CN110522999B - 具有疲劳评估功能的电刺激系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种具有疲劳评估功能的电刺激系统，包括：复用电极片、EIM激励电流模块、FES刺激电流模块、控制模块和采集模块；所述复用电极片分别连接EIM激励电流模块、FES刺激电流模块和采集模块；所述EIM激励电流模块用于产生激励电流信号；所述FES刺激电流模块用于产生FES刺激信号。具有反馈控制过程简单，静息时测量过程稳定、鲁棒性好、不易受到外界因素的干扰的优势，其反馈信号的幅值大、频率可控、预处理简单。本发明方案在电刺激系统基础上，增加EIM检测环节，将受刺激的局部肌肉疲劳状态实时反馈给系统，避免出现因肌肉疲劳而过度治疗，提高康复效果。
Description
技术领域
本发明涉及电刺激装置领域，尤其涉及一种具有疲劳评估功能的电刺激系统。
背景技术
中国专利（申请号：201510313665.2）提出一种以肌电信号反馈的功能性电刺激闭环控制系统及方法，其通过计算被刺激对象的肌电信号的绝对平均幅值，完成对电刺激的脉冲数的闭环控制调节；该发明提高了闭环功能性电刺激系统的控制精度，实现了肌电信号反馈的功能性电刺激自适应控制。中国专利（申请号：201710905850.X）提出一种基于肌电生物反馈的电刺激闭环系统，其能够实时检测患者肌电水平，并根据肌电水平实时调节刺激电路输出模式，给予相应电刺激干预，从而提升治疗效果。中国专利（申请号：201710296630.1）提出一种基于肌电反馈的多通道刺激装置，其将电刺激与肌电检测软硬件集成形成闭环控制系统，电刺激输出基于相应肌肉肌电信号的检测分析反馈，肌电与电刺激电极分时共用配合度高，兼容性好，在临床上可以达到精确定位与诊断以及靶向刺激治疗的目的。中国专利（申请号：201610826790.8）提出一种基于歩态识别的功能性肌肉电刺激助行装置，其功能性神经肌肉电刺激器的输出端连接表面肌肉刺激电极，通过歩态采集系统识患者的歩态。该发明可实现在线实时反馈的闭环功能性肌肉电刺激的调控，可以起到更佳的助行和康复效果。中国专利（申请号：201510316995.7）提出基于人工与自主控制融合的功能性电刺激运动康复系统及方法，通过前馈控制器根据设定的关节角度生成一个初始电刺强度，之后由阻抗控制器实现自主力与功能性电刺激的协同工作。该发明将受试者的自主运动意识融合到康复训练中，实现有效的运动训练。
以表面肌电作为系统的反馈信号主要是通过采集患者的表面肌电信号（sEMG）来评估患者当前被刺激局部肌肉的疲劳状态来实现对电刺激强度调节的目的。但是sEMG信号微弱、频率较宽，易受到运动噪声、电磁干扰、电极接触阻抗等因素影响，在信号采集、处理和传输等方面较为复杂，需要专业人士在医疗或康复机构开展，使用成本较高、且受时间地点的约束。另一方面，部分患者的患侧肌肉很难检测出sEMG，因此采用该方法的疲劳监测失去作用效果。另外一种是基于轨迹和跟踪控制的方法实现对患者电刺激参数的实时调控。这类方法主要是通过软件算法实现对刺激部位运动轨迹的跟踪，比如患者步态、关节角度等。但是电刺激下的被刺激肌肉存在着滞后性、非线性和时变性等特性以及肌肉疲劳等原因，使得该方法中的算法控制模型不可避免的出现较大的预测误差，使得闭环系统的电刺激治疗效果并不理想。
发明内容
现有的功能性电刺激反馈系统主要有基于表面肌电信号和基于轨迹跟踪控制的两种方法。这两种方法测量操作较复杂，对软硬件的要求较高。且有些患者很难检测出表面肌电信号，因此基于表面肌电信号的电刺激系统普适性不高。本发明从简化测量过程，提高刺激治疗效果，让系统能适用于大部分的角度出发，提出一种具有肌肉疲劳评估功能的电刺激系统。本系统以EIM信号作为系统的实时反馈信号，可以根据不同个体同步更新系统的初始阻抗值。系统通过初始阻抗值的不同，选择不同的电刺激输出强度。随着肌肉疲劳程度的加深，阻抗值不断变化，系统实时调节电刺激输出强度。
针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种具有新型结构的具有疲劳评估功能的电刺激系统，本系统从简化测量过程，提高刺激治疗效果，让系统能适用于大部分患者的角度出发，以EIM（Electrical Impedance Myography）信号（具体体现在被刺激局部肌肉的阻抗）作为系统的实时反馈调节信号，通过EIM测量方法得到被刺激局部肌肉的阻抗。
在本系统使用时，考虑到使用者的个体差异性，系统可以在电刺激开始时重置的初始阻抗值，并建立阻抗值与电刺激输出强度之间的关联性作为电刺激参数。随着肌肉疲劳程度的加深，系统不断监测使用者的阻抗值的变化量，并根据阻抗变化值调节电刺激输出参数。即，先选择激励电流信号通过EIM方法得到相应被刺激局部肌肉的阻抗值（阻抗是由电阻和电抗共同组成的复数形式 Z =R +jX）。测得局部肌肉阻抗值后，系统将激励电流信号切换成FES刺激信号并根据阻抗值对局部肌肉输出相应的功能性电刺激(FunctionalElectrical Stimulation，FES)强度。其中，激励电流信号与FES刺激信号复用一对电极。
其具体采用以下技术方案：
一种具有疲劳评估功能的电刺激系统，其特征在于，包括：复用电极片、EIM激励电流模块、FES刺激电流模块、控制模块和采集模块；
所述复用电极片分别连接EIM激励电流模块、FES刺激电流模块和采集模块；
所述EIM激励电流模块用于产生激励电流信号；
所述FES刺激电流模块用于产生FES刺激信号；
所述采集模块用于采集激励电流信号经复用电极片产生的被刺激肌肉的感应电压；所述采集模块连接控制模块；
所述控制模块用于切换EIM激励电流模块或FES刺激电流模块与复用电极片构成电气连接。
优选地，所述控制模块通过感应电压计算获得局部肌肉的阻抗值，并根据所述阻抗值调节FES刺激信号的强度，当阻抗值降低时，为了保证相同的刺激效果，增大FES刺激信号的强度，当阻抗值低于预设的阈值时，断开FES刺激信号。
优选地，所述复用电极片包括第一电极片、第二电极片、第三电极片和第四电极片；所述EIM激励电流模块和FES刺激电流模块复用地连接第一电极片和第四电极片；所述采集模块连接第二电极片和第三电极片。
优选地，所述采集模块包括依次连接的信号放大电路、采集模拟前端电路和AD转换电路；所述信号放大电路连接第二电极片和第三电极片，所述AD转换电路连接控制模块。
优选地，所述复用电极片采用理疗电极片，尺寸为40㎜×10㎜，第一电极片和第二电极片的间距为12mm，第二电极片和第三电极片的间距为24mm，第三电极片和第四电极片的间距为12mm；四片电极片呈一字型排布。
优选地，所述信号放大电路为仪表放大器，其两个输入端分别连接第二电极片和第三电极片。
优选地，所述采集模拟前端电路采用AD637，其管脚13连接仪表放大器的输出端，管脚9连接输出直流电压，接AD转换电路。
优选地，所述EIM激励电流模块包括两个OP17、一个AD844、基准电阻R0和电阻RL；其中，第一OP17的正向输入端接驱动电压，负向输入端接所述基准电阻R0和第二OP17的输出端、负向输入端并接地，输出端接AD844的正向输入端；第二OP17的正向输入端接AD844的输出端；所述基准电阻R0的另一端接AD844的负向输入端；所述AD844的TZ端经电阻RL输出激励电流信号；所述基准电阻R0的阻值为1kΩ，电阻RL的阻值为270Ω。
优选地，所述FES刺激电流模块包括2个2N5401、2个2N5551和6个电阻；其中，第一2N5401的发射极分别接：驱动电压、电阻R2的一端、电阻R3的一端和第二2N5401的发射极，基极分别接：电阻R2的另一端和电阻R10的一端，集电极分别接：电阻R8的一端、第二输出端和第一2N5551的集电极；所述第二2N5401的基极分别接：电阻R3的另一端和电阻R8的另一端，集电极分别接：电阻R10的另一端、第一输出端和第二2N5551的集电极；所述第一2N5551的基极经电阻R18接控制模块的正极性输出端，发射极接第二2N5551的发射极并接地；所述第二2N5551的基极经电阻R19接控制模块的负极性输出端；所述电阻R2、电阻R3、电阻R8、电阻R10、电阻R18、电阻R19的阻值分别为30kΩ、30kΩ、30kΩ、30kΩ、1kΩ、1kΩ。
优选地，所述控制模块分别连接按键模块、显示模块和无线模块。
本发明及其优选方案结构精简、使用方便、成本低廉、性能可靠，具有反馈控制过程简单，静息时测量过程稳定、鲁棒性好、不易受到外界因素的干扰的优势，其反馈信号的幅值大、频率可控、预处理简单。本发明方案的最基本的功能在于，在电刺激系统基础上，增加EIM检测环节，将受刺激的局部肌肉疲劳状态实时反馈给系统，以测得的阻抗值表征使用者的疲劳程度，避免出现因肌肉疲劳而过度治疗，提高康复效果。该系统可用于刺激脑卒中后的严重偏瘫患者的下肢（如不能行走，长期静躺在床上的患者），也可应用在其它偏瘫患者的其他肌肉部位（只是在患者阻抗测量期间不能走动）的电刺激治疗上。在患者静息时用于刺激他们的偏瘫处的局部肌肉，一是防止患者因为长期制动而出现肌肉萎缩，二是逐步恢复偏瘫肌肉的运动功能，提高患者的生活质量。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1是本发明实施例整体方案示意图；
图2是本发明实施例整体结构示意图；
图3是本发明实施例采集模拟前端电路原理示意图；
图4是本发明实施例信号放大电路原理示意图；
图5是本发明实施例EIM（电流）模块电路原理示意图；
图6是本发明实施例FES（电流）模块电路原理示意图；
图7是本发明实施例测试结果示意图（静息状态40%MVC负重下，MF与R的对比趋势图）。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：
如图1-图6所示，本实施例方案包括：复用电极片（用于电刺激和通过EIM方法测量局部肌肉的阻抗值）、EIM激励电流模块、FES刺激电流模块、控制模块和采集模块；
复用电极片分别连接EIM激励电流模块、FES刺激电流模块和采集模块；
EIM激励电流模块用于产生激励电流信号；
FES刺激电流模块用于产生FES刺激信号；
采集模块用于采集激励电流信号经复用电极片产生的被刺激肌肉的感应电压；采集模块连接控制模块，控制模块通过感应电压计算获得局部肌肉的阻抗值；
控制模块用于切换EIM激励电流模块或FES刺激电流模块与复用电极片构成电气连接，并根据阻抗值调节FES刺激信号的强度，当阻抗值降低时，增大FES刺激信号的强度，当阻抗值低于预设的阈值时，断开FES刺激信号。
其中，复用电极片包括第一电极片、第二电极片、第三电极片和第四电极片；EIM激励电流模块和FES刺激电流模块复用地连接第一电极片和第四电极片；采集模块连接第二电极片和第三电极片。其中，电极片的尺寸大小、测量间距和材料选型可以根据实际的应用场合来进行灵活选择。如图2所示，本实施例中，复用电极片采用理疗电极片，尺寸为40㎜×10㎜，第一电极片和第二电极片的间距为12mm，第二电极片和第三电极片的间距为24mm，第三电极片和第四电极片的间距为12mm；四片电极片呈一字型排布，4个电极片以12㎜-24㎜-12㎜的间隔距离粘附被刺激局部肌肉部位。
采集模块包括依次连接的信号放大电路、采集模拟前端电路和AD转换电路；信号放大电路连接第二电极片和第三电极片，AD转换电路连接控制模块。
如图4所示，因为待测信号微弱，为了实现微弱信号的良好放大效果，本实施例中，信号放大电路采用仪表放大器，图4提供了典型的仪表放大器的电路原理示意图，其中具体的差分放大的倍数可以通过选择具体元器件，如各电阻的不同阻值实现调节，其两个输入端分别连接第二电极片和第三电极片。
如图3所示，采集模拟前端电路采用均方根直流转换器AD637，其管脚13连接仪表放大器的输出端，管脚9连接输出直流电压，接AD转换电路，其也可以等效替换为具有相同或近似功能的芯片。
如图5所示，在本实施例中，EIM激励电流模块包括两个运算放大器OP17、一个电流反馈放大器AD844、基准电阻R0和电阻RL；其中，第一OP17的正向输入端接驱动电压，负向输入端接基准电阻R0和第二OP17的输出端、负向输入端并接地，输出端接AD844的正向输入端；第二OP17的正向输入端接AD844的输出端；基准电阻R0的另一端接AD844的负向输入端；AD844的TZ端经电阻RL输出激励电流信号；基准电阻R0的阻值为1kΩ，电阻RL的阻值为270Ω。以上器件也可以等效替换为具有相同或近似功能的电路元件。
如图6所示，在本实施例中FES刺激电流模块包括2个PNP三极管2N5401、2个NPN三极管2N5551和6个电阻；其中，第一2N5401的发射极分别接：驱动电压、电阻R2的一端、电阻R3的一端和第二2N5401的发射极，基极分别接：电阻R2的另一端和电阻R10的一端，集电极分别接：电阻R8的一端、第二输出端和第一2N5551的集电极；第二2N5401的基极分别接：电阻R3的另一端和电阻R8的另一端，集电极分别接：电阻R10的另一端、第一输出端和第二2N5551的集电极；第一2N5551的基极经电阻R18接控制模块的正极性输出端，发射极接第二2N5551的发射极并接地；第二2N5551的基极经电阻R19接控制模块的负极性输出端；电阻R2、电阻R3、电阻R8、电阻R10、电阻R18、电阻R19的阻值分别为30kΩ、30kΩ、30kΩ、30kΩ、1kΩ、1kΩ。以上器件也可以等效替换为具有相同或近似功能的电路元件。通过控制模块产生脉冲系列给NPN三极管Q9和Q10，而该两个晶体管的通断能够使波形产生极性对称，从而实现双极性电刺激脉冲的输出，具体工作原理如下：#define DJL GPIO_Pin_10//双极性波形输出控制引脚1，控制正极性输出；#define DJR GPIO_Pin_11//双极性波形输出控制引脚1，控制负极性输出。
控制模块分别连接按键模块、显示模块和无线模块等附属的外设模块，这些外设模块均采用常规的现有元器件，如按键模块可以采用现有的数字或者PC键盘用于阈值等参数的输入，显示模块可以采用常规的LCD或LED显示屏用于输出基本的提示信息，无线模块则可以采用常规的无线通信模块或者WIFI、蓝牙等模块用于与上位机实现通信和数据交互。
在FES工作期间，通过图1、图2中序号为电极1和4的电极组成一对刺激电极用于刺激患者肢体中的局部肌肉；刺激一段时间后（比如刺激1分钟或者30秒后停止电刺激，让患者休息10秒），在患者休息期间通过EIM方法以通过图1、图2中序号为电极1和4的作为激励电流电极，电极2和3作为感应电压电极，将采集到的被刺激局部肌肉信号通过模拟前端采集电路，经由AD转换后传入到控制模块中处理。因为患者本身的个体差异性，每个患者个体本身的阻抗值都是不一样且每个刺激部位的阻抗值也有可能是不一样的，甚至同一刺激部位因为患者所处的环境不一样（如：环境中温度和湿度改变）其阻抗值都是会发生改变。因此系统需要根据不同患者来重新设定初始阻抗值。在初始阻抗值的基础上来选定相应的电刺激输出参数。整个电刺激过程中系统实时监测患者局部肌肉的阻抗值，且通过阻抗变化值来不断调整系统的输出参数。当系统监测到患者局部肌肉已达到自身疲劳的阈值（该阈值通过阻抗值来表征）时，系统通过外接的蜂鸣器等装置发出警告同时停止电刺激。根据实验测试，在静息状态下用EIM的方法测量局部肌肉疲劳，当个体阻抗在自身初始阻抗的基础上变化一定范围的数值时，表明肌肉已经处于极度疲劳状态，这个规律可以适用于绝大部分的人群。但是这个数值因为个体的差异性，所以每个人变化数值是不同，可以通过重复试验乃至神经网络训练获得不同个体阻抗变化值与电刺激强度之间的关系，在实际应用当中，该种关系可以通过若干次试用测试获得，也可以预制一个保守的参量，确保使用者在过量刺激之前即断开电刺激。本实施例提供一个测试实例，采用EIM方法对肱二头肌进行40%MVC的负重疲劳实验测量，从受试者开始运动到受试者感到肌肉已经相当疲劳时，测得这段运动期间内阻抗值下降7Ω，为避免实际测量中的人为误差，还采用国际“金标准”——表面肌电信号同步测量肌肉疲劳状况来做为参考依据，实验结果如图7所示。将表面肌电信号（Surface Electromyography，sEMG）的平均频率（Mean Frequency，MF）与EIM阻抗的下降规律作对比。两者呈现出较强的一致性。
基于以上提供的装置方案，在本实施例装置方案的具体使用过程中，比如选定患者偏瘫肢体的局部肌肉作为被刺激对象，可以将复用电极片贴附在局部肌肉的皮肤上。通过EIM方法采集得到患者的初始阻抗值，存入系统中，更新系统中的初始阻抗值。然后系统在当前初始值的基础上根据预设的初始阻抗值与电刺激强度之间相关性控制刺激信号电路发出相应的电刺激强度，并在显示模块显示相应的信息（如：阻抗值，刺激强度）。在电刺激休息期间通过EIM方法对被刺激的局部肌肉进行测量并显示在显示模块上。通过EIM方法测量被刺激局部肌肉的当前阻抗值，得到被刺激局部肌肉的阻抗变化值。系统根据阻抗的变化值与电刺激强度的关系算法来调整电刺激输出参数（比如电阻值下降1Ω，电刺激强度在上次强度的基础上增大10%）。EIM的测量方法是由控制电路通过控制刺激信号选择电路发出微弱的激励电流到图2中序号为电极1和4的电极，然后通过图2中序号为电极2和3得到被刺激肌肉的感应电压，之后再通过模拟前端电路将微弱的电压信号放大，进行A/D数据转换后送入控制模块。系统根据欧姆定律得到局部肌肉的阻抗值。控制模块会将多次采集后的阻抗值取平均值来控制刺激信号电路输出相应的电刺激强度。在上述步骤中不断的进行循环电刺激，在电刺激休息期间测量被刺激部位的阻抗值。当阻抗值下降到预设的疲劳阈值时，系统发出预警信号，提示患者肌肉已经极度疲劳并停止电刺激同时提醒患者注意休息。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的具有疲劳评估功能的电刺激系统，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
Claims (6)
1.一种具有疲劳评估功能的电刺激系统，其特征在于，包括：复用电极片、EIM激励电流模块、FES刺激电流模块、控制模块和采集模块；
所述复用电极片分别连接EIM激励电流模块、FES刺激电流模块和采集模块；
所述EIM激励电流模块用于产生激励电流信号；
所述FES刺激电流模块用于产生FES刺激信号；
所述采集模块用于采集激励电流信号经复用电极片产生的被刺激肌肉的感应电压；所述采集模块连接控制模块；
所述控制模块用于切换EIM激励电流模块或FES刺激电流模块与复用电极片构成电气连接；
所述复用电极片包括第一电极片、第二电极片、第三电极片和第四电极片；所述EIM激励电流模块和FES刺激电流模块复用地连接第一电极片和第四电极片；所述采集模块连接第二电极片和第三电极片；
所述EIM激励电流模块包括两个OP17、一个AD844、基准电阻R0和电阻RL；其中，第一OP17的正向输入端接驱动电压，负向输入端接所述基准电阻R0和第二OP17的输出端、负向输入端并接地，输出端接AD844的正向输入端；第二OP17的正向输入端接AD844的输出端；所述基准电阻R0的另一端接AD844的负向输入端；所述AD844的TZ端经电阻RL输出激励电流信号；所述基准电阻R0的阻值为1kΩ，电阻RL的阻值为270Ω；
所述FES刺激电流模块包括2个2N5401、2个2N5551和6个电阻；其中，第一2N5401的发射极分别接：驱动电压、电阻R2的一端、电阻R3的一端和第二2N5401的发射极，基极分别接：电阻R2的另一端和电阻R10的一端，集电极分别接：电阻R8的一端、第二输出端和第一2N5551的集电极；所述第二2N5401的基极分别接：电阻R3的另一端和电阻R8的另一端，集电极分别接：电阻R10的另一端、第一输出端和第二2N5551的集电极；所述第一2N5551的基极经电阻R18接控制模块的正极性输出端，发射极接第二2N5551的发射极并接地；所述第二2N5551的基极经电阻R19接控制模块的负极性输出端；所述电阻R2、电阻R3、电阻R8、电阻R10、电阻R18、电阻R19的阻值分别为30kΩ、30kΩ、30kΩ、30kΩ、1kΩ、1kΩ；
所述控制模块通过感应电压计算获得局部肌肉的阻抗值，并根据所述阻抗值调节FES刺激信号的强度，当阻抗值降低时，增大FES刺激信号的强度，当阻抗值低于预设的阈值时，断开FES刺激信号。
2.根据权利要求1所述的具有疲劳评估功能的电刺激系统，其特征在于：所述采集模块包括依次连接的信号放大电路、采集模拟前端电路和AD转换电路；所述信号放大电路连接第二电极片和第三电极片，所述AD转换电路连接控制模块。
3.根据权利要求1所述的具有疲劳评估功能的电刺激系统，其特征在于：所述复用电极片采用理疗电极片，尺寸为40㎜×10㎜，第一电极片和第二电极片的间距为12mm，第二电极片和第三电极片的间距为24mm，第三电极片和第四电极片的间距为12mm；四片电极片呈一字型排布。
4.根据权利要求2所述的具有疲劳评估功能的电刺激系统，其特征在于：所述信号放大电路为仪表放大器，其两个输入端分别连接第二电极片和第三电极片。
5.根据权利要求4所述的具有疲劳评估功能的电刺激系统，其特征在于：所述采集模拟前端电路采用AD637，其管脚13连接仪表放大器的输出端，管脚9连接输出直流电压，接AD转换电路。
6.根据权利要求1所述的具有疲劳评估功能的电刺激系统，其特征在于：所述控制模块分别连接按键模块、显示模块和无线模块。
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