CN106474623A

CN106474623A - 仿生多通道神经肌肉电刺激方法及电刺激系统

Info

Publication number: CN106474623A
Application number: CN201610931523.7A
Authority: CN
Inventors: 何晓阔; 徐钧
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-10-31
Filing date: 2016-10-31
Publication date: 2017-03-08

Abstract

本发明公开了一种仿生多通道神经肌肉电刺激方法及电刺激系统，其中所述电刺激系统包括肌电信号采集模块、微处理器模块、存储模块、多路脉冲发生模块、多路电极。该方法包括采集正常肢体运动时的肌电信号和姿态数据，进行存储和处理，并控制多路脉冲发生装置产生不同频率和幅度的脉冲，通过多路电极刺激患者肢体。本发明以正常肢体信号作为原始数据，输出频率幅值均可调的脉冲，控制电极作用于非正常肢体，使得非正常肢体极大程度等同正常肢体运动，提高了治疗效果。

Description

仿生多通道神经肌肉电刺激方法及电刺激系统

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体地指一种仿生多通道神经肌肉电刺激方法及电刺激系统。

技术背景

目前，针对偏瘫，多使用电刺激的方式进行康复治疗，其中多通道电刺激训练在业内使用广泛。当脑损伤、周围神经损伤后，神经系统不能控制骨骼肌，导致肌肉无力、肢体不能运动。常用的外加电流刺激神经、肌肉诱发肌肉产生动作，为完成功能性的活动一般使用的是一定频率的电刺激，在开始工作前，固定刺激的频率35～50Hz，调整刺激强度，直到可以产生关节的运动。但这种方式存在几个缺点：

1、不符合生理状态下的神经、肌肉工作模式，因为一个神经冲动产生次肌肉的收缩，为了保证肢体运动的协调性，神经冲动的频率在整个关节运动过程中并不是保持不变的，正常情况下人体通过改变传出神经的输出频率控制肌肉收缩的幅度。

2、关节在的运动过程中，因为需要克服一定的重力，在整个运动轨迹范围内，运动的力矩在发生改变，如果需要保持固定的扭矩，则肌肉收缩的幅度是动态调整的。现有的电刺激设备，在开始工作前给予一个固定频率的电刺激，然后调整刺激器的电流强度，产生一个能让关节运动同时患者能够耐受的刺激电流，这样在患者使用前，固定了频率和刺激电流的幅度，但因为没有考虑关节运动过程中力矩的改变，不能动态调整刺激频率、刺激强度，产生的关节运动的速度和幅度在整个运动过程中固定不变，不利于患者在变化的环境中使用上述设备。

3、正常情况下，任何一个关节的运动至少包括3组肌群的协调运动，主动肌、协同肌、拮抗肌，现有的电刺激设备没有充分考虑这个问题，仅仅使用多个通道产生一系列的关节运动的组合，产生一个肢体的动作。

4、关节在运动过程中不停的向中枢神经系统传递运动的轨迹、力量等信息，但固定的刺激频率、刺激强度，产生的是一种刻板的运动，导致传入脑的信息不能与其他感官得到的信息整合，不利于康复。

发明内容

本发明就是针对现有技术的不足，提供一种使得电刺激后患者运动更平滑和协调、更符合正常肢体运动方式的仿生多通道神经肌肉电刺激方法及电刺激系统。

为了实现上述目的，本发明所设计的仿生多通道神经肌肉电刺激方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

S1在同一时刻采集同一人正常肢体的肌电信号，并进行预处理，得到若干组多肌群肌电信号数据U1；

S2将步骤S1中的数据进行存储和处理，得到若干组信号参数值；

S3将信号参数值进行多通道电刺激参数配比，得到相应组的多通道电刺激参数配比；

S4利用多路电极根据多通道电刺激参数配比对患者患侧肢体进行电刺激。

进一步地，为了监测患者恢复程度，制定更好的刺激方式，所述步骤S1中还包括采集非健侧肢体若干组肌电信号，并进行预处理，得到非健侧多肌群肌电信号数据U2。

一种仿生多通道神经肌肉电刺激系统，其特殊之处在于：包括肌电信号采集模块、微处理器模块、存储模块、多路脉冲发生模块、多路电极，所述肌电信号采集模块、存储模块、多路脉冲发生模块均与微处理器模块连接，所述多路电极与多路脉冲发生模块连接；

所述肌电信号采集模块用于采集处理同一人正常肢体若干组肌电信号，并输入给微处理器模块和存储模块；

所述微处理器模块用于接收并处理所采集的肌电信号，并控制多路脉冲发生模块产生相应多路不同频率不同强度的多路肌电刺激；

所述存储模块用于接收微处理器模块的命令存储肌电信号；

所述多路脉冲发生模块用于接收微处理器的指令，产生相应多路不同频率不同强度的多路电刺激脉冲，并将此多路脉冲输入给多路电极；

所述多路电极用于接收多路脉冲发生模块的指令产生电极作用于患者非正常肢体。

进一步地，所述肌电信号采集模块还用于采集处理患者非健侧肢体若干组肌电信号。用于对比监测患者的肢体的恢复程度，从而制定合适的刺激强度。

再进一步地，该系统还包括按键显示模块，所述按键显示模块与微处理器连接，用于设定或查询本系统的相关参数、启动或者停止本系统。

为了便于对患者肌电信号及姿态数据进行更细致的分析，该系统还包括USB通信模块，所述USB通信模块与所述微处理器连接，用于与PC机通信，便于在PC端对患者的康复状况进行详细的数据分析处理。

再进一步地，所述肌电信号采集模块包括肌电采集器、信号放大器、滤波器。对所采集的肌电信号进行预处理，得到高信噪比的肌电信号。便于微处理器模块进行处理。

优选地，所述多路脉冲发生模块采用晶体管驱动，脉冲频率、脉宽及幅度均可根据需要进行调节。

本发明的优点在于：采集正常肢体肌电信号，经过微处理器模块的处理，控制多路脉冲发生模块，调整多路电极的频率和强度的输出，从而动态地调整多路电极产生动态的电刺激，仿照人体本能的动作电位，规范动作的平滑和稳定。充分考虑任何一个关节的运动至少需要3组肌群的参与，主动肌、协同肌、拮抗肌，使用电刺激刺激3组肌群模拟一个关节的运动，可以得到一个可控的关节运动。关节运动过程中力矩的改变，上述3组肌群输出强度动态变化的过程，是完成可控运动的基础，我们使用陀螺仪采集关节的运动轨迹使其与关节运动肌群的向匹配，作为控制输出信号，规范目标关节的运动。充分考虑正常关节运动中，随着力矩的改变，对应肌群收缩强度的动态调整过程，模拟这一过程，动态调整电刺激的输出频率和强度，模拟关节运动过程中力矩改变时的肌肉输出力量的改变过程。

附图说明

图1本发明的模块框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

一种仿生多通道神经肌肉电刺激方法，包括以下步骤：

其中，为了监测患者恢复程度，制定更好的刺激方式，所述步骤S1中还包括采集非健侧肢体若干组肌电信号，并进行预处理，得到非健侧多肌群肌电信号数据U2。

图中所示的仿生多通道神经肌肉电刺激系统，包括肌电信号采集模块，用于采集处理同一人正常肢体若干组肌电信号，并输入给微处理器模块；存储模块，用于存储肌电信号或者本系统需要使用的其他信号；微处理器模块，用于接收所采集的若干组肌电信号或者别的需要进行的处理信号，微处理器模块接收到肌电信号后将肌电信号输入存储模块中存储，并在需要时调用存储模块中的信号进行分配和处理，控制多路脉冲发生模块产生相应组不同频率不同强度的多路脉冲，其中存储模块按照一定的频率存储的肌电信号，用于对病人身体状况及康复效果评估的原始数据，并可作为确定进一步治疗方案的依据；多路脉冲发生模块，用于产生与肌电信号相对应的若干组多路脉冲信号，控制多路电极；多路电极用于作用于患者产生运动。为了使患者的运动更平稳一致。

本系统还设计有按键显示模块，实现人机交互，按键显示模块与微处理器连接，按键模块用于设定或查询本系统的相关参数、启动或者停止本系统。显示模块用于显示本系统的相关参数比如治疗时间、治疗模式、启动或者停止的操作情况，显示模块采用LCD显示。为了便于对患者肌电信号及姿态数据进行更细致的分析，本系统还设计有USB通信模块，用于连接PC机通信，PC机通过USB接口读取患者的肌电信号及姿态数据，USB通信模块与微处理器模块连接。

肌电信号采集模块实现肌电信号的前端信号调理，为后面的AD采集提供合适的原始模拟信号，肌电信号属于微弱信号，需要进行放大，为了提高信号的信噪比，采用仪表放大器实现信号放大、并通过滤波器滤除信号中的噪声，然后经电位抬升电路，输入至AD，由微处理器模块进行AD数据采集。多路脉冲发生模块由多个脉冲发生电路构成，脉冲发生电路采用晶体管，脉冲频率、脉宽及幅度均可调节，多路电极由多个电极片构成。

正常步行周期，指一侧足跟着地至该侧足跟再次接触地面所经历的时间，每一侧下肢有其各自的步行周期。步行是一个连续的过程，一般按照美国加利福尼亚州RLA国家康复中心步态分析实验室的分类方法，将一个步行周期分成8个典型动作姿势点，通过对8个典型姿势点的分析明确受试者是否存在步行障碍，及可能出现的原因。8个典型姿势点包括：首次接触、负荷反应期、站立中期、站立末期、迈步前期、迈步初期、迈步中期、迈步末期。

首次接触，指足跟或足底的任一部位与地面接触的瞬间。负荷反应期，指足跟着地后至足底与地面完全接触，至对侧下肢足趾离地所经历的时间；包括两个部分，足跟着地至足底与地面完全接触，此时骨盆前倾5度、髋关节屈曲30度、膝关节伸直、踝关节逐渐由中立位变为跖屈，完成足底与地面完全接触，此时足底并不完全承重，承重为0-10%；对侧腿离地前支撑腿膝关节屈曲达到站立相的最大角度承重为10%-15%；站立中期，对侧下肢足趾离地至躯干位于支撑腿的正上方承重为15%-40%；站立末期，支撑腿足跟离地至对侧下肢足跟着地所经历的时间承重为40%-50%；迈步前期，指对侧下肢足跟着地至支撑腿足趾离地之前的一段时间承重为50%-65%；迈步初期，从支撑腿足趾离地至该腿膝关节达到屈曲最大角度承重为65%-70%；迈步中期，从膝关节最大屈曲角度摆动到小腿与地面垂直承重为70%-85%；迈步末期，指与地面垂直的小腿向前摆动至该侧足跟再次着地之前承重为85%-100%。本发明根据所采集到的正常肢体的肌电信号，动态的控制非健侧肢体，使得非健侧肢体的运动更平滑稳定。

本发明采用两种方式控制多路脉冲发生模块的时间序列，1、通过表面电极采集健侧上肢、下肢、躯干不同肌群在步行周期中的动作电位，将此时间序列用于偏瘫侧肢体，纠正偏瘫肢体上、下肢、躯干的异常。2、通过采集健康人群步行中上肢、躯干、下肢肌群的肌电信号，寻找到不同年龄段人群的时间序列，应用与偏瘫患者。本系统在工作过程中的启动可采用在健侧肢体安装传感器实现，传感器与微处理器模块连接，微处理器模块接收到传感器信息即可控制多路脉冲发生模块和多路电极运作，从而控制患者患侧肢体的运动。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种仿生多通道神经肌肉电刺激方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的仿生多通道神经肌肉电刺激方法，其特征在于：所述步骤S1中还包括采集非健侧肢体若干组肌电信号，并进行预处理，得到非健侧多肌群肌电信号数据U2。

3.一种实现权利要求1或2所述仿生多通道神经肌肉电刺激方法的电刺激系统，其特征在于：包括肌电信号采集模块、微处理器模块、存储模块、多路脉冲发生模块、多路电极，所述肌电信号采集模块、存储模块、多路脉冲发生模块均与微处理器模块连接，所述多路电极与多路脉冲发生模块连接；

所述肌电信号采集模块用于采集处理同一人正常肢体若干组肌电信号，并输入给存储模块；

所述微处理器模块用于接收并处理所采集的肌电信号，并控制多路脉冲发生模块产生相应组不同频率不同强度的多路脉冲；

所述存储模块用于接收微处理器模块的命令存储肌电信号；

所述多路脉冲发生模块用于接收微处理器的指令，产生相应组不同频率不同强度的多路电刺激脉冲，并将此多路脉冲输入给多路电极；

4.根据权利要求3所述的仿生多通道神经肌肉电刺激系统，其特征在于：所述肌电信号采集模块还用于采集处理患者非健侧肢体若干组肌电信号。

5.根据权利要求4所述的仿生多通道神经肌肉电刺激系统，其特征在于：该系统还包括按键显示模块，所述按键显示模块与微处理器连接，用于设定、显示、查询本系统的相关参数、启动或者停止本系统。

6.根据权利要求5所述的仿生多通道神经肌肉电刺激系统，其特征在于：该系统还包括USB通信模块，所述USB通信模块与所述微处理器连接，用于与PC机通信。

7.根据权利要求6所述的仿生多通道神经肌肉电刺激系统，其特征在于：所述肌电信号采集模块包括肌电采集器、信号放大器、滤波器。

8.根据权利要求7所述的仿生多通道神经肌肉电刺激系统，其特征在于：所述多路脉冲发生模块采用晶体管，脉冲频率、脉宽及幅度均可调节。