CN113509640A - 基于眼动控制的功能性电刺激系统及其使用方法 - Google Patents

基于眼动控制的功能性电刺激系统及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于功能性电刺激技术领域，更具体地，涉及一种基于眼动控制的功能性电刺激系统及其使用方法。一种基于眼动控制的功能性电刺激系统，该系统包括获取眼动数据的眼动追踪系统，对刺激波形、刺激参数和刺激电极状态进行控制的控制系统，产生设定波形并激活电极的功能性电刺激装置以及阵列电极；所述眼动追踪系统与所述功能性电刺激装置均通过USB与控制系统连接，所述阵列电极与所述功能性电刺激装置连接。

Description

基于眼动控制的功能性电刺激系统及其使用方法
技术领域
本发明属于功能性电刺激技术领域，更具体地，涉及一种基于眼动控制的功能性电刺激系统及其使用方法。
背景技术
脑卒中是我国成年人致死和致残的重要原因，进行一些科学的康复训练可以帮助脑卒中患者缩短康复周期，具有重大的研究价值。
功能性电刺激(functional electrical stimulation,FES)是利用表面或植入电极对已经麻痹的肌肉的完好的周围运动神经施加电流可使其产生收缩从而恢复患者神经和肌肉系统功能的一种技术。
功能性电刺激的效果首先取决于所使用的电极。目前使用的电极主要有两种：植入式电极和表面电极。其中植入式电极需要进行手术，创伤较大，不适合广泛使用。表面式电极具有使用方便而且无创等优点，但是它的刺激准确度较差，难以达到理想的刺激效果。
另外，现有的表面功能性电刺激装置患者全部被动接受刺激，没有充分调动患者注意力。随着视线跟踪技术的逐渐成熟，眼动控制的使用也越来越广泛。采用眼动控制可以修改刺激位置，也可以充分调动患者的注意力，既往研究还未见将其与功能性电刺激结合使用。
发明内容
针对上述现有技术的不足之处，本发明提出一种基于眼动控制的功能性电刺激系统，采用了表面阵列电极，通过建立眼动追踪系统和电刺激装置之间的数据通信，可以对单个电极的状态进行控制，随着不同电极被激活，可以实现刺激位置和刺激范围的动态调整，并且在刺激过程中，患者主动参与，充分调动其注意力。
一种基于眼动控制的功能性电刺激系统，该系统包括获取眼动数据的眼动追踪系统，对刺激波形、刺激参数和刺激电极状态进行控制的控制系统，产生设定波形并激活电极的功能性电刺激装置以及阵列电极；所述眼动追踪系统与所述功能性电刺激装置均通过USB与控制系统连接，所述阵列电极与所述功能性电刺激装置连接，所述控制系统包含两个控制程序，一个是能对刺激波形、刺激参数和刺激电极进行设置的电刺激控制程序，一个是能根据人眼注视坐标修改电极状态的电极显示界面。
本技术方案进一步的优化，所述眼动追踪系统包括两个瞳孔摄像头和一个场景摄像头分别用于获取人眼图像和场景图像，用于计算人眼的注视坐标，进而通过眼动控制电极状态。
本技术方案进一步的优化，所述眼动追踪系统通过瞳孔检测算法检测人眼的瞳孔坐标，通过坐标变换计算人眼在所述电极显示界面上的注视坐标。
本技术方案更进一步的优化，所述瞳孔检测算法利用梯度法提取瞳孔边缘，一副图像f(x,y)在像素点(x,y)的一阶导数
Figure BDA0003162721260000021
定义如下：
Figure BDA0003162721260000022
采用Sobel算子进行边缘检测，Sobel算子为
Figure BDA0003162721260000023
梯度分量gx和gy计算方法为：
Figure BDA0003162721260000024
Figure BDA0003162721260000025
梯度的幅度M(x,y)计算如下：
M(x,y)≈|gx|+|gy|
采用改进的霍夫圆变换来拟合瞳孔边界，在圆周任取A、B、C三点，对应坐标分别为(xA,yA)，(xB,yB)，(xC,yC)，中垂线lAB和lBC的表达式：
Figure BDA0003162721260000026
Figure BDA0003162721260000027
得到圆心(a,b)和半径r分别为：
Figure BDA0003162721260000028
Figure BDA0003162721260000029
得到瞳孔中心的坐标为(a,b)。
本技术方案更进一步的优化，对所述电极显示界面进行标定可以获得电极显示界面的左上角和右下角在场景坐标系中的坐标，分别为(a1,b1)和(a2,b2)，可以计算得到电极显示界面在场景坐标系中的高度H和宽度W分别为：
H＝b2-b1
W＝a2-a1
在标定完成后根据实时传入的图像数据获得人眼瞳孔在场景坐标系中的注视点坐标(Pupil_a,Pupil_b)，人眼注视点在电极显示界面坐标系中的坐标(A,B)为：
Figure BDA0003162721260000031
Figure BDA0003162721260000032
公式中，width，height分别为电极显示界面的实际宽度和长度。
本技术方案进一步的优化，所述功能性电刺激装置由刺激波形的生成电路和能够自由切换刺激电极的电极选择电路组成，该装置根据设定信息产生刺激波形，并激活已选择的电极。
本技术方案进一步的优化，功能性电刺激装置设有对功能性电刺激进行控制的电刺激控制界面，通过所述电刺激控制界面，可以对刺激时采用的波形、电压、频率和占空比等参数进行设置，也可对每个电极的状态进行设定。
本技术方案更进一步的优化，所述系统对阵列电极状态的控制方式有两种：
第一，直接在所述电刺激控制界面选择各个电极的状态；
第二，所述电刺激控制界面还包含一个眼动控制按钮，按下按钮即可切换为眼动控制模式，通过注视电极显示界面改变各个电极的状态。
本技术方案更进一步的优化，所述眼动控制电极状态时，电极状态的改变顺序为关闭、高电势、低电势、关闭。
基于眼动控制的功能性电刺激控制系统的使用方法，包括如下步骤，
步骤1：将电极片上涂上电极膏，贴放电极片，然后戴上眼动追踪系统，调整位置直到眼动追踪系统能准确检测人眼瞳孔的位置，然后进行电极显示界面的位置标定；
步骤2：启动电刺激控制程序，将控制模式切换为眼动控制；
步骤3：根据预设的刺激效果设置刺激参数，且可以通过眼动控制改变刺激电极的状态，当人眼在某一区域停留2s及以上，该区域状态就会发生一次改变；
步骤4：按住功能性电刺激装置的开关，根据所述设定信息产生的刺激波形通过电极对所述患侧部位进行刺激，松开开关，刺激停止。
区别于现有技术，本发明包括一个能实时追踪注视点位置的眼动追踪系统和一个带有阵列电极的功能性电刺激装置。本发明通过电刺激装置生成双相脉冲信号，能够实现瘫痪患者的主动运动功能康复，并且可以使用眼动控制修改各个刺激电极的状态，从而能实现刺激位置和刺激范围的动态调整，同时也能充分调动患者的自主训练意识。本发明提出的技术方案可以通过眼动控制电刺激装置，可以实现刺激位置和刺激范围的动态调整。
附图说明
图1为基于眼动控制的功能性电刺激系统的整体结构图；
图2为基于眼动控制的功能性电刺激系统的控制流程图；
图3为电极显示界面示意图；
图4为本发明使用方法的流程图。
附图标记说明：
11、眼动追踪系统，
12、控制系统，
13、功能性电刺激装置；
14、阵列电极。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
参阅图1所示，为本发明优选实施例基于眼动控制的功能性电刺激系统的整体结构图，该实施例包括获取眼动数据的眼动追踪系统11，对刺激波形、刺激参数和刺激电极状态进行控制的控制系统12、产生设定波形并激活电极的功能性电刺激装置13以及阵列电极14。所述眼动追踪系统11与所述功能性电刺激装置13均通过USB与所述控制系统12连接，所述阵列电极14与所述功能性电刺激装置13连接。
眼动追踪系统11通过瞳孔检测算法检测人眼的瞳孔坐标，通过坐标变换计算人眼在电极显示界面上的注视点。刺激波形的刺激参数和阵列电极14状态的设定信息被转换为控制信号然后通过串行通信发送到功能性电刺激系统中的处理器，功能性电刺激装置13根据控制信号产生电刺激。
功能性电刺激装置13设有一个对功能性电刺激进行控制的电刺激控制界面，通过所述电刺激控制界面，可以对刺激时采用的波形、电压、频率和占空比等参数进行设置，也可对每个电极的状态进行设定。采用眼动控制电极状态时，电极状态的改变顺序为关闭、高电势、低电势、关闭。
控制系统12对阵列电极14状态的控制方式有两种：
第一，可以直接在所述电刺激控制界面选择各个电极的状态；
第二，所述电刺激控制界面还包含一个眼动控制按钮，按下按钮即可切换为眼动控制模式，通过注视电极显示界面改变各个电极的状态，不需要手动操作。
采用眼动控制电极状态时，电极状态的改变顺序为关闭、高电势、低电势、关闭。
如图2所示，为本发明优选实施例基于眼动控制的功能性电刺激系统的控制流程图。眼动仪通过两个瞳孔摄像头和一个场景摄像头分别记录瞳孔图像和场景图像，用于计算人眼的注视坐标，进而通过眼动控制电极状态，这些图像数据通过串行通信传入处理眼动数据的软件D-Lab中。
D-Lab软件通过瞳孔检测算法检测人眼的瞳孔坐标，通过坐标变换计算人眼在电极显示界面上的注视点，并将每个注视区域与每个电极对应。所述瞳孔检测算法利用梯度法提取瞳孔边缘，一副图像f(x,y)在像素点(x,y)的一阶导数
Figure BDA0003162721260000051
定义如下：
Figure BDA0003162721260000052
采用Sobel算子进行边缘检测，Sobel算子为
Figure BDA0003162721260000053
梯度分量gx和gy计算方法为：
Figure BDA0003162721260000061
Figure BDA0003162721260000062
梯度的幅度M(x,y)计算如下：
M(x,y)≈|gx|+|gy|
采用改进的霍夫圆变换来拟合瞳孔边界，在圆周任取A、B、C三点，对应坐标分别为(xA,yA)，(xB,yB)，(xC,yC)中垂线lAB和lBC的表达式：
Figure BDA0003162721260000063
Figure BDA0003162721260000064
得到圆心(a,b)和半径r分别为：
Figure BDA0003162721260000065
Figure BDA0003162721260000066
得到瞳孔中心的坐标为(a,b)
D-Lab软件使用前进行标定可以获得电极显示界面的左上角和右下角在场景坐标系中的坐标，分别为(a1,b1)和(a2,b2)，可以计算得到电极显示界面在场景坐标系中的高度H和宽度W分别为：
H＝b2-b1
W＝a2-a1
在标定完成后根据实时传入的图像数据获得人眼瞳孔在场景坐标系中的注视点坐标(Pupil_a,Pupil_b)，人眼注视点在电极显示界面坐标系中的坐标(A,B)为：
Figure BDA0003162721260000067
Figure BDA0003162721260000068
公式中，width，height分别为使用电极显示界面的实际宽度和长度，在本实施例中使用的电极显示界面大小为width＝1920，height＝1080。
注视点坐标(A,B)通过TCP实时的传入电极显示界面程序中。
电极显示界面通过注视点坐标判断注视点在屏幕中的停留区域，当注视点在同一区域停留超过两秒时，该区域的状态发生一次改变。
参阅图3所示，为电极显示界面示意图。电极显示界面被划分为多个区域，分别对应功能性电刺激装置的多个电极，便于通过眼动控制改变各个电极的状态。电极显示界面有关闭、高电势和低电势三种状态分别对应于三种颜色；电极显示界面程序将各个区域的状态信息通过程序间的管道通信传入FES控制程序中。
FES控制程序将区域状态转换为对应电极状态信号，同时接收波形参数的设定信息，并将所有的信息换为一串控制信号通过串行通信发送到功能性电刺激装置。
功能性电刺激装置中的电路依据接收到的控制信号产生相应波形并传输到指定电极。
如图4所示，在本实施例中，基于眼动控制的功能性电刺激系统按照如下步骤使用：
步骤1：将电极片上涂上电极膏，合理贴放电极片，然后戴上眼动追踪系统11。调整位置直到眼动追踪系统11能准确检测人眼瞳孔的位置，然后进行屏幕位置标定。
步骤2：启动电刺激控制程序和电极显示界面程序，将控制模式切换为眼动控制。
步骤3：根据想要的刺激效果设置刺激参数，且可以通过眼动控制改变刺激电极的状态。当人眼在某一区域停留2s及以上，该区域状态就会发生一次改变。
步骤4：按住功能性电刺激装置的开关，根据所述设定信息产生的刺激波形通过电极对所述患侧部位进行刺激，松开开关，刺激停止。
根据需要，可重复进行步骤3至4，不同个体可采用不同的刺激电压和刺激位置。
利用该实施例进行手部运动康复训练，使用者通过眼动自由切换刺激位置和电极状态，可以在刺激下完成单个手指屈曲、伸展以及握拳张开等手部动作，且关节活动范围能达到正常关节活动范围的93％以上，能够满足日常生活的需要。
在所有刺激过程中，关节运动速度适宜，无异常情况出现。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。
尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于眼动控制的功能性电刺激系统，其特征在于，该系统包括获取眼动数据的眼动追踪系统，对刺激波形、刺激参数和刺激电极状态进行控制的控制系统，产生设定波形并激活电极的功能性电刺激装置以及阵列电极；所述眼动追踪系统与所述功能性电刺激装置均通过USB与控制系统连接，所述阵列电极与所述功能性电刺激装置连接，所述控制系统包括根据人眼注视坐标修改电极状态的电极显示界面。
2.如权利要求1所述的基于眼动控制的功能性电刺激系统，其特征在于：所述眼动追踪系统包括两个瞳孔摄像头和一个场景摄像头分别用于获取人眼图像和场景图像，用于计算人眼的注视坐标，进而通过眼动控制电极状态。
3.如权利要求1所述的基于眼动控制的功能性电刺激系统，其特征在于：所述眼动追踪系统通过瞳孔检测算法检测人眼的瞳孔坐标，通过坐标变换计算人眼在控制系统的电极显示界面上的注视坐标。
4.如权利要求3所述的基于眼动控制的功能性电刺激系统，其特征在于：所述瞳孔检测算法利用梯度法提取瞳孔边缘，一副图像f(x,y)在像素点(x,y)的一阶导数
Figure FDA0003162721250000011
定义如下：
Figure FDA0003162721250000012
采用Sobel算子进行边缘检测，Sobel算子为
Figure FDA0003162721250000013
梯度分量gx和gy计算方法为：
Figure FDA0003162721250000014
Figure FDA0003162721250000015
梯度的幅度M(x,y)计算如下：
M(x,y)≈|gx|+|gy|
采用改进的霍夫圆变换来拟合瞳孔边界，在圆周任取A、B、C三点，对应坐标分别为(xA,yA)，(xB,yB)，(xC,yC)，中垂线lAB和lBC的表达式：
Figure FDA0003162721250000021
Figure FDA0003162721250000022
得到圆心(a,b)和半径r分别为：
Figure FDA0003162721250000023
Figure FDA0003162721250000024
得到瞳孔中心的坐标为(a,b)。
5.如权利要求4所述的基于眼动控制的功能性电刺激系统，其特征在于：所述控制系统包括能修改每个电极状态的电极显示界面，使用前进行标定可以获得电极显示界面的左上角和右下角在场景坐标系中的坐标，分别为(a1,b1)和(a2,b2)，可以计算得到电极显示界面在场景坐标系中的高度H和宽度W分别为：
H＝b2-b1
W＝a2-a1
在标定完成后根据实时传入的图像数据获得人眼瞳孔在场景坐标系中的注视点坐标(Pupil_a,Pupil_b)，人眼注视点在电极显示界面坐标系中的坐标(A,B)为：
Figure FDA0003162721250000025
Figure FDA0003162721250000026
公式中，width，height分别为使用电极显示界面的实际宽度和长度。
6.如权利要求1所述的基于眼动控制的功能性电刺激系统，其特征在于：所述功能性电刺激装置由刺激波形的生成电路和能够自由切换刺激电极的电极选择电路组成，该装置根据设定信息产生刺激波形，并激活已选择的电极。
7.如权利要求1所述的基于眼动控制的功能性电刺激系统，其特征在于：所述功能性电刺激装置设有对功能性电刺激进行控制的电刺激控制界面，通过所述电刺激控制界面，可以对刺激时采用的波形、电压、频率和占空比等参数进行设置，也可对每个电极的状态进行设定。
8.如权利要求7所述的基于眼动控制的功能性电刺激系统，其特征在于：所述系统对阵列电极状态的控制方式有两种：
第一，直接在所述电刺激控制界面选择各个电极的状态；
第二，所述电刺激控制界面还包含一个眼动控制按钮，按下按钮即可切换为眼动控制模式，通过注视电极显示界面改变各个电极的状态。
9.如权利要求8所述的基于眼动控制的功能性电刺激系统，其特征在于：所述眼动控制电极状态时，电极状态的改变顺序为关闭、高电势、低电势、关闭。
10.基于眼动控制的功能性电刺激控制系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤1：将电极片上涂上电极膏，贴放电极片，然后戴上眼动追踪系统，调整位置直到眼动追踪系统能准确检测人眼瞳孔的位置，然后进行显示屏位置标定；
步骤2：启动电刺激控制程序和电极显示界面程序，将控制模式切换为眼动控制；
步骤3：根据预设的刺激效果设置刺激参数，且可以通过眼动控制改变刺激电极的状态，当人眼在某一区域停留2s及以上，该区域状态就会发生一次改变；
步骤4：按住功能性电刺激装置的开关，根据所述设定信息产生的刺激波形通过电极对所述患侧部位进行刺激，松开开关，刺激停止。
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