CN105310679B - 具有神经/肌电动作电位信号记录与编程重播功能的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有神经/肌电动作电位信号记录与编程重播功能的装置，包括神经/肌电动作电位信号输入接口电路、信号存储记录模块、用户操作编程重播模块以及编程重播信号输出接口电路。神经/肌电动作电位信号输入接口电路用于接收从健康肢体检测得到的源动作电位信号，并将源动作电位信号存储在信号存储记录模块。用户操作编程重播模块能够根据用户设定，从信号存储记录模块读取源动作电位信号，并对源动作电位信号进行编程重播处理后，经编程重播信号输出接口电路输出动作电位目标信号。编程重播处理包括对所述源动作电位信号进行调用、剪辑、时域压缩或时域扩展的处理。实现了神经/肌电动作电位信号记录与编程重播的功能。
Description
技术领域
本发明属于传统医学、康复医学和电子科学的交叉领域，特别是一种具有神经/肌电动作电位信号记录与编程重播功能的装置。
背景技术
根据2006年12月1日第二次全国残疾人抽样调查领导小组和国家统计局发布的公告，我国有8296万残疾人，其中肢残人有2412万人，占残疾人总数的29.07％，占我国当时13亿人口的约1.85％。因此，肢残已经成为我国人口中的重大残障疾病之一。在肢残病人中，包括500多万因中风导致的偏瘫患者和200多万因脊髓损伤导致的截瘫或四肢瘫患者。瘫痪病人肢体动作功能的丧失给他们自身及家庭乃至社会带来巨大的痛苦和负担。所以研究瘫痪肢体动作功能的重建具有重要的科学意义和社会价值。
近年以来，通过研究与设计关于神经信号再生和功能重建的“微电子神经桥”，形成了通过桥接中断的神经通道来实现肢体神经功能再生的目标。在ZL 200510135541.6的发明专利中，提出了“微电子系统辅助神经信道功能恢复方法及其装置”，用于受损脊髓神经的信道桥接、信号再生和功能重建。近年来通过进一步研究与设计，将ZL200510135541.6专利思想扩展为神经到肌肉与肌肉到肌肉的应用场景，形成了“微电子肌电桥”的瘫痪肢体运动功能重建方法与装置。在专利号为201210342507.6的专利中，公开了一种“基于肌电信号通信机理的瘫痪肢体功能重建方法及其装置”，该装置利用体表探测电极采集健康肢体的体表肌电信号，通过放大、信号处理以及通信传输，最后将其施加到贴附于瘫痪肢体的体表刺激电极，实现瘫痪肢体在健康肢体带动下的协调运动，从而实现瘫痪肢体功能重建的现场效果和目的。
目前，这两种发明所涉及的装置都没有包含神经和肌电动作电位信号记录与编程重播的功能。即上述两个装置都是实时采集探测肢体相关部位的神经或肌电信号，通过相关的信号处理工作和桥接通道，将信号直接施加到刺激部位的神经或者肌肉上。如果上述装置使用对象是没有健侧肢体的四肢瘫痪患者，那么将无法实现实时采集探测相应部位的神经或肌电信号，上述装置就不能有效完成瘫痪肢体功能重建任务。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种具有神经/肌电动作电位信号记录与编程重播功能的装置，能够对采集的神经/肌电动作电位信号进行记录和编程重播处理。
技术方案：具有神经/肌电动作电位信号记录与编程重播功能的装置，包括神经/肌电动作电位信号输入接口电路、信号存储记录模块、编程重播模块以及编程重播信号输出接口电路；
所述神经/肌电动作电位信号输入接口电路用于接收从健康肢体检测得到的源动作电位信号，并将所述源动作电位信号存储在所述信号存储记录模块；
所述编程重播模块能够根据用户设定，从所述信号存储记录模块读取源动作电位信号，并对源动作电位信号进行编程重播处理后，经所述编程重播信号输出接口电路输出动作电位目标信号；所述编程重播处理包括对所述源动作电位信号进行调用、剪辑、时域压缩或时域扩展的处理。
进一步的，所述编程重播模块包括依次连接的用户操作接口、控制电路以及信号处理模块；所述用户操作接口用于提供用户进行操作指令和参数的输入；所述控制电路用于根据所述操作指令和参数来控制所述信号处理模块对源动作电位信号进行所述编程重播处理；
所述信号处理模块包括识别操作指令和参数子模块以及播放并保存文件子模块，还包括分别连接所述识别操作指令和参数子模块的输出端以及所述播放并保存文件子模块的输入端的调用存储文件子模块、剪辑文件子模块、时域压缩文件子模块、时域扩展文件子模块；其中，所述识别操作指令和参数子模块用于接收所述控制电路发出的操作指令和参数，并进行识别处理；所述调用存储文件子模块用于直接调用所述源动作电位信号后发送至所述播放并保存文件子模块；所述剪辑文件子模块用于调用并对所述源动作电位信号进行剪辑处理后发送至所述播放并保存文件子模块；所述时域压缩文件子模块用于调用并对所述源动作电位信号进行时域下参数N倍压缩后发送至所述播放并保存文件子模块；所述时域扩展文件子模块用于调用并对所述源动作电位信号进行时域下参数M倍扩展后发送至所述播放并保存文件子模块；所述播放并保存文件子模块用于保存并将接收到的信号发送至所述编程重播信号输出接口电路。
进一步的，所述神经/肌电动作电位信号输入接口电路包括多路通道选择器，用于对输入的多路源动作电位信号进行选通。
进一步的，所述编程重播信号输出接口电路包括多路模拟开关，用于对所述用户操作编程重播模块处理后的动作电位信号选择一路或多路进行输出。
有益效果：1、本发明在现有技术“微电子神经桥”(发明专利号：ZL200510135541.6)和“微电子肌电桥”(申请专利号：201210342507.6)的基础上，增加了神经/肌电动作电位信号记录与编程重播的功能，包括神经/肌电动作电位信号记录和记录信号的编程重播两个部分。相比于上述两个装置都是实时采集探测部位神经或肌电信号，通过相关的信号处理工作和桥接通道，将信号直接施加到刺激部位的神经或者肌肉上，即只能工作在有健康侧肢体现场带动情况下。而本发明适用对象可以是没有健康侧肢体四肢瘫痪患者或在不需要健康肢体现场带动情况下，仍可以使瘫痪肢体完成重复特定功能运动的目的。
2、本发明由于通过预先采集并存储健康侧肢体动作的神经/肌电信号，然后映射成相应的刺激信号，该刺激信号反映了实际动作中的空间关系、时间关系以及强弱关系。而目前大多数功能电刺激采用人工编码脉冲序列，只靠简单的脉冲组合刺激产生的动作和正常人肢体动作的自由度与和谐度相去较远，本发明中使用记录重播的刺激信号在实现肢体动作的自由度和和谐度方面相比人工编码脉冲刺激信号有很大的提高。
附图说明
图1为本发明装置的结构框图；
图2为本发明编程重播模块结构框图；
图3为本发明信号处理模块结构框图；
图4为本发明信号存储记录模块的一种实现方式结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种具有神经/肌电动作电位信号记录与编程重播功能的装置，包括神经/肌电动作电位信号输入接口电路1、信号存储记录模块2、编程重播模块3以及编程重播信号输出接口电路4。其中，神经/肌电动作电位信号输入接口电路1用于接收从健康肢体检测得到的源动作电位信号，并将该源动作电位信号存储在信号存储记录模块2；其中，源动作电位信号可以是通过探测电极检测到的神经电动作电位信号或肌电动作电位信号。本实施例中，神经/肌电动作电位信号输入接口电路1包括多路通道选择器，用于对输入的多路源动作电位信号进行选通。编程重播模块3能够根据用户设定，从信号存储记录模块2读取源动作电位信号，并对源动作电位信号进行编程重播处理后，经编程重播信号输出接口电路4输出动作电位目标信号。其中，对源动作电位信号的编程重播处理包括对源动作电位信号进行调用、剪辑、时域压缩或时域扩展的处理，得到动作电位信号。编程重播信号输出接口电路4包括多路模拟开关，用于选择输出一路或多路经用户操作编程重播模块3处理后得到的动作电位信号。
如图2所示，编程重播模块3包括依次连接的用户操作接口31、控制电路32以及信号处理模块33。用户操作接口31用于提供用户进行操作指令和参数的输入，可以由按键、液晶屏或触摸屏构成。控制电路32用于根据操作指令和参数来控制信号处理模块33对源动作电位信号进行编程重播处理。如图3所示，信号处理模块33包括识别操作指令和参数子模块332以及播放并保存文件子模块337，还包括分别连接识别操作指令和参数子模块332的输出端以及播放并保存文件子模块337的输入端的调用存储文件子模块333、剪辑文件子模块334、时域压缩文件子模块335、时域扩展文件子模块336。其中，识别操作指令和参数子模块332用于接收控制电路32发出的操作指令和参数信号，并进行识别处理。调用存储文件子模块333用于直接调用源动作电位信号后发送至播放并保存文件子模块337。剪辑文件子模块334用于调用并对源动作电位信号进行剪辑处理后发送至播放并保存文件子模块337。时域压缩文件子模块335用于调用并对源动作电位信号进行时域下参数N倍压缩后发送至播放并保存文件子模块337。时域扩展文件子模块336用于调用并对源动作电位信号进行时域下参数M倍扩展后发送至播放并保存文件子模块337。播放并保存文件子模块337用于保存并将接收到的信号发送至编程重播信号输出接口电路4。本实施例中，信号处理模块33的功能为基于微处理器完成，可以选择使用基于ARM-Cortex M3内核处理器STM32F103ZET6。
本实施例中，信号存储记录模块2如图4所示，包括微处理器和带有文件系统的存储卡。微处理器选取ST半导体公司的型号为STM32F103ZET6但不限于该型号，存储卡选取金士顿公司1GB SD卡但不限于SD卡，存储卡文件系统为FATFS但不限于FATFS。电阻R1、R2、R3、R4和R5分别作为SD卡数据引脚的上拉电阻，负责为其提供上拉电流，保持引脚的电压稳定，防止其易受干扰。
本发明装置可用于匹配“微电子神经桥”(发明专利号：ZL 200510135541.6)或“微电子肌电桥”(申请专利号：201210342507.6)的使用。神经/肌电动作电位信号输入接口电路1的信号输入端作为本装置的信号输入端11，用于连接“微电子神经桥”的下行(或上行)神经信号放大器输出端或“微电子肌电桥”的信号处理电路输出端。编程重播信号输出接口电路4的输出端作为本装置的信号输出端41，用于连接“微电子神经桥”中的下行(或上行)激励器输入端或“微电子肌电桥”的激励生成电路输入端。
在瘫痪患者没有健康侧肢体时或在不需要健康肢体带动情况下使瘫痪肢体完成特定的重复运动时，医护人员可以先通过“微电子神经桥”或“微电子肌电桥”的探测电极(或探测电极阵列)探测到健康肢体的神经信号或肌电信号，该信号作为源动作电位信号经过信号放大、滤波、识别、提取以及A/D转换之后，将源动作电位信号以文件的形式通过本装置的神经/肌电动作电位信号输入接口电路1输入，并实时存储到信号存储记录模块2的文件系统中，完成神经/肌电动作电位信号记录功能。在进行特定的重复运动时，医护人员可以将通过对操作编程重播模块3中用户操作接口31的设定，读取存储在信号存储记录模块2中的源动作电位信号后，经过信号处理模块33对源动作电位信号进行剪辑或时域压缩或时域扩展处理后，将新生成的动作电位目标信号通过编程重播信号输出接口电路4按一定频率发送至“微电子神经桥”中的下行(或上行)激励器输入端或“微电子肌电桥”的激励生成电路输入端，一路或多路动作电位目标信号通过刺激电极(或刺激电极阵列)到达刺激部位的神经和肌肉，从而达到瘫痪肢体在不需要健康肢体现场带动情况下仍可以重复特定功能运动的目的。
其中，根据瘫痪肢体需要重复完成的动作，对源动作电位信号进行剪辑、时域压缩或扩展处理。当瘫痪肢体需完成与记录的源动作电位信号所对应的健康肢体动作相同动作时，医护人员首先通过对用户操作接口31选择“调用”功能，并输入重复动作次数的参数；然后控制电路32将“调用”操作指令和参数输入信号处理模块33，通过对操作指令及参数识别后，调用存储文件子模块333直接调用存储的源动作电位信号并发送至播放并保存文件子模块337，从而使得瘫痪肢体完成与健康肢体同样的动作。当瘫痪肢体需要重复完成的动作是源动作电位信号所对应的健康肢体动作中的部分动作时，相应的，首先通过用户操作接口31选择“剪辑”功能，剪辑文件子模块334对读取的源动作电位信号进行剪辑处理，根据重复动作的需要剪辑获得动作电位目标信号。当瘫痪肢体需要重复完成的动作是与源动作电位信号所对应的健康肢体动作相同，但动作速度减慢时，首先通过用户操作接口31选择“时域压缩”功能并输入下参数N倍压缩参数，时域压缩文件子模块335对读取的源动作电位信号进行时域压缩处理后，瘫痪肢体根据处理后的动作电位目标信号进行减慢后的动作训练。当瘫痪肢体需要重复完成的动作是与源动作电位信号所对应的健康肢体动作相同，但动作速度加快时，首先通过用户操作接口31选择“时域扩展”功能并输入上参数M倍扩展参数，时域扩展文件子模块336对读取的源动作电位信号进行时域扩展处理后，瘫痪肢体根据处理后的动作电位目标信号进行加速后的动作训练。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.具有神经/肌电动作电位信号记录与编程重播功能的装置，其特征在于：包括神经/肌电动作电位信号输入接口电路（1）、信号存储记录模块（2）、编程重播模块（3）以及编程重播信号输出接口电路（4）；
所述神经/肌电动作电位信号输入接口电路（1）用于接收从健康肢体检测得到的源动作电位信号，并将所述源动作电位信号存储在所述信号存储记录模块（2）；
所述编程重播模块（3）能够根据用户设定，从所述信号存储记录模块（2）读取源动作电位信号，并对源动作电位信号进行编程重播处理后，经所述编程重播信号输出接口电路（4）输出动作电位目标信号；所述编程重播处理包括对所述源动作电位信号进行调用、剪辑、时域压缩或时域扩展的处理；
所述神经/肌电动作电位信号输入接口电路（1）包括多路通道选择器，用于对输入的多路源动作电位信号进行选通；所述编程重播信号输出接口电路（4）包括多路模拟开关，用于对所述用户操作编程重播模块（3）处理后的动作电位信号选择一路或多路进行输出；
所述编程重播模块（3）包括依次连接的用户操作接口（31）、控制电路（32）以及信号处理模块（33）；所述用户操作接口（31）用于提供用户进行操作指令和参数的输入；所述控制电路（32）用于根据所述操作指令和参数来控制所述信号处理模块（33）对源动作电位信号进行所述编程重播处理；
所述信号处理模块（33）包括识别操作指令和参数子模块（332）以及播放并保存文件子模块（337），还包括分别连接所述识别操作指令和参数子模块（332）的输出端以及所述播放并保存文件子模块（337）的输入端的调用存储文件子模块（333）、剪辑文件子模块（334）、时域压缩文件子模块（335）、时域扩展文件子模块（336）；其中，所述识别操作指令和参数子模块（332）用于接收所述控制电路（32）发出的操作指令和参数，并进行识别处理；所述调用存储文件子模块（333）用于直接调用所述源动作电位信号后发送至所述播放并保存文件子模块（337）；所述剪辑文件子模块（334）用于调用并对所述源动作电位信号进行剪辑处理后发送至所述播放并保存文件子模块（337）；所述时域压缩文件子模块（335）用于调用并对所述源动作电位信号进行时域下参数N倍压缩后发送至所述播放并保存文件子模块（337）；所述时域扩展文件子模块（336）用于调用并对所述源动作电位信号进行时域下参数M倍扩展后发送至所述播放并保存文件子模块（337）；所述播放并保存文件子模块（337）用于保存并将接收到的信号发送至所述编程重播信号输出接口电路（4）。
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