CN109276807A - 基于镜像康复治疗的偏瘫患者下肢功能性电刺激治疗仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于镜像康复治疗的偏瘫患者下肢镜像功能性电刺激治疗仪，其结构包括健侧肢运动信息采集模块、患侧肢运动信息采集模块、健侧肢运动信息处理模块、患侧肢运动规划模块和患侧肢功能性电刺激治疗模块；通过九轴姿态传感器与足底压力传感器准确获取患者非患病侧下肢步态数据及特征，采用功能性电刺激控制策略实现对患病侧下肢镜像康复与双下肢协调运动康复的治疗，克服了传统功能性电刺激治疗方式不可因人而异的缺点；在康复治疗人机交互界面中，可清晰地观察患者步态过程及治疗进展，也可将数据及分析结果保存，并发送至上位机，规划出合适的交互式康复训练游戏；该装置可靠性高，操作简单，可广泛应用于偏瘫患者的下肢康复治疗。

Description

基于镜像康复治疗的偏瘫患者下肢功能性电刺激治疗仪

技术领域

本发明属于医疗康复领域，特别涉及一种基于镜像康复治疗的偏瘫患者下肢功能性电刺激治疗仪。

背景技术

随着中国人口的加速老龄化，以及环境污染、生活无规律、工作压力增大等因素影响，中风患者人数呈逐年快速递增趋势，而偏瘫作为中风病人术后的常见并发症，特别是在中老年人群中问题表现尤为突出，造成患者下肢行动不便，甚至丧失一定的生活自理能力，给患者家庭及社会都带来了巨大的经济负担。

目前较为常用的治疗偏瘫方法有药物治疗与非药物治疗两类，因人体的个性化差异较大，目前还没有一种有效治疗偏瘫的药物，且不对偏瘫患者产生副作用；而Liberson团队首次运用功能性电刺激技术成功治疗脑卒中偏瘫患者足下垂步态，功能性电刺激治疗法逐渐作为一种有效治疗偏瘫的非药物辅助治疗方法，在临床上的中风术后偏瘫患者康复训练中受到医生和患者的青睐；偏瘫损伤患者由于其运动神经无法收到大脑发出的运动信号而丧失自主运动能力, 但偏瘫患者的肌肉仍具有收缩运动能力；通过功能性电刺激技术,利用表皮电极刺激瘫痪肌肉的运动神经, 电极间的电场在神经上产生出触发电势, 这一电势以化学方法经由神经元的触处传送到肌肉细胞并引起肌肉收缩, 从而使肢体产生动作, 并可通过改变电极间电压和频率的变化来对电刺激进行控制，以达到改善或恢复被刺激肌肉或肌群功能的目的。

现有的下肢功能性电刺激治疗常采用脑电、肌电等信号采集分析与踩单车训练方式相结合，镜像治疗常被使用于人体上肢康复治疗中，足底压力信号分析则广泛应用于中老年人防跌倒、运动员动作分析、人体步态分析等研究中；但目前将下肢功能性电刺激治疗、镜像治疗方式和足底压力信号分析有机组合应用于下肢偏瘫患者的治疗还没有；因此，本发明公开了一种满足上述多功能的高效、稳定和准确的偏瘫患者下肢功能性电刺激治疗仪。

发明内容

针对已有技术的不足之处，本发明公开了一种新型的基于传感器补偿的偏瘫患者下肢镜像功能性电刺激治疗装置，采用九轴姿态传感器和足底压力传感器，多维度采集人体下肢各关节运动加速度、方向和位置等运动信息，并实时采集足底压力信息，基于多模态数据的补偿分析，综合评测偏瘫患者步行姿态参数，进而规划出患病肢体步行姿态，基于功能性电刺激参数的智能控制策略，使患病侧肌肉准确完成指定镜像动作，达到偏瘫患者患病侧下肢镜像康复与双下肢协调运动康复的目的；该装置体积小，采集信息全面，电刺激方式准确可靠，实现了测量信号采集、分析与治疗的三位一体。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的一种基于传感器补偿的偏瘫患者下肢镜像功能性电刺激治疗系统装置，包括健侧肢运动信息采集模块、患侧肢运动信息采集模块、健侧肢运动信息处理模块、患侧肢运动规划模块和患侧肢功能性电刺激治疗模块；其特征在于：所述健侧肢运动信息采集包括非患病肢九轴姿态传感器、非患病肢压阻式柔性足底压力传感器、患侧肢九轴姿态传感器和患侧肢压阻式柔性足底压力传感器；所述非患病肢九轴姿态传感器用于全方位采集非患病下肢的位置、加速度等运动参数；所述健侧肢运动信息处理模块包括运动学约束算法、数据滤波和数据融合；所述患侧肢运动规划模块包括患者步态分析模块和患病肢步态规划模块；所述健侧肢运动信息处理模块与患侧肢运动规划模块均为嵌入式系统，所述嵌入式系统同时接受姿态传感器信号、足底压电信号；所述患侧肢功能性电刺激治疗模块结构包括功能性电刺激发生器与电极两部分。

所述运动信息采集模块将九轴姿态传感器采集的数据与足底压力传感器采集的数据经过嵌入式系统处理后，同步存储到flash中，以供及时调用处理。

所述运动信息处理模块将九轴姿态传感器采集的数据与足底压力传感器采集的数据相结合，根据两种传感器的二者之间数据的状态来判断偏瘫患者步行所处的状态：患侧肢运动规划模块接收来自健侧肢运动信息处理模块的数据后，根据得到的数据将患者此时的步行状态判断为行走时的支撑相的早期中期末期还有摆动相的早期中期末期中的某一相；当非患病侧足底压力传感器接收到非患病侧的落足信息时，也就是检测到非患病侧肢体处于支撑相时，判断患病侧下肢为摆动相，并根据健侧肢运动信息处理模块来规划出患病侧下肢步态以及给功能性电刺激发生器的指令，然后将相应的镜像数据指令发出。

所述的患侧肢功能性电刺激治疗模块结构可分功能性电刺激发生器与电极两部分；功能性电刺激发生器采用恒流源设计，可有效减弱人体皮肤状况对电刺激肢体运动稳定性的影响；电极采用由多个触点排列成的表面阵列电极设计，通过选择表面阵列电极的不同触点为工作触点并施加刺激，在表面阵列电极的基底产生不同形状的虚拟电极，从而在肌体内产生不同的电场分布，有效提高功能性电刺激对运动控制的精度，同时减缓康复过程中的肌肉疲劳影响；基于患侧肢九轴姿态传感器和患侧肢压阻式柔性足底压力传感器精确捕捉患病侧下肢动作，结合模糊自适应PID算法，功能性电刺激发生器可对患病侧肢体的运动进行精确反馈控制，实现更加准确且稳定的下肢镜像康复治疗及双下肢协调运动治疗。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：所述装置利用九轴姿态传感器和足底压力传感器，既能多维度采集加速度、方向和位置信息，实现对偏瘫患者步行摆动相肢体上升最高高度、行走速度和行走距离等运动参数的评测，又能采集足底的实时压力信息；功能性电刺激发生器采用恒流源设计，可有效减弱人体皮肤状况对电刺激肢体运动稳定性的影响；电极采用由多个触点排列成的表面阵列电极设计，能够有效提高功能性电刺激对运动控制的精度，同时减缓康复过程中的肌肉疲劳影响；采用三维显示屏技术，能实现放大减慢偏瘫患者步行过程中的整个过程，使治疗医师能够清晰地观看步行动作的慢过程和各个部位的细节，从而准确判定偏瘫患者的康复情况；基于可多维度数据显示的人机交互界面，实现评测结果的全方位多层次显示；通过高沉浸感的交互式训练游戏设计，减少了偏瘫患者进行下肢康复训练时的枯燥感，有效提升其下肢康复训练水平。

附图说明

图1 为所述一种基于镜像康复治疗的偏瘫患者下肢功能性电刺激治疗仪功能框图。

图2 为所述一种基于镜像康复治疗的偏瘫患者下肢功能性电刺激治疗仪结构简图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细介绍本发明的具体结构、工作原理的内容。

如图1所示的基于多传感器补偿的偏瘫患者下肢镜像功能性电刺激治疗仪包括健侧肢运动信息采集、患侧肢运动信息采集、健侧肢运动信息处理模块和患侧肢运动规划模块，其中健侧肢运动信息处理模块和患侧肢运动规划模块均在嵌入式系统中开发。

如图2所示基于多模态信号的下肢镜像功能性电刺激治疗仪，包括健侧肢运动信息采集模块、患侧肢运动信息采集、健侧肢运动信息处理模块、患侧肢运动规划模块和患侧肢功能性电刺激治疗模块；其特征在于：所述健侧肢信息采集模块包括健侧肢九轴姿态传感器1和健侧肢压阻式柔性足底压力传感器3；所述九轴姿态传感器用于全方位采集患者康复训练时非患病肢的瞬时位置、加速度等运动参数；所述健侧肢运动信息处理模块包括运动学约束算法、数据滤波和数据融合，并将处理得到的信息储存；所述患侧肢运动规划模块由嵌入式系统组成，嵌入式系统与健侧肢运动信息处理模块直接连接，并接受来自其的经过处理的信息，之后对步态进行分析，然后对患病肢的电刺激运动进行镜像运动规划，并对患侧肢功能性电刺激治疗模块发出指令；所述患侧肢功能性电刺激治疗模块由阵列式电极8和功能性电刺激发生器2组成，功能性电刺激发生器接收来自患侧肢运动规划模块的指令后，对人体肌肉进行电刺激治疗，并由患侧肢九轴姿态传感器4和患侧肢压阻式柔性足底压力传感器5反馈回运动数据，进行稳定控制；PC6与VR 7属于交互式游戏部分，患者可以在医师的指导下，通过交互式游戏来进行康复训练。

如图2所示的基于传感器补偿的健侧肢运动信息采集模块、患侧肢运动信息采集模块将九轴姿态传感器采集的数据与足底压力传感器采集的数据经过嵌入式系统处理后，同步存储到flash中，以供及时调用处理。所述的基于传感器补偿的患者健侧肢运动信息处理模块，得到加速度、加速度积分得速度、速度积分得高度，在嵌入式系统中得到速度和高度的图像曲线，根据曲线的拐点、极值点、最值点的位置，得到非患病肢运动的行走步态高度，以及行走距离；将九轴姿态传感器所采集信息中的线性加速度与欧拉角根据欧拉矩阵变换：

其中X为翻滚角，Y为俯仰角，Z为偏航角，由此得到患者非患病肢行走时的垂直地面的线性加速度acc。有此计算得到患者非患病肢行走时速度与高度 ，。而足底压力传感器则通过读取患者的行走时对地面的压力，来判断患者行走的状态。

如图2所示的患侧肢运动规划模块接收来自健侧肢运动信息处理模块的数据后，根据得到的数据将患者此时的步行状态判断为行走时的支撑相的早期、中期、末期的某一相，还有摆动相的早期、中期、末期中的某一相；当非患病侧足底压力传感器接收到非患病侧的落足信息时，也就是检测到非患病侧肢体处于支撑相时，判断患病侧下肢为摆动相，并根据健侧肢运动信息处理模块来规划出患病侧下肢步态以及给功能性电刺激发生器的指令，然后将相应的镜像数据指令发出。

如图2所示的基于传感器补偿的患侧肢功能性电刺激治疗模块结构可分功能性电刺激发生器与电极两部分；功能性电刺激发生器采用恒流源设计，可有效减弱人体皮肤状况对电刺激肢体运动稳定性的影响；电极采用由多个触点排列成的表面阵列电极设计，基于功能性电刺激控制策略选择表面阵列电极的不同触点为工作触点并施加刺激，在表面阵列电极的基底产生不同形状的虚拟电极，从而在肌体内产生不同的电场分布，有效提高功能性电刺激对运动控制的精度，同时减缓康复过程中的肌肉疲劳影响；基于患侧肢九轴姿态传感器和患侧肢压阻式柔性足底压力传感器精确捕捉患病侧下肢动作，结合模糊自适应PID算法，功能性电刺激发生器可对患病侧肢体的运动进行精确反馈控制，实现更加准确且稳定的下肢镜像康复治疗及双下肢协调运动治疗。

如图2所示基于PC6与VR 7显示的交互式康复训练游戏是一种以人机交互为基础、以医患指导为背景构建的互动指导训练方式；采用基于计算机多媒体技术和网络通讯技术的“人—机—人”的交互，开发交互式康复的指导系统，并设计三维人机交互界面，综合运用虚拟现实技术, 将视觉、听觉和触觉等多感官融入到特定的游戏场景，使偏瘫患者可完成高沉浸感的交互式游戏，减少患者进行康复训练时的枯燥感，有效提升其下肢康复训练水平；所述的交互康复训练游戏方式包括三种类型：一种是视觉交互方式，即上位机软件的视觉交互界面设计以简洁为主，并以色调对比决定色彩设计，在具体设计时以游戏主色调为基础，选择低饱和度的黄色、绿色等不易引起用户视觉疲劳的颜色，增强患者和医师的使用体验；另一种是听觉交互方式，即声音反馈能够引起患者的注意, 达到模仿触感的作用,人脑在听到声音时会将其与触感相联系，提高患者深层次体验的真实性；最后一种是触觉交互方式，即充分利用电刺激治疗模块功能，在患者完成某阶段游戏式训练时，上位机程序对电刺激治疗仪部分发出刺激指令，使患者感受到轻微的电麻感，提高患者在交互式游戏中的真实体验及互动感，有效提高患者主动参与康复治疗的积极性。

如图2所示基于PC 6与VR7显示的三维人机交互界面使医生可便捷清晰地看到多维度康复数据分析结果，并将数据保存，联网后可将数据及分析结果共享至评测中心，以利于适当调整康复训练方法；在人机交互界面中，医生可自行设置运动参数数值，通过VR模拟显示康复效果，制定因人制宜的最佳康复训练参数指标，在医生给出康复训练意见后，根据康复训练意见设置不同的运动参数，基于虚拟现实技术显示改进结果，便于患者理解医生的训练过程，节省患者不必要的训练过程；此外，基于三维人机交互界面，医师还可清晰观看偏瘫患者康复运动中的慢过程和各个部位的细节，对患者进行立体的、全方位的康复训练评价及指导。

具体实施例

开始使用前，将装置绑在脚踝稍上处，并将电极连到患病肢半健肌、半膜肌和腓肠肌上；治疗开始时，开启装置启动开关，治疗医师将患者转移至平坦场地处进行康复治疗；治疗过程中，须在在平坦场，患者两脚自然开离，在器械辅助或人员搀扶的情况下开始迈出非患病侧肢体，待非患病侧站立平稳并转移重心后，患病侧肢体会在功能性电刺激的作用下开始进行康复运动治疗；治疗结束后，将装置关闭，治疗医师将患者安置妥当。

以上叙述和说明了本发明的基本原理、具体实施过程及本发明的优点，业内技术人员应该了解，本发明不受上述实施例子的限制，在不脱离本发明精神和设计范围的前提下，本发明将有各种改进与拓展，这些改进与拓展均落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种基于镜像康复治疗的偏瘫患者下肢镜像功能性电刺激治疗仪，包括健侧肢运动信息采集模块、患侧肢运动信息采集模块、健侧肢运动信息处理模块、患侧肢运动规划模块和患侧肢功能性电刺激治疗模块；其特征在于：所述健侧肢运动信息采集模块包括健侧肢九轴姿态传感器、健侧肢压阻式柔性足底压力传感器，患侧肢运动信息采集模块包括患侧肢九轴姿态传感器和患侧肢压阻式柔性足底压力传感器；所述九轴姿态传感器用于全方位采集患者康复训练时非患病肢的瞬时位置、加速度等运动参数；所述健侧肢运动信息处理模块包括运动学约束算法、数据滤波和数据融合，并将处理得到的信息储存；所述患侧肢功能性电刺激治疗模块接收来自患侧肢运动规划模块的运动控制指令，通过对患者的相应肌肉块进行电刺激，达到镜像治疗偏瘫患者的患侧肢步态及双下肢协调运动的目的。

2.根据权利要求1所述的基于传感器补偿的健侧肢运动信息采集模块将九轴姿态传感器采集的数据与足底压力传感器采集的数据经过嵌入式系统处理后，同步存储到flash中，以供及时调用处理；所述的基于传感器补偿的患者健侧肢运动信息处理模块，获取加速度，通过积分方法在嵌入式系统中得到速度与高度的图像曲线，根据曲线的拐点、极值点及最值点位置，计算得出非患病肢运动的行走步态高度及行走距离；具体处理算法如下，将九轴姿态传感器所采集信息中的线性加速度与欧拉角根据欧拉矩阵变换：

其中X为翻滚角，Y为俯仰角，Z为偏航角，由此得到患者非患病肢行走时的垂直地面的线性加速度acc；患者非患病肢行走时速度，患者非患病肢行走时高度；足底压力传感器则通过读取患者行走时对地面的压力，来判断患者的行走状态。

3.根据权利要求1所述的患侧肢运动规划模块接收来自健侧肢运动信息处理模块的数据，所述患侧肢运动规划模块由嵌入式系统及其外设组成，嵌入式系统与健侧肢运动信息处理模块直接连接，接受来自其经过处理的信息，并进行步态分析，即根据采集到的数据来判断患者行走时的步态，即支撑相的早期、中期、末期的某一相，以及摆动相的早期、中期、末期中的某一相；当健侧肢足底压力传感器接收到非患病侧的落足信息时，即检测到健侧肢体处于支撑相时，判断患病侧下肢为摆动相，由健侧肢运动信息处理模块来规划患病侧下肢步态及功能性电刺激发生器的控制策略，实现对偏瘫患者患病肢的电刺激运动进行镜像运动规划，并将相应的镜像控制指令发出，即对患侧肢功能性电刺激治疗模块发出控制指令；同时模块会将处理好的数据传入上位机中，上位机软件会将采集到的数据基于治疗流程规划出适合于特定患者的交互式康复训练游戏，偏瘫患者可通过完成交互式游戏，愉悦且有效地进行康复治疗。

4.根据权利要求1所述的基于传感器补偿的患侧肢功能性电刺激治疗模块结构可分功能性电刺激发生器与电极两部分；功能性电刺激发生器采用恒流源设计，可有效减弱人体皮肤状况对电刺激肢体运动稳定性的影响；电极采用由多个触点排列成的表面阵列电极设计，基于功能性电刺激控制策略选择表面阵列电极的不同触点为工作触点并施加刺激，在表面阵列电极的基底产生不同形状的虚拟电极，从而在肌体内产生不同的电场分布，有效提高功能性电刺激对运动控制的精度，同时减缓康复过程中的肌肉疲劳影响；基于患侧肢九轴姿态传感器和患侧肢压阻式柔性足底压力传感器精确捕捉患病侧下肢动作信息，结合模糊自适应PID算法，功能性电刺激发生器可对偏瘫患者患病侧肢体的运动进行精确反馈控制，实现更加准确且稳定的下肢镜像康复治疗及双下肢协调运动治疗。