專利名稱：智能型癱瘓病人輔助康復(fù)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)療器械，康復(fù)治療儀器領(lǐng)域，尤其涉及智能型癱瘓病人輔助康復(fù)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
正常人控制肢體運(yùn)動(dòng)的途徑為；“大腦——中樞神經(jīng)系統(tǒng)——外周神經(jīng)系統(tǒng)——骨骼肌——肢體運(yùn)動(dòng)”。而對(duì)于癱瘓病人，其中樞神經(jīng)系統(tǒng)受到損傷，大腦的動(dòng)作指令無法通過正常的體內(nèi)通路傳達(dá)到肌肉，從而喪失了對(duì)肢體的控制能力。
目前對(duì)癱瘓病人的康復(fù)治療主要采用按摩，針灸，電刺激等傳統(tǒng)的方法。這些方法在延緩病人殘肢肌肉萎縮，輔助康復(fù)方面起到了一定的積極作用，但是這些方法治療流程較長(zhǎng)，成本較高，療效也不是很好，更不能使患者殘肢完成其原有的特定動(dòng)作。
功能性電刺激(FES)技術(shù)的出現(xiàn)，為恢復(fù)殘肢的運(yùn)動(dòng)功能提供了一種新的途徑。它通過對(duì)殘肢特定部位外加一定形式的神經(jīng)或肌肉電刺激，從而能使殘肢完成某種特定動(dòng)作，這樣既可以防止殘肢肌肉萎縮，還可以恢復(fù)患者的部分運(yùn)動(dòng)功能，加速患者的康復(fù)速度。但此方法只能通過預(yù)先設(shè)定好的電刺激流程對(duì)殘疾進(jìn)行康復(fù)治療，時(shí)間長(zhǎng)可能會(huì)引起患者的不適，甚至產(chǎn)生肌肉勞損現(xiàn)象，此方法更無法讓癱瘓病人根據(jù)自己的意愿，來完成一些自主的動(dòng)作來控制外界環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種可以自動(dòng)分析癱瘓病人的運(yùn)動(dòng)意愿，讓患者自主地控制自己的殘肢運(yùn)動(dòng)，恢復(fù)自主運(yùn)動(dòng)能力，進(jìn)而恢復(fù)對(duì)外界環(huán)境的控制能力的智能型癱瘓病人輔助康復(fù)系統(tǒng)，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是智能型癱瘓病人輔助康復(fù)系統(tǒng)，包括用于提取病人想象各肢體動(dòng)作時(shí)腦電信號(hào)的腦電采集系統(tǒng)，用于對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行特征提取與分類處理的筆記本電腦，受控于筆記本電腦處理結(jié)果的功能電刺激系統(tǒng)。
所述腦電采集系統(tǒng)包括EEG信號(hào)的放大、濾波和采樣，采樣后的數(shù)字信號(hào)通過USB接口實(shí)時(shí)傳到筆記本電腦。
所述腦電信號(hào)采集包括11個(gè)導(dǎo)聯(lián)。
所述對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行特征提取與分類處理包括EEG軟件濾波去噪，想象動(dòng)作電位的特征提取，患者運(yùn)動(dòng)意圖的的分類，分類后的運(yùn)動(dòng)指令通過RS232串口傳到功能電刺激系統(tǒng)。
所述功能電刺激系統(tǒng)包括(1)用于讀取按鍵信息、顯示參數(shù)、控制脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比和控制各通道刺激輸出的控制單元。控制單元由兩塊核心芯片組成，一塊是單片機(jī)，一塊是可編程邏輯器件CPLD；(2)電源和升壓電路部分采用升壓模塊實(shí)現(xiàn)升壓，通過控制升壓模塊輸入端的脈沖的頻率和占空比能夠控制升壓模塊的輸出電壓幅值，采用DC-DC電源隔離模塊，保證各通道刺激輸出的獨(dú)立；(3)RS232串行接口功能電刺激系統(tǒng)通過RS232串行接口和主機(jī)通訊，接收主機(jī)的控制命令，根據(jù)命令調(diào)用存儲(chǔ)在系統(tǒng)的預(yù)置刺激模式，對(duì)患者進(jìn)行動(dòng)態(tài)有序刺激；
(4)I/O模塊以CPLD器件進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)單片機(jī)I/O口的擴(kuò)展，該部分用于驅(qū)動(dòng)液晶顯示和接收面板鍵輸入；(5)SPI串行外設(shè)接口用于單片機(jī)將已經(jīng)設(shè)置的參數(shù)傳遞給CPLD，CPLD根據(jù)接受的參數(shù)產(chǎn)生控制升壓電路的脈沖和通道選擇的脈沖電路。
本發(fā)明具備以下效果由于本發(fā)明采用了腦電采集系統(tǒng)，用于腦電信號(hào)處理的筆記本電腦，和受控的功能電刺激系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了癱瘓病人根據(jù)自己的意愿隨意控制肢體運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而自由行走，并控制外界環(huán)境的目的。同時(shí)，通過這種自主的恢復(fù)性運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，神經(jīng)沖動(dòng)上傳到患者的受損的神經(jīng)部位，使得患者得受損神經(jīng)系統(tǒng)也得到了相應(yīng)鍛煉的效果，加速患者受損神經(jīng)系統(tǒng)的康復(fù)與體內(nèi)神經(jīng)系統(tǒng)的重建，從而從根本上治療癱瘓病人得運(yùn)動(dòng)障礙。


圖1為本發(fā)明的智能型癱瘓病人輔助康復(fù)系統(tǒng)工作示意圖。
圖2為本發(fā)明的智能型癱瘓病人輔助康復(fù)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)框圖。
圖3腦電信號(hào)采集系統(tǒng)框圖。
圖4為本發(fā)明的想象動(dòng)作電位腦電信號(hào)提取的導(dǎo)聯(lián)位置示意圖。
圖5為本發(fā)明的腦電信號(hào)特征提取與分類處理流程圖。
圖6為本發(fā)明的功能電刺激系統(tǒng)硬件框圖。
圖7升壓部分電路圖。
圖8單片機(jī)主程序流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
本智能型癱瘓病人輔助康復(fù)系統(tǒng)主要由3大部分組成，即腦電采集系統(tǒng)，用于腦電信號(hào)處理的筆記本電腦，和受控的功能電刺激系統(tǒng)。其工作示意圖如圖1所示。首先腦電采集系統(tǒng)提取病人想象各肢體動(dòng)作時(shí)的腦電信號(hào)，經(jīng)過腦電信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行特征提取與分類，理解人的運(yùn)動(dòng)意圖，并用此分類結(jié)果控制一個(gè)功能電刺激儀進(jìn)行有選擇的，有序的四肢肌肉控制，從而達(dá)到病患隨意控制肢體運(yùn)動(dòng)，自由行走的目的。同時(shí)，外周感覺刺激不斷通過體內(nèi)神經(jīng)通路反饋回大腦，因此在鍛煉癱瘓肌肉運(yùn)動(dòng)能力的同時(shí)也促進(jìn)受損中樞神經(jīng)系統(tǒng)的重建與康復(fù)。
本發(fā)明的智能型癱瘓病人輔助康復(fù)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。腦電采集包括EEG信號(hào)的放大和采樣，采樣后的數(shù)字信號(hào)通過USB接口實(shí)時(shí)傳到筆記本電腦做信號(hào)處理，信號(hào)處理包括EEG濾波去噪，想象動(dòng)作電位的特征提取，患者運(yùn)動(dòng)意圖的的分類。分類后的運(yùn)動(dòng)指令通過RS232串口傳給功能電刺激儀，功能電刺激儀根據(jù)指令刺激患者相應(yīng)部位的神經(jīng)肌肉，從而使患者完成特定動(dòng)作。
圖3為腦電信號(hào)采集系統(tǒng)框圖。本發(fā)明實(shí)施例采用北京中科新拓儀器有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為UE-BZ的40導(dǎo)USB腦電放大器實(shí)現(xiàn)腦電信號(hào)的采集，其采樣率為1000Hz，輸入范圍為-15mv～+15mv，分辨率為0.5uv，采用USB接口直接供電，體積為210×170×40mm，便于攜帶精度高。
在本實(shí)施例中，腦電信號(hào)采集的導(dǎo)聯(lián)位置如圖4所示，包括11個(gè)導(dǎo)聯(lián)。采用國際10-20導(dǎo)聯(lián)放置標(biāo)準(zhǔn)，選用的導(dǎo)聯(lián)位置為CZ，C1，C2，C3，C4，C5，C6，F(xiàn)C3，F(xiàn)C4，CP3，CP4。
腦電信號(hào)處理流程圖如圖5所示?；颊哌\(yùn)動(dòng)想象的策略為想象左右手的抓握動(dòng)作，以及想象腿的屈伸動(dòng)作?；颊呦胂笾w動(dòng)作時(shí)的腦電信號(hào)經(jīng)過放大采集后傳入筆記本電腦做相關(guān)處理。首先利用快速ICA法對(duì)EEG信號(hào)進(jìn)行軟件濾波去噪，然后使用自適應(yīng)自回歸模型(AAR模型)，小波變換(WT)，共空間濾波法(CSP)等方法提取EEG想象動(dòng)作電位的時(shí)域，頻域和空域的特征，最后對(duì)患者運(yùn)動(dòng)意圖進(jìn)行分類。分類后的運(yùn)動(dòng)指令通過RS232串口傳給功能電刺激儀，功能電刺激儀根據(jù)指令刺激患者相應(yīng)部位的神經(jīng)肌肉，從而使患者完成特定動(dòng)作。
圖6是本康復(fù)系統(tǒng)中功能性電刺激儀的設(shè)計(jì)框圖。
(1)控制單元控制部分由兩塊核心芯片組成，一塊是AD公司的ADuC832單片機(jī)，一塊是可編程邏輯器件CPLD，采用的是Alter公司的MAX7000系列。該部分的主要工作是讀取按鍵信息、顯示參數(shù)、控制脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比和控制各通道刺激輸出。
(2)電源和升壓電路部分是模擬電路設(shè)計(jì)部分的關(guān)鍵所在，該部分采用升壓模塊實(shí)現(xiàn)升壓，通過控制升壓模塊輸入端的脈沖的頻率和占空比能夠控制升壓模塊的輸出電壓幅值。采用DC-DC電源隔離模塊，保證各通道刺激輸出的獨(dú)立。
(3)RS232串行接口功能電刺激系統(tǒng)通過RS232串行接口和主機(jī)通訊，接受主機(jī)的控制命令，根據(jù)命令調(diào)用存儲(chǔ)在系統(tǒng)的預(yù)置刺激模式，對(duì)患者進(jìn)行動(dòng)態(tài)有序刺激。
(4)I/O模塊該部分為液晶顯示和面板鍵輸入，用戶可以通過此系統(tǒng)根據(jù)提示信息方便地更改參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)病人也可方便的使用。通過對(duì)CPLD器件進(jìn)行編程可以容易地實(shí)現(xiàn)單片機(jī)I/O口的擴(kuò)展。
(6)SPI串行外設(shè)接口用于單片機(jī)將已經(jīng)設(shè)置的參數(shù)傳遞給CPLD，CPLD根據(jù)接受的參數(shù)產(chǎn)生控制升壓電路的脈沖和通道選擇的脈沖電路。
(7)信息存貯系統(tǒng)醫(yī)生可以根據(jù)病人的實(shí)際情況方便的設(shè)置參數(shù)，并設(shè)定為預(yù)置模式，病人可以根據(jù)自己的不同情況選擇不同的模式，在本實(shí)施例中參數(shù)存儲(chǔ)在單片機(jī)片內(nèi)FLASH中。
圖7升壓部分電路圖。
由于人體皮膚阻抗的存在，因此，對(duì)于使用表皮電極的皮膚電刺激來說，輸出電壓必須大于某一下限才能引起有效的感覺或運(yùn)動(dòng)反應(yīng)。對(duì)于不同的病人，對(duì)刺激強(qiáng)度的耐受能力有很大的差別，尤其對(duì)例如中風(fēng)等上運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元損傷的病人，其對(duì)刺激強(qiáng)度的要求幾乎相當(dāng)于正常人的3倍。因此，為了使該儀器能夠適用的范圍更廣，其輸出能力的上限能夠滿足失神經(jīng)支配病人的刺激域值，要求刺激瞬時(shí)輸出功率要較大，在一個(gè)脈沖輸出期間，幅度降落要少，幾乎要求恒壓刺激。同時(shí)，刺激脈沖的寬度也檢驗(yàn)升壓電路的輸出能力，對(duì)于脈沖儲(chǔ)能升壓電路，采用脈沖變壓器作為能量?jī)?chǔ)存和傳輸器件，驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率、占空比、變壓器初次級(jí)的變比共同決定了升壓電路的輸出能力。為了維持恒壓輸出能力，輸出刺激脈沖頻率不能過高，刺激頻率低于50赫茲，脈寬范圍0.2ms-0.6ms之間，儀器在這個(gè)頻率范圍里能夠保證恒壓輸出。本發(fā)明采用的升壓模塊基于逆變器原理，通過調(diào)節(jié)輸入驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率和占空比能夠控制輸出脈沖幅值，其最大輸出功率為1W。單通道升壓部分電路圖如圖7所示。整個(gè)系統(tǒng)中一共有16個(gè)通道，具有相同的電路圖，每個(gè)肢體使用四個(gè)通道進(jìn)行協(xié)同刺激。
主程序流程圖如圖8所示。
(1)程序開始；(2)初始化系統(tǒng)參數(shù)；(3)讀取片內(nèi)FLASH的參數(shù)；(4)顯示歡迎頁面；(5)進(jìn)入主程序循環(huán)；(6)掃描鍵盤，判斷是否有鍵按下，并得到相應(yīng)的鍵值；(7)判斷是否有鍵按下，如果是則進(jìn)入?yún)?shù)和頁面設(shè)置，否則執(zhí)行下一步；(8)判斷當(dāng)前是否為聯(lián)機(jī)模式，則執(zhí)行(9)，否則執(zhí)行(10)；(9)如果是聯(lián)機(jī)模式則判斷當(dāng)前串口是否有數(shù)據(jù)，如果是則按照串口數(shù)據(jù)進(jìn)行刺激，否則執(zhí)行下一次循環(huán)(5)；(10)如果不是聯(lián)機(jī)模式，則判斷是否進(jìn)行測(cè)試刺激，如果是則按照當(dāng)前的配置參數(shù)進(jìn)行刺激，否則執(zhí)行下一次循環(huán)(5)。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明專利所設(shè)計(jì)的智能型癱瘓病人輔助康復(fù)系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)的被動(dòng)治療的方案，繞過癱瘓病人體內(nèi)受損的神經(jīng)系統(tǒng)，用工程學(xué)的方法通過采集患者的腦電信號(hào)，分析患者的運(yùn)動(dòng)意圖，將運(yùn)動(dòng)指令下達(dá)給功能電刺激儀來控制相關(guān)肢體運(yùn)動(dòng)。這就使得癱瘓病人可以根據(jù)自己的意愿來自主控制肢體動(dòng)作，大大改善了患者的生活質(zhì)量。同時(shí)，通過這種自主的恢復(fù)性運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，神經(jīng)沖動(dòng)上傳到患者的受損的神經(jīng)部位，使得患者得受損神經(jīng)系統(tǒng)也得到了相應(yīng)鍛煉的效果，加速患者受損神經(jīng)系統(tǒng)的康復(fù)與體內(nèi)神經(jīng)系統(tǒng)的重建，從而從根本上治療癱瘓病人得運(yùn)動(dòng)障礙。本方法是一種全新的主動(dòng)康復(fù)治療方案，是康復(fù)理念的一次變革。
權(quán)利要求
1.一種智能型癱瘓病人輔助康復(fù)系統(tǒng)，其特征在于，包括用于提取病人想象各肢體動(dòng)作時(shí)腦電信號(hào)的腦電采集系統(tǒng)，用于對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行特征提取與分類處理的筆記本電腦，以及受控于筆記本電腦處理結(jié)果的功能電刺激系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能型癱瘓病人輔助康復(fù)系統(tǒng)，其特征在于，所述腦電采集系統(tǒng)包括EEG信號(hào)的放大、濾波和采樣，采樣后的數(shù)字信號(hào)通過USB接口實(shí)時(shí)傳到筆記本電腦。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能型癱瘓病人輔助康復(fù)系統(tǒng)，其特征在于，所述腦電信號(hào)采集包括11個(gè)導(dǎo)聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能型癱瘓病人輔助康復(fù)系統(tǒng)，其特征在于，所述對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行特征提取與分類處理包括EEG軟件濾波去噪，想象動(dòng)作電位的特征提取，患者運(yùn)動(dòng)意圖的的分類，分類后的運(yùn)動(dòng)指令通過RS232串口傳到功能電刺激系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能型癱瘓病人輔助康復(fù)系統(tǒng)，其特征在于，所述功能電刺激系統(tǒng)包括(1)用于讀取按鍵信息、顯示參數(shù)、控制脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比和控制各通道刺激輸出的控制單元?？刂茊卧蓛蓧K核心芯片組成，一塊是單片機(jī)，一塊是可編程邏輯器件CPLD；(2)電源和升壓電路部分采用升壓模塊實(shí)現(xiàn)升壓，通過控制升壓模塊輸入端的脈沖的頻率和占空比能夠控制升壓模塊的輸出電壓幅值，采用DC-DC電源隔離模塊，保證各通道刺激輸出的獨(dú)立；(3)RS232串行接口功能電刺激系統(tǒng)通過RS232串行接口和主機(jī)通訊，接收主機(jī)的控制命令，根據(jù)命令調(diào)用存儲(chǔ)在系統(tǒng)的預(yù)置刺激模式，對(duì)患者進(jìn)行動(dòng)態(tài)有序刺激；(4)I/O模塊以CPLD器件進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)單片機(jī)I/O口的擴(kuò)展，該部分用于驅(qū)動(dòng)液晶顯示和接收面板鍵輸入；(5)SPI串行外設(shè)接口用于單片機(jī)將已經(jīng)設(shè)置的參數(shù)傳遞給CPLD，CPLD根據(jù)接受的參數(shù)產(chǎn)生控制升壓電路的脈沖和通道選擇的脈沖電路。
全文摘要
本發(fā)明屬于醫(yī)療器械，康復(fù)治療儀器領(lǐng)域，尤其涉及智能型癱瘓病人輔助康復(fù)系統(tǒng)。為提供一種可以自動(dòng)分析癱瘓病人的運(yùn)動(dòng)意愿，讓患者自主地控制自己的殘肢運(yùn)動(dòng)，恢復(fù)自主運(yùn)動(dòng)能力，進(jìn)而恢復(fù)對(duì)外界環(huán)境的控制能力的智能型癱瘓病人輔助康復(fù)系統(tǒng)，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是智能型癱瘓病人輔助康復(fù)系統(tǒng)，包括用于提取病人想象各肢體動(dòng)作時(shí)腦電信號(hào)的腦電采集系統(tǒng)，用于對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行特征提取與分類處理的筆記本電腦，受控于筆記本電腦處理結(jié)果的功能電刺激系統(tǒng)。本發(fā)明主要用于制作智能型癱瘓病人輔助康復(fù)系統(tǒng)。
文檔編號(hào)A61B5/0476GK1887375SQ20061001488
公開日2007年1月3日 申請(qǐng)日期2006年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月21日
發(fā)明者王明時(shí), 周鵬, 張爽, 王婭, 劉海嬰 申請(qǐng)人:天津大學(xué)