CN217015083U - 一种生物反馈式精准电刺激与疗效评估装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种生物反馈式精准电刺激与疗效评估装置，包括波形发生电路、极性转换电路、双模式刺激模块、刺激幅度实时检测电路、光耦隔离电路、听觉与视觉反馈模块、触控式人机交互模块、肌电信号采集模块、肌电特征值提取模块、人工智能疗效评估平台、微处理器、电源管理模块以及电极；所述听觉与视觉反馈模块的输入端与微处理器电性相连，所述的波形发生电路与极性转换电路的输入端分别与微处理器电性相连，其优点表现在：本实用新型通过将生物反馈与功能性电刺激相结合，进而实现了智能化康复治疗；且具有个性化、精准化的优点，并且能够匹配出有针对性的治疗方案，进一步提高患者的康复治疗效果。

Description

一种生物反馈式精准电刺激与疗效评估装置

技术领域

本实用新型涉及医疗康复治疗技术领域，具体地说，是一种生物反馈式精准电刺激与疗效评估装置。

背景技术

脑血管病是我国的常见病，全国每年新发脑卒中患者120～150万人，约有80～100万人死亡，其中75％的存活者均存在不同程度的功能残障。针对脑血管病患者早期出现的运动功能障碍，目前我国大约有31万例脑瘫患者，并且每年新增4.6万例。在对于脑血管病和脑瘫导致的运动功能障碍患者的康复治疗中，电刺激疗法潜力巨大、应用前景广阔。在临床上通过电刺激治疗装置进行低频电刺激疗法，可以激发肌肉被动有节律收缩，从而加强肌肉血液循环及营养供应，促进神经兴奋性及传导功能恢复，加快神经再生过程及运动功能恢复。

功能性电刺激(FES)是脑卒中康复治疗重要的手段，应用电压或电流等电信号刺激神经肌肉，使丧失神经控制的肌肉产生收缩，并且刺激神经元细胞，达到运动功能恢复和神经系统重建的目的。功能性电刺激曾经被用来治疗和修复脊柱损伤。对于偏瘫患者来说，如果他们能持续使用功能性电刺激来治疗，可以消除久坐姿势带来的不良影响而有助于预防关节挛缩，还可能由于增加了人体的耐受力而减少了骨质疏松症的发病率。

国内外大量的临床实践已经证明，脑卒中患者生存质量的高低主要取决于瘫痪肢体功能的恢复程度，尽早引入有效的物理治疗无疑是瘫痪患者康复的关键,而患者的主动配合以及心理的功能康复则是治疗的基本保证。脑瘫或者其它疾病导致患侧肢体肌肉力量下降，如何增强肌力始终是一个康复治疗的重要问题。人体当肌力大于等于3级时可采用主动式渐进抗阻训练，但是当肌力在2级及2级以下时，由于微弱肌力无法对抗阻力，故无法应用主动抗阻训练。因此，对于肌力在2级及2级以下患者，最常采用的康复治疗方法是低频电刺激疗法，但是，如仅仅用单向电刺激，缺少主动训练，肌力训练效果不佳。并且，现有的电刺激治疗装置多为被动型治疗仪，缺乏引导患者主动参与训练的积极性而导致疗效不佳；或者因为中枢失调，同时引发拮抗肌的痉挛，导致训练的失败。此外，还具有刺激参数不规范等缺陷。

中国专利申请：CN211187239U公开了一种智能反馈式电针仪，包括：电针仪；固定安装块，所述固定安装块通过螺栓安装在所述电针仪的右侧面；两个第一轴销，两个所述第一轴销一前一后插接在所述固定安装块的前后两侧；第一连接块，第二连接块，两个第二轴销，显示装置，该装置在传统电针仪的基础上引入肌电生物反馈的概念，将原有的两个表面刺激电极改为针灸，以解决原有肌电生物反馈仪的刺激电极是电极片，无法发挥了肌电生物反馈的优势，但该装置在使用的过程中，并不能有效实现电刺激的精准量化治疗以及智能化康复治疗。

所以综上所述，现亟需要一种操作简单，思路清晰，治疗参数准确量化、可实现精准评估的智能型电刺激装置，也可实现刺激脉冲的脉宽、频率和治疗时间的无级调节和显示，有利于适宜治疗参数的精准选择和不同参数下的疗效评价对照的生物反馈式精准电刺激与疗效评估装置，但是关于这种新型的生物反馈式精准电刺激与疗效评估装置，目前还未见报道。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决上述所存在的问题，对此特提供一种生物反馈式精准电刺激与疗效评估装置。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是：

一种生物反馈式精准电刺激与疗效评估装置，包括波形发生电路、极性转换电路、双模式刺激模块、刺激幅度实时检测电路、光耦隔离电路、听觉与视觉反馈模块、触控式人机交互模块、肌电信号采集模块、肌电特征值提取模块、人工智能疗效评估平台、微处理器、电源管理模块以及电极；所述听觉与视觉反馈模块的输入端与微处理器电性相连，所述的波形发生电路与极性转换电路的输入端分别与微处理器电性相连，且波形发生电路与极性转换电路的输出端均与双模式刺激模块的输入端相连接；所述刺激幅度实时检测电路的输入端与双模式刺激模块电性连接，且刺激幅度实时检测电路的输出端分别连接至微处理器和光耦隔离电路；所述光耦隔离电路的输出端与电极的输入端相连接，所述电极的输出端还与肌电信号采集模块的输入端相连接，且所述的肌电信号采集模块的输入端同时还与微处理器电性连接；所述的电源管理模块包括电源适配器、基于Boost拓扑结构的升压电路、+3.3V电源输出电路、+5V电源输出电路，且所述的电源管理模块维持系统内的电能运转；所述肌电特征值提取模块的输入端与肌电信号采集模块连接，其输出端分别连接至人工智能疗效评估平台和微处理器的输入端，且所述的肌电特征值提取模块还采用了基于肌电K值的特征值提取方法，用于定量评价电刺激治疗过程中肌肉的疲劳情况，从而反馈调整电刺激治疗的参数。

在上述所述的生物反馈式精准电刺激与疗效评估装置中，作为一个优选方案，所述的触控式人机交互模块与微处理器双向连接，且所述的触控式人机交互模块还包括静态存储控制器接口和触控式LCD，所述的触控式LCD与静态存储控制器接口电性连接，且所述的静态存储控制器接口还连接于微处理器。

在上述所述的生物反馈式精准电刺激与疗效评估装置中，作为一个优选方案，所述的双模式刺激模块包括恒压刺激电路和恒流刺激电路，其输入端与波形发生电路和极性转换电路均相连，其输出端与刺激幅度实时检测电路的输入端相连，并通过触控式人机交互模块设置参数，下发给微处理器，再输出到波形发生电路，由此调节输出的模式和刺激参数。

在上述所述的生物反馈式精准电刺激与疗效评估装置中，作为一个优选方案，所述的人工智能疗效评估平台引入了基于肌电R值的肌功能评估算法，用于定量评价肌功能的恢复情况。

在上述所述的生物反馈式精准电刺激与疗效评估装置中，作为一个优选方案，还包括若干发光双色LED灯、蜂鸣器和语音提示单元，且所述的若干发光双色LED灯、蜂鸣器和语音提示单元的输入端分别与微处理器电性连接。

本实用新型优点在于：

1、本实用新型结构设计合理，思路清晰，通过将生物反馈与功能性电刺激相结合，实现了智能化康复治疗；且本实用新型通过借助听觉与视觉反馈模块将实时的肌电特征值以生物反馈的形式反馈至训练者，通过认知重新学习法重建和发展神经网络，使患者借助于生物反馈信号有意识地控制肌电活动，恢复运动功能；当肌电特征K值达到设定阈值，则反馈调节电刺激参数，可改善传统的被动式电刺激疗法疗效不理想的现状，从而达到反馈训练、治疗疾病的目的。

2、本实用新型能实现电刺激的精准量化治疗；一方面，可实现治疗参数的无级调节、显示、准确量化；另一方面，结合了基于肌电K值的特征值提取方法，用于定量评价电刺激治疗过程中肌肉的疲劳情况，从而反馈调整电刺激治疗的参数，有利于建立不同肌功能与对应治疗参数的临床数据库，实现个性化精准化康复治疗。

3、本实用新型能实现电刺激的疗效的精准评估，且引入了基于肌电R值的肌功能评估算法，用于定量评价肌功能的恢复情况，并通过建立患者肌肉功能障碍程度、电刺激治疗参数、刺激过程中的肌疲劳发生时间、电刺激疗效之间的临床数据库，获得不同肌肉功能障碍下的电刺激治疗参数；结合深度学习算法，为电刺激临床精准治疗与人工智能专家系统提供治疗依据，从而避免了传统电刺激疗法仅依赖于医生的临床经验，导致刺激参数无法精准量化、无法针对患者的差异性制定准确的治疗处方，难以优化治疗效果。

附图说明

附图1是本实用新型中所述生物反馈式精准电刺激与疗效评估装置的结构示意图。

附图2是本实用新型中所述生物反馈式精准电刺激与疗效评估装置的局部结构流程图。

附图3是本实用新型中所述生物反馈式精准电刺激与疗效评估装置中电源管理模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型记载的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：

1.听觉与视觉反馈模块 2.触控式人机交互模块 3.肌电信号采集模块

4.肌电特征值提取模块 5.人工智能疗效评估平台 6.微处理器

7.电源管理模块 8.电极 9.波形发生电路

10.极性转换电路 11.双模式刺激模块 12.刺激幅度实时检测电路

13.光耦隔离电路 14.发光双色LED灯 15.蜂鸣器

16.语音提示单元 21.静态存储控制器接口 22.触控式LCD

71.电源适配器 72.升压电路 73.+3.3V电源输出电路

74.+5V电源输出电路 112.恒压刺激电路 113.恒流刺激电路

实施例1一种生物反馈式精准电刺激与疗效评估装置

请参见附图1-3所述，附图1是本实用新型中所述生物反馈式精准电刺激与疗效评估装置的结构示意图。附图2是本实用新型中所述生物反馈式精准电刺激与疗效评估装置的局部结构流程图。附图3是本实用新型中所述生物反馈式精准电刺激与疗效评估装置中电源管理模块的结构示意图。

本实用新型主要将生物反馈与功能性电刺激进行结合，从而实现了智能化康复治疗，其具体提供一种生物反馈式精准电刺激与疗效评估装置，该装置主要包括波形发生电路9、极性转换电路10、双模式刺激模块11、刺激幅度实时检测电路12、光耦隔离电路13、听觉与视觉反馈模块1、触控式人机交互模块2、肌电信号采集模块3、肌电特征值提取模块 4、人工智能疗效评估平台5、微处理器6、电源管理模块7以及电极8；所述听觉与视觉反馈模块1的输入端与微处理器6电性相连，所述的波形发生电路9与极性转换电路10的输入端分别与微处理器6电性相连，且波形发生电路9与极性转换电路10的输出端均与双模式刺激模块11的输入端相连接；所述刺激幅度实时检测电路12的输入端与双模式刺激模块11电性连接，且刺激幅度实时检测电路12的输出端分别连接至微处理器6和光耦隔离电路13，且微处理器6能够根据刺激幅度实时检测电路12输出的反馈信号并控制光耦隔离电路13；所述光耦隔离电路13的输出端与电极8的输入端相连接，所述电极8的输出端还与肌电信号采集模块3的输入端相连接，且所述的肌电信号采集模块3的输入端同时还与微处理器6电性连接。

在本实施例中，优选所述的电源管理模块7包括电源适配器71、基于Boost拓扑结构的升压电路72、+3.3V电源输出电路73、+5V电源输出电路74，且所述的电源管理模块7 维持整个系统内的电能运转，所述的电源管理模块7将外接电源适配器的输出电压转换为各电路模块所需的电压等级，其本实用新型中的升压电路采用了Boost拓扑结构，Boost电路是一种开关直流升压电路，通过控制开关管Q的导通与关断，将直流电变为另一固定电压或可调电压值的直流电。升压后的电压值供给双模式刺激模块，满足电刺激过程中高刺激幅度的需要。

在本实施例中，优选所述的触控式人机交互模块2与微处理器6双向连接，且所述的触控式人机交互模块2还包括静态存储控制器接口21和触控式LCD22，所述的触控式LCD22与静态存储控制器接口21电性连接，且所述的静态存储控制器接口21还连接于微处理器6。

在本实施例中，优选所述的双模式刺激模块11包括恒压刺激电路112和恒流刺激电路 113，其输入端与波形发生电路3和极性转换电路10均相连，其输出端与刺激幅度实时检测电路12的输入端相连，并通过触控式人机交互模块2设置参数，下发给微处理器6，再输出到波形发生电路3，由此调节输出的模式和刺激参数。

在本实施例中，优选所述肌电特征值提取模块4的输入端与肌电信号采集模块3连接，其输出端分别连接至人工智能疗效评估平台5和微处理器6的输入端，且所述的肌电特征值提取模块4还采用了基于肌电K值的特征值提取方法，一方面，用于定量评价电刺激治疗过程中肌肉的疲劳情况，从而反馈调整电刺激治疗的参数至微处理器；同时，将肌电K 值传送至人工智能疗效评估平台，有利于建立不同肌功能与对应治疗参数的临床数据库，实现个性化精准化康复治疗。

在本实施例中，优选所述的人工智能疗效评估平台5引入了基于肌电R值的肌功能评估算法，用于定量评价肌功能的恢复情况，并由此可以建立患者肌肉功能障碍程度、电刺激治疗参数、刺激过程中的肌疲劳发生时间、电刺激疗效之间的临床数据库；并且在建立肌肉功能障碍定量指标、电刺激参数、刺激过程中肌疲劳时间、电刺激疗效之间的临床数据样本库的基础上，集成了深度学习算法，可以获得不同肌肉功能障碍下的电刺激治疗参数，确定精准化的治疗方案；因此也避免了传统电刺激疗法仅依赖于医生的临床经验，导致刺激参数无法精准量化、无法针对患者的差异性制定准确的治疗处方，导致治疗效果无法最优化，从而实现了临床精准治疗与人工智能专家系统。

在本实施例中，优选还包括若干发光双色LED灯14、蜂鸣器15和语音提示单元16，且所述的若干发光双色LED灯14、蜂鸣器15和语音提示单元16的输入端分别与微处理器 6电性连接。

为实现本装置的使用效果，其具体操作流程为：

对电源管理模块7进行上电后，电源管理模块7开始维持整个系统内的电能运转，微处理器6首先初始化，等待触控式人机交互模块2下发指令；当操作者完成电刺激参数设置后，按下“开始”键，则参数下发给微处理器6，微处理器6根据设置参数控制波形发生电路9和极性转换电路10按照设置的参数工作，从而控制双模式刺激模块11的输出波形符合设置的参数。

所述刺激幅度实时检测电路12与双模式刺激模块11相连，可以实时监测刺激波形的电流值和电压值，并将其反馈至微处理器6，与操作者的预设值进行比对；当监测值与预设值相比在容许的误差范围内时，刺激信号通过光耦隔离电路与电极片作用于患者；当监测值超出预设值一定比例时，微控制器控制光耦隔离电路断开刺激回路，且停止刺激波形的输出，并且发出蜂鸣声进行报警，在触控式人机交互模块上进行故障提示。

为实现听觉与视觉生物反馈提示功能，本实用新型包含了听觉与视觉反馈模块1，包括多个发光双色LED灯14、蜂鸣器15和语音提示单元16；且多个发光双色LED灯、蜂鸣器和语音提示单元的输入端分别与微处理器相连接；其所述微处理器6的存储器中存放了不同生理参数值与多个发光双色LED灯的闪烁频次、蜂鸣频次之间的计算公式，以及不同的提示音；其所述触控式人机交互模块2提供了友好的人机交互界面，操作者可借助人机界面选择听觉反馈模式、视觉反馈模式、听视觉反馈模式的任意一种方式，旨在为运动者提供多种形式的生物反馈，增加电刺激治疗的趣味性和互动性。

在刺激的短间歇中，微处理器6控制肌电信号采集模块3通过电极片拾取表面肌电信号，同时将采集的肌电信号传送至肌电特征值提取模块；其所述肌电特征值提取模块包括：信号预处理模拟电路和信号处理数字电路，采用了基于肌电K值的特征提取方法；为了使特征值提取方法适用于微处理器应用，且提高实时性、准确性和抗干扰性，肌电K值引入了时域指标与非线性指标的结合值，即：采用了肌电均方根值与肌电样本熵的比值；肌电K值的功能在于：一方面，定量评价电刺激治疗过程中肌肉的疲劳情况，并且将其反馈至微处理器实时调整电刺激治疗的参数，避免被动式电刺激方式导致疗效不佳；同时，将肌电K 值传送至人工智能疗效评估平台，便于建立不同肌功能与对应治疗参数的临床大数据，实现个性化、精准化康复治疗。

在人工智能疗效评估平台中，引入了基于肌电R值的肌功能评估算法，在每个治疗阶段结束后用于定量评价肌功能的恢复情况；肌电R值采用了基于维格纳-威利的能量特征提取方法，将时域肌电信号通过维格纳-威利变换转换为时频域信号，并将维格纳-威利变换后的时频分布在核心频段内的能量求取平方和，作为肌电R值。

设信号s(t)的维格纳-威利分布(WVD)为:

式(1)中的x(t)是s(t)的解析信号，τ为时间差变量，f为频率。该公式所表示的就为信号s(t)在时间轴和频率轴上的能量分布，即信号s(t)的维格纳威利分布。

本实用新型中肌电信号采集模块的输出为AD采样转换后的离散信号，对公式(1)转换后得到一个采样点数为N的离散信号的维格纳分布公式如下：

对公式(2)，以一个采样周期为例，采样点数N就是采样频率fs，则

是满足奈奎斯特采样定理能够被采样的最大信号频率；

令T为时域采样间隔，即T＝1/fs，则n为一个周期内不同的采样时刻n＝pT, 其中p取值为1到N；k为被采样信号的频率。

时频域的维格纳-威利分布无法直接用于本实用新型中作为肌电特征值由微处理器进行识别，因此采用了基于维格纳-威利变换的核心频段能量提取方法。对维格纳-威利分布进行时间轴和频率轴上的积分求和，即求维格纳分布的频域平方和，如下公式(3)所示：

由公式(3)可知，先对维格纳分布做时域积分得到其频率函数X(f)，并对该函数做能量平方积分，最终得到维格纳分布下的能量平方和。考虑到肌电信号的频率段为50-150Hz，为了提高算法的抗干扰特性，因此求取了核心频率段的能量平方和作为肌电R值。

通过肌电K值的肌疲劳评估算法和肌电R值的肌功能评估算法，实现了对肌疲劳程度和肌功能康复情况的定量评估，由此可以建立患者肌肉功能障碍程度、电刺激治疗参数、刺激过程中的肌疲劳发生时间、电刺激疗效之间的临床数据库；在此基础上，再集成深度学习算法，可以获得不同肌肉功能障碍下的电刺激治疗参数和治疗方案，确定精准化的治疗处方；因此避免了传统电刺激疗法仅依赖于医生的临床经验，导致刺激参数无法精准量化、无法针对患者的差异性制定准确的治疗处方，导致治疗效果无法最优化。该系统实现了临床精准治疗与人工智能专家系统。

在上述各构成模块中，电源管理模块7将外接电源适配器的输出电压转换为各电路模块所需的电压等级。本实用新型中的升压电路采用了Boost拓扑结构，Boost电路是一种开关直流升压电路，通过控制开关管Q的导通与关断，将直流电变为另一固定电压或可调电压值的直流电。升压后的电压值供给双模式刺激模块，满足电刺激过程中高刺激幅度的需要。

需要说明的是：本实用新型结构设计合理，思路清晰，通过将生物反馈与功能性电刺激相结合，进而实现了智能化康复治疗；该装置借助听觉与视觉反馈模块将实时的肌电特征值以生物反馈的形式反馈至训练者，通过认知重新学习法重建和发展神经网络，使患者借助于生物反馈信号有意识地控制肌电活动，恢复运动功能；当肌电特征K值达到设定阈值，则反馈调节电刺激参数，可改善传统的被动式电刺激疗法疗效不理想的现状，从而达到反馈训练、治疗疾病的目的；同时该装置还能实现电刺激的精准量化治疗，一方面，可实现治疗参数的无级调节、显示、准确量化；另一方面，结合了基于肌电K值的特征值提取方法，用于定量评价电刺激治疗过程中肌肉的疲劳情况，从而反馈调整电刺激治疗的参数，有利于建立不同肌功能与对应治疗参数的临床数据库，实现个性化精准化康复治疗；且该装置还能够实现电刺激的疗效的精准评估，通过引入了基于肌电R值的肌功能评估算法，用于定量评价肌功能的恢复情况；通过建立患者肌肉功能障碍程度、电刺激治疗参数、刺激过程中的肌疲劳发生时间、电刺激疗效之间的临床数据库，获得不同肌肉功能障碍下的电刺激治疗参数；结合深度学习算法，为电刺激临床精准治疗与人工智能专家系统提供治疗依据。避免了传统电刺激疗法仅依赖于医生的临床经验，导致刺激参数无法精准量化、无法针对患者的差异性制定准确的治疗处方，难以优化治疗效果。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种生物反馈式精准电刺激与疗效评估装置，其特征在于，包括波形发生电路、极性转换电路、双模式刺激模块、刺激幅度实时检测电路、光耦隔离电路、听觉与视觉反馈模块、触控式人机交互模块、肌电信号采集模块、肌电特征值提取模块、人工智能疗效评估平台、微处理器、电源管理模块以及电极；所述听觉与视觉反馈模块的输入端与微处理器电性相连，所述的波形发生电路与极性转换电路的输入端分别与微处理器电性相连，且波形发生电路与极性转换电路的输出端均与双模式刺激模块的输入端相连接；所述刺激幅度实时检测电路的输入端与双模式刺激模块电性连接，且刺激幅度实时检测电路的输出端分别连接至微处理器和光耦隔离电路；所述光耦隔离电路的输出端与电极的输入端相连接，所述电极的输出端还与肌电信号采集模块的输入端相连接，且所述的肌电信号采集模块的输入端同时还与微处理器电性连接；所述的电源管理模块包括电源适配器、基于Boost拓扑结构的升压电路、+3.3V电源输出电路、+5V电源输出电路，且所述的电源管理模块维持系统内的电能运转；所述的双模式刺激模块包括恒压刺激电路和恒流刺激电路，其输入端与波形发生电路和极性转换电路均相连，其输出端与刺激幅度实时检测电路的输入端相连，并通过触控式人机交互模块设置参数，下发给微处理器，再输出到波形发生电路，由此调节输出的模式和刺激参数。

2.根据权利要求1所述的生物反馈式精准电刺激与疗效评估装置，其特征在于，所述的触控式人机交互模块与微处理器双向连接，且所述的触控式人机交互模块还包括静态存储控制器接口和触控式LCD，所述的触控式LCD与静态存储控制器接口电性连接，且所述的静态存储控制器接口还连接于微处理器。

3.根据权利要求1所述的生物反馈式精准电刺激与疗效评估装置，其特征在于，所述肌电特征值提取模块的输入端与肌电信号采集模块连接，其输出端分别连接至人工智能疗效评估平台和微处理器的输入端，且所述的肌电特征值提取模块还采用了基于肌电K值的特征值提取方法，用于定量评价电刺激治疗过程中肌肉的疲劳情况，从而反馈调整电刺激治疗的参数。

4.根据权利要求1所述的生物反馈式精准电刺激与疗效评估装置，其特征在于，所述的人工智能疗效评估平台引入了基于肌电R值的肌功能评估算法，用于定量评价肌功能的恢复情况。

5.根据权利要求1所述的生物反馈式精准电刺激与疗效评估装置，其特征在于，还包括若干发光双色LED灯、蜂鸣器和语音提示单元，且所述的若干发光双色LED灯、蜂鸣器和语音提示单元的输入端分别与微处理器电性连接。

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