觉实时反馈信息，可跨地域、跨时间进行训练效果竞赛，更大程度地激发和维护训练者动机和毅力，继而得到更好的康复效果。

Description

多感互动多模控制功能性电刺激系统

技术领域

本发明涉及一种康复装置，尤其涉及一种功能性电刺激（Functional Electrical Stimulation, FES）、运动辅具、物联网技术、多感互动游戏及人体生命体征参数有机结合康复装置。

背景技术

根据第六次全国人口普查及第二次全国残疾人抽样调查我国残疾人占全国总人口的比例和各类残疾人占残疾人总人数的比例，推算2010年末我国残疾人总人数为 8502万人，占全国人口总数的6..35%，其中运动障碍者2472万人。这些残障人士不仅自身生活水平大大下降，甚至降低寿命，而且给家庭和社会带来的巨大的危害。同时调查数据分析报告预测，残疾人士规模即将进入快速增长期，残疾率将会持续上升。所以如何改善残疾人士的自主生活水平，是亟待解决的问题。

功能性电刺激（Functional Electrical Stimulation, FES）是通过电流脉冲序列来刺激肢体运动肌群及其外周神经，有效地恢复或重建截瘫患者的部分运动功能的技术。其本质就是利用功能性电刺激系统刺激肌肉，诱发细胞发生生理变化，致使细胞膜对离子的选通性发生变化，即细胞膜对钠离子、钾离子和氯离子的通透性发生变化，导致细胞内外离子浓度发生变化，致使细胞膜电位发生突变，形成动作电位，诱发神经细胞产生动作电位，引起骨骼肌细胞的兴奋，进而引起骨骼肌收缩，继而产生运动效应，同时通过扩张血管，促进肌体的局部血液循环，加强神经冲动，促进神经再生。

20世纪60年代，Liberson首次成功地利用电刺激腓神经矫正了偏瘫患者足下垂的步态，开创了功能性电刺激用于运动和感觉功能康复治疗的新途径。目前，FES已经成为了恢复或重建残障人士的部分运动功能的重要康复治疗手段。

功能性电刺激经过近四十年的发展，已由使用者通过操作相应按钮来控制刺激器而发展到利用肌电、心电、脑电、语音等反馈控制功能性电刺激。目前，已有专门的机构组织残障人士在功能性电刺激帮组下参加体育竞技，虽然在控制的精度和主动性有所改善，在应用功能性电刺激也得到互动娱乐，但是在运动缺乏参考的示范和对运动状态的实时评估。多感互动多模式控制功能性电刺激系统将功能性电刺激、运动辅具、物联网、多感觉互动游戏、生命体征参数运动评价有机结合，即可实时反馈控制功能性电刺激，又能将训练效果通过游戏以视觉、听觉多感觉方式反馈至训练者，指导训练过程，提高训练的效果。同时亦将训练打破地域性、时间性限制，自由组合训练竞技，能够激发和维持训练者训练动机。本发明有利于建立康复训练过程的适时训练指导、动态评价和功能重建过程效果的实时反馈系统。

发明内容

本发明的主旨是针对目前康复产业的现状及不足，将功能性电刺激技术、运动辅具、物联网技术、多感互动游戏及人体生命体征参数有机结合，以至于形成运动过程和运动效果的多模态反馈信息融合，建立一种多感互动多模控制功能性电刺激系统。

本发明主要是通过以下技术方案来实现的：一种多感互动多模控制功能性电刺激系统，主要由功能性电刺激模块、运动辅具、生命体征参数采集模块、运动辅具信息采集模块、信息融合模块、基于物联网技术的多感互动游戏竞技模块组成；其中，利用将生命体征参数信息与运动辅具参数信息有机结合，继而控制基于物联网技术的多感互动游戏竞技模块。生命体征参数主要包括血氧信息、心电信息、肌电信息、脑电信息、脉搏信息、体温及肢体运动（如关节角度）等，运动辅具数主要包括所消耗功率，运动速率等，信息融合模块将无线接收生命体征参数及运动辅具参数进行融合形成信息融合特征值，基于物联网技术的多感互动游戏竞技模块，跟据生命体征参数信息及运动辅具参数信息的融合特征值控制和操作游戏进行竞技。

功能性电刺激模块主要包括微处理器、通讯模块、刺激模块、电源模块等。电源模块为整个功能性电刺激供电，通讯模块包括无线通讯模块和键盘输入模块，刺激模块主要由恒流源电路、选择单元等。其中微处理器控制通讯模块以及刺激模块。

生命体征参数采集系统主要是由采集模块，放大电路、滤波电路、数模转换电路及微处理器，及无线传输模块等组成，可对对血氧、心电、肌电、脑电、体温等信号进行采集和对肢体运动等信息捕做，然后经过放大滤波等处理，数模转化经微处理器处理后利用无线传输模块传输信息融合模块进行分析处理，继而控制基于物联网技术的多感互动游戏竞技模块，结合运动辅具参数对训练效果进行评估，同时肌电、心电信号、肢体运动等信息融合后传输至功能性电刺激，反馈控制功能性电刺激的相关参数。

运动辅具信息参数采集系统主要是由传感器、放大滤波电路，数模转换电路及微处理器，无线传输模块等组成。其工作原理主要是利用传感器采集运动辅具的做功功率，运动速率等参数，这些参数能够实时反馈训练者对运动辅具的操作状况及训练者的训练状态。

信息融合模块主要由无线接收系统、信息融合算法模块及融合特征值输出模块组成，其主要作用是根据生命体征参数及运动辅具信息参数进行整合继而形成融合特征值，经融合特征值输出模块传输至基于物联网技术的多感互动游戏竞技模块。同时，模块无线发送肌电、心电，肢体运动信息等特征值与运动辅具，反馈控制功能性电刺激相关参数。

基于物联网技术的多感互动游戏竞技模块主要是通讯模块，游戏控制模块、游戏方式设置模块、显示模块、声音模块等组成。其主要功能是根据通讯模块接收到生命体征参数及运动辅具信息参数的融合特征值控制相应的游戏竞技，并通过显示模块和声音模块实时反馈竞技的情况，继而反应训练者的训练状况。其中，游戏竞技可为单机游戏也可为网络游戏，即可同时间参与者竞技，也可通过单独闯关与既往的训练记录对比，此模块通过物联网技术将使不同地域、不同时间的训练者参与训练对比。

本专利主要工作步骤如下：

Step1：利用采集模块分别采集采集人体生命体征参数与运动辅具参数信息，并将信息利用无线方式传输至信息融合模块；

Step2：信息融合模块无线接收体生命体征参数与运动辅具参数，并将信息融合形成融合特征值；

Step3：信息融合模块融合肌电、心电、肢体运动等信息，经过信息融合模块输出模块无线传输至功能性电刺激控制系统，继而实现对功能性电刺激的控制；

Step4：基于物联网技术的多感互动游戏竞技模块根据设定的游戏方式及融合特征值实时控制游戏，并通过视觉和听觉等方式实时反馈训练者；

Step5：根据游戏竞技的情况指导训练者进行有效的康复训练，并根据游戏竞技状况有效评价训练者的训练状态。

本发明其特征在于：多感互动多模控制功能性电刺激系统，将功能性电刺激技术、运动辅具、物联网技术、多感互动游戏及人体生命体征参数有机结合，以至于形成运动过程和运动效果的多模态反馈信息融合，建立多感互动多模控制功能性电刺激系统。此系统即可实现训练过程的有效地实时地调节，又可激发和维护训练的动机，继而更好地达到康复训练的目的。

附图说明

图1 为多感互动多模控制功能性电刺激系统原理框图。

图2 为功能性电刺激原理框图。

图3 为生命体征参数采集系统的原理框图。

图4 为运动辅具信息采集系统的原理框图。

图5 为信息融合模块原理框图。

图6 为基于物联网技术的多感互动游戏竞技模块原理框图。 

具体实施方式

功能性电刺激是通过电流脉冲序列来刺激肢体运动肌群及其外周神经，有效地恢复或重建部分运动功能的主要技术之一，其本质是功能性电刺激系统刺激肌肉，诱发细胞发生生理变化，致使细胞膜对离子的选通性发生变化，即细胞膜对钠离子、钾离子和氯离子的通透性发生变化，导致细胞内外离子浓度发生变化，致使细胞膜电位发生突变，形成动作电位，诱发神经细胞产生动作电位，引起骨骼肌细胞的兴奋，进而引起骨骼肌收缩，继而产生运动效应，同时通过扩张血管，促进肌体的局部血液循环，加强神经冲动，促进神经再生，继而达到康复效果。本发明提供的一种多感互动多模控制功能性电刺激系统，是将功能性电刺激技术、运动辅具、物联网技术、多感互动游戏及人体生命体征参数有机结合，以至于形成运动过程和运动效果的多模态反馈信息融合，建立一种多感互动多模控制功能性电刺激系统。可适用于相应部位障碍及健康人士的康复训练。

如图1所示，一种多感互动多模控制功能性电刺激系统，主要由功能性电刺激模块、运动辅具、生命体征参数采集模块、运动辅具信息采集模块、信息融合模块、基于物联网技术的多感互动游戏竞技模块组成；训练者使用功能性电刺激及其辅具进行训练时，利用分别生命体征参数采集系统和运动辅具信息采集系统采集生命体征参数和运动辅具信息，并经过信息融合模块进行分析处理形成融合特征值，存储数据库，同时将融合特征值传输至基于物联网技术的多感互动游戏竞技模块，控制游戏，并通过视觉、听觉实时反馈与训练者，继而对训练过程给予指导和评价。其中生命体征参数经数据处理融合后提取特征值，实时控制功能性电刺激的刺激模式。同时利用立体显示器或者三维立体显示设备将游戏训练场景展示与训练者，同时将训练中的人体信息及训练器信息实时反馈训练者。

如图2所示，功能性电刺激,主要包括电源模块、微处理器、刺激模块、通讯模块等组成。电源模块为微处理器，刺激模块、通讯模块提供电源，通讯模块主要作用是为功能性电刺激提供输入输出，同时通讯模块亦可接收融合特征值，并将其传输至微处理器 ，继而实时控制刺激模块调整刺激波形、刺激频率、刺激电流幅度。其中，刺激模式及刺激波形可通过微处理进行特殊算法及软件编程方法实现，同样，通过通信模块接收到反馈控制特征值也是通过微处理进一步调整刺激参数，使功能性电刺激能够更好地适应训练者，改善和提高训练者的身体素质。

如图3所示，生命体征参数采集模块主要包括采集模块，放大电路、滤波电路、数模转换电路及微处理器，及无线传输模块等。首先利用采集模块采集人体包括血氧、心电、肌电、脑电、体温及等人体生命体征参数和捕做肢体运动信息，经过放大电路、滤波电路对采集信号进行简单处理，再利用数模转换电路进行数字化转换，经微处理器压缩处理后利用无线传输模块传输信息融合模块，针对人体特征参数进行进一步分析处理并提取特征值。

如图4所示，运动辅具信息采集系统主要包括由传感器、放大滤波电路，数模转换电路及微处理器，无线传输模块等。在训练者使用运动辅具时，利用传感器采集运动辅具消耗功率、运动速率等参数，经过放大电路、滤波电路等处理电路对传感器采集到的信号进行实时处理，再经过数模转换电路进行数字化，之后经过处理器处理后，控制无线传输模块将信息传输至信息融合模块，进一步对运动辅具训练过程中的参数进行分析。

如图5所示，信息融合模块主要包括由无线接收系统、信息融合算法模块及融合特征值输出模块等。信息融合模块中无线接收系统接收到生命体征参数及运动辅具参数后，传输至信息融合算法模块，对接收的信息进行滤波、去噪等处理后，再次分析及特征值提取形成融合特征值，然后再利用将融合特征值存储至数据库，并实时传输到多感互动游戏竞技模块，继而控制游戏及训练场景的反馈。信息融合模块对心电、肌电、肢体运动信息等分析处理提取特征值，并将特征值实时发送至功能性电刺激，实现反馈调整功能性电刺激相关参数。

如图6所示，基于物联网技术的多感互动游戏竞技模块，主要包括是通讯模块，游戏控制模块、游戏方式设置模块、显示模块、声音模块等。通讯模块主要将信息融合模块或者利用Internet传输其他地域或者数据库中存储既往的融合特征值信息传输至游戏控制模块即游戏方式设置模块，然后将游戏控制模块和游戏方式设置模块形成三维场景或者游戏竞技场景传输至显示模块和听觉模块。游戏控制模块和游戏方式设置模块根据融合特征值形成游戏控制命令控制游戏竞技形成场景控制信息，并利用此控制信息控制场景或者游戏竞技，并通过显示模块和听觉模块。可实现三维的信息反馈及运动效果的评价。

本专利主要工作步骤如下：

Step1：利用采集模块分别采集采集人体生命体征参数与运动辅具参数信息，并将信息利用无线方式传输至信息融合模块；

Step2：信息融合模块无线接收体生命体征参数与运动辅具器参数，并将信息融合形成融合特征值；

Step3：信息融合模块融合肌电、心电、肢体运动等信息，经过信息融合模块输出模块无线传输至功能性电刺激微处理器，继而实现对功能性电刺激刺激模块的控制；

Step4：基于物联网技术的多感互动游戏竞技模块根据设定的游戏方式及融合特征值实时控制游戏，并通过视觉和听觉等方式实时反馈训练者；

Step5：根据游戏竞技的情况指导训练者进行有效的康复训练，并根据游戏竞技状况有效评价训练者的训练状态。

多感互动多模控制功能性电刺激系统，将功能性电刺激技术、运动辅具、物联网技术、多感互动游戏及人体生命体征参数有机结合，以至于形成运动过程和运动效果的多模态反馈信息融合，建立多感互动多模控制功能性电刺激系统。需要说明的是，以上仅为参考优选实例来具体示出和描述其发明的原理及创新点。本领域的科技人员应该理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换及其进行形式和细节上的各种修改，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。最佳实施方案拟采用专利转让、技术合作或产品开发。 

Claims (6)

1.一种多感互动多模控制功能性电刺激系统，是将功能性电刺激，运动辅具，生命体征参数、物联网技术及人体生命体征参数有机结合，多模态实时反馈和评价运动过程和运动效果新技术，主要由功能性电刺激器、生命体征参数采集模块、运动辅具信息采集模块、信息融合模块、基于物联网技术的多感互动游戏竞技模块组成；其中，利用将生命体征参数信息与运动辅具参数信息有机结合，继而控制基于物联网技术的多感互动游戏竞技模块，实时反馈训练过程和训练的效果，其中心电、肌电、肢体运动等参数进行分析提取特征值后实时反馈控制功能性电刺激器。

2.根据权利要求1所述的一种多感互动多模控制功能性电刺激系统，其中，生命体征参数采集系统主要是有采集模块，放大电路、滤波电路、数模转换电路及微处理器及无线传输模块等组成，对血氧、心电、肌电、脑电、体温及肢体运动信号进行采集和捕做，然后经过放大滤波等处理，数模转化经微处理器处理后利用无线传输模块传输基于物联网技术的多感互动游戏竞技模块，结合运动辅具参数对训练效果进行评估。

3.根据权利要求1所述的一种多感互动多模控制功能性电刺激系统，其中，功能性电刺激器主要是有电源模块、微处理器、通讯模块、刺激模块等组成；电源模块为微处理器、通讯模块及刺激模块提高电动力，通讯模块主要是设置刺激器参数及无线接收信息融合模块传输的融合特征值，并传输至微处理器继而控制刺激模块；微处理器根据反馈信息实时控制功能性电刺激仪的刺激参数。

4.根据权利要求1所述的一种多感互动多模态控制功能性电刺激系统，其中，运动辅具信息参数采集系统主要是由运动辅具、采集传感器、放大滤波电路，数模转换电路及微处理器，无线传输模块等组成；其工作原理主要是利用传感器采集运动辅具消耗功率，运动速率等参数，并对这些参数进行处理。

5.根据权利要求1所述的一种多感互动多模态控制功能性电刺激系统，其中，信息融合模块主要包括无线信息接收，信息融合算法模块及融合特征值输出模块组成，其中信息融合算法主要由两个作用：对心电、肌电、脑电等生命体征参数进行分析及处理，并提取特征值传输至功能电刺激器控制其刺激参数。

6.根据权利要求1所述的一种多感互动多模态控制功能性电刺激系统，其中，基于物联网技术的多感互动游戏竞技模块主要是通讯模块，游戏控制模块、游戏方式设定模块、显示模块、声音模块等组成；在训练过程中，通过游戏竞技以视觉、听觉多感反馈刺激效果，促使训练者实时调整刺激模式和参数；游戏竞技亦能激发和维持训练者训练动机。