CN105640677B - 一种用于假肢手感知反馈的电刺激感知反馈系统 - Google Patents

Abstract

一种用于假肢手感知反馈的电刺激感知反馈系统，其基于截肢残端皮肤的诱发指感区域设计，包括压力传感器模块、数字信号处理模块和电刺激模块；压力传感器模块采集假肢手的压力信号，并将压力信号传递至数字信号处理模块，数字信号处理模块对压力信号进行处理并输出控制信号至电刺激模块，电刺激模块根据控制信号进行实时电刺激，电刺激模块包括电刺激器和电极，电极被设置于截肢残端皮肤的诱发指感区域。该系统能够实现人工假肢手指的触觉反馈并且能够以电刺激反馈的方式刺激截肢者相应部位的诱发指感区域产生实时的触觉反馈。

Description

一种用于假肢手感知反馈的电刺激感知反馈系统

技术领域

本发明涉及医疗康复器械技术领域，尤其涉及一种用于假肢手感知反馈的电刺激感知反馈系统。

背景技术

由截肢导致的感知功能的缺失使得截肢者在生活中无法完成许多正常行为，使得他们的生活质量严重下降。市场上销售的各种义肢产品，大部分为装饰性功能的义肢，对截肢者行为上的辅助非常有限。近年来市场上出现了一些功能简单的智能义肢，其主要是通过采集简单的肌电信号协助截肢者完成不复杂的抓取、移动等动作，但对日常生活中大量精细化的动作则无能为力。在人工假肢研究中，反馈功能的加入不仅可以缩小假肢与正常肢体的差异，还可以提升截肢者对假肢的接受程度。由于大部分的人体运动控制是基于触觉反馈，因此对于假肢的研发，加入闭环控制的触觉感受模块是提升假肢功能性与实用性的简洁高效的做法。

而现阶段所研制使用的各类假肢中，临床使用的大多数人工假肢都是传统的躯体驱动式假肢，这类假肢没有加入闭环感知功能，其反馈通常是通过假肢本身与佩戴者身体接触部位力觉反馈、视觉反馈以及其他辅助反馈等实现截肢者对假肢的综合控制。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的发明人致力于设计并建立人体假肢手的压力反馈通道，并与电刺激器相结合，搭建并实现基于压力反馈的电刺激感知反馈系统。该系统用以实现人工假肢手指的触觉反馈并且能够以电刺激反馈的方式刺激截肢者相应部位的诱发指感区域产生实时的触觉反馈。

本发明提供了一种用于假肢手感知反馈的电刺激感知反馈系统，其技术方案如下：

一种用于假肢手感知反馈的电刺激感知反馈系统，基于截肢残端皮肤的诱发指感区域设计。幻肢感觉(Phantom limb sensation,PLS)是截肢者常常感受到的，对已经离体的肢体的感觉，据报道约80％至100％的外伤性截肢者有过幻肢感觉(H.Flor,T.Elbert,W.Mühlnickel等人,“Cortical reorganization and phantom phenomena in congenitaland traumatic upper-extremity amputees,”Experimental Brain Research,1998,119(2):205-212)。发明人基于幻指感知现象(Phenomenon of phantom finger perception,PFP)经研究发现，对截肢者肘关节以下的特定区域进行电刺激，截肢者可以感受到相应已离体手指受到的电刺激，并且能够以类似于正常人的方式对不同强度的刺激电流产生不同等级的感觉。发明人将这种特定的区域称为“诱发指感区域”，并利用电刺激诱发的幻指感知建立从假肢手到截肢者的直接的感知反馈。

上述电刺激感知反馈系统包括压力传感器模块、数字信号处理模块和电刺激模块；压力传感器模块采集假肢手的压力信号，并将压力信号传递至数字信号处理模块，数字信号处理模块对压力信号进行处理并输出控制信号至电刺激模块，电刺激模块根据控制信号进行实时电刺激，电刺激模块包括电刺激器和电极，电极被设置于截肢残端皮肤的诱发指感区域。上述电刺激器是由发明人自行设计的可编程电刺激器(具体技术方案记载于申请号为CN201110107796.7的发明专利中)，在本发明中，该可编程电刺激器受到压力传感器信号的驱动而向截肢者的诱发指感区域输出不同感觉模式的刺激。

进一步地，上述电极为贴片电极。

更进一步地，每个电刺激器与两个贴片电极相连接。

进一步地，上述电刺激器的电刺激输出通道多至8个。

进一步地，上述电刺激感知反馈系统支持16通道及16通道以上的压力传感器信号采集。

进一步地，上述电刺激感知反馈系统还包括SPI串口连接线，压力传感器模块与数字信号处理模块通过SPI串口连接线进行连接。

进一步地，上述电刺激感知反馈系统还包括RS232串口连接线，数字信号处理模块与电刺激器通过RS232串口连接线进行连接。

进一步地，上述数字信号处理模块包括存储器，存储器用于存储由压力传感器模块传递的压力信号。

进一步地，上述电刺激感知反馈系统实时输出的电刺激与电刺激感知反馈系统输入的压力信号呈线性相关。

进一步地，上述电刺激感知反馈系统的反馈时间不超过100毫秒。

本发明提供的电刺激感知反馈系统可以通过压力信号传感器将获得的压力信号进行实时的电刺激反馈输出，使得截肢者所佩戴的假肢能够提供实时反馈功能；通过在诱发指感区域进行编码反馈，使得佩戴假肢的截肢者能够获得真实的触觉反馈，提高假肢的功能性和实用性。

从上述技术方案可以看出，本发明是一种用于假肢手感知反馈的电刺激感知反馈系统，其以数字信号处理器为系统核心分别与压力信号传感器和可编程电刺激器相连，通过皮肤表面粘贴贴片电极的方式将电刺激器与截肢者诱发指感区域相连，通过实时采集反馈的方式为截肢者提供真实的触觉反馈。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为在截肢者截肢残端皮肤上标记出的诱发指感区域；

图2为本发明较佳实施例中的基于截肢残端皮肤的诱发指感区域设计的用于假肢手感知反馈的电刺激感知反馈系统的结构示意图；

图3为本发明较佳实施例中的基于截肢残端皮肤的诱发指感区域设计的用于假肢手感知反馈的电刺激感知反馈系统的应用示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明的一种基于截肢患者诱发指感区域设计的用于假肢手感知反馈的电刺激感知反馈系统做进一步的描述。

该电刺激感知反馈系统由三部分构成，分别为：压力传感器模块、数字信号处理模块和电刺激模块。其中传感器模块及其前端采集部分实现压力信号的采集工作；数字信号处理模块则实现信号的分析编码、转换工作，根据现有编码方案对下位机电刺激器的输出模式进行编码，生成控制电刺激器输出特定刺激模式的控制信号；电刺激模块的多通道可编程电刺激器根据控制信号完成实时电刺激。

首先，确定截肢残端皮肤的诱发指感区域。试验方案为：

1、向受试者解释试验目的，并签署知情同意书；

2、让受试者以舒服的姿势坐在椅子上，将残肢置于指定位置，然后用酒精棉片对目标皮肤区域进行清洁；

3、以调查问卷的方式进行主观数据收集；

4、使用柔软的毛刷接触截肢者残肢的端部至肘关节间的腹侧区域(此区域的幻指感知强于背侧区域)；

5、用记号笔标记出对应于特定手指的、能产生幻指感知的区域，如图1所示，标记的I、II、III、IV和V分别代表能产生拇指、食指、中指、无名指和小指的单指幻指感知现象的区域，II/III则代表能产生食指和中指的混合幻指感知现象的区域，其余标记以此类推。每个截肢者的个体差异会导致其诱发指感区域的不同。

在确定截肢者的诱发指感区域以后，将电刺激器输出的贴片电极以粘贴的方式固定于该诱发指感区域。

图2示出了本发明的电刺激感知反馈系统的结构示意图，该系统的实际应用图如图3所示。图2中示出了压力传感器模块、数字信号处理模块、电刺激器、贴片电极、SPI连接线、RS232连接线等。压力传感器模块中的多路复用器(或多路选择器)保证了压力传感器模块可以支持多于16路通道的可扩展性，模数转换器部分代表AD，即将模拟信号转换为数字信号的采集芯片，原始压力信号值为模拟电压信号，经过多路复用器后，特定通道的压力信号被选取采集，经由模数转换器(AD)采集得到压力值大小的数字信号。该系统通过SPI连接线把压力信号传感器与数字信号处理器相连，数字信号处理器与电刺激器以RS232连接线相连，电刺激器输出的贴片电极以粘贴的方式固定于截肢者的诱发指感区域，即该电刺激感知反馈系统刺激输出位置为截肢患者的诱发指感区域。电刺激感知反馈系统使用数字信号处理器对压力信号进行处理，数字信号处理器中有存储压力传感器通过SPI连接线传输过来的压力信号的存储器，数字信号处理器通过RS232连接线控制电刺激器进行多至8个通道的电刺激输出。该系统反馈时间不超过100ms，电刺激器在系统运作时通过贴片电极提供实时电刺激发放输出。使用时，将所述系统的电刺激器对应的贴片电极分别贴在相应的截肢者的诱发指感区域，然后，数字信号处理器通过SPI通信方式将压力信号传感器所采集到的压力信号采集接收并分析处理，当生成电刺激器相应的刺激模式后以RS232串口通信方式将电刺激器控制指令传送到可编程电刺激器，最后电刺激器在数字信号处理器的命令控制下通过贴片电极对截肢者相应的诱发指感区域进行实时反馈刺激，以实现假肢的反馈功能。

从上述实施例可以看出，本发明是一种基于截肢患者诱发指感区域设计的用于假肢手感知反馈的电刺激感知反馈系统，其通过SPI连接线把压力传感器与数字信号处理器相连，通过RS232连接线将可编程电刺激器与数字信号处理器相连。其中系统支持16及以上通道压力传感器信号输入，支持8通道电刺激电流输出，并且支持至多100ms延时的实时反馈输出。该系统为假肢的实时反馈提供了一种解决方案并提高了假肢的功能性，其在截肢者的诱发指感区域的刺激输出提高了假肢反馈的真实性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员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 (4)

1.一种用于假肢手感知反馈的电刺激感知反馈系统，其特征在于，所述电刺激感知反馈系统基于截肢残端皮肤的诱发指感区域设计，包括压力传感器模块、数字信号处理模块和电刺激模块；所述压力传感器模块采集假肢手的压力信号，并将所述压力信号传递至所述数字信号处理模块，所述数字信号处理模块对所述压力信号进行处理并输出控制信号至所述电刺激模块，所述电刺激模块根据所述控制信号进行实时电刺激，所述电刺激模块包括电刺激器和电极，所述电极被设置于截肢残端皮肤的诱发指感区域；所述诱发指感区域指产生拇指、食指、中指、无名指和小指的单指诱指感现象的区域，以及能产生混合诱指感现象的区域；所述电极为贴片电极；每个所述电刺激器与两个所述贴片电极相连接；所述电刺激器的电刺激输出通道多至8个；所述电刺激感知反馈系统支持16通道及16通道以上的压力传感器信号采集；

确定截肢残端皮肤的诱发指感区域：以调查问卷的方式进行数据收集；使用柔软的毛刷接触截肢者残肢的端部至肘关节间的腹侧区域；标记出对应于特定手指的、能产生幻指感知的区域；

使用时，将所述电刺激器对应的所述贴片电极分别贴在相应的截肢者的诱发指感区域，然后，所述数字信号处理模块通过SPI通信方式将所述压力传感器模块所采集到的压力信号采集接收并分析处理，当生成所述电刺激器相应的刺激模式后以RS232串口通信方式将电刺激器控制指令传送到可编程的所述电刺激器，最后所述电刺激器在所述数字信号处理模块的命令控制下通过所述贴片电极对截肢者相应的诱发指感区域进行实时反馈刺激，以实现假肢的反馈功能。

2.根据权利要求1所述的电刺激感知反馈系统，其特征在于，所述数字信号处理模块包括存储器，所述存储器用于存储由所述压力传感器模块传递的所述压力信号。

3.根据权利要求1所述的电刺激感知反馈系统，其特征在于，所述电刺激感知反馈系统实时输出的电刺激与所述电刺激感知反馈系统输入的所述压力信号呈线性相关。

4.根据权利要求1所述的电刺激感知反馈系统，其特征在于，所述电刺激感知反馈系统的反馈时间不超过100毫秒。