CN100525854C - 智能型瘫痪病人辅助康复系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于医疗器械，康复治疗仪器领域，尤其涉及智能型瘫痪病人辅助康复系统。为提供一种可以自动分析瘫痪病人的运动意愿，让患者自主地控制自己的残肢运动，恢复自主运动能力，进而恢复对外界环境的控制能力的智能型瘫痪病人辅助康复系统，本发明采用的技术方案是：智能型瘫痪病人辅助康复系统，包括：用于提取病人想象各肢体动作时脑电信号的脑电采集系统，用于对脑电信号进行特征提取与分类处理的笔记本电脑，受控于笔记本电脑处理结果的功能电刺激系统。本发明主要用于制作智能型瘫痪病人辅助康复系统。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械，康复治疗仪器领域，尤其涉及智能型瘫痪病人辅助康复系统。
背景技术
正常人控制肢体运动的途径为；“大脑——中枢神经系统——外周神经系统——骨骼肌——肢体运动”。而对于瘫痪病人，其中枢神经系统受到损伤，大脑的动作指令无法通过正常的体内通路传达到肌肉，从而丧失了对肢体的控制能力。
目前对瘫痪病人的康复治疗主要采用按摩，针灸，电刺激等传统的方法。这些方法在延缓病人残肢肌肉萎缩，辅助康复方面起到了一定的积极作用，但是这些方法治疗流程较长，成本较高，疗效也不是很好，更不能使患者残肢完成其原有的特定动作。
功能性电刺激(FES)技术的出现，为恢复残肢的运动功能提供了一种新的途径。它通过对残肢特定部位外加一定形式的神经或肌肉电刺激，从而能使残肢完成某种特定动作，这样既可以防止残肢肌肉萎缩，还可以恢复患者的部分运动功能，加速患者的康复速度。但此方法只能通过预先设定好的电刺激流程对残疾进行康复治疗，时间长可能会引起患者的不适，甚至产生肌肉劳损现象，此方法更无法让瘫痪病人根据自己的意愿，来完成一些自主的动作来控制外界环境。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可以自动分析瘫痪病人的运动意愿，让患者自主地控制自己的残肢运动，恢复自主运动能力，进而恢复对外界环境的控制能力的智能型瘫痪病人辅助康复系统，本发明采用的技术方案是：智能型瘫痪病人辅助康复系统，包括：用于提取病人想象各肢体动作时脑电信号的脑电采集系统，用于对脑电信号进行特征提取与分类处理的笔记本电脑，受控于笔记本电脑处理结果的功能电刺激系统。
所述脑电采集系统包括EEG信号的放大、滤波和采样，采样后的数字信号通过USB接口实时传到笔记本电脑。
所述脑电信号采集包括11个导联。
所述对脑电信号进行特征提取与分类处理包括EEG软件滤波去噪，想象动作电位的特征提取，患者运动意图的的分类，分类后的运动指令通过RS232串口传到功能电刺激系统。
所述功能电刺激系统包括：
(1)用于读取按键信息、显示参数、控制脉冲变压器驱动脉冲的占空比和控制各通道刺激输出的控制单元。控制单元由两块核心芯片组成，一块是单片机，一块是可编程逻辑器件CPLD；
(2)电源和升压电路部分：采用升压模块实现升压，通过控制升压模块输入端的脉冲的频率和占空比能够控制升压模块的输出电压幅值，采用DC-DC电源隔离模块，保证各通道刺激输出的独立；
(3)RS232串行接口：功能电刺激系统通过RS232串行接口和主机通讯，接收主机的控制命令，根据命令调用存储在系统的预置刺激模式，对患者进行动态有序刺激；
(4)I/O模块：以CPLD器件进行编程实现单片机I/O口的扩展，该部分用于驱动液晶显示和接收面板键输入；
(5)SPI串行外设接口：用于单片机将已经设置的参数传递给CPLD，CPLD根据接受的参数产生控制升压电路的脉冲和通道选择的脉冲电路。
本发明具备以下效果：由于本发明采用了脑电采集系统，用于脑电信号处理的笔记本电脑，和受控的功能电刺激系统，从而实现了瘫痪病人根据自己的意愿随意控制肢体运动，进而自由行走，并控制外界环境的目的。同时，通过这种自主的恢复性运动训练，神经冲动上传到患者的受损的神经部位，使得患者得受损神经系统也得到了相应锻炼的效果，加速患者受损神经系统的康复与体内神经系统的重建，从而从根本上治疗瘫痪病人得运动障碍。
附图说明
图1为本发明的智能型瘫痪病人辅助康复系统工作示意图。
图2为本发明的智能型瘫痪病人辅助康复系统的组成结构框图。
图3脑电信号采集系统框图。
图4为本发明的想象动作电位脑电信号提取的导联位置示意图。
图5为本发明的脑电信号特征提取与分类处理流程图。
图6为本发明的功能电刺激系统硬件框图。
图7升压部分电路图。
图8单片机主程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明。
本智能型瘫痪病人辅助康复系统主要由3大部分组成，即：脑电采集系统，用于脑电信号处理的笔记本电脑，和受控的功能电刺激系统。其工作示意图如图1所示。首先脑电采集系统提取病人想象各肢体动作时的脑电信号，经过脑电信号处理系统进行特征提取与分类，理解人的运动意图，并用此分类结果控制一个功能电刺激仪进行有选择的，有序的四肢肌肉控制，从而达到病患随意控制肢体运动，自由行走的目的。同时，外周感觉刺激不断通过体内神经通路反馈回大脑，因此在锻炼瘫痪肌肉运动能力的同时也促进受损中枢神经系统的重建与康复。
本发明的智能型瘫痪病人辅助康复系统的组成结构框图如图2所示。脑电采集包括EEG信号的放大和采样，采样后的数字信号通过USB接口实时传到笔记本电脑做信号处理，信号处理包括EEG滤波去噪，想象动作电位的特征提取，患者运动意图的的分类。分类后的运动指令通过RS232串口传给功能电刺激仪，功能电刺激仪根据指令刺激患者相应部位的神经肌肉，从而使患者完成特定动作。
图3为脑电信号采集系统框图。本发明实施例采用北京中科新拓仪器有限公司生产的型号为UE—BZ的40导USB脑电放大器实现脑电信号的采集，其采样率为1000Hz，输入范围为-15mv～+15mv，分辨率为0.5uv，采用USB接口直接供电，体积为210×170×40mm，便于携带精度高。
在本实施例中，脑电信号采集的导联位置如图4所示，包括11个导联。采用国际10—20导联放置标准，选用的导联位置为CZ，C1，C2，C3，C4，C5，C6，FC3，FC4，CP3，CP4.
脑电信号处理流程图如图5所示。患者运动想象的策略为想象左右手的抓握动作，以及想象腿的屈伸动作。患者想象肢体动作时的脑电信号经过放大采集后传入笔记本电脑做相关处理。首先利用快速ICA法对EEG信号进行软件滤波去噪，然后使用自适应自回归模型(AAR模型)，小波变换(WT)，共空间滤波法(CSP)等方法提取EEG想象动作电位的时域，频域和空域的特征，最后对患者运动意图进行分类。分类后的运动指令通过RS232串口传给功能电刺激仪，功能电刺激仪根据指令刺激患者相应部位的神经肌肉，从而使患者完成特定动作。
图6是本康复系统中功能性电刺激仪的设计框图。
(1)控制单元：控制部分由两块核心芯片组成，一块是AD公司的ADuC832单片机，一块是可编程逻辑器件CPLD，采用的是Alter公司的MAX7000系列。该部分的主要工作是读取按键信息、显示参数、控制脉冲变压器驱动脉冲的占空比和控制各通道刺激输出。
(2)电源和升压电路部分：是模拟电路设计部分的关键所在，该部分采用升压模块实现升压，通过控制升压模块输入端的脉冲的频率和占空比能够控制升压模块的输出电压幅值。采用DC-DC电源隔离模块，保证各通道刺激输出的独立。
(3)RS232串行接口：功能电刺激系统通过RS232串行接口和主机通讯，接受主机的控制命令，根据命令调用存储在系统的预置刺激模式，对患者进行动态有序刺激。
(4)I/O模块：该部分为液晶显示和面板键输入，用户可以通过此系统根据提示信息方便地更改参数进行设置，同时病人也可方便的使用。通过对CPLD器件进行编程可以容易地实现单片机I/O口的扩展。
(6)SPI串行外设接口：用于单片机将已经设置的参数传递给CPLD，CPLD根据接受的参数产生控制升压电路的脉冲和通道选择的脉冲电路。
(7)信息存贮系统：医生可以根据病人的实际情况方便的设置参数，并设定为预置模式，病人可以根据自己的不同情况选择不同的模式，在本实施例中参数存储在单片机片内FLASH中。
图7升压部分电路图。
由于人体皮肤阻抗的存在，因此，对于使用表皮电极的皮肤电刺激来说，输出电压必须大于某一下限才能引起有效的感觉或运动反应。对于不同的病人，对刺激强度的耐受能力有很大的差别，尤其对例如中风等上运动神经元损伤的病人，其对刺激强度的要求几乎相当于正常人的3倍。因此，为了使该仪器能够适用的范围更广，其输出能力的上限能够满足失神经支配病人的刺激域值，要求刺激瞬时输出功率要较大，在一个脉冲输出期间，幅度降落要少，几乎要求恒压刺激。同时，刺激脉冲的宽度也检验升压电路的输出能力，对于脉冲储能升压电路，采用脉冲变压器作为能量储存和传输器件，驱动脉冲的频率、占空比、变压器初次级的变比共同决定了升压电路的输出能力。为了维持恒压输出能力，输出刺激脉冲频率不能过高，刺激频率低于50赫兹，脉宽范围0.2ms—0.6ms之间，仪器在这个频率范围里能够保证恒压输出。本发明采用的升压模块基于逆变器原理，通过调节输入驱动脉冲的频率和占空比能够控制输出脉冲幅值，其最大输出功率为1W。单通道升压部分电路图如图7所示。整个系统中一共有16个通道，具有相同的电路图，每个肢体使用四个通道进行协同刺激。
主程序流程图如图8所示。
(1)程序开始；
(2)初始化系统参数；
(3)读取片内FLASH的参数；
(4)显示欢迎页面；
(5)进入主程序循环；
(6)扫描键盘，判断是否有键按下，并得到相应的键值；
(7)判断是否有键按下，如果是则进入参数和页面设置，否则执行下一步；
(8)判断当前是否为联机模式，则执行(9)，否则执行(10)；
(9)如果是联机模式则判断当前串口是否有数据，如果是则按照串口数据进行刺激，否则执行下一次循环(5)；
(10)如果不是联机模式，则判断是否进行测试刺激，如果是则按照当前的配置参数进行刺激，否则执行下一次循环(5)。
本发明的有益效果：
本发明专利所设计的智能型瘫痪病人辅助康复系统摒弃了传统的被动治疗的方案，绕过瘫痪病人体内受损的神经系统，用工程学的方法通过采集患者的脑电信号，分析患者的运动意图，将运动指令下达给功能电刺激仪来控制相关肢体运动。这就使得瘫痪病人可以根据自己的意愿来自主控制肢体动作，大大改善了患者的生活质量。同时，通过这种自主的恢复性运动训练，神经冲动上传到患者的受损的神经部位，使得患者得受损神经系统也得到了相应锻炼的效果，加速患者受损神经系统的康复与体内神经系统的重建，从而从根本上治疗瘫痪病人得运动障碍。本方法是一种全新的主动康复治疗方案，是康复理念的一次变革。
Claims (1)
1.一种智能型瘫痪病人辅助康复系统，包括：用于提取病人想象各肢体动作时脑电信号的脑电采集系统，用于对脑电信号进行特征提取与分类处理的笔记本电脑，以及受控于笔记本电脑处理结果的功能电刺激系统，其特征在于，所述功能电刺激系统包括：
(1)用于读取按键信息、显示参数、控制脉冲变压器驱动脉冲的占空比和控制各通道刺激输出的控制单元，控制单元由两块核心芯片组成，一块是单片机，一块是可编程逻辑器件CPLD；
(2)电源和升压电路部分：采用升压模块实现升压，通过控制升压模块输入端的脉冲的频率和占空比能够控制升压模块的输出电压幅值，采用DC-DC电源隔离模块，保证各通道刺激输出的独立；
(3)RS232串行接口：功能电刺激系统通过RS232串行接口和主机通讯，接收主机的控制命令，根据命令调用存储在系统的预置刺激模式，对患者进行动态有序刺激；
(4)I/O模块：以CPLD器件进行编程实现单片机I/O口的扩展，用于驱动液晶显示和接收面板键输入；
(5)SPI串行外设接口：用于单片机将已经设置的参数传递给CPLD，CPLD根据接受的参数产生控制升压电路的脉冲和控制通道选择的脉冲电路。
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