CN105727443A - 一种基于mems传感器的足下垂治疗方法 - Google Patents

一种基于mems传感器的足下垂治疗方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于MEMS传感器的足下垂治疗方法，包括以下步骤：提供设置于使用者腿部的传感器，所述传感器用于采集患者腿部的角速度信号并将所述角速度信号传输至微处理器；所述微处理器对角速度信号进行处理，通过采用基于阈值的角速度步态分段算法识别使用者行走时的摆动相，选取脚跟离地点作为电刺激的开始时相，脚跟着地点作为电刺激的结束时相；根据所述电刺激的开始时相和所述电刺激的结束时相，功能性电刺激模块经电极片对使用者的胫骨前肌进行电刺激。本发明适用于各种步态情况，有效地解决了步态分段方法现有的不足和缺点，并且能够满足实时性要求。

Description

一种基于MEMS传感器的足下垂治疗方法
技术领域
本发明涉及一种基于MEMS传感器的足下垂治疗方法。
背景技术
近年来，脑卒中(脑中风)或外伤引起的足下垂患者数量巨大且逐年增多，因此，社会亟需有效且携带便捷的康复治疗方法。如今，功能性电刺激是应用最为广泛的足下垂康复治疗方法。相比其他康复治疗方法，功能性电刺激可以使患者行走时更加自信、步态更稳健且不易疲劳。步态即为人体走路时的姿态，包含了许多运动信息，步态信息的分段在功能性电刺激中起着非常重要的作用。目前的步态分段方法存在识别率低，实时性差，过于复杂等缺点。对于足下垂患者，通过将步态分析应用到功能性电刺激治疗中，准确识别患者行走时的摆动相，并且在其摆动时进行电刺激，对足下垂患者的康复有着非常显著的治疗效果。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于MEMS传感器的足下垂治疗方法，适用于各种步态情况，有效地解决了步态分段方法现有的不足和缺点，并且能够满足实时性要求。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于MEMS传感器的足下垂治疗方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤S1：提供设置于使用者腿部的传感器，所述传感器用于采集患者腿部的角速度信号并将所述角速度信号传输至微处理器；
步骤S2：所述微处理器对角速度信号进行处理，通过采用基于阈值的角速度步态分段算法识别使用者行走时的摆动相，选取脚跟离地点作为电刺激的开始时相，脚跟着地点作为电刺激的结束时相；
步骤S3：根据所述电刺激的开始时相和所述电刺激的结束时相，功能性电刺激模块经电极片对使用者的胫骨前肌进行电刺激。
进一步的，所述角速度步态分段算法的具体内容如下：
步骤SA1：令N＝0；
步骤SA2：依次读取角速度信号的数据点；
步骤SA3：若N＝0，则执行步骤SA4；否则执行步骤SA6；
步骤SA4：若且及其中为该数据点的角速度，λ1为摆动阶段中点的角速度阈值，则令N＝1，判断该数据点为摆动阶段中点；否则回到步骤SA2；
步骤SA5：若该信号点为最后一个数据点，则程序结束；否则回到步骤SA2；
步骤SA6：若N＝1，则执行步骤SA7；否则执行步骤SA8；
步骤SA7：若且则令N＝2，判断该数据点为脚跟着地点并回到步骤SA5；否则回到步骤SA2；
步骤SA8：若且[t-Δt1,t]内数据点的角速度值连续下降且[t,t+Δt2]内数据点的角速度值也连续下降，其中λ为脚跟离地点对应的角速度值，Δt1为数据点取样前阈值，Δt2为数据点取样后阈值，则令N＝0，判断该数据点为脚跟离地点并回到步骤SA5；否则回到步骤SA2。
进一步的，摆动阶段中点的角速度阈值λ1的取值范围为[35°/s，45°/s]；脚跟离地点对应的角速度值λ的取值范围为[-30°/s，-20°/s]；数据点取样前阈值Δt1的取值范围为[80ms，90ms]；数据点取样后阈值Δt2的取值范围为[110ms，120ms]。
进一步的，所述传感器设置于一条形束缚带上，所述条形束缚带上还设置有一电路板，所述电路板上设置有相互连接的所述微控制器与所述功能性电刺激模块，所述微控制器经第一导线与所述传感器连接，所述功能性电刺激模块经第二导线与一对所述电极片连接。
进一步的，所述条形束缚带上还设置有阵列式透气孔。
进一步的，所述条形束缚带的两端设置有魔术贴。
进一步的，还包括一用于指示微处理器工作状态的指示电路，所述指示电路的指示灯设置于所述电路板上。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明一边进行数据采集，一边进行步态分段，既简单又具有较好的实时性，能够准确对步态周期的各个阶段进行分段，而且在单片机中易于实现，另外，对应的装置体积小携带方便，方便足下垂患者使用。
附图说明
图1是本发明一实施例的装置结构示意图。
图2是本发明一实施例的传感器穿戴示意图。
图3是本发明的整体流程图。
图4是本发明的角速度步态分段算法流程示意图。
图5是本发明一实施例的矢状面角速度与步态各阶段的曲线图。
图中：1-条形束缚带；2-电路板；3-微处理器；4-第一导线；5-传感器；6-电极片；7-魔术贴；8-阵列式透气孔；9-指示灯；10-功能性电刺激模块；11-第二导线。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本实施例提供一种用于基于MEMS传感器的足下垂治疗方法的装置，包括一条形束缚带1，所述条形束缚带1上设置有一电路板2，所述电路板2上设置有相互连接的微处理器3及功能性电刺激模块10，所述微处理器3经第一导线4与一传感器5连接，于本实施例中，微处理器3具有I2C串口，第一导线4为I2C总线，所述功能性电刺激模块10经第二导线11与一对电极片6连接；所述传感器为MPU6050传感器，MPU6050传感器内部已集成低通滤波器，在进行电路设计时不必再经过信号调整电路对信号进行预处理。MPU6050传感器解决了以往组合陀螺仪和加速度计组合使用时容易产生轴间差的问题，MPU6050传感器可透过最高至400kHz的I2C端口以单一数据流的形式，向应用端输出完整的运动处理资料库，可处理运动感复杂数据，降低了运动处理运算量数据传输模块。
在使用过程中，将条形束缚带1绑在使用者的小腿上，由于胫骨前肌为比较适宜刺激点，因此将电极片6贴在使用者的胫骨前肌处，如图2所示，坐标系原点为传感器5所在的位置；XYZ轴为加速度方向，陀螺仪的方向为XYZ绕这三个轴的旋转，旋转角度是有方向的，满足左手定则，穿戴时，使XZ平面为人体矢状面，Z轴正方向为行走的方向。
于本实施例中，所述条形束缚带1上还设置有阵列式透气孔8，可使穿戴时，腿部的运动更灵活，同时能防止使用者在夏天穿戴时感到闷热。
于本实施例中，所述条形束缚带1的两端设置有魔术贴7，使穿戴更为牢固。
于本实施例中，所述微处理器3为51单片机处理器，还包括一用于指示所述微处理器3工作状态的指示电路，所述指示电路的指示灯9设置于所述电路板上，外露于条形束缚带1的表面以便观察。
于本实施例中，所述功能性电刺激模块10包括按键模块、数字电位器模块、boost升压电路模块、双极性输出电路、电压采集模块及保护模块；其中，按键模块包括系统的总关机和开机键，电刺激强度“+”、“-”键，特别的，电路板外表面设置有安装盒，安装盒开设有通孔用于按键模块中的各个按键露出；具体的，双极性输出电路与所述电极片6通过第二导线11连接。
装置的工作原理如下：开启开机键后，系统进行初始化，通过对设置于使用者腿部的传感器5采集到的角速度信号进行处理，当检测到脚跟离地时，微处理器3发出开始电刺激输出的控制信号，控制双极性输出电路输出对称双极性脉冲(输出波形相同、相位相差180度)；当检测到脚跟着地时，微处理器3发出停止电刺激输出的控制信号，输出对称的双向脉冲波。需要强调的是，为了让使用者更方便调节而不受传统治疗仪有多个可调电刺激参数的困扰，本发明仅对电刺激的强度设置了调节范围，其他电刺激参数都在标准范围内设置，共设置了8个等级的电刺激强度。
请参照图3，基于MEMS传感器的足下垂治疗方法包括以下步骤：
步骤S1：提供设置于使用者腿部的传感器，所述传感器用于采集患者腿部的角速度信号并将所述角速度信号实时传输至微处理器，保持微处理器与传感器数据的实时同步；
步骤S2：所述微处理器对角速度信号进行处理，通过采用基于阈值的角速度步态分段算法识别使用者行走时的摆动相，摆动相包括脚跟离地点、摆动阶段中点及脚跟着地点；选取脚跟离地点作为电刺激的开始时相，脚跟着地点作为电刺激的结束时相；
步骤S3：根据所述电刺激的开始时相和所述电刺激的结束时相，功能性电刺激模块经电极片对使用者的胫骨前肌进行电刺激，即在脚跟离地时通过电极片对小腿胫骨前肌进行电刺激，在脚跟着地时停止该电刺激。
特别的，请继续参照图3，在微处理器未接收到传感器传输的数据时，需要检查传感器的各个按键，在接收到按键信号的情况下，进一步的判断是否为关机按键，若没有接收到按键信号，需要重新接收数据；另外，在采集数据之前需要对硬件及I2C进行初始化。
一个完整的步态周期可以分为：站立阶段、脚跟离地、脚尖离地、摆动阶段和脚跟着地阶段。脚尖离地(ToeOff,TO)是摆动阶段的起点，脚跟着地(HeelStrike，HS)是站立阶段的标志。功能性电刺激通过在行走步态的摆动阶段刺激胫骨前肌从而治疗足下垂，因此从理论上来说，需要在TO时刻开始电刺激，在HS时刻停止电刺激，因此需要研究步态分段算法，实时确定TO时刻和HS时刻。而电刺激的起始时刻的准确性尤为重要，因为如果足下垂患者脚尖已经离地，而此时如果胫骨前肌无力的话，会导致患者重心不稳而跌倒。电刺激的结束时刻的准确性相比较而言可以放松些，因为即使脚跟着地后，电刺激仍然存在，患者只是感觉上有一点不舒服，不至于发生危险。
而相关实验研究表明，肌肉在外部电刺激作用下从零肌肉力输出到最大肌肉力输出需要一定时间，根据个体差异大约50-150ms时间，其中包括电信号在肌肉传输延迟和肌肉本身的反应时间。因此需要寻找脚尖离地时刻的前50-150ms的时刻作为电刺激的起点，考虑到算法本身需要的时延为120-150ms，因此，选择脚跟离地点作为电刺激开始的时相，把脚跟着地点作为电刺激结束的时相。
图5所示的一个步态周期中小腿上矢状面角速度，可以发现脚跟着地对应的角速度为一个最小值，摆动阶段(MidSwing，MS)中点具有很明显的特征，该时刻角速度达到最大值，有助于判断脚跟着地时刻。为简化步态周期分段过程，本发明只对脚跟离地点、摆动阶段中点、脚跟着地点三个特殊点进行识别。
具体的，请参照图4，所述角速度步态分段算法的具体内容如下：
步骤SA1：令N＝0；
步骤SA2：依次读取角速度信号的数据点；
步骤SA3：若N＝0，则执行步骤SA4；否则执行步骤SA6；
步骤SA4：若且及其中为该数据点的角速度，为该数据点在曲线中对应的导数，λ1为摆动阶段中点的角速度阈值，则令N＝1，判断该数据点为摆动阶段中点；否则回到步骤SA2；
步骤SA5：若该信号点为最后一个数据点，则程序结束；否则回到步骤SA2；
步骤SA6：若N＝1，则执行步骤SA7；否则执行步骤SA8；
步骤SA7：若且则令N＝2，判断该数据点为脚跟着地点并回到步骤SA5；否则回到步骤SA2；
步骤SA8：若且[t-Δt1,t]内数据点的角速度值连续下降且[t,t+Δt2]内数据点的角速度值也连续下降，其中λ为脚跟离地点对应的角速度值，Δt1为数据点取样前阈值，Δt2为数据点取样后阈值，则令N＝0，判断该数据点为脚跟离地点并回到步骤SA5；否则回到步骤SA2。
特别的，角速度阈值λ1为通过大量步态信号采集实验得到的步态分段的最佳阈值，而脚跟离地点对应的角速度λ为通过多次实验中脚跟离地点对应角速度统计得到的平均值。
通过大量实验数据结果及文献得出：
λ1的取值范围是：35°/s≤λ1≤45°/s
λ的取值范围是：-30°/s≤λ≤-20°/s
时间间隔Δt1的取值范围是：80ms≤Δt1≤90ms
时间间隔Δt2的取值范围是：110ms≤Δt2≤120ms
于本实施例中，最后通过大量实验验证，该算法的阈值取λ1＝40°/s、λ＝-30°/s、Δt1＝80ms和Δt2＝120ms时具有最好的识别效果；在其它实施例中，根据使用者腿部摆动幅度及采样密度的不同，阈值可取不同的值，如对于腿部摆动幅度较大的使用者：λ1＝45°/s，λ＝-30°/s；对于腿部摆动幅度较小的使用者：λ1＝35°/s，λ＝-20°/s。而对于数据点采样密度较大的实施例：Δt1＝80ms，Δt2＝110ms；对于数据点采样密度较小的实施例：Δt1＝90ms，Δt2＝120ms。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种基于MEMS传感器的足下垂治疗方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤S1：提供设置于使用者腿部的传感器，所述传感器用于采集患者腿部的角速度信号并将所述角速度信号传输至微处理器；
步骤S2：所述微处理器对角速度信号进行处理，通过采用基于阈值的角速度步态分段算法识别使用者行走时的摆动相，选取脚跟离地点作为电刺激的开始时相，脚跟着地点作为电刺激的结束时相；
步骤S3：根据所述电刺激的开始时相和所述电刺激的结束时相，功能性电刺激模块经电极片对使用者的胫骨前肌进行电刺激。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS传感器的足下垂治疗方法，其特征在于：所述角速度步态分段算法的具体内容如下：
步骤SA1：令N＝0；
步骤SA2：依次读取角速度信号的数据点；
步骤SA3：若N＝0，则执行步骤SA4；否则执行步骤SA6；
步骤SA4：若且及其中为该数据点的角速度，λ1为摆动阶段中点的角速度阈值，则令N＝1，判断该数据点为摆动阶段中点；否则回到步骤SA2；
步骤SA5：若该信号点为最后一个数据点，则程序结束；否则回到步骤SA2；
步骤SA6：若N＝1，则执行步骤SA7；否则执行步骤SA8；
步骤SA7：若且则令N＝2，判断该数据点为脚跟着地点并回到步骤SA5；否则回到步骤SA2；
步骤SA8：若且[t-Δt1,t]内数据点的角速度值连续下降且[t,t+Δt2]内数据点的角速度值也连续下降，其中λ为脚跟离地点对应的角速度值，Δt1为数据点取样前阈值，Δt2为数据点取样后阈值，则令N＝0，判断该数据点为脚跟离地点并回到步骤SA5；否则回到步骤SA2。
3.根据权利要求2所述的基于MEMS传感器的足下垂治疗方法，其特征在于：摆动阶段中点的角速度阈值λ1的取值范围为[35°/s，45°/s]；脚跟离地点对应的角速度值λ的取值范围为[-30°/s，-20°/s]；数据点取样前阈值Δt1的取值范围为[80ms，90ms]；数据点取样后阈值Δt2的取值范围为[110ms，120ms]。
4.根据权利要求1所述的基于MEMS传感器的足下垂治疗方法，其特征在于：所述传感器设置于一条形束缚带上，所述条形束缚带上还设置有一电路板，所述电路板上设置有相互连接的所述微控制器与所述功能性电刺激模块，所述微控制器经第一导线与所述传感器连接，所述功能性电刺激模块经第二导线与一对所述电极片连接。
5.根据权利要求3所述的基于MEMS传感器的足下垂治疗方法，其特征在于：所述条形束缚带上还设置有阵列式透气孔。
6.根据权利要求3所述的基于MEMS传感器的足下垂治疗方法，其特征在于：所述条形束缚带的两端设置有魔术贴。
7.根据权利要求3所述的基于MEMS传感器的足下垂治疗方法，其特征在于：还包括一用于指示微处理器工作状态的指示电路，所述指示电路的指示灯设置于所述电路板上。
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