專利名稱：針對(duì)下肢的層級(jí)式功能性電刺激康復(fù)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種肢殘人康復(fù)醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)，具體是一種針對(duì)下肢的層
級(jí)式功能性電剌激康復(fù)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
功能性電剌激(FES-Functional Electrical Stimulation)利用人工弱電流脈沖 信號(hào)剌激癱瘓病人骨骼肌，以期望恢復(fù)其受損或喪失的運(yùn)動(dòng)功能。最初的應(yīng)用是以理療為 目的，"功能性"的概念起源于60年代，矯正足部下垂，效果非常理想。近些年，隨著電子計(jì) 算機(jī)科技的發(fā)展，功能性電剌激的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，早已突破了單純理療的范疇，其應(yīng)用包 括對(duì)于上肢的屈伸、抓握；對(duì)于下肢的站立、行走、騎自行車等。與此同時(shí)，高級(jí)智能的功能 性電剌激系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)前國(guó)際上的很多科研團(tuán)隊(duì)正致力于這方面的研發(fā)，比如美國(guó) 克里夫蘭FES中心、加拿大多倫多康復(fù)工程中心、英國(guó)格拉斯哥大學(xué)康復(fù)工程中心等。
—套完整的功能性電剌激系統(tǒng)通常包括控制器、剌激器和傳感器，其中的核心部 分是控制器，它的作用相當(dāng)于人類神經(jīng)系統(tǒng)中的大腦，可根據(jù)反饋信息并產(chǎn)生恰當(dāng)?shù)碾娒} 沖。在以往傳統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)中，都是使用一些人工控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)癱瘓肢體關(guān)節(jié)對(duì)期望 軌跡的跟蹤，比如比例積分微分控制、最優(yōu)控制、模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑?？刂频?等。這些功能性電剌激系統(tǒng)的控制器都是外界人工設(shè)計(jì)的，病人的主觀意識(shí)不參與其中，這 在某種程度上大大限制了功能性電剌激系統(tǒng)的"功能性"。 根據(jù)神經(jīng)修復(fù)的理念，最理想的康復(fù)系統(tǒng)應(yīng)是搭建從腦部到肌肉的神經(jīng)信號(hào)"橋 梁"人腦一脊髓一骨骼肌(末梢神經(jīng))。腦機(jī)接口 (BCI-Brain-Computer Interface)是 一種獲取人腦信息的很好手段。但是目前的腦機(jī)接口技術(shù)，尤其是常用的腦電信號(hào)(EEG) 處理水平還非常有限，最多能識(shí)別二維平面里的四種狀態(tài)(比如前、后、左、右)，腦機(jī)接 口與功能性電剌激的聯(lián)合應(yīng)用大多是針對(duì)上肢。神經(jīng)科學(xué)已經(jīng)證實(shí)了中樞模式發(fā)生器 (CPGCentral Pattern Generator)是存在于動(dòng)物脊髓中的一種生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)控制動(dòng) 物的節(jié)律運(yùn)動(dòng)(行走、奔跑、游泳、飛翔等)，它無(wú)需大腦的支持，可以獨(dú)立地為參與節(jié)律運(yùn) 動(dòng)的肌肉產(chǎn)生期望的激勵(lì)模式，中樞模式發(fā)生器的功能相當(dāng)于一個(gè)前饋控制器，但又不是 純粹的前饋控制器，反饋信息可以增強(qiáng)其自適應(yīng)功能。 經(jīng)對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?00510126360. 7，名稱為利用腦電波 直接控制功能性電剌激器的方法，該技術(shù)提供了一種功能性電剌激器康復(fù)系統(tǒng)，腦機(jī)接口 與功能性電剌激器直接連接，但是該技術(shù)忽略了當(dāng)前腦電信號(hào)的發(fā)展水平，可實(shí)現(xiàn)性很困 難；該技術(shù)沒(méi)有考慮脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的作用，仿生機(jī)制在康復(fù)效果上有非常重要的作用；且 該康復(fù)系統(tǒng)是一種開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，沒(méi)有反饋信息，不能實(shí)現(xiàn)肢體關(guān)節(jié)對(duì)期望軌跡的準(zhǔn)確跟蹤，即 不能確保實(shí)現(xiàn)正常人的行走步態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，提供一種針對(duì)下肢的層級(jí)式功能性電剌激康復(fù)系統(tǒng)。本發(fā)明通過(guò)仿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)抓中樞模式發(fā)生器的 功能性復(fù)制，為剌激肌肉產(chǎn)生節(jié)律模式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)癱瘓病人下肢行走運(yùn)動(dòng)的康復(fù)性訓(xùn)練。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 本發(fā)明包括腦機(jī)接口模塊、中樞模式發(fā)生器模塊和功能性電剌激模塊，其中腦 機(jī)接口模塊與中樞模式發(fā)生器模塊相連傳輸控制指令信息；中樞模式發(fā)生器模塊與功能性 電剌激模塊相連傳輸節(jié)律運(yùn)動(dòng)模式信息；功能性電剌激模塊與人體下肢肌骨系統(tǒng)相連傳輸 弱電流脈沖信號(hào)。 所述的腦機(jī)接口模塊包括腦電采集單元、預(yù)處理單元、特征提取單元、分類識(shí)別
單元和信號(hào)轉(zhuǎn)換單元，其中腦電采集單元的輸入端與患者的運(yùn)動(dòng)大腦皮層相連傳輸腦電
信號(hào)，預(yù)處理單元的輸入端與腦電采集單元的輸出端相連傳輸原始腦電信號(hào)，特征提取單
元的輸入端與預(yù)處理單元的輸出端相連傳輸與想象運(yùn)動(dòng)相關(guān)的信號(hào)，分類識(shí)別單元的輸入
端與特征提取單元的輸出端相連傳輸特征值信息，信號(hào)轉(zhuǎn)換單元的輸入端與分類識(shí)別單元
的輸出端相連傳輸模式分類結(jié)果信息，信號(hào)轉(zhuǎn)換單元的輸出端與中樞模式發(fā)生器模塊相連
傳輸控制指令信息，腦機(jī)接口模塊的作用是根據(jù)腦電信號(hào)識(shí)別患者運(yùn)動(dòng)企圖。 所述的中樞模式發(fā)生器模塊包括仿生脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)定性分析單元、參數(shù)設(shè)定
單元和自適應(yīng)單元，其中仿生脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與腦機(jī)接口模塊相連傳輸控制指令信息，穩(wěn)定
性分析單元與仿生脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相連傳輸神經(jīng)元的參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)鏈接的權(quán)值信息，參數(shù)設(shè)定
單元與仿生脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相連傳輸仿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、神經(jīng)元的參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)鏈接的
權(quán)值和調(diào)節(jié)信息，自適應(yīng)單元的輸入端與功能性電剌激模塊相連傳輸反饋信息，自適應(yīng)單
元的輸出端與仿生脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相連傳輸調(diào)節(jié)信息，仿生脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與功能性電剌激模
塊相連傳輸節(jié)律運(yùn)動(dòng)模式信息，中樞模式發(fā)生器模塊的作用是由腦電信號(hào)觸發(fā)，自主地為
行走產(chǎn)生節(jié)律控制信號(hào)。
所述的功能性電剌激模塊包括電剌激器和反饋電路，其中電剌激器的輸入端
與中樞模式發(fā)生器模塊相連傳輸節(jié)律性運(yùn)動(dòng)模式信息，電剌激器的輸出端與人體下肢肌骨
系統(tǒng)相連傳輸弱電流脈沖信號(hào)，反饋電路的一端與電剌激器相連傳輸反饋信息，反饋電路
的另一端與人體下肢肌骨系統(tǒng)相連傳輸反饋信息，功能性電剌激模塊的作用是在中樞模
式控制器模塊的節(jié)律信號(hào)控制下，產(chǎn)生期望的弱電流脈沖信號(hào)，剌激骨骼肌。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是首先，利用中樞模式發(fā)生器模塊，克服了現(xiàn)
有腦機(jī)接口技術(shù)的局限，降低了對(duì)腦電信號(hào)處理的要求，使系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性大大提高，同時(shí)中
樞模式發(fā)生器符合人體脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行機(jī)制，從神經(jīng)修復(fù)的角度來(lái)說(shuō)，更有助于患者(腦
卒中、脊髓損傷等)受損神經(jīng)的可塑性發(fā)展，提高康復(fù)效果；其次，反饋控制機(jī)制使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
閉環(huán)控制，增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)外部環(huán)境的自適應(yīng)能力和抗干擾能力，提高了控制效果，也就是使癱
瘓患者能實(shí)現(xiàn)與正常人一致的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練，這樣會(huì)確?？祻?fù)效果的可信性和有效性。


圖1為實(shí)施例的結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的系統(tǒng)進(jìn)一步描述本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述
的實(shí)施例。 實(shí)施例 如圖1所示，本實(shí)施例包括腦機(jī)接口模塊1、中樞模式發(fā)生器模塊2和功能性電 剌激模塊3，其中腦機(jī)接口模塊1與中樞模式發(fā)生器模塊2相連傳輸控制指令信息；中樞 模式發(fā)生器模塊2與功能性電剌激模塊3相連傳輸節(jié)律運(yùn)動(dòng)模式信息；功能性電剌激模塊 3與人體下肢肌骨系統(tǒng)4相連傳輸弱電流脈沖信號(hào)。 所述的腦機(jī)接口模塊1包括腦電采集單元5、預(yù)處理單元6、特征提取單元7、分 類識(shí)別單元8和信號(hào)轉(zhuǎn)換單元9，其中腦電采集單元5的輸入端與運(yùn)動(dòng)大腦皮層10相連 傳輸腦電信號(hào)，預(yù)處理單元6的輸入端與腦電采集單元5的輸出端相連傳輸原始腦電信號(hào)， 特征提取單元7的輸入端與預(yù)處理單元6的輸出端相連傳輸與想象運(yùn)動(dòng)相關(guān)的信號(hào)，分類 識(shí)別單元8的輸入端與特征提取單元7的輸出端相連傳輸特征值信息，信號(hào)轉(zhuǎn)換單元9的 輸入端與分類識(shí)別單元8的輸出端相連傳輸模式分類結(jié)果信息，信號(hào)轉(zhuǎn)換單元9的輸出端 與中樞模式發(fā)生器模塊2相連傳輸控制指令信息，腦機(jī)接口模塊的作用是根據(jù)腦電信號(hào) 識(shí)別運(yùn)動(dòng)企圖。 所述的腦電采集單元5是美國(guó)的Neuroscan腦電采集系統(tǒng)。 所述的中樞模式發(fā)生器模塊2包括仿生脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)11、穩(wěn)定性分析單元12、參 數(shù)設(shè)定單元13和自適應(yīng)單元14，其中仿生脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)11與信號(hào)轉(zhuǎn)換單元9相連傳輸 控制指令信息，穩(wěn)定性分析單元12與仿生脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)11相連傳輸神經(jīng)元的參數(shù)和網(wǎng)絡(luò) 鏈接的權(quán)值信息，參數(shù)設(shè)定單元13與仿生脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)11相連傳輸仿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)、神經(jīng)元的參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)鏈接的權(quán)值和調(diào)節(jié)信息，自適應(yīng)單元14的輸入端與功能性電剌 激模塊3相連傳輸反饋信息，自適應(yīng)單元14的輸出端與仿生脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)11相連傳輸調(diào) 節(jié)信息，仿生脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)11與功能性電剌激模塊3相連傳輸節(jié)律運(yùn)動(dòng)模式信息，中樞模 式發(fā)生器模塊2的作用是由腦電信號(hào)觸發(fā)，自主地為行走產(chǎn)生節(jié)律控制信號(hào)。
所述的中樞模式發(fā)生器模塊2選用的是松岡(Mastuoka)神經(jīng)振蕩器。
所述的穩(wěn)定性分析單元12的作用是設(shè)定神經(jīng)元的參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)鏈接的權(quán)值，保證 中樞模式發(fā)生器模塊2輸出平穩(wěn)的節(jié)律信號(hào)。 所述的參數(shù)設(shè)定單元13的作用是設(shè)定仿生脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)11的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、神經(jīng)元 的參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)鏈接的權(quán)值，調(diào)節(jié)中樞模式發(fā)生器模塊2輸出信號(hào)的幅度、相位、頻率和占空 比信息。 所述的自適應(yīng)單元14的作用是作用是調(diào)節(jié)仿生脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)11的參數(shù)信息， 利用反饋信息賦予仿生脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)11自適應(yīng)調(diào)整功能。 所述的功能性電剌激模塊3包括電剌激器15和反饋電路16，其中電剌激器15 的輸入端與仿生脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)11相連傳輸節(jié)律性運(yùn)動(dòng)模式信息，電剌激器15的輸出端與 人體下肢肌骨系統(tǒng)4相連傳輸弱電流脈沖信號(hào)，反饋電路16的一端與電剌激器15相連傳 輸反饋信息，反饋電路16的另一端與人體下肢肌骨系統(tǒng)4相連傳輸反饋信息，功能性電剌 激模塊3的作用是在中樞模式發(fā)生器模塊2的節(jié)律信號(hào)控制下，產(chǎn)生期望的弱電流脈沖信 號(hào)，剌激骨骼肌。 所述的電剌激器15是瑞士的Compex Motion II。
所述的反饋電路16是角度傳感器和足部壓力傳感器。 本實(shí)施例的工作過(guò)程當(dāng)癱瘓病人想象下肢開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，Neuroscan腦電采集系統(tǒng)開(kāi)始采集腦電信號(hào)，原始的腦電信號(hào)依次經(jīng)過(guò)預(yù)處理單元6、特征提取單元7、分類識(shí)別單元8被識(shí)別出來(lái)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換單元9變成控制指令"開(kāi)始"，該指令將觸發(fā)松岡神經(jīng)振蕩器，該振蕩器將自主地產(chǎn)生節(jié)律信號(hào)，這個(gè)節(jié)律信號(hào)調(diào)節(jié)和控制功能性電剌激模塊3，電剌激器Compex Motion II將產(chǎn)生電脈沖剌激骨骼肌，帶動(dòng)下肢運(yùn)動(dòng)。角度傳感器檢測(cè)關(guān)節(jié)角，足部壓力傳感器檢測(cè)應(yīng)力。反饋信息將傳給中樞模式發(fā)生器模塊2以調(diào)整節(jié)律模式，同時(shí)傳給電剌激器Compex Motion II，使該電剌激器進(jìn)一步調(diào)整電脈沖；當(dāng)癱瘓病人想象運(yùn)動(dòng)停止時(shí)，將終止運(yùn)動(dòng)。 本實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)首先，仿生機(jī)制(中樞模式發(fā)生器模塊2)的引入帶來(lái)兩大優(yōu)點(diǎn)1)克服了現(xiàn)有腦機(jī)接口技術(shù)的局限，降低了對(duì)腦電信號(hào)處理的要求，使系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性大大提高，2)中樞模式發(fā)生器模塊2符合人體脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行機(jī)制，從神經(jīng)修復(fù)的角度來(lái)說(shuō)，更有助于患者(腦卒中、脊髓損傷等)受損神經(jīng)的可塑性發(fā)展，提高康復(fù)效果；其次，反饋控制機(jī)制使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)外部環(huán)境的自適應(yīng)能力和抗干擾能力，提高了控制效果，也就是使癱瘓患者能實(shí)現(xiàn)與正常人一致的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練，這樣會(huì)確?？祻?fù)效果的可信性和有效性。
權(quán)利要求
一種針對(duì)下肢的層級(jí)式功能性電刺激康復(fù)系統(tǒng)，其特征在于，包括腦機(jī)接口模塊、中樞模式發(fā)生器模塊和功能性電刺激模塊，其中腦機(jī)接口模塊與中樞模式發(fā)生器模塊相連傳輸控制指令信息；中樞模式發(fā)生器模塊與功能性電刺激模塊相連傳輸節(jié)律運(yùn)動(dòng)模式信息；功能性電刺激模塊與人體下肢肌骨系統(tǒng)相連傳輸弱電流脈沖信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對(duì)下肢的層級(jí)式功能性電剌激康復(fù)系統(tǒng)，其特征是，所述 的腦機(jī)接口模塊包括腦電采集單元、預(yù)處理單元、特征提取單元、分類識(shí)別單元和信號(hào)轉(zhuǎn) 換單元，腦機(jī)接口模塊根據(jù)腦電信號(hào)識(shí)別患者的運(yùn)動(dòng)企圖，其中腦電采集單元的輸入端與 患者的運(yùn)動(dòng)大腦皮層相連傳輸腦電信號(hào)，預(yù)處理單元的輸入端與腦電采集單元的輸出端相 連傳輸原始腦電信號(hào)，特征提取單元的輸入端與預(yù)處理單元的輸出端相連傳輸與想象運(yùn)動(dòng) 相關(guān)的信號(hào)，分類識(shí)別單元的輸入端與特征提取單元的輸出端相連傳輸特征值信息，信號(hào) 轉(zhuǎn)換單元的輸入端與分類識(shí)別單元的輸出端相連傳輸模式分類結(jié)果信息，信號(hào)轉(zhuǎn)換單元的 輸出端與中樞模式發(fā)生器模塊相連傳輸控制指令信息。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對(duì)下肢的層級(jí)式功能性電剌激康復(fù)系統(tǒng)，其特征是，所述 的中樞模式發(fā)生器模塊包括仿生脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)定性分析單元、參數(shù)設(shè)定單元和自適應(yīng) 單元，中樞模式發(fā)生器模塊由腦電信號(hào)觸發(fā)，自主地為行走產(chǎn)生節(jié)律控制信號(hào)，其中仿生 脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與腦機(jī)接口模塊相連傳輸控制指令信息，穩(wěn)定性分析單元與仿生脊髓神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)相連傳輸神經(jīng)元的參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)鏈接的權(quán)值信息，參數(shù)設(shè)定單元與仿生脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相連 傳輸仿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、神經(jīng)元的參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)鏈接的權(quán)值和調(diào)節(jié)信息，自適應(yīng)單元的 輸入端與功能性電剌激模塊相連傳輸反饋信息，自適應(yīng)單元的輸出端與仿生脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 相連傳輸調(diào)節(jié)信息，仿生脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與功能性電剌激模塊相連傳輸節(jié)律運(yùn)動(dòng)模式信息。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對(duì)下肢的層級(jí)式功能性電剌激康復(fù)系統(tǒng)，其特征是，所述 的功能性電剌激模塊包括電剌激器和反饋電路，功能性電剌激模塊在中樞模式控制器模 塊的節(jié)律信號(hào)控制下，產(chǎn)生期望的弱電流脈沖信號(hào)，剌激骨骼肌，其中電剌激器的輸入端 與中樞模式發(fā)生器模塊相連傳輸節(jié)律性運(yùn)動(dòng)模式信息，電剌激器的輸出端與人體下肢肌骨 系統(tǒng)相連傳輸弱電流脈沖信號(hào)，反饋電路的一端與電剌激器相連傳輸反饋信息，反饋電路 的另一端與人體下肢肌骨系統(tǒng)相連傳輸反饋信息。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種肢殘人康復(fù)醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域的針對(duì)下肢的層級(jí)式功能性電刺激康復(fù)系統(tǒng)，包括腦機(jī)接口模塊、中樞模式發(fā)生器模塊和功能性電刺激模塊，腦機(jī)接口模塊包括腦電采集單元、預(yù)處理單元、特征提取單元、分類識(shí)別單元和信號(hào)轉(zhuǎn)換單元，中樞模式發(fā)生器模塊包括仿生脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)定性分析單元、參數(shù)設(shè)定單元和自適應(yīng)單元，功能性電刺激模塊包括電刺激器和反饋電路，其中腦機(jī)接口模塊與中樞模式發(fā)生器模塊相連傳輸控制指令信息，中樞模式發(fā)生器模塊與功能性電刺激模塊相連傳輸節(jié)律運(yùn)動(dòng)模式信息，功能性電刺激模塊發(fā)出弱電流脈沖信號(hào)。本發(fā)明可行性高，能提高病人的康復(fù)效果，增加了反饋控制功能，確保了康復(fù)效果的可信性和有效性。
文檔編號(hào)A61N1/36GK101711908SQ200910310630
公開(kāi)日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月30日
發(fā)明者劉廣權(quán), 張定國(guó), 朱向陽(yáng) 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)