CN109771216B - 一种脑卒中患者复健fes信号精确定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物医学工程、计算机技术、通信领域，具体公开了一种脑卒中患者复健FES信号精确定位方法，包括步骤：穿戴动力外骨骼，定义传感器参数，健侧关节运动，记录健侧关节的运动数据和相邻肢体的肌电信号数据，计算出患侧关节的对应动作数据以及FES作用时间和作用点。本发明的信号精确定位方法通过患者健侧关节动作确定患侧关节功能性电刺激部位和时序，而不是通过康复师的经验来确定；通过延时镜像的原理，使每位病人都得到适合自己身体情况的电刺激时间和作用位置，患者受到的FES刺激使患者患关产生的动作与正常肢体的动作更为接近，可以更好的提高大脑镜像神经元激活程度，促进病人康复，同时能够在一定程度上帮助中风病人康复过程中步态的纠正。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学工程、计算机技术、通信领域，具体公开了一种脑卒中患者复健FES信号精确定位方法。
背景技术
随着生活水平的提高及生育意识的改变，人口老龄化问题越来越严重，许多老人由于中风等原因造成身体瘫痪，使晚年生活造成极大不便。中风瘫痪患者通过大量的康复训练可以激发大脑的可塑性，恢复一定的运动能力，实现生活自理，提高生活质量，最大程度的回归社会，为子女和家人减轻负担。目前下肢康复训练绝大部分需要治疗师实时检测患者，人为纠正康复运动动作，这种康复训练缺少量化指标，在人为纠正过程中会有纠正不准确问题，严重影响康复训练效果，且由于缺乏有经验的治疗师，导致治疗效率低下，费用高昂，人工成本大。
近几年，随着脑卒中患者康复治疗手段增多，对下肢患侧施加功能性电刺激（FES）成为一种重要的治疗方法。但目前进行电刺激的部位仍然通过康复师的经验采用统一控制，而忽略了不同的人神经分部各异这一重要因素，会导致康复训练效果不佳甚至会造成对病人不可逆的伤害，想要针对个人的FES治疗刺激部位进行精确定位，需要有经验的治疗师配合在每次治疗时均进行重新定位，费时费力，容易出错或是定位不准确。
发明内容
为了克服现有的FES治疗刺激点定位不准确、人工定位费事费力且准确率低的问题，本发明提供一种脑卒中患者复健FES信号精确定位方法。
本发明采用的技术方案是：一种脑卒中患者复健FES信号精确定位方法，包含安装在人体对称的健侧关节和患侧关节外侧的动力外骨骼，以及预设有复健方法的算法和控制程序的复健系统，动力外骨骼包括位于健侧关节一侧的角度传感器、位于健侧关节肢体端头的压力传感器和位于患侧关节的FES电极矩阵，实现精确定位的方法包含步骤如下：
S1.患者佩戴上动力外骨骼，启动复健系统，定义时间增量∆t、健侧关节运动时间t1、患侧关节运动时间t2、运动幅度d和运动速度s，设定健侧关节和患侧关节与动力外骨骼的对应位置关系，患侧关节动力外骨骼内的FES电极矩阵紧贴患侧关节相邻肢体的各肌肉群；
S2.首先健侧关节开始动作，复健系统通过健侧关节肢体端头的压力传感器检测到的压力值，判定压力是否达到最大值，健侧关节处的角度传感器检测健侧关节的运动角度信息，从而确定健侧关节运动的运动幅度d、健侧关节运动时间t1，计算出运动速度s和相比于上一健侧关节运动的时间增量∆t；
S3.复健系统根据患侧关节模仿健侧关节运动的原则，通过时间增量∆t、运动幅度d和运动速度s计算出患侧关节运动时间t2，以及患侧关节各肌肉群FES电极矩阵的通电时序，并根据健侧关节的运动姿态模型计算出患侧关节的FES电极矩阵作用位置和作用时长。
作为优选的，所述的步骤S1中，还包括子步骤如下：
B1.当患者患侧关节的肢体相比于健侧关节的肢体有一定萎缩或浮肿时，测量两个肢体最粗处的直径比，确定患侧关节相比健侧关节的肢体膨胀系数al；
B2.根据膨胀系数al计算出患侧关节对比健侧关节的各肌肉群FES电极矩阵的作用点偏移量；
所述的步骤S3还包含子步骤如下：
C1.根据患侧关节FES电极矩阵的作用点偏移量，进而确定患侧关节的FES电极矩阵的FES作用点的准确位置。
本发明的有益效果是：该信号精确定位方法通过患者健侧关节动作确定患侧关节功能性电刺激部位、作用时长和时序，而不是通过康复师的经验来确定；通过延时镜像的原理，使每位病人都得到适合自己身体情况的电刺激时间和作用位置，患者受到的FES刺激使患者患关产生的动作与正常肢体的动作更为接近，可以更好的提高大脑镜像神经元激活程度，促进病人康复，同时能够在一定程度上帮助中风病人康复过程中步态的纠正。
附图说明
图1是本发明的系统流程图。
图2是本发明的设备穿戴正视图。
图3是本发明的设备穿戴侧视图。
图4是本发明的设备穿戴后视图。
图5是本发明的脚底压力传感器示意图。
图中：1、健侧关节，2、患侧关节，3、角度传感器，4、FES电极矩阵，5、压力传感器。
具体实施方式
参见图1至图5，本发明是一种脑卒中患者复健FES信号精确定位方法，本实施例以半侧下肢瘫痪的脑卒中患者为例，针对双腿的复健治疗过程中运用本方法。
本实施例作用于安装在患者健侧关节1和患侧关节2外侧的双腿动力外骨骼，亦可适用在单侧复健的双臂动力外骨骼；动力外骨骼包括内置安装或者外置电脑安装的预设有所需算法和控制程序的复健系统，动力外骨骼上设有三个角度传感器3、多个速度传感器、多个FES电极矩阵4和一个压力传感器5。
压力传感器5的型号是FSR 402型压力传感器（lnterlink Electronics 公司），用于检测健侧关节1运动信息，设于健侧关节1脚底。通过复健系统记录压力传感器5的实时读数，正常的关节弯曲动作中，在复健系统中记录的压力数值函数曲线是其达到最大值并开始递减时，可以判定压力达到了极大值的时间。
角度传感器3型号是采用精度高、质量轻的角度传感器，设于踝关节、膝关节、髋关节外侧面，在关节运动时，机械外骨骼跟随人体的肢体一起运动，位于机械外骨骼关节处的角度传感器3可以检测出机械外骨骼对应关节的实时弯曲角度，从而可以确定人体该对应关节的运动角度。
速度传感器采用三轴陀螺仪，设于大腿上和小腿上，用于检测安装部位的运动实时加速度速度，用以辅助复健系统更精确的识别运动姿态和运动时间。
FES电极矩阵4采用多行多列的金属电极设于柔性绝缘材料的表面，每个作用点分别与控制电路连接，用于输出FES电信号，每个金属电极通过单独的导线与复健系统的FES信号输出接口连接。
参见图1，实现精确定位的方法包含步骤如下：
S1.患者佩戴上双腿动力外骨骼，启动复健系统，定义时间增量∆t、健侧关节1运动时间t1、患侧关节2运动时间t2、步幅d、步速s，设定健侧关节1和患侧关节2对应双腿动力外骨骼的位置关系，患侧关节2动力外骨骼内侧的FES电极矩阵4紧贴患侧关节2的各肌肉群；
S2.首先健侧关节1开始动作，复健系统通过压力传感器5检测健侧脚底压力值，判定压力是否达到极大值，健侧关节1外侧的角度传感器检测健侧关节1运动信息，从而确定健侧关节1运动的运动幅度d、健侧关节运动时间t1，计算出运动速度s，以及健侧关节1相比于上一健侧关节1迈步的时间增量∆t；
S3.复健系统根据患侧关节2模仿健侧关节1运动的原则，通过时间增量∆t、运动幅度d和运动速度s计算出患侧关节2的动力外骨骼动作， 以及患侧关节2各肌肉群是否应受到功能性电刺激，进一步确定患侧关节2的FES电极矩阵4中各作用点的通电时间及各作用点相互配合的刺激序列。
患侧关节2的运动时间根据公式t2=t1+∆t/2，患侧关节2的动作落后于健侧关节1的时间是（t1+t2）/2。
当患者的双腿有不对称的肿胀或者萎缩时，本方法的步骤S1中，还包括子步骤如下：
B1.当患者患侧关节2部相比于健侧关节1有一定萎缩或浮肿时，测量双腿最粗处直径比，确定患侧关节2相比健侧关节1的膨胀系数al；
B2.根据膨胀系数al计算出患侧关节2对比健侧关节1的各肌肉群FES电极矩阵4的作用点偏移量；
步骤S3还包含子步骤如下：
C1.根据患侧关节2FES电极矩阵4的作用点偏移量，进而确定患侧关节2的FES电极矩阵4的FES作用点在矩阵中的准确位置。
参见图1至图5，当患者刚开始运动时，t1从0开始逐渐增加，∆t大于0，运动速度s逐渐增大，患侧关节2的运动时间t2随着t1的增加逐渐增加，运动幅度d则根据患者的动作幅度变化；当患者开始匀速步行时，∆t趋近于0，t2随着∆t的变化逐渐微调；当患者打算结束本次步行时，减慢健侧关节1的迈运动速度度，此时∆t为负，t2随着t1的增加逐渐减小，直至站定。
在双腿动力外骨骼辅助行走的过程中，针对不同的患者的行走习惯，通过预设程序，镜像计算出患侧关节2最适合的功能性电刺激（FES）部位和刺激时序，进而确定FES电极矩阵中各作用点工作的时间及相互配合序列，使每位病人都得到适合自己身体情况的电刺激时间和区域，这种方法使患者患侧关节部能因受到功能性电刺激的作用做出的动作与正常人相似，可以更好的提高大脑镜像神经元激活程度，促进病人康复，同时能够在一定程度上帮助中风病人康复过程中步态的纠正。
Claims (1)
1.一种脑卒中患者复健FES信号精确定位方法，包含安装在人体对称的健侧关节和患侧关节外侧的动力外骨骼，以及预设有复健方法的算法和控制程序的复健系统，动力外骨骼包括位于健侧关节一侧的角度传感器（3）、位于健侧关节肢体端头的压力传感器（5）和位于患侧关节的FES电极矩阵（4），其特征在于实现精确定位的方法包含步骤如下：
S1.患者佩戴上动力外骨骼，启动复健系统，设定健侧关节和患侧关节与动力外骨骼的对应位置关系，患侧关节动力外骨骼内的FES电极矩阵（4）紧贴患侧关节相邻肢体的各肌肉群；
S2.首先健侧关节开始动作，复健系统通过健侧关节肢体端头的压力传感器（5）检测到的压力值，判定压力是否达到最大值，健侧关节处的角度传感器检测健侧关节的运动角度信息，从而确定健侧关节运动的运动幅度d、健侧关节运动时间t1，计算出运动速度s和检测关节相比于其上一次运动的时间增量∆t；
S3.复健系统根据患侧关节模仿健侧关节运动的原则，通过时间增量∆t和健侧关节运动时间t1计算出患侧关节运动时间t2，其中，t2=t1+∆t/2，以及通过预设程序，镜像计算出患侧关节的功能性电刺激部位和刺激时序，进而确定FES电极矩阵中各作用点工作的时间及作用点相互配合的刺激序列；
所述的步骤S1中，还包括子步骤如下：
B1.当患者患侧关节的肢体相比于健侧关节的肢体有一定萎缩或浮肿时，测量两个肢体最粗处的直径比，确定患侧关节相比健侧关节的肢体膨胀系数al；
B2.根据膨胀系数al计算出患侧关节对比健侧关节的各肌肉群FES电极矩阵（4）的作用点偏移量；
所述的步骤S3还包含子步骤如下：
C1.根据患侧关节的FES电极矩阵（4）的作用点偏移量，进而确定患侧关节的FES电极矩阵（4）的FES作用点的准确位置。
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