專利名稱：基于本體鏡像原理的偏癱患者自主康復儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于醫(yī)療器械領域，涉及一種基于本體鏡像原理的偏癱患者自主康復儀。
背景技術：
腦卒中(中風)是一種突發(fā)性腦血管循環(huán)障礙性疾病。腦卒中后通常造成身體的部分運動功能障礙。腦中風的患者非常容易再次復發(fā)，最終導致全身癱瘓，甚至死亡。中風患者尤其是占有很大比例的偏癱患者，給家庭以及社會帶來了沉重的負擔，幫助偏癱病人恢復基本運動機能，重返正常生活是具有重要的經(jīng)濟和社會意義。大部分偏癱患者的功能恢復很難完全。雖然部分患者能夠獨立行走但是步態(tài)異常，無法重新回到患者之前的正常生活環(huán)境中。對偏癱患者補償輔助運動能力的兩種主要神經(jīng)康復途徑:機械骨骼和功能性電刺激。機械骨骼助行設備成本高而人機交互性差，同時誤操作容易造成肌肉的損傷，很難按照患者自己意志進行訓練。功能性電刺激(FunctionalElectrical Stimulation, FES)通過電刺激,促進肌肉產(chǎn)生收縮恢復肢體的正常體運動功倉泛。針對眾多的中風偏癱患者在FES臨床康復領域，國內(nèi)外相關研究在生理和工程方面均存在諸多問題。FES的發(fā)展主要有兩個方向:植入式和貼附式。采用植入式電極直接刺激運動神經(jīng)元，從而達到精確控制對應肌肉的運動，但由于存在無線供電技術難度大和病人接納度低的問題，實際臨床應用和推廣具有相當難度。采用表面電極經(jīng)皮刺激運動神經(jīng)元，臨床操作簡便且病人接納度高?，F(xiàn)有表面FES康復儀器均采用開環(huán)電刺激方式，無反饋或者單一反饋。由于人體平穩(wěn)步態(tài)通過一系列肌肉以復雜的協(xié)同運動所完成的，開環(huán)系統(tǒng)或者單一的反饋信號(如肌電信號、腦電信號、足底壓力信號或者三維位置信號)很難恢復正常的行走步行。采用腦電反饋控制FES存在信號提取困難、信號質(zhì)量低，抗干擾能力差等問題。再者，目前我國 偏癱患者的數(shù)量遠較截癱患者來得多，而國內(nèi)外功能性電刺激多集中在供截癱患者使用的功能性電刺激行走器的研究，較少注意偏癱患者的需求。截癱患者與偏癱患者使用的功能性電刺激助行器都需要刺激、感覺、反饋、控制等部分，但是如何利用偏癱患者較截癱患者特有的健側(cè)肢體，使得患者左右肢體活動的協(xié)同較為容易，從而行走更加靈活的研究還比較少，更缺乏這方面的醫(yī)療器械。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于本體鏡像原理的偏癱患者自主康復儀，該康復儀以患者健側(cè)肢體姿態(tài)信息為參考，通過鏡像復制，控制患者患側(cè)肢體協(xié)調(diào)運動，達到偏癱患者平衡行走和運動功能重建的效果。為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案:基于本體鏡像原理的偏癱患者自主康復儀，包括健側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置、信號特征提取融合裝置和電刺激裝置；健側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置用于采集健側(cè)肢體的姿態(tài)信息，信號特征提取融合裝置用于根據(jù)姿態(tài)信息數(shù)據(jù)生成控制命令，電刺激裝置用于產(chǎn)生電刺激信號對患側(cè)肢體進行刺激；健側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置對患者健側(cè)肢體的姿態(tài)信息進行采集，并將采集到的信號傳送至信號特征提取融合裝置，信號特征提取融合裝置根據(jù)接收到的健側(cè)肢體姿態(tài)信息和患者個人信息從正常行走步態(tài)數(shù)據(jù)庫中映射出患者患側(cè)肢體的姿態(tài)信息并產(chǎn)生相應的動作控制命令，并將控制命令發(fā)送至電刺激裝置，電刺激裝置接收到控制命令并根據(jù)控制命令產(chǎn)生電刺激信號對患側(cè)肢體產(chǎn)生刺激，以使患側(cè)肢體產(chǎn)生相應動作。進一步，所述健側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置包括三分量加速度傳感器、分布式表面肌電傳感器和多元足底壓力傳感器；三分量加速度傳感器用于采集健側(cè)肢體的動作軌跡，分布式表面肌電傳感器用于采集健側(cè)肢體的肌電數(shù)據(jù)，多元足底壓力傳感器用于采集健側(cè)肢體的足底壓力。進一步，所述康復儀還包括用于采集患者患側(cè)肢體姿態(tài)實際信息的患側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置；患側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置將采集到的患者患側(cè)肢體姿態(tài)信息傳送至信號特征提取融合裝置，信號特征提取融合裝置根據(jù)患側(cè)實采姿態(tài)和由健側(cè)肢體姿態(tài)信息映射出的患側(cè)肢體理想姿態(tài)之間的誤差生成控制命令，并將控制命令發(fā)送至電刺激裝置。由于患側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置的存在，從而可以根據(jù)患者患病側(cè)肢體的實際姿態(tài)與由健側(cè)肢體姿態(tài)信息映射出的患側(cè)肢體理想姿態(tài)之間的不同，也就是根據(jù)誤差值來進行控制命令的調(diào)整，從而使得電刺激裝置的刺激信號更加精確，提高治療效果。進一步，所述患側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置包括三分量加速度傳感器、分布式表面肌電傳感器和多元足底壓力傳感器；三分量加速度傳感器用于采集患側(cè)肢體的動作軌跡，分布式表面肌電傳感器用于采集患側(cè)肢體的肌電數(shù)據(jù)，多元足底壓力傳感器用于采集患側(cè)肢體的足底壓力。進一步，所述健側(cè) 肢體姿態(tài)信號采集裝置、信號特征提取融合裝置、電刺激裝置和患側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置含有藍牙通信模塊，各裝置之間采用無線藍牙方式進行數(shù)據(jù)傳輸。采用無線藍牙的方式傳輸數(shù)據(jù)使得康復儀的結(jié)構(gòu)更加簡單，避免了有線傳輸方式的弊端。本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明所述的康復儀采用集成運動再學習、生物反饋、神經(jīng)肌肉電刺激方法為一體的方法治療腦卒中，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明有效地解決了偏癱患者的行走平衡問題，一段使用時間后，可以促進腦可塑性和運動功能重組恢復方法，克服了傳統(tǒng)產(chǎn)品的反饋信號來源單一以及腦-機接口技術的腦信號不穩(wěn)定問題，以及植入電極內(nèi)部供電難、患者接納度低和醫(yī)生手術難的問題，同時，本康復儀也適合于腦外傷、多樣硬化癥、腦癱、非完全性脊髓損傷等未造成截癱后果的患者康復使用，具有很好的實用價值、社會價值和經(jīng)濟價值。


為了使本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進行說明:圖1為本發(fā)明所述康復儀的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為康復儀信號控制結(jié)構(gòu)圖3為無患側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置時康復儀的工作流程圖；圖4為具有患側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置時康復儀的工作流程具體實施例方式下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。本發(fā)明提出的偏癱患者自主康復儀采用本體鏡像原理，以患者健康一側(cè)的肢體姿態(tài)為參考，通過鏡像復制，控制患者患病一側(cè)肢體協(xié)調(diào)運動。圖1為本發(fā)明所述康復儀的結(jié)構(gòu)示意圖，該基于本體鏡像原理的偏癱患者自主康復儀，包括健側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置(即圖1中的健側(cè)肢體姿態(tài)信號拾取模塊)、信號特征提取融合裝置(即圖1中的信號特征值提取融合處理模塊)和電刺激裝置(即圖1中的無線高分辨率功能性電刺激模塊);健側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置用于采集健側(cè)肢體的姿態(tài)信息，信號特征提取融合裝置用于根據(jù)姿態(tài)信息數(shù)據(jù)生成控制命令，電刺激裝置用于產(chǎn)生電刺激信號對患側(cè)肢體進行刺激；健側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置對患者健側(cè)肢體的姿態(tài)信息進行采集，并將采集到的信號傳送至信號特征提取融合裝置，信號特征提取融合裝置根據(jù)接收到的健側(cè)肢體姿態(tài)信息和患者個人信息從正常行走步態(tài)數(shù)據(jù)庫中映射出患者患側(cè)肢體的姿態(tài)信息并產(chǎn)生相應的動作控制命令，并將控制命令發(fā)送至電刺激裝置，電刺激裝置接收到控制命令并根據(jù)控制命令產(chǎn)生電刺激信號對患側(cè)肢體產(chǎn)生刺激，以使患側(cè)肢體產(chǎn)生相應動作。 肢體姿態(tài)信息可以從很多方面進行提取，在本實施例中，采集健側(cè)肢體的動作軌跡、壓力及肌電三種信號，在本實施例中健側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置包括三分量加速度傳感器、分布式表面肌電傳感器和多元足底壓力傳感器；三分量加速度傳感器用于采集健側(cè)肢體的動作軌跡，分布式表面肌電傳感器用于采集健側(cè)肢體的肌電數(shù)據(jù)，多元足底壓力傳感器用于采集健側(cè)肢體的足底壓力。上述傳感器采集到相應信息后對信息進行轉(zhuǎn)換量化等處理，將處理后的數(shù)據(jù)信息傳送至信號特征提取融合裝置。信號特征提取融合裝置對接收到的經(jīng)過數(shù)字量化的健側(cè)肢體軌跡、肌電、足底壓力特征值進行提取并壓縮，同時 根據(jù)患者身高、體重等基本信息，從正常行走的步態(tài)數(shù)據(jù)庫中映射出患側(cè)肢體的姿態(tài)信息，產(chǎn)生相應的命令代碼。這部分工作由信號特征提取融合裝置中的DSP處理器完成，DSP對三分量加速度數(shù)值進行分解，表面肌電包絡特征信息壓縮提取，以及壓力信號閾值判斷，然后生成步態(tài)代碼，再通過步態(tài)數(shù)據(jù)庫映射得到該步態(tài)下患肢理想姿態(tài)，最后通過產(chǎn)生相應控制指令并將控制指令傳送至電刺激裝置。電刺激裝置接收并解析信號特征提取融合裝置發(fā)出的控制命令代碼，產(chǎn)生持續(xù)時間和強度的多肌群功能性電刺激信號，由緊貼皮膚的圓形電極布傳達到各肌群的周邊運動神經(jīng)，刺激肌肉伸縮，產(chǎn)生相應的肢體動作。作為本實施例的改進，在康復儀中還包括用于采集患者患側(cè)肢體姿態(tài)實際信息的患側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置(即圖1中的患側(cè)肢體姿態(tài)信號拾取模塊)；患側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置將采集到的患者患側(cè)肢體姿態(tài)信息傳送至信號特征提取融合裝置，信號特征提取融合裝置根據(jù)患側(cè)實采姿態(tài)和由健側(cè)肢體姿態(tài)信息映射出的患側(cè)肢體理想姿態(tài)之間的誤差生成控制命令，并將控制命令發(fā)送至電刺激裝置。由于患側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置的存在，從而可以根據(jù)患者患病側(cè)肢體的實際姿態(tài)與由健側(cè)肢體姿態(tài)信息映射出的患側(cè)肢體理想姿態(tài)之間的不同，也就是根據(jù)誤差值來進行控制命令的調(diào)整，從而使得電刺激裝置的刺激信號更加精確，提高治療效果?；紓?cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置和健側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置一樣，包括三分量加速度傳感器、分布式表面肌電傳感器和多元足底壓力傳感器；三分量加速度傳感器用于采集患側(cè)肢體的動作軌跡，分布式表面肌電傳感器用于采集患側(cè)肢體的肌電數(shù)據(jù)，多元足底壓力傳感器用于采集患側(cè)肢體的足底壓力。上述健側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置、信號特征提取融合裝置、電刺激裝置和患側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置含有藍牙通信模塊，各裝置之間采用無線藍牙方式進行數(shù)據(jù)傳輸，采用無線藍牙的方式傳輸數(shù)據(jù)使得康復儀的結(jié)構(gòu)更加簡捷，避免了有線傳輸方式的弊端。下面結(jié)合工作流程圖3和圖4對本康復儀的工作流程進一步說明。圖3為無患側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置時康復儀的工作流程圖，如圖所示，其具體工作步驟為:步驟1:通過緊貼健側(cè)肢體三維加速度傳感器、角度傳感器獲取健側(cè)肢體運動軌跡；通過陣列式無線表面肌電傳感器獲取健側(cè)肢體的表面肌電信號；通過有源應變片獲取足底壓力信號。步驟2:三分量加速度分解以及傾斜角度運算求取健側(cè)肢體現(xiàn)有物理姿態(tài)；運用表面肌電信號通過模型映射運算判別所在肌群舒張以及其力度分析。步驟3:健側(cè)姿態(tài)通過本體鏡像映射已有正常人和患者正常行走步態(tài)數(shù)據(jù)庫得到和健側(cè)肢體平衡行走的患側(cè)肢體應有的姿態(tài)。步驟4:控制器根據(jù)此姿態(tài)與前一姿態(tài)作比較，判斷是否大于某個閾值，大于則觸發(fā)生成該狀態(tài)的控制器代碼，通過無線藍牙發(fā)給無線高分辨率功能性電刺激模塊。步驟5:無線高分辨率功能性電刺激模塊接收到控制代碼，解析并生成各個肌群需要的電刺激信號序列，該序列通過閉環(huán)升壓控制雙極性恒流高壓電刺激序列。步驟6:雙極性恒流高壓電刺激序列通過與各肌群外周神經(jīng)緊貼的表面電極布，刺激各肌群，達到患者動作的目的。圖4為具有患側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置時康復儀的工作流程圖，如圖所示，其具體工作步驟為:步驟1:通過緊貼健側(cè)肢體三維加速度傳感器、角度傳感器獲取健側(cè)肢體運動軌跡；通過陣列式無線表面肌電傳感器獲取健側(cè)肢體的表面肌電信號；通過有源應變片獲取足底壓力信號。步驟2:三分量加速度分解以及傾斜角度運算求取健側(cè)肢體現(xiàn)有物理姿態(tài)；運用表面肌電信號通過模型映射運算判別所在肌群舒張以及其力度分析。步驟3:健側(cè)姿態(tài)通過本體鏡像映射已有正常人和患者正常行走步態(tài)數(shù)據(jù)庫得到和健側(cè)肢體平衡行走的患側(cè)肢體應有的姿態(tài)。步驟4:通過緊貼患側(cè)肢體三維加速度傳感器、角度傳感器獲取患側(cè)肢體運動軌跡；通過陣列式無線表面肌電傳感器獲取患側(cè)肢體的表面肌電信號；通過有源應變片獲取足底壓力信號。步驟5:控制器根據(jù)健側(cè)肢體映射理想姿態(tài)與患側(cè)實采姿態(tài)作比較，計算誤差，根據(jù)誤差產(chǎn)生控制器代碼，通過無線藍牙發(fā)給無線高分辨率功能性電刺激模塊。步驟6:無線高分辨率功能性電刺激模塊接收到控制代碼，解析并生成各個肌群需要的電刺激信號序列，該序列通過閉環(huán)升壓控制雙極性恒流高壓電刺激序列。步驟7 :雙極性恒流高壓電刺激序列通過與各肌群外周神經(jīng)緊貼的表面電極布，刺激各肌群，達到患者動作的目的。
最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于本體鏡像原理的偏癱患者自主康復儀，其特征在于:包括健側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置、信號特征提取融合裝置和電刺激裝置； 健側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置用于采集健側(cè)肢體的姿態(tài)信息，信號特征提取融合裝置用于根據(jù)姿態(tài)信息數(shù)據(jù)生成控制命令，電刺激裝置用于產(chǎn)生電刺激信號對患側(cè)肢體進行刺激；健側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置對患者健側(cè)肢體的姿態(tài)信息進行采集，并將采集到的信號傳送至信號特征提取融合裝置，信號特征提取融合裝置根據(jù)接收到的健側(cè)肢體姿態(tài)信息和患者個人信息從正常行走步態(tài)數(shù)據(jù)庫中映射出患者患側(cè)肢體的姿態(tài)信息并產(chǎn)生相應的動作控制命令，并將控制命令發(fā)送至電刺激裝置，電刺激裝置接收到控制命令并根據(jù)控制命令產(chǎn)生電刺激信號對患側(cè)肢體產(chǎn)生刺激，以使患側(cè)肢體產(chǎn)生相應動作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于本體鏡像原理的偏癱患者自主康復儀，其特征在于:所述健側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置包括三分量加速度傳感器、分布式表面肌電傳感器和多元足底壓力傳感器；三分量加速度傳感器用于采集健側(cè)肢體的動作軌跡，分布式表面肌電傳感器用于采集健側(cè)肢體的肌電數(shù)據(jù)，多元足底壓力傳感器用于采集健側(cè)肢體的足底壓力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于本體鏡像原理的偏癱患者自主康復儀，其特征在于:還包括用于采集患者患側(cè)肢體姿態(tài)實際信息的患側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置；患側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置將采集到的患者患側(cè)肢體姿態(tài)信息傳送至信號特征提取融合裝置，信號特征提取融合裝置根據(jù)患側(cè)實采姿態(tài)和由健側(cè)肢體姿態(tài)信息映射出的患側(cè)肢體理想姿態(tài)之間的誤差生成控制命令， 并將控制命令發(fā)送至電刺激裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于本體鏡像原理的偏癱患者自主康復儀，其特征在于:所述患側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置包括三分量加速度傳感器、分布式表面肌電傳感器和多元足底壓力傳感器；三分量加速度傳感器用于采集患側(cè)肢體的動作軌跡，分布式表面肌電傳感器用于采集患側(cè)肢體的肌電數(shù)據(jù)，多元足底壓力傳感器用于采集患側(cè)肢體的足底壓力。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于本體鏡像原理的偏癱患者自主康復儀，其特征在于:所述健側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置、信號特征提取融合裝置、電刺激裝置和患側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置含有藍牙通信模塊，各裝置之間采用無線藍牙方式進行數(shù)據(jù)傳輸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于本體鏡像原理的偏癱患者自主康復儀，屬于醫(yī)療器械領域。該康復儀包括健側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置、信號特征提取融合裝置和電刺激裝置。健側(cè)肢體姿態(tài)信號采集裝置對患者健側(cè)肢體的姿態(tài)信息進行采集，并將采集到的信號傳送至信號特征提取融合裝置，后者根據(jù)接收到的健側(cè)肢體姿態(tài)信息和患者個人信息從正常行走步態(tài)數(shù)據(jù)庫中映射出患者患側(cè)肢體的姿態(tài)信息并產(chǎn)生相應的動作控制命令，并將控制命令發(fā)送至電刺激裝置，電刺激裝置接收到控制命令并產(chǎn)生電刺激信號對患側(cè)肢體產(chǎn)生刺激，以使患側(cè)肢體產(chǎn)生相應動作。該康復儀以患者健側(cè)肢體姿態(tài)信息為參考，通過鏡像復制，控制患側(cè)肢體協(xié)調(diào)運動，達到偏癱患者平衡行走和運動功能重建的效果。
文檔編號A61N1/36GK103212156SQ20131011672
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月3日
發(fā)明者李耀, 陳健, 張為, 馬磊, 沈俊, 傅艦艇, 施益智, 張明焜 申請人:重慶綠色智能技術研究院