CN107278145A - 用于电触觉反馈的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于将来自假体(37，471)或来自布置在具有差感觉或没有感觉的身体部位处的感觉系统(472)的本体感觉和/或感觉信息传递至穿戴这样的假体或感觉系统的用户的皮肤的系统和方法。该系统包括：用于以具有针对至少一个输入信号(14，141，142，341，441)的编码方案的电刺激模式的形式提供电触觉反馈的设备(10，30，40)；以及被配置成位于所述用户的身体的一部分上的至少一个多焊盘电极(13，33，43，53，63)，所述多焊盘电极(13，33，43，53，63)包括被配置成根据所述预定义的刺激模式被选择性地和离散地激活/去激活的多个焊盘。

Description

用于电触觉反馈的系统和方法
技术领域
本发明涉及假体领域，例如手假体，或者涉及没有感觉的身体部位，并且特别涉及提供用于这样的假体或者没有感觉的身体部位的电触觉反馈的电刺激设备。
背景技术
市面上可用的能够基于肌电图(EMG)控制信号(肌电假体)打开或闭合手的多功能电动假体目前正面临着几个挑战。它们通常只允许两个自由度(手打开和闭合)，它们缺乏感觉反馈，它们具有有限的电池寿命，并且在全天携带时具有过度的重量并且积累热量。这样的缺点导致今天肌电假体的平均拒绝率超过25％。正在进行的研究——包括组合使用多个EMG记录和人工神经网络——可能很快将形成用于更先进的手假体的神经控制的基础，从而提供大量的自由度，如F.C.P.Sebelius等人在The Journal of Hand Surgery的2005年7月第30卷第4期第780至789页的“Refined Myoelectric Control in Below-ElbowAmputees Using Artificial Neural Networks and a Data Glove”中所描述的。
然而，使得用户能够将人造手识别为“他/她的身体的一部分”的感觉反馈的缺乏仍然表现为一个根本问题。没有感觉功能的手被认为是异物并且经常被所有者拒绝，如Ramachandran和Blakeslee在1998年所述的那样。可以使得能够调节抓握力和执行精细的运动任务的本体感觉信息和触觉对于用户认同人造手是非常重要的。
手假体中的几种感觉反馈接口已经被测试了多年并且被报导，例如由R.R.Riso在IOS出版社的Technology and Health Care的1999年第7卷第6期第401至409页的“Strategies for providing upper extremity amputees with tactile and handposition feedback–moving closer to the bionic arm”中报导以及由G.Lundborg和B.Rosén在Hand Clinics,2001,17(3)：481-8的“Sensory substitution in prosthetics”中报导。
我们认识到为用户提供感觉反馈的三种方法：
第一个方法是基于使用完整的感觉系统来替代丢失的感觉系统。使用利用视觉来引导假体手的运动的肌电假体的截肢者自动使用这种方法。如在国际专利申请WO9848740中所述的那样，已经将使用听觉来代替缺失的感觉描述为使手没有感觉的主要神经损伤中的有效策略，并且也已在手假体中进行了试验。
第二个方法是基于对完整神经的直接刺激。在实验室环境中已经使用了各种类型的神经接口(Riso，1999)。神经接口策略的理论优势是感觉刺激可以直接传递到周围神经，从而可以到达中枢神经系统(CNS)。但是，存在几个缺点和困难。需要经皮通道设备或遥测技术将感觉信息从身体外部传递到内部。感觉神经束的电刺激可能不是形态特定的(modality-specific)，并且可能引起非生理和奇怪的感觉感知。因此，对完整神经的直接刺激的原理将在今后许多年内仍处于实验阶段。
第三种方法是基于对身体较远区域中的完整皮肤的皮肤感受器的刺激。将皮肤刺激转移到较远的皮肤区域的使用的尝试已经在数十年前尝试过了。根据这一原理，身体上较远的皮肤区域可以经受皮肤电刺激(如Szeto和Riso在“Rehabilitation Engineering”书中第3章所述，ISMB0-8493-6951-7，1990)或振动(如Mann和Reimers在IEEE Trans.ManMach.Syst.，11(1)，110，1970中的“Kinesthetic sensing for the EMG controlled“Boston Arm””中所述)。早期原型表明可以实现闭环，但是由于非常不愉快和非生理的感觉使得简单的接口(例如单通道刺激)具有有限的适用性(由Lundborg等人在1999年报导)。近年来，解决了将实现更直观的闭环控制的新的复杂反馈接口。一些研究小组优先进行振动触觉刺激来获得感觉反馈(例如Witeveen等人在医学与生物工程学会(EMBC)，IEEE的2012年度国际会议的第2969至2972页的Grasping force andslip feedbackthroughvibrotactile stimulationto be used in myoelectric forearm prostheses中所描述的；Cipriani等人在2002年IEEE Transactions on Biomedical Engineering的第59卷第2期第400至408页的A Miniature Vibrotactile Sensory Substitution Devicefor Multifingered Hand Prosthetics中所描述的)。一些其他人选择皮肤电刺激(如Geng等人在2011,8:9的Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation的Impacts ofselected stimulation patterns on the perception threshold in electrocutaneousstimulation中所描述的；或者Szeto等人在Electrocutaneous Stimulation For SensoryCommunication In Rehabilitation Engineering,Biomedical Engineering,IEEETransactions on，BME-29300，1982中所描述的)。
美国专利申请US2009/0048539A1公开了一种用于没有感觉的身体肢体或身体肢体假体的感觉反馈的系统。所公开的系统由施加至假肢或没有感觉的身体肢体的传感器形成，传感器连接至收集来自传感器的信号并将它们处理成输出信号的处理器。然后将输出信号传递到由布置在患者的完整相邻身体肢体的皮肤上的信号换能器形成的触觉显示器。由于自然出现的神经部件很难定位并且因此信号换能器可能不能被放置在最佳布置中，所以患者可以借助于听觉或视觉来学习如何区分不同的刺激，例如通过观察哪个手指被暴露于刺激(例如热)。然而，本公开内容依赖于存在至少一个布置在没有感觉的身体肢体或身体肢体假体上的传感器以便实现功能。当反馈与控制信号例如在肌电假体中的EMG控制耦合时，该系统只能用于闭环控制，并且不能用在前馈设置中。
国际专利申请WO98/25552公开了一种用于在假体设备的感觉系统中提供感觉知觉的装置和方法。反馈是基于将感觉输出直接映射到具有适当的刺激幅度的指定通道。
国际专利申请WO2012/055029公开了一种安装在患者身上(例如，在患者的下背部上)的用于从刺激焊盘接收信息以向用户提供反馈的显示器。
总之，明显的是在假体领域为耦接至有效的动力多功能假体身体肢体的感觉反馈系统提供适用的解决方案存在很强的动机，这导致假体设备具有更大的接受性和可用性。
发明内容
本发明使用基于通过多焊盘电极进行皮肤电刺激的方法，从而为身体肢体假体例如手假体或者为没有感觉的身体肢体例如没有感觉的手提供感觉反馈接口系统，这克服了常规设备的限制。特别地，该系统通过提供本体感觉信息解决了识别人造身体部位或身体肢体(假体身体肢体)或者部分或完全丧失感觉的身体肢体的问题。还可以提供触觉。感兴趣的信息通过皮肤电刺激传递到用户的皮肤。这使得能够调节抓握力并执行精细的运动任务。该设备使用直观易学的反馈接口，该反馈接口可以向用户提供来自人造身体肢体(或用于恢复身体肢体的感觉的感觉系统)的本体感觉和感觉信息，并且使得能够基于多焊盘电极配置和刺激频率的变化来调节抓握力和执行精细运动任务。可以通过专门设计的电刺激器来改变电极配置，所述专门设计的电刺激器通过多路复用单元来在多焊盘电极上实现时空分布的刺激。
此外，本发明还涉及用于对来自人造身体肢体(或者部分或完全丧失感觉的身体肢体)的本体感觉和感觉信息使用对直观(易于察觉和理解的)反馈信息/消息方案集进行编码的刺激(阵列电极上的激活焊盘)位置和刺激参数(脉冲宽度、刺激幅度以及刺激频率)变量集来进行编码的协议。该协议针对用于控制假体或没有感觉的身体肢体的每一组本体感觉或感觉信息限定了直观的编码方案。例如，人造手的旋转使用激活电极的旋转来进行编码，并且由人造手施加的力的增加使用激活电极上刺激频率的增加来进行编码。
根据本发明的一方面，提供了一种用于将来自假体或来自布置在具有差感觉或没有感觉的身体部位处的感觉系统的本体感觉信息传递到穿戴这样的假体或感觉系统的用户的皮肤的系统，该系统包括：用于以由至少一个输入信号限定的刺激模式的形式提供电触觉反馈的设备；以及被配置成位于所述用户的身体的一部分上的至少一个多焊盘电极，所述多焊盘电极包括被配置成根据所述刺激模式选择性地和离散地激活/去激活的多个焊盘。
该设备包括：用于处理所述至少一个输入信号的装置，其中，所述至少一个输入信号包括来自所述假体或来自所述感觉系统的控制信号，从而将所述至少一个输入信号编码为表示所述人造假体或感觉系统的相应多个操作参数的多个预定义的刺激模式中的一个；用于基于所选择的刺激模式来产生多个电脉冲的刺激装置；用于将所述电脉冲从所述刺激装置传导到所述至少一个多焊盘电极的装置，从而基于所述刺激模式选择性地激活/去激活所述多焊盘电极的离散焊盘并且改变所述离散焊盘的配置参数，从而实现对应于所述至少一个输入信号的时空分布的皮肤刺激。
在特定实施方式中，该系统还包括数据采集装置，该数据采集装置被配置成捕获要被提供给所述处理装置以被处理为输入信号的控制信号。
该系统可以被合并在承座中，该承座被配置成一端放置在身体部位的残肢上并且在相对端处接纳人造肢体假体。可替选地，至少所述多焊盘电极被合并在衣物中，该衣物被配置成位于用户的具有人造肢体假体的身体部位上或者用户的在没有感觉的身体肢体处具有感觉系统的身体部位上。
在特定实施方式中，至少一个多焊盘电极被设计成圆形地围绕用户的残肢或身体部位，其中，包括在所述至少一个多焊盘电极中的多个焊盘被布置成沿着多焊盘电极的单个阵列。
在优选实施方式中，至少一个输入包括用于假体的孔径(aperture)、屈曲、旋转和/或抓握力的控制信号或来自布置在具有差感觉或没有感觉的身体部位处的感觉系统的控制信号中的至少一个。在特定实施方式中，至少一个输入还包括感觉信息。
在特定实施方式中，假体是人造手或者具有差感觉或没有感觉的身体部位是手。
优选地，预定义的刺激模式由以下刺激参数的一些或全部来限定：多焊盘电极中一个或多个激活焊盘的位置、刺激频率、刺激脉冲宽度以及刺激脉冲幅度。
可替选地，刺激模式仅由以下刺激参数限定：刺激位置和刺激频率。
另外，该系统可以被配置成用于将来自所述假体或来自布置在具有差感觉或没有感觉的身体部位处的所述感觉系统的感觉信息传递至穿戴这样的假体或者感觉系统的用户的皮肤。
在本发明的另一方面中，提供了一种方法，其用于将来自假体或来自布置在具有差感觉或没有感觉的身体部位处的感觉系统的本体感觉信息传递至穿戴这样的假体或者感觉系统的用户的皮肤。该方法包括以下步骤：以由至少一个输入信号限定的刺激模式的形式提供电触觉反馈；以及选择性地和离散地激活/去激活位于所述用户的身体的一部分上的至少一个多焊盘电极的多个焊盘，所述激活/去激活根据所述刺激模式来完成。
以由至少一个输入信号限定的刺激模式的形式提供电触觉反馈的步骤优选地包括：处理所述至少一个输入信号，其中，所述至少一个输入信号包括从所述假体或从所述感觉系统获得的控制信号，从而将所述至少一个输入信号编码成表示所述假体或感觉系统的相应多个操作参数的多个预定义的刺激模式中的一个；基于包含在预定义的映射方案中的所选择的刺激模式来产生多个电脉冲；将所述电脉冲传导至所述至少一个多焊盘电极，从而基于包含在预定义的映射方案中的所述刺激模式来选择性地激活/去激活所述多焊盘电极的离散焊盘并且改变所述离散焊盘的配置参数，从而实现对应于所述至少一个输入信号的时空分布的皮肤刺激。
在特定实施方式中，至少一个输入还包括感觉信息。
在特定实施方式中，人造手的或布置在具有差感觉或没有感觉的手处的感觉系统的孔径被编码成如下：在初始位置(手打开)，激活的焊盘是布置在臂的最远背部处的两个焊盘，并且当手开始闭合时，这些焊盘被去激活，同时相邻的焊盘被激活，这个过程持续进行直到手闭合，并且布置在臂的中心掌部处的焊盘被激活；或者反之亦然，意味着要激活的第一焊盘是布置在臂的掌部处的两个焊盘。
在特定实施方式中，由人造手施加的或由布置在具有差感觉或者没有感觉的手处的感觉系统测量的抓握力通过响应于测量的力的改变而改变一个或更多个激活焊盘上的刺激频率来进行编码。
在特定实施方式中，人造手的或布置在具有差感觉或没有感觉的手处的感觉系统的旋转被编码成多焊盘电极上的激活焊盘的旋转演变，在开始旋转的瞬间，对应于人造手或感觉系统的原始位置的第一焊盘被激活，同时在人造手或感觉系统的旋转期间，已经激活的焊盘被去激活，同时在旋转方向上的后面的焊盘被激活，依次类推，直至对应于旋转结束的焊盘被激活。
在特定实施方式中，人造手的或布置在具有差感觉或没有感觉的手处的感觉系统的屈曲/伸展被编码成多焊盘电极上的至少一个额外焊盘按预编程的时间序列的激活。
在特定实施方式中，该方法使得用户能够同时检测以下输入中的至少两个：
-人造手的或布置在具有差感觉或没有感觉的手处的感觉系统的孔径/抓握；
-由人造手施加的或由布置在具有较感觉或没有感觉的手处的感觉系统测量的抓握力；
-人造手的或布置在具有差感觉或没有感觉的手处的感觉系统的旋转；以及
-人造手的或布置在具有差感觉或没有感觉的手处的感觉系统的屈曲/伸展。
在本发明的最后一方面中，提供了一种包括用于执行已经描述的方法的计算机程序指令/代码的计算机程序产品。
总之，提供了用于电触觉反馈的具体解决方案以及控制人造肢体(或没有感觉的肢体)所需的信息的具体编码方案。在这个解决方案中，反馈旨在用于对假体进行直观控制，而不是直接传递感觉数据。
本发明的另外的优点和特征将从下面的详细描述中变得明显，并且将在所附权利要求书中具体地指出。
附图说明
为了完成描述并且为了提供对本发明更好的理解，提供了一组附图。所述附图形成说明书的构成部分，并且示出了本发明的实施方式，其不应被解释为限制本发明的范围，而只是作为如何可以实现本发明的示例。附图包括以下图：
图1示出了根据本发明的可能实施方式的在假体的承座(socket)内部的用于将来自人造手的本体感觉信息传递至受试者的皮肤的电触觉反馈接口设备和多焊盘电极。
图2示出了根据本发明的实施方式的表示电触觉反馈接口的框图。
图3示出了合并在承座中的用于传递来自人造手的本体感觉和感觉信息的电触觉反馈接口设备。
图4示出了放置在可以位于身体任何部位上的衣物中的用于传递来自人造手的本体感觉和感觉信息的电触觉反馈接口设备。
图5示出了用于电触觉反馈接口的具有公共阳极的多焊盘电极的可能实现方式。
图6示出了用于电触觉反馈接口的具有同心焊盘的多焊盘电极的可替选的实现方式。
图7至图10示出了针对不同输入信号的用于激活电极的不同映射/编码方案。
具体实施方式
在本文中，术语“包括”及其衍生词(例如“包含”等)不应被理解为排除的意义，即这些术语不应被解释为排除所描述和限定的内容可以包括另外的元件、步骤等的可能性。
在本发明的上下文中，术语“大约”和其同族术语(例如“近似”等)应被理解为指示非常接近于附随前面提到的术语的那些值的值。也就是说，距准确值的偏差在合理限制内应能被接受，因为本领域技术人员将会理解，由于测量不准确等原因，距所指示的值的这样的偏差是不可避免的。这同样适用于术语“大概”和“约”以及“基本上”。
术语“身体部位”的“身体肢体”旨在沿着本文来指臂或腿或其一部分(例如一个或更多个手指或脚趾或其部分)，或整个手或脚或其一部分，前臂或腿下部例如小腿或其一部分，或上臂或大腿或其一部分。
在本文中，使用表述“没有敏感性或具有差敏感性”或“没有感觉”来指由于任何原因而缺乏感觉或具有减弱的感觉的身体部位或身体肢体。这种缺乏感觉的原因的非限制性示例是神经损伤、代谢性神经病以及神经假体即使用电刺激来致动瘫痪的肢体或身体部位的系统的使用。相反，表述“没有损坏”、“完整”、“具有完全敏感性”或“具有完全感觉”指的是虽然接近或靠近没有感觉的身体部位但具有未损伤或者基本上或部分未损伤的组织的身体部位。当存在身体肢体的截肢时，靠近截肢部位的非损伤部位被称为“残肢”。
下面的描述不应被认为是限制性意义，而只是被给出以用于描述本发明的广泛原理。将参考示出根据本发明的装置和结果的上述附图，通过示例的方式来描述本发明的下面的实施方式。
图1示出了用于将来自人造(假体)身体部位或者来自部分或完全丧失感觉的身体部位(未示出)的本体感觉信息反馈给受试者的皮肤的系统的概图。由于对刺激未损伤的身体部位(例如手丢失的前臂或者前臂丢失的上臂)的皮肤进行管理的电刺激器和多焊盘电极，该系统使得用户能够在精神上感知人造身体部位或者具有差感觉或没有感觉的身体部位的自然感觉。该系统基于躯体感觉系统的部分的受控电刺激。在优选实施方式中，受控电刺激是异步的，并且通过单通道刺激器和多焊盘电极来实现。
如图1所示，该系统包括至少一个电触觉反馈设备10，所述至少一个电触觉反馈设备10基于某些输入14来命令位于用户的非损伤身体部位的接口或多焊盘电极13(由形成矩阵的小焊盘形成)传递低强度电脉冲串。换句话说，它传递时空分布的电刺激。电触觉反馈设备10还包括图1中未示出的至少一个电刺激器和多路复用单元，其用作能够响应于从处理单元接收的指令(电信号)而同步地或异步地激活多焊盘电极13上的离散焊盘的电流隔离脉冲路由器。因此，多焊盘电极13通过用户的皮肤施加时空分布经皮电刺激。脉冲串经由这些小焊盘以不同时间、不同频率和/或不同强度被发送以便产生激活皮肤感受器并因此激活传入(躯体感觉)神经系统和感觉皮层的独特信号。术语“反馈”指的是通过多焊盘电极13产生的向用户提供关于系统输入14的感兴趣的信息的刺激。
图1的多焊盘电极13可以放置在受试者的臂的残肢上，在这种情况下，未示出的人造(假体)身体部位是人造手，或者多焊盘电极13可以与未截肢的身体部位一起使用，例如与部分或完全丧失感觉的身体部位一起使用。
图2示出了图1中概述的系统的框图。两个主要框被表示为：电触觉反馈设备10和多焊盘电极13。设备10具有处理单元或者处理装置15(在图1的概图中其集成在设备10中)，处理单元或者处理装置15基于一个或更多个输入14的限定的映射方案来控制要传送到多焊盘电极13的刺激参数(即激活电极、刺激频率、脉冲宽度和幅度)。处理单元15基于稍后解释的直观映射方案来处理输入信号14并且作为对其的响应而选择适当的刺激参数。映射方案在处理单元15中限定。设备10还具有刺激单元11，也称为电刺激器11，其基于处理单元15的要求来产生期望参数(例如幅度、持续时间和频率)的电脉冲。设备10还具有多路复用单元12，所述多路复用单元12基于处理单元15的要求将来自刺激单元11的电脉冲传导到多焊盘电极13上的期望焊盘。直接连接处理单元15和多路复用单元12的箭头表示刺激位置的映射，而连接处理单元15和电刺激器11的箭头表示刺激参数的映射。换句话说，处理单元限定刺激方案，并且刺激器产生被传递至多焊盘电极上的特定位置的脉冲。电触觉接口是通过感觉刺激向用户提供的反馈。处理单元基于预定义的映射方案来计算刺激模式。电刺激单元产生刺激脉冲并且控制施加到用户的皮肤的电流以便符合处理单元的要求。多路复用单元12基于来自处理单元的信息将脉冲路由至多焊盘电极13上的期望位置。
如图2所示，系统输入14可以是外部系统输入141和/或由包括在电触觉反馈设备10中的数据采集单元142直接测量的信号。外部输入141包括来自人造身体部位或用于没有感觉的身体肢体的感觉系统的任何感觉信息。这些输入可以通过模拟、数字或无线通信接口进行收集。来自数据采集单元142的输入可以包括EMG、惯性测量或由数据采集设备本身进行的任何其他物理性质的测量。在优选实施方式中，数据采集单元142基于EMG放大器，由此捕获EMG输入信号。可替选地，数据采集单元142可以基于至少一个惯性传感器。
这些输入14、141、142一旦经过处理就通过由多焊盘电极13形成的接口以皮肤刺激的形式传送给用户。电触觉反馈设备10的处理单元15限定了用于输入信号的直观映射方案。映射方案被设计成仿造随人造手或没有感觉的身体肢体发生的过程。例如，通过激活的电极的离开(departure)来映射手打开(手指的离开)。通过刺激频率的增加来映射力的增加。这使得映射直观并且易于学习，如已经参与本发明系统的不同测试和实验的受试者所报告的。图7至图10示出了根据本发明实施方式的提出的一些映射方案集。
在特定实施方式中，仅需要一个输入信号14来提供电触觉反馈，并且因此，如果存在一个或更多个外部系统输入141，则数据采集单元142不是系统的必需部分，反之亦然：如果存在用电触觉反馈设备10的数据采集单元142测量的一个或更多个信号，则不需要外部输入141。可替选地，可以存在着两种类型的输入信号。
在特定实施方式中，其中该系统由穿戴人造身体部位(例如手假体)或者感觉系统(例如手上的数据手套)的人使用，系统输入14可以包括由包括在假体设备或感觉系统中的传感器获得的感觉信息。包括在假体设备或感觉系统中的常规传感器的非限制性示例是触摸传感器、压力传感器、力传感器、弯曲传感器、振动或惯性传感器、温度传感器、湿度传感器、联合编码器或其任何组合、或者能够响应刺激的任何其他传感器，并且可以是一个传感器或多个传感器或者具有同时感测不同刺激的能力的多传感器。包括在人造身体部位(例如手假体)或者感觉系统(例如手上的数据手套或者功能电气刺激(FES)手抓握系统或者用于手抓握的神经假体)中的这些传感器被放置在期望感觉反馈的地方。所有这些输入14是外部输入141。如果使用人造身体部位，则人造身体部位(例如人造手或者FES手抓握系统)优选地包括使得能够进行人造手的闭环控制的传感器和系统输入14。该系统使得能够进行人造身体部位或者感觉系统的前馈肌电控制。这基于来自身体残余部位(残肢)中的肌肉的多个记录，其能够使得用户能够像是自然地基于来自这些控制信号的生物反馈对假体或者感觉系统进行控制。在没有反馈的人造身体部位中这种像是自然的控制是不可能的，从而需要用户看着人造身体部位以便控制它。输入14可以是来自人造肢体或者用于没有感觉的身体肢体的感觉系统的感觉测量和/或可以基于控制信号测量(例如用于肌电假体的EMG)。如果它们包含来自假体或感觉系统中的传感器的测量，则它们可以用于闭环控制，并且如果它们基于控制信号，则它们可以用于人造肢体(例如手)或感觉系统(如数据手套)的前馈控制。EMG测量可以由数据采集单元142获得，或者可以是来自假体或来自感觉系统的外部输入141。如果系统用于人造身体部位或感觉系统的控制，则这些信号仅有感兴趣的信息用于反馈。假体设备(或感觉系统)基于内置的编码器来产生本体感觉信息以及感觉信息，例如由此测量的力。对于肌电假体，由EMG采集系统通过记录电极测量的EMG信号(在各种滤波和处理之后)是用户必须产生以便控制假体的控制信号。控制信号可以由假体设备或由控制接口(如果不是由假体直接获得控制信号，则理解为可以获得控制信号的任何设备)确定。在肌电控制的情况下，控制信号是EMG，但它可以是用于驱动假体的任何其他生物生理信号。控制信号作为外部输入141被采集到系统，或者它们可以基于由电触觉反馈设备10的数据采集单元142执行的控制信号测量在处理单元15中进行计算。如果控制信号测量由电触觉反馈设备10执行，则它们还可以随后被转发到控制接口(或者如果控制接口没有被合并在假体或感觉系统中则被转发到假体或感觉系统)。在优选实施方式中，系统输入14包括用于人造手或者具有差敏感性的手的孔径、屈曲、旋转和抓握力的控制信号(前馈)。它们还可以包括感觉信息(闭环)。换句话说，来自假体或感觉系统中的传感器的信息意味着闭环控制，而关于控制信号(由假体、感觉系统或电触觉反馈本身测量的EMG或惯性)的信息意味着前馈控制。这些输入信号14的映射由处理单元15进行计算以便提供电触觉接口。
信息编码(模式或映射方案)的设计——图7至图10示出了其实现方式——是基于可以由用户明确区分的不同刺激模式的分析。发明人在他们的研究中观察到，健康受试者和截肢者可以区分的最可靠的感觉是刺激的位置和刺激的频率。相反，脉冲宽度和刺激幅度的变化导致刺激的不充分识别或者不愉快的刺激。这是为什么在本发明的系统中信息优选地以刺激位置和刺激频率进行编码的主要原因。术语“信息”在这里指的是对热、冷、压力等的感觉和/或由假体或感觉系统产生的力和/或本体感觉信息(孔径、旋转、屈曲)和/或来自假体或数据手套中的任何其他传感器的任何其他信息。
接下来，描述用于将来自人造(假体)身体部位或来自部分或完全丧失感觉的身体部位(经由感觉系统)的本体感觉信息传递至受试者的皮肤的系统的两个优选实施方式。特别地，实施方式涉及人造(假体)手或者涉及部分或完全丧失感觉(并且因此穿戴感觉系统)的手。
在图3所示的优选实施方式中，具有电触觉反馈设备30和多焊盘刺激电极33的系统被合并在肢体假体(或人造肢体)37的承座36中，并且因此被放置在用户39的残肢38上。换句话说，图3示出了肢体假体37的承座36。承座36包括电触觉反馈设备30和多焊盘电极33。在该特定实施方式中，假体是人造手37。在特定实施方式中，多焊盘电极33嵌入在承座36中。承座和电极的制造工艺和材料不属于本发明的范围。在图3中，外部输入信号341从假体37捕获，而包含在电触觉反馈设备30中的数据采集单元(图3中未示出)采集控制信号(例如，EMG控制信号)。图3中从设备30到多焊盘电极33的箭头旨在强调控制信号可以由设备本身测量，并且它们不是来自人造身体部位37。反馈刺激通过多焊盘电极33被提供至残肢38。
在可替选实施方式中，图4示出了包括多焊盘电极43的衣物46。换句话说，多焊盘刺激电极43被集成在可位于用户49的身体的任何部位上的柔软的衣物46中，而不一定是残缺的身体部位的残肢。衣物46可以由穿戴假体的用户(图4的顶部)或由具有没有感觉的身体肢体(而不是被截肢)的用户(图4的底部)使用。衣物46可以被放置在截肢者49的残肢48上(如果系统与假体471一起使用)或者在臂上的任意位置上(如果系统与假体471一起使用或者如果系统与用于没有感觉的身体部位的感觉系统472一起使用)。所示的感觉系统472是数据手套。在第一种情况(与假体一起使用的系统)下，多焊盘刺激电极43和电触觉反馈设备40可以独立于肌电设备并独立于用于将人造肢体471安装到受试者49的残肢48上的承座来使用。电触觉反馈设备40可以集成在相同的衣物46中或者可以位于其他地方。电触觉反馈设备40和多焊盘电极43必须物理地连接。因此，在优选实施方式中，它们在相同的衣物46中。在特定实施方式中，手套472具有反馈能力(用于向用户通知本体感觉控制信息的能力)。感觉系统472例如手套的反馈能力的典型示例是测量弯曲的能力或者测量由手指指骨限定的角度的能力。此外，感觉系统472例如手套提供感觉信息，特别是触摸或力的能力。例如，当穿戴这样的手套的用户抓握某物时，手套在被移动以便抓住物体时，手套提供本体感觉信息，并且当物体被最终抓住时，本体感觉信号停止。然后提供触摸或力信息。本体感觉信息被发送给用户。优选地，通过刺激将本体感觉和感觉(触摸)信息的组合发送给用户。
电触觉反馈设备可以连接到人造手(肢体)37、471或感觉系统472例如数据手套。这些连接可以是模拟/数字有线连接(例如如图3所示)，或者是通过现有技术中已知的任何无线通信接口的无线连接。在图4的实施方式中，这种通信优选无线的。
多焊盘电极13、33、43可以使用现有技术中已知的材料和技术来制造，例如导电硅橡胶插件、导电油墨的丝网印刷，其中，通过直接接触干燥的电极表面或者经由皮肤和电极之间的导电水凝胶材料插件来建立与皮肤的接触。形成多焊盘电极13、33、43的焊盘或电极足够小以使得在阳极和阴极之间能够流动受控的电流。在优选实施方式中，阴极在身体上的位置确定激活的皮肤感受器，并且阳极可以位于相同身体的任何位置处。因此，用作阴极的多焊盘电极13、33、43上的焊盘将确定识别的刺激的位置。由于这种配置，通过这种具有多焊盘电极13、33、43的电触觉接口对输入信号14的映射可以通过选择/改变刺激位置(也就是说，通过选择性地激活/去激活各个焊盘)和/或通过控制刺激参数(刺激的频率、脉冲宽度或幅度)来实现。
多焊盘电极13、33、43优选地以这样的方式被设计成位于用户的未损坏的身体部位上，使得形成多焊盘电极13、33、43的电极或焊盘圆形地位于在所述身体上或上方。在用户具有耦接到残肢的假体的情况下，这个身体部位优选地是用户的臂(或腿)的残肢。对焊盘的尺寸和形状进行选择以便产生舒适但还是选择性的刺激。具有多焊盘电极的层优选地被集成到柔软并且柔韧的基底中，该基底以允许系统在身体肢体的任何部分上定位的方式设计；从而便于系统的应用。在图5和6中示出了两个优选的多焊盘电极设计，但是也可以替选地使用其它形状和数量的焊盘。多焊盘电极可以被制造成使得能够实现以允许将系统定位在人造肢体的承座中的方式设计的干燥皮肤接口(例如导电橡胶)。电极也可以集成到柔软并且柔韧的基底中，该基底以允许将系统定位在身体上各个所选的位置上的衣物的方式设计。图5示出了多焊盘电极53的可能实现方式，其包括公共阳极531和多个阴极532。多焊盘电极53采取配置成围绕残肢的带环(band)、带子(belt)或带条(tape)的形式。阴极532沿着带布置，从而形成一排电极，而阳极531优选地采取与阴极532的列平行的长电极的形式。图6示出了包括多对阳极631-阴极632的多焊盘电极63的可替选实现方式，其中，每个阴极632被一个优选同心阳极631围绕。多焊盘电极63也采取配置成围绕残肢的带环、带子或带条的形式。成对的阳极-阴极沿着带布置，从而形成一排焊盘或电极。
接下来，描述如何对来自人造身体部位(或部分或完全丧失感觉的身体部位)的本体感觉和感觉信息进行编码，以及如何修改刺激参数(脉冲宽度、刺激幅度和刺激频率)以便正确地响应若干系统输入。特别地，图7至图10示出了四个示例性消息。由于可以使用额外的消息，因此这些是非限制性的示例。
在优选实施方式中，该系统能够对从人造手或用于具有差敏感度的手的感觉系统获得的四个独立的输入14进行反应。四个不同的输入信号是：人造手的孔径(从闭合的抓握到打开的手)；由人造手或感觉系统测量的力；人造手或感觉系统的旋转；以及人造手或感觉系统的屈曲/伸展。本发明的系统通过(在处理单元15处)限定四个相应的可以用于将感兴趣的信息传送给用户的刺激编码方案来对这四个独立的输入进行反应。如果使用人造手或感觉系统，则取决于人造手或感觉系统，这些输入可以包括例如关于人造手或手套的孔径、旋转和屈曲/伸展的人造手本体感觉信息，以及来自内置在人造手或手套中的最终传感器(触摸传感器、力传感器、振动传感器、温度传感器、湿度传感器或其他传感器)的信息。
图7表示优选地选择为对与人造手或手套的孔径相关联的输入信号作出反应的所提出的编码/映射方案。在该方案中，当人造手或手套完全打开时，要激活的焊盘或电极是布置在臂的中心背部处的两个焊盘或电极。当手开始闭合时，这些焊盘被去激活并且相邻焊盘被激活。该过程继续进行直到布置在臂的中心掌部处的焊盘或电极被激活，这表示闭合的手。图7中的虚线箭头描述了焊盘的激活/去激活的演变。可替选地，激活可以是相反的方向，也就是说，要被激活的第一焊盘是布置在臂的中心掌部处的两个焊盘，该过程以布置在中心背部处的两个焊盘的激活而结束。换句话说，激活的焊盘从第一种情形改变，在第一种情形下，任意两个端部焊盘是激活的并且其余焊盘未被激活，直到仅两个中心焊盘被激活；或者反之亦然。多焊盘电极需要具有允许这种有序的激活/去激活焊盘的形状并且需要围绕臂或残臂布置。多焊盘电极的示例性的适当形状是手镯。
图8表示优选地选择为对与由人造手或手套测量的力相关联的输入信号作出反应的所提出的编码/映射方案。在这种情况下，映射通过响应于力的改变而改变一个或更多个激活电极上的刺激频率来完成。例如，由人造手或手套测量的力的增加转换为刺激频率的增加。换句话说，由人造手(或最终感测系统)施加的力的增加通过激活电极上刺激频率的增加来编码。图8中所示的映射不限于两个激活电极(图8的深色部分)。在优选实施方式中，如关于图7所解释的，这两个激活焊盘之间的距离对孔径进行编码。这意味着，例如，如果用户正抓握比图8所示的物体厚的物体，则激活电极(其在本实施方式中被选择为两个，但可以是不同数量的电极)不是图8中的深色电极，而是靠近背侧的其它电极。相反，如果用户例如正抓握稻草——比图8所示的物体更薄的物体，则激活电极不是图8中的深色电极，而是靠近掌侧的其它电极。重要的是指出，用于由人造手测量的力的编码方案结合前面描述的用于人造手或手套的孔径的编码方案可以向用户提供关于被抓握的物体的刚度的信息。例如，如果当力增大时孔径减小，则用户将能够识别物体是否正在被人造手或手套挤压。由于提出的孔径/抓握和施加的力的编码使用相应独立的刺激参数(刺激位置和刺激频率)，因此这是可能的。
图9表示优选地选择为对与人造手或手套的旋转相关联的输入信号作出反应的所提出的编码/映射方案。将人造手或手套的旋转转换(编码)成圆形定位的多焊盘电极上的激活焊盘的旋转演变。要激活的第一焊盘对应于人造手或手套的原始位置(在开始旋转的瞬间)。在人造手或手套的旋转期间，已经激活的焊盘被去激活，而在旋转方向上的后面的焊盘被激活，依次类推，直到对应于旋转结束的焊盘被激活。在所提出的解决方案中，该信息编码与图7和图8所示的编码方案无关，因此可以与关于手孔径和施加的力的信息耦合使用。换句话说，所提出的编码方案实际上使得用户能够同时检测例如旋转和孔径/抓握，或同时检测旋转和施加的力。
图10表示优选地选择为对与人造手或手套的屈曲/伸展相关联的输入信号作出反应的所提出的编码/映射方案。人造手或手套的屈曲/伸展被转换(映射)成多焊盘电极上的额外焊盘按预编程时间序列的激活。该消息或者编码方案与前面的三个消息或编码方案不同，因为不像那些消息或编码方案，该消息或者编码方案旨在发送相对信息。代替以其他方式激活的不同数量(例如2个)电极，只有当人造手(或手套或FES手抓握系统)相对于相应臂的角度改变一定量(例如15度)时，在臂/残肢的同一侧上的若干电极(例如但不限于6个)才被激活。与人造手或者系统的屈曲/伸展相关联的编码方案可以与力的方案组合，这是因为当至少一个焊盘被刺激时，刺激频率可以独立于激活的焊盘的位置或数量而被感知。
总之，由于四个编码方案彼此独立，因此可以同时使用它们中的多于一个的编码方案，以用于使得用户能够对两个或更多个独立输入做出反应。换句话说，该系统能够结合至少两个功能。作为示例，例如可以使用2个传入的刺激焊盘的位置来编码手的孔径并且提供对力的信息的频率编码(例如，更高的刺激频率用于更大的力)。又例如，可以组合所描述的手旋转(正/反掌)和抓握力(频率)。这是可能的，因为刺激定位(也称为刺激位置)和刺激频率是独立变量，并且因此可以用于编码同时传入的信号(例如，孔径/抓握用刺激位置编码并且力用频率编码)。总之，所提出的编码方案实际上使用户能够注意到例如对象是否被挤压(由于刺激频率(表示力增加)和刺激电极的接近度(表示孔径减小)的同时增加而注意到)。
如可以观察到的，在对应于四个编码方案的所示实施方式中，电极的物理结构必须是围绕放置有电极的身体部位的圆形(手镯型)。消息的所示组合仅能用在电极的这种配置中。
总之，在其中人穿戴人造手或手套并且具有手镯型多焊盘电极(图5或图6)的发明系统已经被布置在他/她的臂残肢上的该示例性实施方式中，如下来完成映射：激活的电极从臂的中心背部向臂的中心掌部移动是基于手孔径的变化(图7)，激活的电极上的刺激频率的变化是基于抓握力(图8)，激活的电极的旋转是基于人造手或手套的旋转(图9)，以及激活的电极的数量变化是基于人造手或手套的屈曲/伸展(图10)。所提出的接口的优点之一是手孔径和力信息的同时传递，使得用户能够感觉到被抓握的物体是否被施加的力挤压。该系统当然不限于这种特定的编码方案，并且可以使用不同的本体感觉和感觉信息以及编码方案来传递关于这四个独立的圆形定位的多焊盘电极的参数的信息。多焊盘电极的工作方式类似，并且信息被类似地编码在代替穿戴人造手而在具有差敏感性的手上穿戴感测手套的人身上。
在本发明的系统的常规使用之前，用户(例如截肢者)需要进行短期训练，以便学习(例如由假体身体部位中的传感器)感测到的东西与由多焊盘电极在皮肤上产生的真实感觉的相关性。一旦完成这项训练，此人就可以自主地使用本发明的系统。
从本说明书的内容明显的是，所提出的系统和方法可以直接改善人造假体例如手的功能，因为它使得用户能够感觉其为身体的一部分。以这种方式，被截肢者能够有效地使用人造手，并且有更好的生活质量。该电触觉反馈设备可用于提高现有商业上可用的肌电假体的性能，并通过直接增大成本效益率来增加其接受程度。今天肌电假体的平均拒绝率在年轻人和成年人二者中均超过25％，这主要与缺乏所需功能、不舒适(过重和过热)以及对感觉反馈的阻碍有关。例如，被截肢者通常选择常规的(功能上有限的)电缆驱动的假体，而不是轻松控制的更复杂的肌电手，仅仅因为前者通过电缆提供了限制的反馈(所谓的扩展生理本体感觉)。
基于已知的皮层自适应(学习)能力，用户将开发外体感觉和本体感觉的新模式。激活的焊盘将遵循来自内置在人造手中的传感器(触摸、力、振动、温度、湿度、联合编码器等)、其他感觉系统(例如手上的数据手套)或直接来自用于控制肌电人造手的EMG测量的信号。
另一方面，本发明明显不限于本文所描述的具体实施方式，而是还包括本领域技术人员可以考虑到的在权利要求中限定的本发明的总体范围内的任何变型(例如，关于材料的选择、尺寸、部件、配置等)。

Claims (17)

1.一种用于将来自假体(37，471)或来自布置在具有差感觉或没有感觉的身体部位处的感觉系统(472)的本体感觉信息传递至穿戴这样的假体或者感觉系统的用户的皮肤的系统，所述系统的特征在于，其包括：
用于以由至少一个输入信号(14，141，142，341，441)限定的刺激模式的形式提供电触觉反馈的设备(10，30，40)；以及
至少一个多焊盘电极(13，33，43，53，63)，其配置成位于所述用户的身体的一部分上，所述多焊盘电极(13，33，43，53，63)包括被配置成根据所述刺激模式被选择性地和离散地激活/去激活的多个焊盘；
所述系统的特征在于，所述设备(10，30，40)包括：
用于处理所述至少一个输入信号(14，141，142，341，441)的装置(15)，其中，所述至少一个输入信号包括来自所述假体(37，471)或者来自所述感觉系统(472)的控制信号，从而将所述至少一个输入信号编码成包含在预定义的映射方案中的表示所述人造假体(37，471)或感觉系统(472)的相应多个操作参数的多个刺激模式中的一个刺激模式；
刺激装置(11)，其用于基于所选择的刺激模式来产生多个电脉冲；以及
用于将所述电脉冲从所述刺激装置(11)传导至所述至少一个多焊盘电极(13，33，43，53，63)的装置(12)，从而基于包含在所述预定义的映射方案中的所述刺激模式来选择性地激活/去激活所述多焊盘电极(13，33，43，53，63)的离散焊盘并且改变所述离散焊盘的配置参数，从而实现对应于所述至少一个输入信号的时空分布的皮肤刺激。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述设备(10，30，40)还包括数据采集装置(142)，所述数据采集装置(142)被配置成捕获要被提供至所述处理装置(15)以被处理为输入信号的控制信号。
3.根据任一前述权利要求所述的系统，
所述系统被合并在承座(36)中，所述承座(36)被配置成一端放置在身体部位的残肢(38)上并且在相对端接纳人造肢体假体(37)，
或者其中，至少所述多焊盘电极(43)被合并在衣物(46)中，所述衣物(46)被配置成位于用户的具有人造肢体假体(471)的身体部位上或者位于用户的在没有感觉的身体肢体处具有感觉系统(472)的身体部位上。
4.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述至少一个多焊盘电极(13，33，43，53，63)被设计成圆形地围绕用户的残肢或身体部位，其中，包含在所述至少一个多焊盘电极(13，33，43，53，63)中的多个焊盘被布置成沿着多焊盘电极(13，33，43，53，63)的单个阵列。
5.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述至少一个输入(14，141，142，341，441)包括用于假体(37，471)的孔径、屈曲、旋转和/或抓握力的控制信号或来自布置在具有差感觉或没有感觉的身体部位处的感觉系统(472)的控制信号中的至少一个控制信号。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述至少一个输入(14，141，142，341，441)还包括感觉信息。
7.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述假体是人造手或者所述具有差感觉或没有感觉的身体部位是手。
8.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述刺激模式由以下刺激参数的一些或全部限定：多焊盘电极中焊盘的位置、刺激频率、刺激脉冲宽度以及刺激脉冲幅度。
9.根据前述权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述刺激模式由以下刺激参数限定：刺激位置和刺激频率。
10.根据任一前述权利要求所述的系统，所述系统还被配置成：用于将来自所述假体(37，471)或来自布置在具有差感觉或没有感觉的身体部位处的所述感觉系统(472)的感觉信息传递至穿戴这样的假体或者感觉系统的用户的皮肤。
11.一种用于将来自假体(37，471)或来自布置在具有差感觉或没有感觉的身体部位处的感觉系统(472)的本体感觉信息传递至穿戴这样的假体或者感觉系统的用户的皮肤的方法，所述方法的特征在于以下步骤：
以由至少一个输入信号(14，141，142，341，441)限定的刺激模式的形式提供电触觉反馈；以及
选择性地和离散地激活/去激活位于所述用户的身体的一部分上的至少一个多焊盘电极(13，33，43，53，63)的多个焊盘，根据所述刺激模式来执行所述激活/去激活；
其中，以由至少一个输入信号(14，141，142，341，441)限定的刺激模式的形式提供电触觉反馈的所述步骤包括：
处理(15)所述至少一个输入信号(14，141，142，341，441)，其中，所述至少一个输入信号包括从所述假体(37，471)或者从所述感觉系统(472)获得的控制信号，从而将所述至少一个输入信号编码成包含在预定义的映射方案中的表示所述假体(37，471)或者所述感觉系统(472)的相应多个操作参数的多个刺激模式中的一个刺激模式；
基于包含在预定义的映射方案中的所选择的刺激模式来产生(11)多个电脉冲；
将所述电脉冲传导至所述至少一个多焊盘电极(13，33，43，53，63)，从而基于包含在预定义的映射方案中的所述刺激模式来选择性地激活/去激活所述多焊盘电极(13，33，43，53，63)的离散焊盘并且改变所述离散焊盘的配置参数，从而实现对应于所述至少一个输入信号的时空分布的皮肤刺激。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述至少一个输入(14，141，142，341，441)还包括感觉信息。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，人造手(37，471)的或者布置在具有差感觉或没有感觉的手处的感觉系统(472)的孔径被编码成如下：在初始位置(打开手)，激活的焊盘是布置在臂的最远背部处的两个焊盘，并且当手开始闭合时，这些焊盘被去激活，同时相邻焊盘被激活，该过程持续进行直至手闭合并且布置在臂的中心掌部处的焊盘被激活；或者反之亦然，意味着要激活的第一焊盘是布置在臂的掌部处的两个焊盘。
14.根据权利要求11或12所述的方法，其中，由人造手(37，471)施加的或者由布置在具有差感觉或没有感觉的手处的感觉系统(472)测量的抓握力通过响应于测量的力的改变而改变一个或更多个激活焊盘上的刺激频率来进行编码。
15.根据权利要求11或12所述的方法，其中，人造手(37，471)的或者布置在具有差感觉或没有感觉的手处的感觉系统(472)的旋转被编码成多焊盘电极上的激活焊盘的旋转演变，在开始旋转的瞬间，对应于人造手或感觉系统的原始位置的第一焊盘被激活，同时在人造手或者感觉系统的旋转期间，已经激活的焊盘被去激活同时在旋转方向上的后面的焊盘被激活，依次类推，直至对应于旋转结束的焊盘被激活。
16.根据权利要求11或12所述的方法，其中，人造手(37，471)的或者布置在具有差感觉或没有感觉的手处的感觉系统(472)的屈曲/伸展被编码成多焊盘电极上的至少一个额外焊盘的按预编程时间序列的激活。
17.根据权利要求11或12所述的方法，其能够使用户同时检测以下输入中的至少两个：
人造手(37，471)的或者布置在具有差感觉或没有感觉的手处的感觉系统(472)的孔径/抓握；
由人造手(37，471)施加的或者由布置在具有差感觉或没有感觉的手处的感觉系统(472)测量的抓握力；以及
人造手(37，471)的或者布置在具有差感觉或没有感觉的手处的感觉系统(472)的旋转。
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