TWI457152B - 回饋控制之穿戴式上肢電刺激裝置 - Google Patents

Description

回饋控制之穿戴式上肢電刺激裝置

本發明是一種電刺激裝置，尤其是關於一種用於人體上肢且具有回饋控制功能之穿戴式電刺激裝置。

中風或或因某些疾病、創傷等，常導致人體對其肢體控制能力局部喪失，為了避免患者肢體之萎縮以及使患者能夠重新找回對其癱瘓或局部失能的控制能力，需對患者於創傷後必須施予物理治療與復健工作。

以中風患者為例，中風常導致患者有不同程度的偏癱，使患者部分運動單元失調、對局部神經肌肉系統失去控制，造成肌肉無力。目前對於中風患者的復健工作，通常依據不同程度偏癱而施予適當的復健，例如要求患者使用偏癱側之肢體握取一訓練罐並交替變更該訓練罐之位置，藉以訓練偏癱側的肢體。對於嚴重偏癱的患者，可使用牽張訓練或者或透過一電刺激方式對偏癱側肢體之神經肌肉系統施予刺激，輔助患者的偏癱側肢體之肢體進行伸出、收回、手掌張開及收握等等動作。

然而，目前的電刺激均是透過患者或一第三人(例如復健師)透過一控制器對偏癱側肢體有關的神經肌肉施予電刺激，藉以達成某些指定動作，其雖然能夠讓偏癱側肢體進行肢體活動與復健，但是這對患者而言並無法自主控制其肢體，使該些電刺激方法僅能達到某種程度的訓練，無法訓練患者能自主控制偏癱側肢體之種種動作。

為了解決既有電刺激輔助復健方式，僅侷限於輔助提供肢體活動等近似於物理治療之功效，無法對患者提供自主肢體控制的訓練，無法整合患者電刺激及控制肢體的肌電訊號(Electromyography，EMG)，使目前既有的復健方式成效不佳，本發明整合電刺激訊號與分析造成肌肉收縮活動之自主訊號與電刺激誘發訊號，並依據分析的結果適當的對人體患側肢體提供適當的電刺激輔助訊號，達到完整的復健效果。

本發明提供一種回饋控制之穿戴式上肢電刺激裝置，其包含複數個電刺激電極、複數個肌電訊號感測元件、一電刺激輸出單元、一肌電訊號擷取電路、一肌電訊號運算單元及一控制模組，其中：各電刺激電極貼合或接觸固定於一人體肢幹，各電刺激電極對該人體肢幹之一神經肌肉系統施予一電刺激訊號；各肌電訊號感測元件貼合或接觸固定為該人體肢幹，其與各電刺激電極貼合設於該人體肢幹之神經肌肉系統的對應位置，感應與接收該人體肢幹之一肌電訊號，該肌電訊號內包含一自主肌電訊號、一電刺激誘發肌電訊號及一干擾訊號；該電刺激輸出單元與各電刺激電極連接並提供該電刺激訊號；該肌電訊號擷取單元與各肌電訊號感測元件連接並接收該肌電訊號，該肌電訊號擷取單元將該肌電訊號予以濾波並放大；該肌電訊號運算單元與該肌電訊號擷取單元連接，且接收濾波與放大後的該肌電訊號；及該控制模組與該電刺激輸出單元及該肌電訊號運算單元電性連接，該控制模組由該肌電訊號運算單元接收該肌電訊號並依據該肌電訊號之位置與強弱控制該電刺激輸出單元對一個以上的該電刺激電極提供輸出該電刺激訊號所需的電力。

其中，該肌電訊號擷取單元包含串接之一電刺激訊號阻擋電路、一儀表放大器、一放大器電路、一高通與低通濾波器及一準位提升電路或箝位電路，該電刺激訊號阻擋電路初步濾除該電刺激訊號對肌電訊號之干擾，該儀器放大器對該肌電訊號進行前級放大，該放大器電路對該肌電訊號進行增加放大倍率，該高通與低通濾波器對該肌電訊號濾除該肌電訊號之一設定範圍之外的訊號頻段，該準位提升電路或箝位電路將該肌電訊號提升位準；該回饋控制之穿戴式上肢電刺激裝置包含一類比數位轉換單元連接於該準位提升電路或箝位電路與該肌電訊號運算單元之間，該類比數位轉換單元接收該準位提升電路或箝位電路所輸出之肌電訊號並予以數位化；及該肌電訊號運算單元接收數位化後的肌電訊號，其包含串接之一干擾處理單元、一梳狀濾波單元及一減法電路，該干擾處理單元移除該肌電訊號包含該電刺激訊號之脈衝後，以該梳狀濾波單元由該肌電訊號取出該自主肌電訊號，該減法電路取該肌電訊號減去該梳狀濾波單元輸出的該自主肌電訊號後，產生該誘發電刺激肌電訊號。

其中，該干擾處理單元係去除每個肌電訊號之前段訊號，該前段訊號時間介於100us~5ms。

進一步地，該回饋控制之穿戴式上肢電刺激裝置包含一固定套件，該固定套件之外型與該人體肢幹對應，其固定結合各電刺激電極、各肌電訊號感測元件、該電刺激輸出單元、該肌電訊號運算單元及該控制模組，其中，各電刺激電極及各肌電訊號感測元件設於該固定套件之內部表面。

其中，該固定套件包含一上臂固定組件、一前臂固定組件、一手掌固定組件，其分別與人體之一上臂、一前臂及一手掌外型對應，並可分別分離套設於該上臂、前臂及手掌外。

其中，該控制模組依據所接收的肌電訊號之內容與狀態及位置，控制位置與產生該肌電訊號之神經肌肉系統位置對應之電刺激電極產生該電刺激訊號。

其中，該控制模組由該肌電訊號調整輸出之該電刺激訊號，該控制模組係依據一比較方法或一查表方法決定輸出電刺激訊號的強弱，該比較方法或查表方法為該控制模組將讀取的該肌電訊號與內儲之一肌電訊號數值基準相互比較或查詢對照，並依據比較結果輸出適當的電刺激，其中該肌電訊號數值基準為一健康正常肢體之肌電訊號數值或一人體肌電訊號平均值。

其中，該回饋控制之穿戴式上肢電刺激裝置包含複數個彎曲感測器係固定結合於該固定套件並分別與該上臂、該前臂及該手掌之複數個關節位置對應，其感測各關節之彎曲狀況，並將感測結果輸出至該控制模組；及該控制模組依據各彎曲感測器之感應結果配合該肌電訊號，控制特定的該電刺激電極產生該電刺激訊號。

由前述可知，本發明可以依據人體肢幹之肌電訊號強弱，先判斷人體肢幹執行指定動作所需的電刺激訊號之強弱，給予患者適當的輔助，因此，不僅可以有效活化患者局部失能的肢幹，更可有效訓練患者對於患部肢幹的控制能力。

請參考第一圖及第二圖，其為本發明之回饋控制之穿戴式上肢電刺激裝置的較佳實施例，其包含複數個電刺激電極10、複數個肌電訊號感測元件20、一電刺激輸出單元30、一肌電訊號擷取電路35、一類比數位轉換單元37、一肌電訊號運算單元40、一控制模組50及一固定套件60。

請配合參考第三圖、第四圖及第五圖，各電刺激電極10可貼合、接觸固定於一人體肢幹70上，以本實施例為例，該人體肢幹70為一手臂，各電刺激電極10貼設於手臂並接受控制於適當的時機對手臂之神經肌肉系統施予一電刺激訊號；例如，該電刺激電極10可貼設於手臂之伸肌、屈肌、肱三頭肌、伸指肌群等位置，於適當時機輸出適當強度之該電刺激訊號而刺激該神經肌肉系統之各肌肉群，使該些肌肉產生相應的動作。前述所謂的適當時機，指透過控制不同的肌肉群施予電刺激訊號之時間，使手臂依序產生往前伸出、張開手掌、握掌等，達到拿取物品的功能；所謂的適當強度係指控制該電刺激訊號之電壓電流，對不同位置的神經肌肉系統或肌肉群之特性差異施予相關的肌肉所需要的輔助。取得適當強度之方法可如下所述：透過事先測試或統計取得一偏癱手臂之各肌肉群產生與一正常手臂相同或近似動作所需的電刺激訊號之強度，即可知悉對應於不同肌肉群於執行不同動作之時各電刺激電極10所需輸出的電刺激訊號大小，如此，當欲控制偏癱手臂進行一指定動作時，可以循序控制各電刺激電極10輸出該指定動作所需的電刺激序號至有關的肌肉群，達到輔助動作之目的。

各肌電訊號感測元件20貼合或接觸固定於該人體肢幹70上，其與各電刺激電極10貼合設於該人體肢幹70之神經肌肉系統的各肌肉群之對應位置，其感應與接收該人體肢幹70之一肌電訊號(Electromyography，EMG)，其中，該肌電訊號內可包含一自主肌電訊號、一電刺激誘發肌電訊號及一干擾訊號。該肌電訊號是該人體肢幹70之肌肉活動時會產生電位訊號，該肌電訊號與人體肢幹70之肌肉活化狀態有正比關係，因此，透過分析肌電訊號可明瞭該人體肢幹70之神經肌肉系統之狀態。由於該肌電訊號能提供肌肉活化狀態的訊息，因此，如本實施例之該人體肢幹70同時接受該電刺激電極10所輸入的電刺激訊號時，該人體肢幹70受電刺激訊號之肌肉同時也產生一自主收縮，此一自主收縮則為該自主肌電訊號之來源；另外，因為施予該電刺激訊號而直接誘發產生的肌電訊號則是前述的該電刺激誘發肌電訊號；該干擾訊號則是指該電刺激訊號對於所感測的肌電訊號的干擾。

該電刺激輸出單元30與各電刺激電極10電性連接，其提供各電刺激電極10輸入至人體肢幹70之電刺激訊號之電力源。

請參考第六A、B圖，該肌電訊號擷取單元35連接於各肌電訊號感應元件20接收該肌電訊號，其包含串接之一電刺激訊號阻擋電路351、一儀表放大器353、一放大器電路355、一高通與低通濾波器357及一準位提升電路或箝位電路359。原始的肌電訊號之主要干擾為該電刺激訊號，本實施例先將原始之肌電訊號先通過該電刺激訊號阻擋電路351去除該電刺激訊號，該電刺激訊號阻擋電路351可以包含一OP放大器電路，用以初步濾除電刺激訊號對肌電訊號之干擾。由於原始之該肌電訊號信號非常微弱，需放大原始信號才能進行後續信號處理，該肌電訊號先通過該儀器放大器353進行前級放大，之後再通過該放大器電路355進行增加放大倍率；完成放大之肌電訊號，再輸入至該高通與低通濾波器357進行濾波，本實施例之該高通與低通濾波器357係使用可濾除1Hz~1000Hz內任何設定範圍以外的頻率之濾波器，藉以濾除設定範圍內之其他雜訊頻率。最後，該肌電訊號輸入該準位提升電路或箝位電路359，其係用於將濾波後的肌電訊號提升位準。

該類比數位轉換單元37與該肌電訊號擷取單元35電性連接，其接收該準位提升電路或箝位電路359所輸出的肌電訊號後，將類比的該肌電訊號予以數位化。

該肌電訊號運算單元40連接於該肌電訊號擷取單元35以接收該肌電訊號並經過訊號處理(例如濾波、箝位等)後予以輸出。為了能夠適當分離該肌電訊號之自主肌電訊號及該電刺激誘發肌電訊號及干擾訊號，請參考第六B圖，該肌電訊號運算單元40進一步包含串接之一干擾處理單元41、一梳狀濾波單元43以及一減法電路45，其中，該干擾處理單元41可以濾除每個肌電訊號之局部區段，其可以去除或給予一定值或平均或以演算法計算去處理每個肌電訊號之前段訊號等。由於肌電訊號之干擾訊號主要生成原因是施予該人體肢幹70之電刺激訊號對該肌電訊號造成的干擾，且該電刺激訊號相對於所感測的肌電訊號屬於非常大的脈衝訊號，因此，該干擾處理單元41係透過去除該肌電訊號之時域中包含電刺激訊號之區段，例如每個肌電訊號之前100us~5ms。該肌電訊號通過干擾處理單元41後，在經過該梳狀濾波器43由該肌電訊號中分離出該自主肌電訊號(EMG_V)輸出至該減法電路45，最後該減法電路45取經過該干擾處理單元41之肌電訊號減去通過梳狀濾波器43產生的自主肌電訊號而得到該電刺激誘發肌電訊號。

該控制模組50與該電刺激輸出單元30與該肌電訊號運算單元40電性連接，該控制模組50依據該肌電訊號之位置及強弱而控制該電刺激輸出單元30於適當時刻對某一或某些特定之電刺激電極10提供電刺激訊號之電力而刺激人體肢幹70，使人體肢幹70可以執行指定動作。所謂的適當時刻指該控制模組50藉由所接收的肌電訊號之內容與狀態，來控制貼於不同肌肉群的電刺激電極10施予所需進行對應動作的肌肉電刺激訊號。

以上臂偏癱的中風患者為例說明，患者接受復健師之指示進行往復拿取並擺放一練習杯於兩個不同的定點，藉以訓練其偏癱上臂之控制能力；該控制模組50由安裝於上臂之該肌電訊號感測元件20所感測的肌電訊號及其相應解析之自主肌電訊號判斷患者的上臂無法自主提供前舉上臂的能力(例如自主肌電訊號低於前舉上臂所需的臨界值)，因此，該控制模組50控制電刺激輸出單元30對貼附於上臂的各電刺激貼片10施予電刺激訊號；施加上臂該電刺激訊號後，上臂之肌電訊號感測元件20即時感應肌電訊號並依據前述方式輸出至該控制模組50，使該控制模組50得以即時調整輸出至上臂的電刺激訊號，使患者能夠順利地移動上肢。相應地，患者推出前臂、張開手掌、...等復健課程規定的動作所需的電刺激訊號，可以依據前述方式予以輔助提供。在實際製作方面，該控制模組50可以是一微處理電路模組或一可程式晶片。該控制模組50由該肌電訊號調整輸出之該電刺激訊號，該控制模組50可以依據一比較方法或一查表方法決定輸出電刺激訊號的強弱，所謂的比較方法或查表方法即是該控制模組50將讀取的肌電訊號與內儲之一肌電訊號數值基準相互比較或查詢對照，並依據比較結果輸出適當的電刺激，其中該肌電訊號數值基準可以透過量測與記錄患者正常側(一偏癱患者為例)之肌電訊號數值或一般人體之肌電訊號平均值做為基準，藉以提供比較基準。

進一步地，前述之該比較方法或查表方法內具有一個以上之可調整參數設定，可由醫事專業人員或使用者設定。該可調整參數設定之一種實施方式可由使用者本身之最大自主收縮值為基礎，每次肌電訊號與最大自主收縮值比較其差異值，並由其差異值輸出一適當之電刺激訊號之劑量或者該次輸出增加之劑量。另一種實施方式則可將肌電訊號分為數個階層(等級)，根據每個使用者本身之肌電訊號主要落於哪一階層來決定對應適當之電刺激訊號輸出劑量或者該次輸出增加之劑量。

該固定套件60用於將各電刺激電極10、各肌電訊號感測元件20、該電刺激輸出單元30、該肌電訊號運算單元40、該控制模組50固定結合於人體肢幹70，該固定套件60之外型、構造不限定，依據不同的人體肢幹70位置而有所不同。以本實施例為例，該固定套件60適用於手臂，其包含一上臂固定組件62、前臂固定組件64及一手掌固定組件66係分別具有與人體之上臂、前臂及手掌外型對應並可分離固定於上臂、前臂及手掌，各電刺激電極10、各肌電訊號感測元件20係設於該固定套件60之內側表面，讓患者穿戴該固定套件60時，各電刺激電極10及各肌電訊號感測元件20即可貼合於神經肌肉系統之表層皮膚。

進一步地，為了更進一步精確判斷偏癱患者之偏癱之上臂的動作狀況，讓該控制模組50除了可以依據前述說明解析各肌電訊號感測元件20之外，也可以於該固定套件60上固定安裝複數個彎曲感測器於手腕、各手指、手肘、手臂的關節對應位置，感應部分或每個關節的彎曲狀態，並將感應結果輸出至該控制模組50。基於此，透過感應各彎曲感測器所感應的結果，該控制模組50可搭配各肌電訊號感測單元20之數據與各彎曲感測器之感應結果，精確判斷患者之上臂的狀態，使該控制模組50能精確地控制各電刺激電極10輸出患者所需之電刺激訊號。其中，該彎曲感測器通常呈桿狀或棒狀，其於依據彎曲程度而產生不同的阻值變化。舉例而言，本實施例之彎曲感測器為spectrasymbol公司製造、且針對單一方向的彎曲而產生不同阻值，以本實施例為例，所採用之該彎曲感測器在不彎曲狀態下之阻值約為10KΩ,隨著彎曲曲率增加，其電阻值大約增加30~40Ω。下表一為本實施例所使用之彎曲感測器之彎曲度與阻抗關係。

由前述可知，本實施例可以依據人體肢幹70之肌電訊號強弱，先判斷人體肢幹70執行指定動作所需的電刺激訊號之強弱，給予患者適當的輔助，因此，不僅可以有效活化患者局部失能的肢幹，更可有效訓練患者對於患部肢幹的控制能力。

10．．．電刺激電極

20．．．肌電訊號感測元件

30．．．電刺激輸出單元

35．．．肌電訊號擷取單元

351．．．電刺激訊號阻擋電路

353．．．儀表放大器

355．．．放大器電路

357．．．高通與低通濾波器

359．．．準位提升電路或箝位電路

37．．．類比數位轉換單元

40．．．肌電訊號運算單元

41．．．干擾處理單元

43．．．梳狀濾波單元

45．．．減法電路

50．．．控制模組

60．．．固定套件

70．．．人體肢幹

第一圖為本發明之較佳實施例之電路方塊示意圖。

第二圖為本發明之一固定套件之示意圖。

第三圖為本發明之較佳實施例之使用示意圖。

第四圖為本發明之較佳實施例之電刺激電極及肌電訊號感測元件之貼附位置示意圖。

第五圖為本發明之較佳實施例之電刺激電極及肌電訊號感測元件之貼附位置示意圖。

第六A圖為本發明之較佳實施例之肌電訊號擷取電路之電路方塊示意圖。

第六B圖為本發明之較佳實施例之肌電訊號運算單元之電路方塊示意圖。

10．．．電刺激電極

20．．．肌電訊號感測元件

30．．．電刺激輸出單元

35．．．肌電訊號擷取單元

37．．．類比數位轉換單元

40．．．肌電訊號運算單元

50．．．控制模組

60．．．固定套件

Claims (10)

1. 一種回饋控制之穿戴式上肢電刺激裝置，其包含複數個電刺激電極、複數個肌電訊號感測元件、一電刺激輸出單元、一肌電訊號擷取電路、一肌電訊號運算單元及一控制模組，其中：各電刺激電極貼合或接觸固定於一人體肢幹，各電刺激電極對該人體肢幹之一神經肌肉系統施予一電刺激訊號；各肌電訊號感測元件貼合或接觸固定為該人體肢幹，其與各電刺激電極貼合設於該人體肢幹之神經肌肉系統的對應位置，感應與接收該人體肢幹之一肌電訊號，該肌電訊號內包含一自主肌電訊號、一電刺激誘發肌電訊號及一干擾訊號；該電刺激輸出單元與各電刺激電極連接並提供該電刺激訊號；該肌電訊號擷取單元與各肌電訊號感測元件連接並接收該肌電訊號，該肌電訊號擷取單元將該肌電訊號予以濾波並放大；該肌電訊號運算單元與該肌電訊號擷取單元連接，且接收濾波與放大後的該肌電訊號，其包含串接之一干擾處理單元、一梳狀濾波單元及一減法電路，該干擾處理單元移除該肌電訊號包含該電刺激訊號之脈衝後，以該梳狀濾波單元由該肌電訊號取出該自主肌電訊號，該減法電路取該肌電訊號減去該梳狀濾波單元輸出的該自主肌電訊號後，產生該誘發電刺激肌電訊號；及該控制模組與該電刺激輸出單元及該肌電訊號運算單 元電性連接，該控制模組由該肌電訊號運算單元接收該肌電訊號並依據該肌電訊號之位置與強弱控制該電刺激輸出單元對一個以上的該電刺激電極提供輸出該電刺激訊號所需的電力。
2. 如申請專利範圍第1項所述之回饋控制之穿戴式上肢電刺激裝置，其中：該肌電訊號擷取單元包含串接之一電刺激訊號阻擋電路、一儀表放大器、一放大器電路、一高通與低通濾波器及一準位提升電路或箝位電路，該電刺激訊號阻擋電路初步濾除該電刺激訊號對肌電訊號之干擾，該儀器放大器對該肌電訊號進行前級放大，該放大器電路對該肌電訊號進行增加放大倍率，該高通與低通濾波器對該肌電訊號濾除該肌電訊號之一設定範圍之外的訊號頻段，該準位提升電路或箝位電路將該肌電訊號提升位準；及該回饋控制之穿戴式上肢電刺激裝置包含一類比數位轉換單元連接於該準位提升電路或箝位電路與該肌電訊號運算單元之間，該類比數位轉換單元接收該準位提升電路或箝位電路所輸出之肌電訊號並予以數位化。
3. 如申請專利範圍第2項所述之回饋控制之穿戴式上肢電刺激裝置，該干擾處理單元係去除每個肌電訊號之前段訊號。
4. 如申請專利範圍第3項所述之回饋控制之穿戴式上肢電刺激裝置，該前段訊號時間介於100us~5ms。
5. 如申請專利範圍第1或2或3或4項所述之回饋控制之穿戴式上肢電刺激裝置，其進一步包含一固定套件， 該固定套件之外型與該人體肢幹對應，其固定結合各電刺激電極、各肌電訊號感測元件、該電刺激輸出單元、該肌電訊號運算單元及該控制模組，其中，各電刺激電極及各肌電訊號感測元件設於該固定套件之內部表面。
6. 如申請專利範圍第5項所述之回饋控制之穿戴式上肢電刺激裝置，該固定套件包含一上臂固定組件、一前臂固定組件、一手掌固定組件，其分別與人體之一上臂、一前臂及一手掌外型對應，並可分別分離套設於該上臂、前臂及手掌外。
7. 如申請專利範圍第6項所述之回饋控制之穿戴式上肢電刺激裝置，該控制模組依據所接收的肌電訊號之內容與狀態及位置，控制位置與產生該肌電訊號之神經肌肉系統位置對應之電刺激電極產生該電刺激訊號。
8. 如申請專利範圍第7項所述之回饋控制之穿戴式上肢電刺激裝置，該控制模組是一微處理電路模組或一可程式晶片。
9. 如申請專利範圍第7項所述之回饋控制之穿戴式上肢電刺激裝置，該控制模組由該肌電訊號調整輸出之該電刺激訊號，其中，該控制模組係依據一比較方法或一查表方法決定輸出電刺激訊號的強弱，該比較方法或查表方法為該控制模組將讀取的該肌電訊號與內儲之一肌電訊號數值基準相互比較或查詢對照，並依據比較結果輸出適當的電刺激，其中該肌電訊號數值基準為一健康正常肢體之肌電訊號數值或一人體肌電訊號平均值。
10. 如申請專利範圍第7項所述之回饋控制之穿戴式 上肢電刺激裝置，其中：該回饋控制之穿戴式上肢電刺激裝置包含複數個彎曲感測器係固定結合於該固定套件並分別與該上臂、該前臂及該手掌之複數個關節位置對應，其感測各關節之彎曲狀況，並將感測結果輸出至該控制模組；及該控制模組依據各彎曲感測器之感應結果配合該肌電訊號，控制特定的該電刺激電極產生該電刺激訊號。