專利名稱：便攜式自適應(yīng)功能電刺激系統(tǒng)及電刺激方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種康復(fù)用醫(yī)療設(shè)備，通過功能電刺激(Functional ElectricalStimulation，F(xiàn)ES)方法恢復(fù)中風(fēng)患者的肢體及手部運動功能。
背景技術(shù)：
二、背景技術(shù)統(tǒng)計顯示，中國的腦中風(fēng)發(fā)病率是冠心病的五倍，已成為引起人類死亡的第二類疾病和致殘的第一類疾病。2005年預(yù)測我國未來兩年內(nèi)，中風(fēng)的發(fā)病率將提高58％。值得注意的是，中風(fēng)百分之三十的幸存者終身殘疾，每年直接治療費用達(dá)人民幣二百六十三億元。
中風(fēng)患者由于屈肌痙攣，常受到舒張肌無力和不自主肌肉收縮的困擾。FES系統(tǒng)通過小電流刺激患者肌肉組織，幫助恢復(fù)人體肢體或手部運動，屬于物理理療方法，其中最典型的應(yīng)用之一是心臟起搏器。早在1971年，Liberson就使用電流刺激的方法幫助足下垂患者行走，現(xiàn)在FES系統(tǒng)主要用于脊髓損傷和中風(fēng)患者的康復(fù)，重點在于輔助恢復(fù)患者的肌肉功能等。
一些研究者已經(jīng)為脊髓損傷的患者設(shè)計了植入式電極和刺激系統(tǒng)，通過外科手術(shù)將電極植入患者肌肉組織，實現(xiàn)深層肌肉的控制。事實上，在近年的FES臨床應(yīng)用中，一些患者已經(jīng)通過表面電極的FES方法，部分或全部地恢復(fù)了肢體功能，沒有必要為普通病人安裝昂貴的植入式系統(tǒng)。
在美國的2005年專利申請10/278,575中，發(fā)明人公開了一種用于腕部功能恢復(fù)的便攜式FES系統(tǒng)，該系統(tǒng)能根據(jù)預(yù)定程序和設(shè)定參數(shù)被動地接受電刺激。近年的研究表明，利用閉環(huán)的反饋控制技術(shù)調(diào)節(jié)刺激過程的參數(shù)和被刺激部位的運動軌跡，不僅有助于肌肉的恢復(fù)，還有助于神經(jīng)的修復(fù)。最近，日本東北大學(xué)的Nozomu Hoshimiya教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)FES的閉環(huán)控制方面取得了進(jìn)展，但該技術(shù)是在以通用計算機為基礎(chǔ)的實驗系統(tǒng)下完成的，系統(tǒng)的便攜性和移動性較差。在一項中國專利申請2005100065043.9中，發(fā)明人公開了一種利用患者剩余主動運動來控制刺激模式方法，彌補了述系統(tǒng)的部分缺陷。但該系統(tǒng)的控制僅僅實現(xiàn)了控制模式的調(diào)整，沒有實現(xiàn)刺激參數(shù)的實時調(diào)節(jié)，本質(zhì)上還是一種開環(huán)控制的刺激技術(shù)；另外刺激參數(shù)的調(diào)整和設(shè)定也是通過PDA或計算機實現(xiàn)，這對于殘疾患者極為不便。同時，目前的FES系統(tǒng)均是采用同時調(diào)節(jié)刺激電流、電壓和脈沖寬度的方式改變刺激強度，參數(shù)多，調(diào)節(jié)不方便。
發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述分析，本發(fā)明的主要目的在于提供一個不依賴于任何外部控制單元、可以實現(xiàn)參數(shù)在線自適應(yīng)調(diào)節(jié)的便攜式功能電刺激系統(tǒng)。利用角度傳感器的反饋信號，實現(xiàn)FES肌肉控制模型的自動辨識、刺激信號的自適應(yīng)調(diào)節(jié)以及各活動關(guān)節(jié)的運動控制。
本發(fā)明的另一個目的在于為那些康復(fù)專業(yè)知識較少的患者提供盡可能多的專業(yè)康復(fù)治療，同時也可以減少那些有專業(yè)指導(dǎo)的患者就診頻率，減少康復(fù)治療專業(yè)人員的工作壓力，擴大受益患者人群。
本發(fā)明的具體構(gòu)成，包括功能電刺激主機、電極組、傳感器三部分。功能電刺激主機包括微處理器009、功率放大電路008、電平轉(zhuǎn)換器006以及通道選擇開關(guān)007。微處理器009輸出的通道選擇信號經(jīng)電平轉(zhuǎn)換器006連于通道選擇開關(guān)007；微處理器009輸出的刺激信號經(jīng)功率放大電路008同樣連于通道選擇開關(guān)007；通道選擇開關(guān)007的輸出連于與人體肌肉相接觸的電極組002，電極數(shù)量一個至四對；與人體肌肉相接觸的傳感器組003連于微處理器009，傳感器組003由角度傳感器組成，數(shù)量一個至四個。
本發(fā)明中的刺激參數(shù)實時調(diào)節(jié)，是通過給定脈沖幅度的條件下，調(diào)節(jié)脈沖寬度實現(xiàn)的。利用系統(tǒng)中微處理器009內(nèi)部定時器計時時間的改變，調(diào)整刺激信號寬度。
本發(fā)明中的自主式康復(fù)訓(xùn)練技術(shù)，提出了建立刺激能量與關(guān)節(jié)運動角度關(guān)系模型，該模型具有高度非線性，無法用具體公式準(zhǔn)確描述，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)良好逼近任意模型的特點，建立該模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。上述技術(shù)主要包括康復(fù)肌肉的FES模型辨識技術(shù)，通過系統(tǒng)產(chǎn)生不同刺激強度的刺激信號，檢測相應(yīng)關(guān)節(jié)的角度變化情況，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識技術(shù)離線辨識FES模型，并在此基礎(chǔ)上不斷修正神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識的FES模型，同時利用模型誤差在線調(diào)節(jié)自適應(yīng)PID控制參數(shù)，實現(xiàn)FES模型和控制參數(shù)的同時在線更新。
為了實現(xiàn)在有限系統(tǒng)資源下的刺激參數(shù)調(diào)節(jié)，本發(fā)明中結(jié)合設(shè)備特點，提出了僅通過改變刺激信號的脈沖寬度方法調(diào)節(jié)刺激能量，簡化控制參數(shù)的計算，具體如下θ∝EE＝U×Pw。 (1)式中θ表示關(guān)節(jié)的運動角度；E表示刺激能量；U代表刺激電壓；Pw是刺激脈沖寬度。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明中采用微處理器控制的便攜式功能電刺激系統(tǒng)(簡稱FES系統(tǒng))改進(jìn)了現(xiàn)有系統(tǒng)的工作及控制模式。由于系統(tǒng)采用了角度傳感器檢測被測關(guān)節(jié)的運動情況，本發(fā)明的系統(tǒng)可以實現(xiàn)高級的控制策略和閉環(huán)控制，提高系統(tǒng)控制的精度。現(xiàn)有的便攜式FES系統(tǒng)沒有采用這種閉環(huán)控制的方法，無法實現(xiàn)刺激參數(shù)的實時在線調(diào)節(jié)。同時由于采用了傳感器感受肌肉受到刺激后的運動情況，本發(fā)明的系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)離線和在線的FES模型辨識，更加準(zhǔn)確地了解肌肉工作的時變情況，并以此制定合理的反饋控制策略。為簡化參數(shù)的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)提供了一套控制策略，將傳統(tǒng)的多刺激參數(shù)調(diào)節(jié)方法，改進(jìn)為僅利用改變刺激脈沖寬度的刺激能量控制方法，適合于類似本系統(tǒng)的有限資源系統(tǒng)的實際情況。在人體腕關(guān)節(jié)軌跡跟蹤控制中，控制誤差小于4％。
四
圖1是便攜式自適應(yīng)功能電刺激系統(tǒng)的組成框圖；圖2是微處理器原理框圖；圖3是功率放大電路部分原理圖；圖4是本發(fā)明的便攜式FES主機正面板圖；圖5是本發(fā)明軟件總流程；圖6是工作模式一的流程圖；圖7是工作模式二的流程圖；圖8是工作模式三和工作模式四的流程圖；五具體實施方式
本發(fā)明提供的便攜式功能電刺激系統(tǒng)(簡稱FES系統(tǒng))，是用于對中風(fēng)患者肢體和手部進(jìn)行輔助康復(fù)。該系統(tǒng)包括一臺便攜式FES主機001用于辨識刺激肌肉的FES模型、確定刺激工作模式、實現(xiàn)刺激參數(shù)的在線調(diào)節(jié)。接收并轉(zhuǎn)換角度傳感器的檢測信號。生成肌肉刺激信號以及通道選擇信號；簡易的角度傳感器組003用于檢測刺激肌肉相關(guān)關(guān)節(jié)的運動情況和控制指令(以下的工作模式2、3、4中)；電刺激電極002用于上肢肌肉表皮刺激的連接介質(zhì)，傳導(dǎo)刺激電流刺激肌肉。
如上所述的便攜式FES系統(tǒng)，其中包括的便攜式主機，有4個刺激通道可以選擇。包括一個微處理器(C8051F005)，如圖2。利用其內(nèi)置的FLASH存儲器004保存系統(tǒng)工作程序、刺激參數(shù)和用戶數(shù)據(jù)等。利用其內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器005，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)換。經(jīng)過計算獲得的脈沖信號，通過刺激通道輸出到刺激電極；電平轉(zhuǎn)換電路006，如圖1；運算放大器008，將單片機I/O口輸出信號轉(zhuǎn)換為通道選擇開關(guān)007驅(qū)動信號；通道選擇開關(guān)007MOFSFET“IRF510”，選擇FES刺激通道；功率放大電路008對脈沖刺激信號功率放大為實際肌肉刺激信號，如圖3。
主機面板，如圖4。包括電源開關(guān)010，用于啟動主機工作；脈沖寬度011、刺激頻率012、持續(xù)時間013三組旋鈕，用于在簡單訓(xùn)練或?qū)I(yè)人員指導(dǎo)時的刺激參數(shù)調(diào)整及設(shè)定；通道選擇按鈕一組2個014，用于選擇工作通道0、1、2、3；多個LED 015指示，用于指示系統(tǒng)工作狀態(tài)；
系統(tǒng)工作參數(shù)如下表
如上所述的便攜式FES系統(tǒng)，其中的角度傳感器可以根據(jù)需要檢測關(guān)節(jié)的運動情況。
相應(yīng)地，本發(fā)明還提供了一套功能電刺激的方法，其中主要包括如下幾種電刺激的工作模式，系統(tǒng)軟件工作總流程如圖5所示1.工作模式一，這種工作模式是利用功能電刺激主機和自己電極，通過便攜式功能電刺激主機預(yù)先設(shè)置好的刺激參數(shù)或者在線人工調(diào)節(jié)的刺激參數(shù)下，有規(guī)律地自動刺激肢體或手部肌肉，達(dá)到康復(fù)目的，所述刺激參數(shù)包括刺激信號頻率，刺激信號強度，刺激持續(xù)時間；其特征在于，還包括無需專業(yè)指導(dǎo)的自主式肌肉康復(fù)訓(xùn)練的電刺激工作模式二、工作模式三、工作模式四；2.工作模式二，稱為自適應(yīng)參數(shù)設(shè)置工作模式，這種工作模式是利用功能電刺激主機，刺激電極和角度傳感器，控制刺激肌肉相關(guān)關(guān)節(jié)的運動變化，以檢測不同刺激信號強度下肌肉的響應(yīng)，功能電刺激主機產(chǎn)生的刺激信號頻率自行設(shè)定為15-500Hz，刺激信號強度由小到大逐漸遞增，刺激肌肉運動，同時功能電刺激主機中的A/D單元不斷采集角度傳感器的信號，微處理器通過分析角度傳感器的信號變化確定患者的刺激信號頻率，刺激信號強度和刺激持續(xù)時間三個刺激參數(shù)，采用刺激信號強度聯(lián)系遞增三個級別而沒有引起角度傳感器信號的變化，此時的刺激參數(shù)作為功能電刺激主機的工作參數(shù)保存在功能電刺激主機中，持續(xù)工作時間通過輸入確定或者由系統(tǒng)自動設(shè)定；3.工作模式三，是指在上述工作模式二的基礎(chǔ)上，利用不同刺激信號強度下的傳感器的反饋信號，實現(xiàn)刺激肌肉的功能電刺激主機模型離線及在線辨別，通過如下方法完成利用不同刺激信號強度的刺激信號訓(xùn)練肌肉，獲得該肌肉的刺激信號強度與運動角度的關(guān)系曲線，實現(xiàn)功能電刺激系統(tǒng)的離線辨別，該系統(tǒng)主機根據(jù)辨識模型，自動產(chǎn)生一套運定控制策略，實現(xiàn)肌肉運動的精確控制；4.工作模式四，是指在上述工作模式三的基礎(chǔ)上，首先辨識需要訓(xùn)練功能電刺激系統(tǒng)肌肉模型，利用一個置于健康肢體上產(chǎn)生運動指令的傳感器和另一個置于不健康肢體上的用于檢測在電刺激下運動情況的傳感器，所產(chǎn)生的反饋信號，調(diào)節(jié)功能電刺激主機的刺激信號強度，實現(xiàn)肢體運動的精確控制和軌跡跟蹤控制，達(dá)到患者的肌肉和神經(jīng)功能的恢復(fù)。
如上述的一套功能電刺激方法，其中的刺激參數(shù)包括刺激頻率、刺激強度(主要是脈沖寬度)、持續(xù)工作時間。
實施例1對專業(yè)人員指導(dǎo)的患者，可以采用工作模式一提供的方式進(jìn)行康復(fù)治療。專業(yè)人員根據(jù)患者的實際情況，通過便攜式FES主機提供的參數(shù)調(diào)節(jié)功能，針對性的調(diào)整刺激頻率、刺激強度和持續(xù)工作時間，指導(dǎo)患者的康復(fù)治療過程。由于康復(fù)治療是一項漸進(jìn)恢復(fù)功能的過程，患者不必時刻在康復(fù)中心接受指導(dǎo)性治療，因此患者每次就診時的刺激參數(shù)，可以由專業(yè)人員直接保存到便攜式FES主機，以方便患者回家后的康復(fù)治療。另外，患者在家進(jìn)行恢復(fù)治療時，也可以根據(jù)自己的實際情況，小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)刺激參數(shù)，并保存。這樣患者每次開機時，此刺激參數(shù)可以自動裝載，便攜式FES主機會按此設(shè)置啟動工作。
本實施例的基本配置包括便攜式FES主機和刺激電極。一般針對有專業(yè)指導(dǎo)的重度康復(fù)患者，主要目的是在前期功能恢復(fù)性治療過程中，用于保持和恢復(fù)患者的肌肉功能。工作流程如圖6所示。
在本實施例中，系統(tǒng)能夠有規(guī)律地自動刺激患者肢體，進(jìn)行簡單的訓(xùn)練控制，幫助肌肉運動。
實施例2對于無法獲得專業(yè)指導(dǎo)的患者，或?qū)I(yè)指導(dǎo)間隔時間較長的患者，本系統(tǒng)提供了一種簡單的康復(fù)治療工作模式二。該模式下工作的最基本配置為便攜式FES主機、刺激電極以及一個角度傳感器。工作流程如圖7所示。
本實施例中，在系統(tǒng)確定刺激參數(shù)后，可以按如下兩種方式工作1、如實施例1的有規(guī)律自動刺激訓(xùn)練，角度傳感器的作用僅僅是初始確定工作時的刺激參數(shù)；2、康復(fù)訓(xùn)練過程中，根據(jù)角度傳感器的反饋信號，簡單判斷肌肉的疲勞程度，實時調(diào)整刺激參數(shù)，如肌肉比較疲勞，可以縮短系統(tǒng)持續(xù)工作時間。
實施例3本實施例是一種實施上述工作模式三的方案。工作所需的基本配置同實施例2，即便攜式FES主機、刺激電極以及角度傳感器。工作流程如圖8所示。
在本實施例中，首先需要辨識訓(xùn)練肌肉的FES模型，通過如下方法完成利用不同刺激強度的刺激信號刺激訓(xùn)練肌肉，獲得該肌肉的刺激強度與運動角度的關(guān)系曲線，實現(xiàn)FES模型的離線辨識。
在本實施例中，需要患者按照某一確定軌跡做較高級的運動恢復(fù)訓(xùn)練，因此需要輸入期望運動軌跡，便攜式FES主機內(nèi)設(shè)置了兩種運動軌跡正弦曲線運動和梯形軌跡運動。當(dāng)然也可以由角度傳感器采集通道輸入期望運動軌跡，存于主機的存貯單元中。訓(xùn)練過程中，便攜式FES主機采集到實際反饋角度信號后，利用其內(nèi)置的控制算法不斷調(diào)整刺激參數(shù)，實現(xiàn)軌跡跟蹤運動的精確控制。同時考慮到在訓(xùn)練過程中肌肉模型的時變特性，還需要每次訓(xùn)練完成后，重新辨識FES模型，并以此為依據(jù)，實現(xiàn)控制參數(shù)的調(diào)節(jié)。
實施例4本實施例是在患者有一個肢體(手臂或腿)健康的情況下，可以采用的一種工作模式。
本實施例中，對于訓(xùn)練肌肉模型的離線辨識與實施例3相同。所不同的是刺激指令以及刺激運動軌跡均由患者自己發(fā)出，需要康復(fù)治療的肢體可以實時跟蹤期望運動軌跡，做更加復(fù)雜的康復(fù)訓(xùn)練。
本實施例中需要的最低配置為便攜式FES主機、角度傳感器一對、刺激電極。
此外，本發(fā)明涉及到FES模型的離線和在線辨識方法、刺激過程中的控制策略及方法，這方面有足夠多的技術(shù)可供選擇。關(guān)鍵在于相關(guān)的微處理器環(huán)境下的算法實現(xiàn)，要確保在可用資源極度匱乏的情況下，系統(tǒng)良好、高效的工作。上述相關(guān)實施例中，辨識采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識技術(shù)，控制策略采用自適應(yīng)PID控制策略。
權(quán)利要求
1.一種便攜式自適應(yīng)功能電刺激系統(tǒng)，其特征在于，包括功能電刺激主機(001)，電極組(002)，傳感器組(003)，所述功能電刺激主機(001)包括微處理器(009)、功率放大電路(008)、電平轉(zhuǎn)換器(006)以及通道選擇開關(guān)(007)，所述微處理器(009)輸出的通道選擇信號經(jīng)電平轉(zhuǎn)換器(006)連于通道選擇開關(guān)(007)；微處理器(009)輸出的刺激信號經(jīng)功率放大電路(008)同樣連于通道選擇開關(guān)(007)；所述通道選擇開關(guān)(007)的輸出連于人體肌肉相接觸的電極組(002)；與人體肌肉相接觸的傳感器組(003)連于微處理器(009)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式自適應(yīng)功能電刺激系統(tǒng)，其特征在于，傳感器組(003)由角度傳感器組成。
3.一種權(quán)利要求1所述的便攜式自適應(yīng)功能電刺激系統(tǒng)的電刺激方法，包括需專業(yè)指導(dǎo)的自主式肌肉康復(fù)訓(xùn)練的電刺激工作模式一，這種工作模式是利用功能電刺激主機和刺激電極，通過便攜式功能電刺激主機預(yù)先設(shè)置好的刺激參數(shù)或者在線人工調(diào)節(jié)的刺激參數(shù)下，有規(guī)律地自動刺激肢體或手部肌肉，達(dá)到康復(fù)目的，所述刺激參數(shù)包括刺激信號頻率，刺激信號強度，刺激持續(xù)時間；其特征在于，還包括無需專業(yè)指導(dǎo)的自主式肌肉康復(fù)訓(xùn)練的電刺激工作模式二、工作模式三、工作模式四；所述工作模式二，稱為自適應(yīng)參數(shù)設(shè)置工作模式，這種工作模式是利用功能電刺激主機，刺激電極和角度傳感器，控制刺激肌肉相關(guān)關(guān)節(jié)的運動變化，以檢測不同刺激信號強度下肌肉的響應(yīng)，功能電刺激主機產(chǎn)生的刺激信號頻率自行設(shè)定為15-500Hz，刺激信號強度由小到大逐漸遞增，刺激肌肉運動，同時功能電刺激主機中的A/D單元不斷采集角度傳感器的信號，微處理器通過分析角度傳感器的信號變化確定患者的刺激信號頻率，刺激信號強度和刺激持續(xù)時間三個刺激參數(shù)，采用刺激信號強度聯(lián)系遞增三個級別而沒有引起角度傳感器信號的變化，此時的刺激參數(shù)作為功能電刺激主機的工作參數(shù)保存在功能電刺激主機中，持續(xù)工作時間通過輸入確定或者由系統(tǒng)自動設(shè)定；所述工作模式三，是指在上述工作模式二的基礎(chǔ)上，利用不同刺激信號強度下的傳感器的反饋信號，實現(xiàn)刺激肌肉的功能電刺激主機模型離線及在線辨別，通過如下方法完成利用不同刺激信號強度的刺激信號訓(xùn)練肌肉，獲得該肌肉的刺激信號強度與運動角度的關(guān)系曲線，實現(xiàn)功能電刺激系統(tǒng)的離線辨別，該系統(tǒng)主機根據(jù)辨識模型，自動產(chǎn)生一套運定控制策略，實現(xiàn)肌肉運動的精確控制；所述工作模式四，是指在上述工作模式三的基礎(chǔ)上，首先辨識需要訓(xùn)練功能電刺激系統(tǒng)肌肉模型，利用一個置于健康肢體上產(chǎn)生運動指令的傳感器和另一個置于不健康肢體上的用于檢測在電刺激下運動情況的傳感器，所產(chǎn)生的反饋信號，調(diào)節(jié)功能電刺激主機的刺激信號強度，實現(xiàn)肢體運動的精確控制和軌跡跟蹤控制，達(dá)到患者的肌肉和神經(jīng)功能的恢復(fù)。
全文摘要
一種便攜式自適應(yīng)功能電刺激系統(tǒng)及電刺激方法，屬康復(fù)用醫(yī)療設(shè)備。該康復(fù)用醫(yī)療設(shè)備，包括功能電刺激主機(001)、電極組(002)、傳感器組(003)。其中功能電刺激主機(001)包括微處理器(009)、電平轉(zhuǎn)換器(006)、功率放大電路(008)、通道選擇開關(guān)(007)。并提供了四種電刺激工作模式，供患者和醫(yī)務(wù)人員選擇使用。為實現(xiàn)有限資源下的參數(shù)調(diào)節(jié)，采用刺激能量控制的方法，刺激能量調(diào)節(jié)僅需要改變刺激信號寬度，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；同時提出利用離線和在線神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識技術(shù)建立刺激能量和關(guān)節(jié)角度變化模型，準(zhǔn)確地了解人體肌肉工作的時變特性。提高了控制精度、操作簡單、方便，主要用于中風(fēng)或肌肉損傷患者的康復(fù)。
文檔編號A61N1/36GK101041101SQ20071002060
公開日2007年9月26日 申請日期2007年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月15日
發(fā)明者曹力, 李睿, 曹罡, 郭琪超 申請人:南京航空航天大學(xué), 中國人民解放軍南京軍區(qū)南京總醫(yī)院