CN105233406B - 一种脑卒中功能性电刺激康复系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于协同肌群刺激模式的脑卒中功能性电刺激康复系统。该系统包括：运动信号采集模块、信号传输模块、运动信号分析模块、主控制器、电刺激器五大模块。运动信号采集是实时的，准确的；信号传输采用蓝牙技术，低延时，低功耗，信号接收器通过USB与计算机连接；运动信号分析模块通过USB与主控制器进行通信，主控制器则通过CAN总线与各电刺激器进行通信。本发明可以在病人进行康复训练时，通过检测病人实时运动信号，根据协同肌群控制理论在运动信号分析模块构建相应的电刺激方案，经过主控制器协调进而控制多通道电刺激器刺激病人对应肌肉，以达到辅助病人进行运动功能康复的目的。
Description
技术领域
本发明涉及神经运动康复技术领域，尤其涉及一种脑卒中功能性电刺激康复系统。
背景技术
脑卒中病人的康复治疗一直是康复领域的研究重点。传统上，对于由脑卒中引起的运动障碍的恢复和瘫痪肢体的康复，主要依赖于理疗师一对一的对患者进行被动康复训练。随着社会老龄化程度加深等现状的产生，脑卒中患者的数量不断增加。依赖于数量少且费用高昂的理疗师的传统康复方法已经不能满足中风患者的康复需求。
功能性电刺激(Functional Electrical Stimulation，FES)是一种已经被证实的能够辅助脑卒中病人康复的可靠技术。这种方法通常是利用电刺激模拟正常人的自主运动，从而在一定程度上改善乃至恢复目标肌肉或肌群的运动功能。然而现有的功能性电刺激系统仍存在许多关键性问题尚未解决。人体的肌骨系统是一个非常复杂的多自由度非线性系统，功能性电刺激系统需要以多大的强度和什么样的序列来刺激外周神经才能简单有效地控制如此复杂的人体肌骨系统，是现今功能性电刺激技术发展的瓶颈所在。同时，现有的功能性电刺激系统在辅助康复时，往往需要治疗师对病人发出运动指令，并手动触发电刺激，而这种方式会带来电刺激与病人运动之间的时间偏差。
发明内容
为解决现有功能性电刺激系统中存在的问题，本发明提供了一种基于协同肌群刺激模式的脑卒中功能性电刺激(FES)康复系统，协同肌群(Muscle Synergy)控制理论是运动控制理论领域中的一种非常重要的假说，这种控制模型能够很好地解决人体神经运动控制中的信号冗余问题，同样可以用于处理功能性电刺激运动控制中肌肉冗余的问题。具体技术方案如下：
提供了一种脑卒中功能性电刺激康复系统，该脑卒中功能性电刺激康复系统基于协同肌群刺激模式，包括：运动信号采集模块、信号传输模块、运动信号分析模块、主控制器和电刺激器五个模块；
运动信号采集模块采集运动信号，通过信号传输模块传递到电脑(PC)，经过运动信号分析模块处理构建功能性电刺激方案，运动信号分析模块与主控制器相连，主控制器与多个电刺激器相连。
进一步地，该运动信号采集模块是可穿戴式的，以袖套形式进行固定。
进一步地，该信号传输模块，采用蓝牙技术进行无线传输，信号接收器通过USB连接到电脑(PC)。
进一步地，该运动信号分析模块被设置为分析与处理运动信号，提取和判定电刺激触发信号，构建功能性电刺激方案并向主控制器提供信号。
进一步地，该主控制器通过USB从运动信号分析模块获得信号，通过控制器局域网(CAN)总线连接到各个电刺激器。
进一步地，该电刺激器是可穿戴式的，以袖套形式固定，采用安全无害的吸附式表面电极。
进一步地，功能性电刺激方案基于协同肌群控制理论构建，具有普适性，并根据采集到的运动信号进行触发判定。
进一步地，该运动信号采集模块是多通道的。
进一步地，该电刺激器是多通道的。
进一步地，该运动信号采集模块和电刺激器，集成在同一个可穿戴式的袖套上。
该基于协同肌群刺激模式的脑卒中功能性电刺激康复系统能够解决现有功能性电刺激系统难以控制复杂运动，适应性差，对严重瘫痪患者的康复效果差，电刺激与运动时间不匹配等问题，辅助病人进行运动功能的康复。由于利用了协同肌群控制理论，本发明大大优化了控制系统的自由度，简化了运算过程，提高了刺激模式的普适性。同时，利用检测到的病人运动信号作为电刺激触发信号，使得电刺激施加时间和病人运动时间一致，提高了病人的主动参与度和电刺激的辅助康复效果。与现有的FES刺激模式相比，本发明具有适应性强，运算简便，能控制复杂运动，能灵活调整，适时性强，可穿戴，操作简便等优点。
以下将结合附图对本发明作进一步说明，以充分说明本发明的目的、技术特征和技术效果。
附图说明
图1示出了本发明较优实施例中基于协同肌群刺激模式的脑卒中功能性电刺激康复系统的结构示意图；
图2示出了本发明较优实施例中基于协同肌群刺激模式的脑卒中功能性电刺激康复系统的运行流程示意图；
图3示出了本发明基于协同肌群刺激模式的脑卒中功能性电刺激康复系统涉及的协同肌群控制理论示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。
本发明包括运动信号采集模块、信号传输模块、运动信号分析模块、主控制器、电刺激器五个模块。运动信号采集是实时的，准确的；信号传输采用蓝牙技术，低延时，低功耗，信号接收器通过USB与计算机(PC)连接；运动信号分析模块通过USB与主控制器进行通信，主控制器则通过控制器局域网(CAN)总线与各电刺激器进行通信。本发明可以在病人进行康复训练时，通过检测病人实时运动信号，根据协同肌群控制理论在运动信号分析模块构建相应的电刺激方案，经过主控制器协调进而控制多通道电刺激器刺激病人对应肌肉，以达到辅助病人进行运动功能康复的目的。
在一次康复训练过程中，当医师发出指令后，首先通过运动信号采集模块对病人的运动信号进行采集，而后通过信号传输模块将采集到的信号实时传输到运动信号分析模块，利用软件进行分析处理；
运动信号分析模块通过分析算法对病人的运动状况进行评估，判断病人何时开始运动，并且通过比对算法判断病人将要进行何种运动。当检测到的各项信号达到了设定的触发阈值时，认为病人开始运动，启动电刺激器，同时根据比对算法匹配结果，确认病人将进行的运动类型，根据协同肌群控制理论找到适宜的协同刺激模式，据此设计功能性电刺激刺激方案，并输入到电刺激器的总控制模块中。协同肌群控制理论的示意图如附图3所示，该理论的基本思想是利用一系列对各块肌肉均相同的基本协同模式(synergypatterns)与每个协同模式在不同肌肉上的权重(weights)相乘加从而重新构建出肌电信号(EMG)。每一条协同模式(P1等)都有相对应的一组权重向量(W1等)，这一组权重向量对于每一块肌肉(M1等)都有相应的分量(W11等)，将每一条协同模式与各自权重向量中对应相同肌肉的分量的乘积相叠加，就能重构出这块肌肉的肌电信号。依据协同肌群控制理论的各种刺激模式储存在一个专用的协同刺激模式数据库中，在电刺激训练时，算法将根据比对结果，从数据库中筛选匹配的协同刺激模式；
主控制器根据设定好的功能性电刺激刺激方案，控制各个刺激电极对相应肌肉施加电刺激，辅助病人进行康复运动；
同时运动检测系统将此次运动的各项参数采集并传输到PC中，经过运动信号分析处理后将运动信息保存到训练数据记录数据库中。训练数据记录数据库用于记录每次训练中的各项运动参数、肌电信号以及使用的协同刺激模式等信息，可以为后续治疗与分析提供数据依据。
下面参照附图2对本发明进行进一步说明。
“康复医师”为系统操作人员，“患者”为系统实施对象。“电刺激器”与“运动信号采集模块”两大模块构成系统的硬件部分，“总控制软件”与“运动信号分析模块”构成系统的软件部分，“协同刺激模式数据库”与“训练数据记录数据库”构成系统的数据存储部分，其中，“总控制软件”与数据存储部分的两大数据库一起组成系统的“主控制器”模块。在系统的硬件部分与软件部分之间进行信号传输的是系统的“信号传输模块”，采用蓝牙技术。如图2所示，一次完整的操作流程如下：
(1)康复医师打开总控制软件，启动本系统，同时启动运动采集模块；
(2)康复医师向患者发出运动指令；
(3)运动采集模块采集患者运动信号；
(4)信号传输模块将运动采集模块采集到的信号通过蓝牙技术传输给运动信号分析模块,；
(5)运动信号分析模块通过分析算法对病人的运动状况进行评估。当检测到的各项信号达到了设定的触发阈值时，认为病人开始运动，向主控制器发出“触发电刺激”的信号，同时根据比对算法匹配结果，确认病人将进行的运动类型，并向协同刺激模式数据库发出“选择刺激模式”的请求；
(6)从协同刺激模式数据库中，根据协同肌群控制理论找到适宜的协同刺激模式，并输入到电刺激器的总控制软件中；
(7)总控制软件据此设计功能性电刺激刺激方案，并向电刺激器发出控制信号；
(8)电刺激器对患者实施电刺激，辅助患者完成运动；
(9)运动采集模块此次采集有电刺激辅助的患者运动信号；
(10)信号传输模块将信号传到运动信号分析模块；
(11)经过分析处理的信号储存到训练数据记录数据库中，留待后续分析。
其中，步骤(3)与(9)在实际操作时是连续的，运动采集模块从患者运动开始前就开始采集信号并持续到整个训练过程结束，但是步骤(3)代表对运动开始时的起始运动信号的捕捉，而步骤(9)代表对整个训练过程，患者完整的运动信号的采集。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种脑卒中功能性电刺激康复系统，其特征在于，所述脑卒中功能性电刺激康复系统基于协同肌群刺激模式，包括：运动信号采集模块、信号传输模块、运动信号分析模块、主控制器和电刺激器五个模块；
所述运动信号采集模块采集运动信号，通过所述信号传输模块传递到电脑，经过所述运动信号分析模块处理构建功能性电刺激方案，所述运动信号分析模块与所述主控制器相连，所述主控制器与多个所述电刺激器相连；
所述功能性电刺激方案基于协同肌群控制理论构建，协同肌群控制理论的基本思路是利用一系列对各块肌肉均相同的基本协同模式与每个协同模式在不同肌肉上的权重相乘加从而重新构建出肌电信号，每一条协同模式都有相对应的一组权重向量，这一组权重向量对于每一块肌肉都有相应的分量，将每一条协同模式与各自权重向量中对应相同肌肉的分量的乘积相叠加，就能重构出这块肌肉的肌电信号。
2.根据权利要求1所述的脑卒中功能性电刺激康复系统，其特征在于，所述运动信号采集模块是可穿戴式的，以袖套形式进行固定。
3.根据权利要求1所述的脑卒中功能性电刺激康复系统，其特征在于，所述信号传输模块，采用蓝牙技术进行无线传输，信号接收器通过USB连接到电脑。
4.根据权利要求1所述的脑卒中功能性电刺激康复系统，其特征在于，所述运动信号分析模块被设置为分析与处理运动信号，提取和判定电刺激触发信号，构建功能性电刺激方案并向所述主控制器提供信号。
5.根据权利要求1所述的脑卒中功能性电刺激康复系统，其特征在于，所述主控制器通过USB从所述运动信号分析模块获得信号，通过控制器局域网总线连接到各个所述电刺激器。
6.根据权利要求1所述的脑卒中功能性电刺激康复系统，其特征在于，所述电刺激器是可穿戴式的，以袖套形式固定，采用安全无害的吸附式表面电极。
7.根据权利要求1或4所述的脑卒中功能性电刺激康复系统，其特征在于，所述功能性电刺激方案基于协同肌群控制理论构建，具有普适性，并根据采集到的运动信号进行触发判定。
8.根据权利要求1或2所述的脑卒中功能性电刺激康复系统，其特征在于，所述运动信号采集模块是多通道的。
9.根据权利要求1或6所述的一种脑卒中功能性电刺激康复系统，其特征在于，所述电刺激器是多通道的。
10.根据权利要求1所述的一种脑卒中功能性电刺激康复系统，其特征在于，所述运动信号采集模块和所述电刺激器，集成在同一个可穿戴式的袖套上。
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