本发明专利技术公布了一种基于肌电信号的足下垂康复设备。整个装置包括采集模块、控制模块、刺激模块三部分。其中采集模块作用是采集患者下肢运动信号特征。控制模块拥有采集和刺激两种工作模式，两种模式同一时间只能有一种工作，其作用是根据患者下肢运动信号特征，修正需要的电刺激反馈参数。电刺激模块作用是接收控制模块的信号对患者进行电刺激。本发明专利技术还公布了一种基于患者下肢步态特点的个性化电刺激技术。本发明专利技术所述装置不仅实现了电刺激的闭环反馈控制，而且考虑了电刺激脉冲与患者步态的耦合，根据预先训练的数据集匹配电刺激类型、作用时间、作用电极，提高了佩戴者的使用舒适性。
【技术实现步骤摘要】
一种基于肌电信号的足下垂康复装置
涉及人机交互中一种基于特征匹配的智能足踝矫形器，属于运动医学，康复医学及生物医学工程领域
技术介绍
脑卒中(stroke)是指脑供血中断而导致的局部脑组织损伤，根据世界卫生组织统计，2016年全球范围内脑卒中共造成578万例死亡，在过去15年中一直是全球致死率最高的疾病之一。脑卒中会引起很多神经系统功能异常，给患者的日常生活带来诸多不便，其中影响最为广泛的就是足下垂。足下垂会使患者在行走的摆动相无法抬起脚趾，给日常生活带来诸多不便，而且有跌倒的风险。虽然足下垂是脑卒中患者的一种常见的神经表现，但它也存在于其他神经疾病中，包括多发性硬化症(MS)、脊髓损伤(SCI)，脑瘫和创伤性脑损伤。大量实验数据和临床实践表明，卒中后的康复治疗是恢复卒中患者的运动功能以及提高患者的生活质量最好的方法。功能性电刺激能够帮助肌肉收缩，代偿神经的功能。1961年，Liberson团队就报道了利用便携式功能性电刺激装置矫正足下垂。其后有很多团队都进行了电刺激设备研发，但是目前大多数设备存在体积太大，不能随时随地灵活使用的问题。而已有的一些便携式设备刺激模式单一，在康复治疗时效果不佳，未能做到根据患者步态特征改变刺激参数，也不能根据患者自身情况针对性治疗。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种基于肌电信号的便携式足下垂康复设备，拥有两种工作模式。不仅能根据步态特征改变电刺激参数，还能够积累患者本人的步态样本集，训练个性化的分类器。分类器能够通过回归分析预测患者的不同步态，进而改变刺激脉冲的施加时延，预测下一电刺激的时间。本专利技术提高了患者与康复装置的耦合度，优化了人机交互的界面，提高了康复训练的效率。本专利技术的具体技术方案如下：一种基于肌电信号的足下垂康复装置，其包括采集模块、控制模块和刺激模块，其中：所述采集模块，包括使用状态下佩戴于患者下肢的第一无线传输单元、肌电采集单元和惯性传感单元，用于采集患者下肢的步态数据并发送给控制模块；所述步态数据包括从肌电采集单元采集的肌电信号中提取的特征值，以及从惯性传感单元采集的加速度信号中提取的特征值；所述控制模块，包括数据处理单元、数据存储单元、用户交互单元和第二无线传输单元，所述用户交互单元用于供用户选择工作模式，所述工作模式包括择一运行的采集模式和刺激模式；所述第二无线传输单元用于与所述第一无线传输单元构成通信连接；在采集模式下，所述第二无线传输单元将采集模块发送的步态数据以时序序列形式本地存储于所述数据存储单元中，与预先存储于数据存储单元中的样本步态数据共同作为模板数据；在刺激模式下，所述第二无线传输单元接收到采集模块发送的实时步态数据后，与存储在本地的模板数据中步态周期内同一时刻的步态数据进行比对，得到修正的电刺激参数，并通过无线传输单元发送给电刺激模块。所述电刺激模块，包括使用状态下佩戴于患者下肢的第三无线传输单元、控制器和电极，所述第三无线传输单元与所述第二无线传输单元构成通信连接，所述控制器通过第三无线传输单元收到所述第二无线传输单元发送的电刺激参数后，根据该参数对应调整电流脉冲的输出特性，对患者下肢输出刺激脉冲。作为优选，所述采集模块中，肌电采集单元包括电极阵列、第一微处理器和第一无线传输芯片，电极阵列中采集的电信号在第一微处理器中进行特征值计算，然后通过第一无线传输芯片将计算结果发送至所述控制模块；所述电极阵列优选由正负两个采集电极和一个参考电极组成，其贴附于下肢皮肤表面用于采集贴附位置的肌电信号。作为优选，所述采集模块中，惯性传感单元包括惯性传感器、第二微处理器和第二无线传输芯片，惯性传感器采集的加速度电信号在第二微处理器中进行特征值计算，然后通过第二无线传输芯片将计算结果发送至所述控制模块。作为优选，所述控制模块采用佩戴于腕部的可穿戴式设备，其中用户交互单元采用带有模式选择功能的触摸屏形式；控制模块优选为智能手环。作为优选，所述从肌电采集单元采集的肌电信号中提取的特征值为肌电均方根值，其计算公式为：其中，N表示时间窗内的采样点数量，signi代表第i个采样点的信号幅值；所述从惯性传感单元采集的加速度信号中提取的特征值为加速度模值，其计算公式为：其中，ax、ay和az分别为x、y、z轴的加速度分量。作为优选，所述采集模块中的电极设有三组，分别置于胫骨前肌、腓肠肌内侧头、比目鱼肌。作为优选，所述电刺激模块包括第三无线传输芯片、存储器、第三微处理器、波形叠加电路、升压电路和输出单元，第三无线传输芯片接收到所述控制模块发送的电刺激参数后，由第三微处理器的ADC产生对应的双向脉冲，经过波形叠加电路整合后送进升压电路以达到刺激的阈值，最终由输出单元的电极输出刺激脉冲；所述存储器用于本地存储刺激参数，以备在无线接收单元没有收到所述控制模块的信号时，利用本地存储的刺激参数进行电刺激。作为优选，所述输出单元和所述采集模块中的电极复用或各自独立设置。作为优选，还包括远程数据管理平台，所述控制模块通过数据传输模块将其接收和发送的数据均传输到远程数据管理平台中，建立患者的数据库，以便于医生管理。作为优选，所述的电刺激参数包括目标作用肌肉以及电刺激的频率、脉宽和幅值参数。作为优选，所述数据存储单元中的样本步态数据为正常人或患者下肢步态正常时采集的步态数据。作为优选，所述的数据处理单元中设有基于BP神经网络的步态模式分类器，所述分类器利用所述采集模块采集到的患者下肢的步态数据进行训练，用于对患者的步态模式进行分类；所述模板数据中，所有步态数据的时序序列均按照步态周期进行分类存储；在所述刺激模式下，若模板数据中存储有患者自身在采集模式下采集的健侧下肢步态数据，则所述第二无线传输单元接收到采集模块发送的患侧下肢实时步态数据后，将其中的肌电均方根值与所述健侧下肢步态数据中步态周期内同一时刻的肌电均方根值进行比对，得到修正的电刺激参数，并通过无线传输单元发送给电刺激模块；若模板数据中没有存储患者自身在采集模式下采集的健侧下肢步态数据，仅存储有样本步态数据，则所述第二无线传输单元接收到采集模块发送的患侧下肢实时步态数据后，将其中的肌电均方根值与所述样本步态数据中步态周期内同一时刻的肌电均方根值进行比对，得到修正的电刺激参数，并通过无线传输单元发送给电刺激模块。与现有技术相比，本专利技术的技术效果如下：与现有技术相比，本专利技术同时集合了数据采集和反馈治疗两种功能，为将来建立足下垂病人的数据库提供了载体；本专利技术采用智能手环式的主控设备，方便患者操作，并且外型美观大方，降低患者的心理负担；本专利技术将正常人的步态数据，患者健康侧的步态数据或患者正常时的步态数据存储在控制模块中，不但能降低整个系统的时延，提高实时性，同时还能利用患者的个人特征数据训练分类器，治疗更具有针对性，对康复效果有较大提升。附图说明图1为本专利技术硬件系统整体示意图；图2为本专利技术肌电采集单元本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于肌电信号的足下垂康复装置，其特征在于，包括采集模块、控制模块和刺激模块，其中：/n所述采集模块，包括使用状态下佩戴于患者下肢的第一无线传输单元、肌电采集单元和惯性传感单元，用于采集患者下肢的步态数据并发送给控制模块；所述步态数据包括从肌电采集单元采集的肌电信号中提取的特征值，以及从惯性传感单元采集的加速度信号中提取的特征值；/n所述控制模块，包括数据处理单元、数据存储单元、用户交互单元和第二无线传输单元，所述用户交互单元用于供用户选择工作模式，所述工作模式包括择一运行的采集模式和刺激模式；所述第二无线传输单元用于与所述第一无线传输单元构成通信连接；在采集模式下，所述第二无线传输单元将采集模块发送的步态数据以时序序列形式本地存储于所述数据存储单元中，与预先存储于数据存储单元中的样本步态数据共同作为模板数据；在刺激模式下，所述第二无线传输单元接收到采集模块发送的实时步态数据后，与存储在本地的模板数据中步态周期内同一时刻的步态数据进行比对，得到修正的电刺激参数，并通过无线传输单元发送给电刺激模块。/n所述电刺激模块，包括使用状态下佩戴于患者下肢的第三无线传输单元、控制器和电极，所述第三无线传输单元与所述第二无线传输单元构成通信连接，所述控制器通过第三无线传输单元收到所述第二无线传输单元发送的电刺激参数后，根据该参数对应调整电流脉冲的输出特性，对患者下肢输出刺激脉冲。/n...
【技术特征摘要】
1.一种基于肌电信号的足下垂康复装置，其特征在于，包括采集模块、控制模块和刺激模块，其中：
所述采集模块，包括使用状态下佩戴于患者下肢的第一无线传输单元、肌电采集单元和惯性传感单元，用于采集患者下肢的步态数据并发送给控制模块；所述步态数据包括从肌电采集单元采集的肌电信号中提取的特征值，以及从惯性传感单元采集的加速度信号中提取的特征值；
所述控制模块，包括数据处理单元、数据存储单元、用户交互单元和第二无线传输单元，所述用户交互单元用于供用户选择工作模式，所述工作模式包括择一运行的采集模式和刺激模式；所述第二无线传输单元用于与所述第一无线传输单元构成通信连接；在采集模式下，所述第二无线传输单元将采集模块发送的步态数据以时序序列形式本地存储于所述数据存储单元中，与预先存储于数据存储单元中的样本步态数据共同作为模板数据；在刺激模式下，所述第二无线传输单元接收到采集模块发送的实时步态数据后，与存储在本地的模板数据中步态周期内同一时刻的步态数据进行比对，得到修正的电刺激参数，并通过无线传输单元发送给电刺激模块。
所述电刺激模块，包括使用状态下佩戴于患者下肢的第三无线传输单元、控制器和电极，所述第三无线传输单元与所述第二无线传输单元构成通信连接，所述控制器通过第三无线传输单元收到所述第二无线传输单元发送的电刺激参数后，根据该参数对应调整电流脉冲的输出特性，对患者下肢输出刺激脉冲。
2.根据权利要求1所述的基于肌电信号的足下垂康复装置，其特征在于，所述采集模块中，肌电采集单元包括电极阵列、第一微处理器和第一无线传输芯片，电极阵列中采集的电信号在第一微处理器中进行特征值计算，然后通过第一无线传输芯片将计算结果发送至所述控制模块；所述电极阵列优选由正负两个采集电极和一个参考电极组成，其贴附于下肢皮肤表面用于采集贴附位置的肌电信号。
3.根据权利要求1所述的基于肌电信号的足下垂康复装置，其特征在于，所述采集模块中，惯性传感单元包括惯性传感器、第二微处理器和第二无线传输芯片，惯性传感器采集的加速度电信号在第二微处理器中进行特征值计算，然后通过第二无线传输芯片将计算结果发送至所述控制模块；优选的，所述采集模块中的电极设有三组，分别置于胫骨前肌、腓肠肌内侧头、比目鱼肌。
4.根据权利要求1所述的基于肌电信号的足下垂康复装置，其特征在于，所述控制模块采用佩戴于腕部的可穿戴式设备，其中用户交互单元采用带有模式选择功能的触摸屏形式；控制模块优选为智能手环。
5.根据权利要求1所述的基于肌电信号的足下垂康复装置，其特征在于，所述从肌电采集单元采集的肌电信号中提取的特征值为肌...
【专利技术属性】
技术研发人员：周聪聪，叶学松，廖恒，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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