CN114344720A

CN114344720A - 一种以肌电信号为控制开关的可穿戴功能性电刺激系统

Info

Publication number: CN114344720A
Application number: CN202210038630.2A
Authority: CN
Inventors: 唐伟; 王中林; 徐淑星; 孙林林; 杨岚馨
Original assignee: Jiaxing Qilin Technology Co ltd; Yangtze River Delta Jiaxing Nanotechnology Research Institute
Current assignee: Jiaxing Qilin Technology Co ltd; Yangtze River Delta Jiaxing Nanotechnology Research Institute
Priority date: 2022-01-13
Filing date: 2022-01-13
Publication date: 2022-04-15

Abstract

本发明实施例公开了一种以肌电信号为控制开关的可穿戴功能性电刺激系统，通过检测与小腿步态时序相同的大腿股直肌处皮肤表面的肌电信号，来预知小腿的运动，并将大于某一阈值的肌电信号来作为开启电刺激模块的开关，从而实现与患者意识更加贴合的生物信号来控制脉冲波发生的时序，解决了传统电刺激仪开启时机的不准确性，有效的避免了因多余电刺激而造成的肌肉疲劳，使得该系统的刺激时机更加高效地贴合足下垂患者的行走步态。

Description

一种以肌电信号为控制开关的可穿戴功能性电刺激系统

技术领域

本发明实施例涉及生物医学技术领域，具体涉及一种以表面肌电信号为控制开关的可穿戴功能性电刺激系统。

背景技术

中风已成为世界上最常见的慢性疾病之一。足下垂是中风患者可能出现的后遗症之一，表现为因腿部肌肉收缩无力而难以抬起足尖部分。新兴的功能性电刺激技术，以双相脉冲电流来刺激已丧失功能的肢体，从而引起刺激区域肌肉的收缩，已成为治疗足下垂疾病行之有效的方法。

现有治疗足下垂的功能性电刺激仪多数以足底压力传感器或腿部倾角传感器作为开启开关，存在电刺激开启时间不准确、与实际步态不吻合等问题。该类仪器经常表现出因轻微移动或抖动而开启电刺激的现象，这种不必要的电刺激会过早地引起肌肉疲劳，从而导致长期佩戴时肌肉收缩不明显。因此，优化电刺激开启开关，以实现符合步态规律电刺激信号，对于足下垂的治疗有着巨大的价值和意义。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种以表面肌电信号为控制开关的可穿戴功能性电刺激系统，以解决现有功能性电刺激仪多数以足底压力传感器或腿部倾角传感器作为开启开关，存在电刺激开启时间不准确、与实际步态不吻合等问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种以肌电信号为控制开关的可穿戴功能性电刺激系统，所述系统包括微处理器以及与所述微处理器连接的肌肉电信号采集模块和功能性电刺激模块，所述肌肉电信号采集模块用于采集患腿股直肌表面电信号，所述微处理器模块用于根据采集的肌电信号控制功能性电刺激的开启和关闭，所述功能性电刺激模块用于向患腿胫骨前肌输出电脉冲刺激信号。

进一步地，所述微处理器模块具体用于判断所采集的肌电信号的电压是否超过预设阈值，若超过，则控制功能性电刺激开启，若未超过，则控制功能性电刺激关闭。

进一步地，所述系统还包括用于为各模块进行供电的电源管理系统。

进一步地，所述肌肉电信号采集模块包括差分运放电路、滤波电路、积分电路以及运算放大电路，该模块的两个差分输入端经电极线分别接在目标肌肉两端的皮肤表面，参考端经电极线接肌肉少的部位，结合参考电极中的参考信号，解析出原始的肌肉电信号，后经滤波、积分、运算放大，输入到微处理器的采集端口。

进一步地，所述功能性电刺激模块包括BOOST升压电路和全桥控制电路，该模块经PWM波的驱动发出相应的电脉冲信号，通过脉冲来刺激支配肌肉的神经，进而引起肌肉的收缩。

进一步地，所述电源管理系统包括锂电池、锂电池充电电路、升压电路以及稳压电路，锂电池经过升压、降压电路为整个系统提供正常工作所需要的电压，同时，锂电池充电电路将外界的不同输入值转换为恒压、恒流给锂电池充电，并且自带缺电提醒和充满显示。

进一步地，所述微处理器采用STM32F103RCT6型芯片。

本发明实施例具有如下优点：

本发明实施例提出的一种以肌电信号为控制开关的可穿戴功能性电刺激系统，通过检测与小腿步态时序相同的大腿股直肌处皮肤表面的肌电信号，来预知小腿的运动，并将大于某一阈值的肌电信号来作为开启电刺激模块的开关，从而实现与患者意识更加贴合的生物信号来控制脉冲波发生的时序，解决了传统电刺激仪开启时机的不准确性，有效的避免了因多余电刺激而造成的肌肉疲劳，使得该系统的刺激时机更加高效地贴合足下垂患者的行走步态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施例1提供的一种以肌电信号为控制开关的可穿戴功能性电刺激系统的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的一种以肌电信号为控制开关的可穿戴功能性电刺激系统的工作流程示意图；

图3为本发明实施例1提供的一种以肌电信号为控制开关的可穿戴功能性电刺激系统的微处理器电路图；

图4为本发明实施例1提供的一种以肌电信号为控制开关的可穿戴功能性电刺激系统的肌肉电信号采集模块电路图；

图5为本发明实施例1提供的一种以肌电信号为控制开关的可穿戴功能性电刺激系统的功能性电刺激模块电路图；

图6为本发明实施例1提供的一种以肌电信号为控制开关的可穿戴功能性电刺激系统的电源管理系统电路图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提出了一种以肌电信号为控制开关的可穿戴功能性电刺激系统，该系统包括微处理器3以及与微处理器3连接的肌肉电信号采集模块2和功能性电刺激模块4，肌肉电信号采集模块2用于采集患腿股直肌5表面电信号，微处理器3模块用于根据采集的肌电信号控制功能性电刺激的开启和关闭，功能性电刺激模块4用于向患腿胫骨前肌6输出电脉冲刺激信号。

本实施例中，微处理器3模块具体用于判断所采集的肌电信号的电压是否超过预设阈值，若超过，则控制功能性电刺激开启，若未超过，则控制功能性电刺激关闭。

当患者行走而迈出患腿时，股直肌5上肌肉电信号的电压将大于开启阈值，功能性电刺激模块4将会被开启，所产生的脉冲信号会使受患肌肉产生收缩，进而带动脚尖的运动。当患腿支撑或休息时，股直肌5的肌肉电信号电压将在阈值以下波动，电刺激模块将不会被开启。

附图2是本实施例的电刺激系统的工作程序流程图。股直肌5的电信号实时地输入到肌肉电信号采集模块2，采集模块将处理后的电压输入到微处理器3中，微处理器3会根据电压的幅值进行一些判断。当患者行走而抬起病腿时，股直肌5上的肌电电压会大于阈值1.5V，功能性电刺激将会被开启，该模块所输出的电脉冲信号将会作用在患者病腿的患处。当病腿不运动时，股直肌5上的电压会在阈值以下波动，功能性电刺激将模块不会被开启。

本实施例中，微处理器3由STM32F103RCT6及其外围电路构成。该处理器起到采集肌肉电信号传递的电压、电压幅值的判断、开启功能性电刺激模块4、输出相应的PWM波以及与上位机进行信息交互等作用。如图3所示，微处理器3由STM32F103RCT6及其外围晶振电路、复位电路、程序下载电路以及信号连接端口所组成。其中，STM32F103RCT6芯片内置48KBSRAM、256KB FLASH、3个12位ADC以及51个通用IO口。外部高速晶振为8MHz，程序下载电路为ST-Link下载。该处理器的ADC1以100Hz的采样率实时地采集来自股直肌5的肌肉电信号，并在阈值电压到来时，向功能性电刺激模块4的输入端发出脉冲周期为33.3ms，脉冲宽度分别为400us、200us和50us的PWM波。

肌肉电信号采集模块2包括差分运放电路、滤波电路、积分电路以及运算放大电路，该模块的两个差分输入端经电极线分别接在目标肌肉两端的皮肤表面，参考端经电极线接肌肉少的部位，结合参考电极中的参考信号，解析出原始的肌肉电信号，后经滤波、积分、运算放大，输入到微处理器3的采集端口。

本实施例中，肌肉电信号采集模块2由AD8236仪表放大器、AD8646运算放大器、AD8648运算放大器及其相应的外围电路组成。其中高共模抑制比芯片AD8236与电阻组成一个闭环增益系统，增益大小通过电阻阻值调节。AD8236的两个差分输入端(-IN，+IN)经电极线分别接在目标肌肉两端的皮肤表面，参考端经电极线接肌肉少的部位。两极的差分输入信号在该芯片中经参考信号的解析下，变为能反映肌肉活动情况的原始信号，之后输入后续的运算放大器中。信号在AD8646和AD8648这两个运放芯片中经过滤波、积分、多级运算放大之后，变成能够被微处理器3采集的量级，之后被输入到微处理器3的采集端口。附图4是肌肉电信号采集模块2的部分原理图。该图为该模块的差分输入端，芯片AD8236根据参考电极的参考电压对差分电极的输入电压进行运放。该芯片的1、4引脚分别接差分电极的负极和正极，6脚接参考电极。2、3引脚之间接入适当阻值的电阻来调节运放比例。

本实施例中，功能性电刺激模块4包括BOOST升压电路和全桥控制电路，该模块经PWM波的驱动发出相应的电脉冲信号，通过脉冲来刺激支配肌肉的神经，进而引起肌肉的收缩。升压电路由PWM波驱动，当高定平输入时，二极管开启，电感充磁；当低电平输入时，二极管关断，电感消磁，输出的电压等于电源电压和感生电压之和。全桥控制电路将PWM波转换成双相脉冲方波，从而达到引起肌肉收缩且正负电荷相平衡的功能。所输出的电脉冲作用在能控制脚尖屈曲的胫骨前肌6上，从而引起脚尖在行走时的适当上抬，进而产生正常的步态。附图5是功能性电刺激模块4的部分原理图。该模块的升压电路和全桥电路均由常见的功率电感、电解质电容和三极管等组成。

该系统还包括用于为各模块进行供电的电源管理系统。电源管理系统包括3.7V锂电池、锂电池充电电路、5V升压电路、3.3V稳压电路，锂电池经过升压、降压电路为整个系统提供正常工作所需要的电压，同时，锂电池充电电路将外界的不同输入值转换为恒压、恒流给锂电池充电，并且自带缺电提醒和充满显示。具体的，电源管理系统通过PW5100组成的升压电路、AMS1117组成的降压电路以及锂电池，同时给肌肉电信号采集模块2、功能性电刺激模块4以及微处理器3提供5V、3.3V、3.7V的稳定电压。该电源管理系统能为3.7V锂电池充电，充电电流可达750mA，并且内带OVP过压保护、缺电提醒、充满提示的功能。附图6是电源管理系统的部分原理图。该图的核心芯片主要为SGM4056，其中1脚为电源的输入脚，最大输入电压为26.5V，8脚为充电输出脚，最大提供700mA的充电电流，此两脚处各加一个滤波电容。2脚和3脚处的指示灯分别为满电和漏电提示。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种以肌电信号为控制开关的可穿戴功能性电刺激系统，其特征在于，所述系统包括微处理器以及与所述微处理器连接的肌肉电信号采集模块和功能性电刺激模块，所述肌肉电信号采集模块用于采集患腿股直肌表面电信号，所述微处理器模块用于根据采集的肌电信号控制功能性电刺激的开启和关闭，所述功能性电刺激模块用于向患腿胫骨前肌输出电脉冲刺激信号。

2.根据权利要求1所述的一种以肌电信号为控制开关的可穿戴功能性电刺激系统，其特征在于，所述微处理器模块具体用于判断所采集的肌电信号的电压是否超过预设阈值，若超过，则控制功能性电刺激开启，若未超过，则控制功能性电刺激关闭。

3.根据权利要求1所述的一种以肌电信号为控制开关的可穿戴功能性电刺激系统，其特征在于，所述系统还包括用于为各模块进行供电的电源管理系统。

4.根据权利要求1所述的一种以肌电信号为控制开关的可穿戴功能性电刺激系统，其特征在于，所述肌肉电信号采集模块包括差分运放电路、滤波电路、积分电路以及运算放大电路，该模块的两个差分输入端经电极线分别接在目标肌肉两端的皮肤表面，参考端经电极线接肌肉少的部位，结合参考电极中的参考信号，解析出原始的肌肉电信号，后经滤波、积分、运算放大，输入到微处理器的采集端口。

5.根据权利要求1所述的一种以肌电信号为控制开关的可穿戴功能性电刺激系统，其特征在于，所述功能性电刺激模块包括BOOST升压电路和全桥控制电路，该模块经PWM波的驱动发出相应的电脉冲信号，通过脉冲来刺激支配肌肉的神经，进而引起肌肉的收缩。

6.根据权利要求3所述的一种以肌电信号为控制开关的可穿戴功能性电刺激系统，其特征在于，所述电源管理系统包括锂电池、锂电池充电电路、升压电路以及稳压电路，锂电池经过升压、降压电路为整个系统提供正常工作所需要的电压，同时，锂电池充电电路将外界的不同输入值转换为恒压、恒流给锂电池充电，并且自带缺电提醒和充满显示。

7.根据权利要求1所述的一种以肌电信号为控制开关的可穿戴功能性电刺激系统，其特征在于，所述微处理器采用STM32F103RCT6型芯片。