專利名稱：肌電信號控制的主從式無線功能性電刺激康復(fù)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種康復(fù)醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)，具體是一種肌電(EMG)信號控制 的主從式無線功能性電剌激(FES)康復(fù)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，目前全球約有2500-3000萬腦卒中(中風(fēng))患者，我國至少 有600萬人，這個數(shù)字還有日趨上升的趨勢。如果加上其它原因造成的癱瘓病人，數(shù)目將會 更為驚人。針對癱瘓病人的早期康復(fù)，運(yùn)動療法是個非常重要并且有效的手段。當(dāng)前腦卒 中患者的運(yùn)動康復(fù)普遍是在理療師的協(xié)助下進(jìn)行，有時依靠一些簡單的傳統(tǒng)器械。這種方 式下，病人的運(yùn)動是被動進(jìn)行的，這需要理療師付出非常繁重的體力勞動。功能性電剌激是 康復(fù)領(lǐng)域常見的一種技術(shù)，它利用人工弱電流脈沖信號剌激癱瘓病人的骨骼肌，病人的肌 肉被剌激后收縮，帶動肢體產(chǎn)生期望的運(yùn)動。目前，功能性電剌激可實現(xiàn)癱瘓病人的上肢的 屈伸、抓握；下肢的站立、行走、蹬自行車，矯正足下垂等。 隨著電子科技的日益發(fā)展，功能性電剌激技術(shù)日趨成熟，一些商業(yè)化的產(chǎn)品已經(jīng)
問世，比如美國的Parast印、Freehand，英國的Finetech，力口拿大的Bionic Glove，荷蘭的
Handmaster等等。近幾年，新的控制技術(shù)以及生物傳感器技術(shù)賦予了功能性電剌激系統(tǒng)更
全面的功能，比如腦電信號和肌電信號已經(jīng)成為了功能性電剌激重要的控制源。 經(jīng)對現(xiàn)有的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的功能性電剌激在康復(fù)工程上的應(yīng)用基本都是針
對獨立的患者個體設(shè)計的系統(tǒng)，使患者能夠?qū)崿F(xiàn)某種特定的運(yùn)動功能，因此沒有主從式的
電剌激康復(fù)系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種肌電信號控制的主從 式無線功能性電剌激康復(fù)系統(tǒng)。本發(fā)明通過無線式功能性電剌激，實現(xiàn)理療師對癱瘓病人 進(jìn)行主從式的康復(fù)訓(xùn)練，具有減輕理療師體力負(fù)荷、實現(xiàn)一對多康復(fù)訓(xùn)練的優(yōu)點。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的 本發(fā)明包括主動單元和若干從動單元，其中主動單元與主動方(理療師)相連 傳輸肌電信息，主動單元和從動單元無線連接傳輸運(yùn)動模式信息，從動單元與從動方(癱 瘓病患)相連傳輸電脈沖信息。 所述的主動單元包括若干EMG電極片、放大器、濾波器、編碼器和無線發(fā)送器，其 中EMG電極片與主動方的肌肉相連傳輸原始表面肌電信息，EMG電極片與放大器相連傳輸 原始肌電信息，放大器與濾波器相連傳輸放大了的肌電信號，濾波器與編碼器相連傳輸消 噪的肌電信號，編碼器與無線發(fā)送器相連傳輸編碼的肌電信號，無線發(fā)送器與從動單元無 線連接傳輸運(yùn)動代碼信息。 所述的主動單元還包括特征提取單元和分類器，其中特征提取單元的輸入端 與濾波器相連傳輸消噪的肌電信息，分類器的輸入端與特征提取單元的輸出端相連傳輸肌電信號的特征信息，分類器的輸出端與編碼器相連傳輸運(yùn)動模式信息。 所述的從動單元包括無線接收器、解碼器、控制器、電剌激器和若干FES電極片， 其中無線接收器與主動單元無線連接傳輸運(yùn)動代碼信息，無線接收器與解碼器相連傳輸 運(yùn)動代碼信息，解碼器與控制器相連傳輸運(yùn)動解碼信息，控制器與電剌激器相連傳輸剌激 模式信息，電剌激器與FES電極片相連傳輸電脈沖信息，F(xiàn)ES電極片與從動方的肌肉相連傳 輸電脈沖信息。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是改變了傳統(tǒng)的運(yùn)動康復(fù)方式，理療師無需 通過肢體接觸來親自輔助癱瘓病人做訓(xùn)練，而且此系統(tǒng)可實現(xiàn)多個患者同時跟隨一個理療 師做康復(fù)訓(xùn)練，大大減輕了理療師的工作負(fù)荷；同時能夠保持病人肌肉活力，防止肌肉萎 縮，減少痙攣，使病人的康復(fù)效果更為理想。


圖1是實施例1的構(gòu)成示意框圖；
圖2是實施例2的構(gòu)成示意框圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的系統(tǒng)進(jìn)一步描述本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提
下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述
的實施例。
實施例1 如圖1所示，本實施例考慮了主動方做指定動作時用到的全部肌肉，在主動方運(yùn) 動過程中用到的每塊肌肉上都貼上了 EMG電極片，本實施例具體包括主動單元和若干從 動單元，其中主動單元與主動方所有參與指定運(yùn)動的肌肉相連傳輸肌電信息，主動單元和 從動單元無線連接傳輸肌電代碼信息，從動單元與從動方所有參與指定運(yùn)動的肌肉相連傳 輸電脈沖信息。 所述的主動單元包括若干EMG電極片、放大器、濾波器、編碼器和無線發(fā)送器，其 中EMG電極片與主動方所有參與指定運(yùn)動的肌肉相連傳輸原始表面肌電信息，EMG電極片 與放大器相連傳輸原始肌電信息，放大器與濾波器相連傳輸放大了的肌電信息，濾波器與 編碼器相連傳輸消噪的肌電信息，編碼器與無線發(fā)送器相連傳輸編碼的肌電信息，無線發(fā) 送器與從動單元無線連接傳輸肌電代碼信息。 所述的EMG電極片、放大器和濾波器選用的是荷蘭集成的Mega6000肌電儀，該儀 器同時具有采集肌電信息、放大信息和濾波的功能。 所述的從動單元包括無線接收器、解碼器、控制器、電剌激器和若干FES電極片， 其中無線接收器與主動單元無線連接傳輸肌電代碼信息，無線接收器與解碼器相連傳輸 肌電代碼信息，解碼器與控制器相連傳輸肌電模式信息，控制器與電剌激器相連傳輸剌激 模式信息，電剌激器與FES電極片相連傳輸電脈沖信息，F(xiàn)ES電極片與從動方所有參與指定 運(yùn)動的肌肉相連傳輸電脈沖信息。 所述的編碼器、無線發(fā)送器、無線接收器和解碼器選用的是美國的 DR3000 (RFMonolithics Inc)，該儀器同時具有編碼、無線發(fā)送、無線接收和解碼的功能。
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所述的控制器是比例增益控制器。 所述的電剌激器是德國的Motionstim 8。 本實施例的工作過程理療師進(jìn)行指定的康復(fù)運(yùn)動時，與運(yùn)動相關(guān)的全部肌肉的 肌電信息被采集作為控制源，理療師與癱瘓病人的肌肉一一對應(yīng)，原始肌電信息通過EMG 電極片采集后，放大，濾波去噪，信息被編碼后無線發(fā)送給從動單元；從動單元收到信息后， 進(jìn)行解碼，由控制器產(chǎn)生剌激模式，調(diào)節(jié)電剌激器，產(chǎn)生電脈沖，通過FES電極片的表面電 極剌激癱瘓病人相應(yīng)的肌肉，使病患產(chǎn)生與理療師一致的運(yùn)動。 本實施例的優(yōu)點改變了傳統(tǒng)的運(yùn)動康復(fù)方式，理療師無需通過肢體接觸來親自 輔助癱瘓病人做訓(xùn)練，而且此系統(tǒng)可實現(xiàn)多個患者同時跟隨一個理療師做康復(fù)訓(xùn)練，大大 減輕了理療師的工作負(fù)荷；同時能夠保持病人肌肉活力，防止肌肉萎縮，減少痙攣，使病人 的康復(fù)效果更為理想。本實例中考慮的是主動方與從動方肌肉一一對應(yīng)的關(guān)系，因此減少 了肌電信號的處理環(huán)節(jié)，即特征提取單元和分類器不必使用。
實施例2 如圖2所示，本實施例只考慮了主動方做指定運(yùn)動時相關(guān)的若干肌肉，只在若干 肌肉上貼上了 EMG電極片，本實施例具體包括主動單元和若干從動單元，其中主動單元 與主動方的若干肌肉相連傳輸肌電信息，主動單元和從動單元無線連接傳輸運(yùn)動代碼信 息，從動單元與從動方的若干肌肉相連傳輸電脈沖信息。 所述的若干肌肉包括上臂的伸肌(肱三頭肌)、上臂的屈肌(肱二頭肌)、前臂的 伸肌和前臂的屈肌。
所述的主動單元包括若干EMG電極片、放大器、濾波器、特征提取單元、分類器、
編碼器和無線發(fā)送器，其中EMG電極片與主動方的若干肌肉相連傳輸原始表面肌電信息，
EMG電極片與放大器相連傳輸原始肌電信息，放大器與濾波器相連傳輸放大了的肌電信號，
濾波器與特征提取單元相連傳輸消噪的肌電信息，特征提取單元與分類器相連傳輸肌電信
號的特征信息，分類器與編碼器相連傳輸運(yùn)動模式信息，編碼器與與無線發(fā)送器相連傳輸
編碼的運(yùn)動模式信息，無線發(fā)送器與從動單元無線連接傳輸運(yùn)動代碼信息。 所述的從動單元包括無線接收器、解碼器、控制器、電剌激器和若干FES電極片，
其中無線接收器與主動單元無線連接傳輸運(yùn)動代碼信息，無線接收器與解碼器相連傳輸
運(yùn)動代碼信息，解碼器與控制器相連傳輸運(yùn)動解碼信息，控制器與電剌激器相連傳輸剌激
模式信息，電剌激器與FES電極片相連傳輸電脈沖信息，F(xiàn)ES電極片與從動方的若干肌肉相
連傳輸電脈沖信息。 所述的EMG電極、放大器和濾波器選用的是美國集成的Noraxon肌電儀，該儀器同
時具有采集肌電信息、放大信息和濾波的功能。 所述的特征提取單元是自回歸參數(shù)提取單元。 所述的分類器是線性判別分類器。 所述的編碼器、無線發(fā)送器、無線接收器和解碼器選用的是美國的 DR3000 (RFMonolithics Inc)，該儀器同時具有編碼、無線發(fā)送、無線接收和解碼的功能。
所述的控制器是一對多的映射模式，即實現(xiàn)一種運(yùn)動模式對應(yīng)若干塊肌肉的控制 模式。 所述的電剌激器是瑞士的Compex Motion II。
本實施例的工作過程理療師進(jìn)行指定的康復(fù)運(yùn)動時，與運(yùn)動相關(guān)的主要肌肉的 肌電信息被采集，經(jīng)過處理后作為控制源，理療師的原始肌電信息通過EMG電極片采集后， 放大，利用濾波器消除噪聲，肌電信息通過特征提取單元和分類器處理后，得到運(yùn)動模式信 息，然后編碼后由無線發(fā)送器無線傳輸給從動單元；從動單元收到信息后，進(jìn)行解碼，由控 制器產(chǎn)生剌激模式，調(diào)節(jié)電剌激器，產(chǎn)生電脈沖，通過FES電極片的表面電極剌激癱瘓病人 相應(yīng)的肌肉，使病患產(chǎn)生與理療師一致的運(yùn)動。 本實施例的優(yōu)點改變了傳統(tǒng)的運(yùn)動康復(fù)方式，理療師無需通過肢體接觸來親自 輔助癱瘓病人做訓(xùn)練，而且此系統(tǒng)可實現(xiàn)多個患者同時跟隨一個理療師做康復(fù)訓(xùn)練，大大 減輕了理療師的工作負(fù)荷；同時能夠保持病人肌肉活力，防止肌肉萎縮，減少痙攣，使病人 的康復(fù)效果更為理想。本實例中僅考慮主動方的主要肌肉來控制從動方的運(yùn)動，因此肌電 信號處理需要引入特征提取單元和分類器。但是由于EMG電極片數(shù)目的減少，減輕了理療 師前期繁瑣的準(zhǔn)備工作，方便了理療師的運(yùn)動，實用性更強(qiáng)。
權(quán)利要求
一種肌電信號控制的主從式無線功能性電刺激康復(fù)系統(tǒng)，其特征在于，包括主動單元和從動單元，其中主動單元與主動方相連傳輸肌電信息，主動單元和從動單元無線連接傳輸運(yùn)動模式信息，從動單元與從動方相連傳輸電脈沖信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的肌電信號控制的主從式無線功能性電剌激康復(fù)系統(tǒng)，其特 征是，所述的主動單元包括若干EMG電極片、放大器、濾波器、編碼器和無線發(fā)送器，其中EMG電極片與主動方的肌肉相連傳輸原始表面肌電信息，EMG電極片與放大器相連傳輸原 始肌電信息，放大器與濾波器相連傳輸放大了的肌電信號，濾波器與編碼器相連傳輸消噪 的肌電信號，編碼器與無線發(fā)送器相連傳輸編碼的肌電信號，無線發(fā)送器與從動單元無線 連接傳輸運(yùn)動代碼信息。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的肌電信號控制的主從式無線功能性電剌激康復(fù)系統(tǒng)，其特征是，所述的主動單元還包括特征提取單元和分類器，其中特征提取單元的輸入端與濾波 器相連傳輸消噪的肌電信息，分類器的輸入端與特征提取單元的輸出端相連傳輸肌電信號 的特征信息，分類器的輸出端與編碼器相連傳輸運(yùn)動模式信息。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的肌電信號控制的主從式無線功能性電剌激康復(fù)系統(tǒng)，其特征 是，所述的從動單元包括無線接收器、解碼器、控制器、電剌激器和若干FES電極片，其中 無線接收器與主動單元無線連接傳輸運(yùn)動代碼信息，無線接收器與解碼器相連傳輸運(yùn)動代 碼信息，解碼器與控制器相連傳輸運(yùn)動解碼信息，控制器與電剌激器相連傳輸剌激模式信息，電剌激器與FES電極片相連傳輸電脈沖信息，F(xiàn)ES電極片與從動方的肌肉相連傳輸電脈 沖信息。
全文摘要
一種康復(fù)醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域的肌電信號控制的主從式無線功能性電刺激康復(fù)系統(tǒng)，包括主動單元和從動單元，其中主動單元與主動方相連傳輸肌電信息，主動單元和從動單元無線連接傳輸運(yùn)動模式信息，從動單元與從動方相連傳輸電脈沖信息。所述的主動單元包括若干EMG電極片、放大器、濾波器、編碼器和無線發(fā)送器；所述的從動單元包括無線接收器、控制器、電刺激器和若干FES電極片。本發(fā)明中理療師無需通過肢體接觸來輔助癱瘓病人做訓(xùn)練，而且可實現(xiàn)多個患者同時跟隨一個理療師做康復(fù)訓(xùn)練，大大減輕了理療師的工作負(fù)荷；同時能夠保持病人肌肉活力，防止肌肉萎縮，減少痙攣，使病人的康復(fù)效果更為理想。
文檔編號A61B5/0488GK101732796SQ200910312370
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月28日
發(fā)明者張定國, 朱向陽, 陳歆普 申請人:上海交通大學(xué)