本發(fā)明涉及一種步態(tài)康復(fù)裝置。特別是涉及一種基于步態(tài)識別的功能性肌肉電刺激助行裝置。

背景技術(shù)：

步態(tài)是一種復(fù)雜而精確的運動，可以作為人體健康性能的一個重要外在表現(xiàn)。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，步態(tài)的正確識別調(diào)控對于輔助有運動功能障礙的患者行走以及進行針對性的康復(fù)訓(xùn)練具有重要意義。醫(yī)學(xué)研究表明，步態(tài)分析對醫(yī)療上的異步病態(tài)、偏癱等疾病的診斷、對人體運動系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病因分析、骨關(guān)節(jié)假體與義肢的設(shè)計、癱瘓病人行走功能的重建等具有極大的作用，也為其他疾病的預(yù)防和康復(fù)提供了重要的信息，已成為基礎(chǔ)和臨床研究中不可缺少的手段之一，在人類學(xué)、體育學(xué)和宇航學(xué)等領(lǐng)域也具有特殊的價值。

行走時，主要依靠下肢肌肉的舒張與收縮，通過調(diào)控刺激肌肉活動可以獲得基本的肢體運動功能。功能性肌肉電刺激(Functional Electrical Stimulation，F(xiàn)ES)是指利用一定強度的低頻脈沖電流，通過預(yù)設(shè)的的程序刺激一組或多組肌肉，誘發(fā)肌肉運動或正常的自主運動。

20世紀60年代功能性肌肉電刺激用于由于中風(fēng)和脊髓損傷等引起的癱瘓和肌無力患者的行走能力的恢復(fù)至今，已取得多項進展。研究發(fā)現(xiàn)FES輔助步行設(shè)備用于代替損傷的肌肉功能，可以降低肌力，提高骨密度、增強隨意肌力量和協(xié)調(diào)性，一些神經(jīng)功能障礙的患者利用FES助行設(shè)備治療之后，肌肉自由活動能力得到明顯增強。

近年來，F(xiàn)ES作為步態(tài)康復(fù)領(lǐng)域的一種有效康復(fù)技術(shù)，世界各地針對不同運動障礙患者開展了功能性肌肉電刺激的研究，主要是針對刺激頻率、刺激強度、刺激持續(xù)時間和刺激位置?；颊哂捎谥袠猩窠?jīng)受到損傷無法將神經(jīng)沖動傳到肌肉細胞引起肌肉收縮，故在患肢相應(yīng)部位安裝電刺激貼片，借助低頻脈沖電流刺激代替中樞神經(jīng)細胞產(chǎn)生的電興奮，通過表面電極刺激肌肉，誘發(fā)肌肉運動或模擬正常的自主運動，以達到改善或恢復(fù)其運動功能的目的。醫(yī)學(xué)研究表明，F(xiàn)ES可以喚醒殘存的運動細胞的機能明顯地緩解肌肉的萎縮，使癱瘓的運動功能逐漸恢復(fù)等?；颊呖梢詫崿F(xiàn)正常的行走，通過自己的骨骼承重、關(guān)節(jié)活動使肌肉主動收縮，肌力得到增強、新陳代謝加快，減小了患者的心理負擔重新建立起患者對生活的希望。通過不斷重復(fù)的練習(xí)，增強下肢肌肉與中樞神之間的上行傳導(dǎo)束，誘導(dǎo)受損神經(jīng)元細胞生長。目前，大部分刺激器都屬于開環(huán)控制的方式，這種控制方式在受到外界干擾時不能自動調(diào)整，或者無法根據(jù)當前肌肉疲勞等狀態(tài)及時調(diào)控刺激參數(shù)，使病人產(chǎn)生不適感，不能完全滿足實際應(yīng)用的需要。閉環(huán)調(diào)控相對于開環(huán)系統(tǒng)具有很大的挑戰(zhàn)性，主要是因為電刺激驅(qū)動肌肉的過程具有較強的非線性、時變形、易疲勞等特點，通過FES準確而穩(wěn)定的控制下肢運動是比較困難的。

2009年1月，Marco Benocci等人提出了一種能夠同時檢測足部慣性和壓力信息的可穿戴無線系統(tǒng)。它是基于無線可穿戴式足部壓力測量裝置，集成了MEMS慣性測量等，用于步態(tài)和姿勢分析。2010年，J B Lee等人在體育科學(xué)與醫(yī)學(xué)雜志上發(fā)表了一篇有關(guān)利用慣性傳感器和紅外攝相機對比步態(tài)參數(shù)測量的文章，解決了目前只在傳統(tǒng)實驗室內(nèi)做步態(tài)估計性的問題。通過實驗發(fā)現(xiàn)二者除了中速、快速行走外其他情況數(shù)據(jù)的相關(guān)性系數(shù)均在0.9以上，并且在小范圍內(nèi)步速的改變不影響兩種測量方式的相關(guān)性，最終證實慣性傳感器適合用來測量步長、步速和站立時間。2013年，D Rodriguezmartin等人在設(shè)計了一款既能采集、實時分析信號的系統(tǒng)，用于帕金森綜合征的實時監(jiān)測與分析。該系統(tǒng)利用三軸加速計、陀螺儀和磁力計組成的慣性測量系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，SD卡儲存慣性數(shù)據(jù)藍牙模塊并發(fā)送相關(guān)信息到外部設(shè)備，通過監(jiān)督學(xué)習(xí)算法和分類器用于臨床研究確定帕金森患者的癥狀和運動狀態(tài)。基于慣性傳感器的步態(tài)測量系統(tǒng)為實現(xiàn)在線實時反饋的閉環(huán)功能性肌肉電刺激調(diào)控方法提供了重要的途徑。

步態(tài)測量識別和功能性肌肉電刺激的融合有望解決上述問題。行走的關(guān)鍵在于下肢肌肉的正確舒張與收縮，通過步態(tài)測量和識別，獲取最佳FES控制參數(shù)，調(diào)控肌肉活動可以獲得更佳的助行和康復(fù)效果。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠通過在線實時反饋的閉環(huán)功能性肌肉電刺激調(diào)控，達到更佳的助行和康復(fù)效果的基于步態(tài)識別的功能性肌肉電刺激助行裝置，

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于步態(tài)識別的功能性肌肉電刺激助行裝置，有物聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)器，所述的物聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)器分別無線連接n個步態(tài)康復(fù)系統(tǒng)，所述n個步態(tài)康復(fù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，均包括有手機或PC機、無線路由器、步態(tài)采集系統(tǒng)和功能性神經(jīng)肌肉電刺激器，其中，所述手機或PC機的信號輸入端通過無線路由器連接用于采集人體不同部位在電刺激下的姿態(tài)數(shù)據(jù)的步態(tài)采集系統(tǒng)的信號輸出端，所述手機或PC機的控制信號輸出端通過無線路由器連接用于對人體進行電刺激的功能性神經(jīng)肌肉電刺激器的控制信號輸入端，所述手機或PC機的信號輸出端還無線連接物聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)器，用于將步態(tài)采集系統(tǒng)所采集到的人體不同部位在電刺激下的姿態(tài)數(shù)據(jù)上傳給物聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)器，所述功能性神經(jīng)肌肉電刺激器的輸出端連接分別放置在人體不同部位的目標肌肉上的表面肌肉刺激電極，放置有表面肌肉刺激電極的人體不同部位連接所述用于采集人體不同部位在電刺激下的姿態(tài)數(shù)據(jù)的步態(tài)采集系統(tǒng)的信號采集端。

本發(fā)明的一種基于步態(tài)識別的功能性肌肉電刺激助行裝置，通過采集患者穿戴該裝置參與步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練過程中的步態(tài)特征，加以識別，實時調(diào)整功能性肌肉電刺激器的刺激參數(shù)，實現(xiàn)在線實時反饋的閉環(huán)功能性肌肉電刺激調(diào)控，達到更佳的助行和康復(fù)效果。同時，本發(fā)明基于Wi-Fi物聯(lián)網(wǎng)模塊SDK開發(fā)，無外部單片機控制，極大的減小了裝置的體積和功耗，為可穿戴性提供更佳的解決方案。本發(fā)明聯(lián)合了步態(tài)測量和肌肉電刺激，做到實時監(jiān)測和主動調(diào)控，幫助下肢運動機能障礙癥患者恢復(fù)正常的行走姿態(tài)。并且，通過物聯(lián)網(wǎng)平臺對設(shè)備進行組網(wǎng)，可任意添加設(shè)備，為協(xié)同多種康復(fù)和監(jiān)測設(shè)備提供便利。本發(fā)明便攜可穿戴、實時數(shù)據(jù)測量無特定使用環(huán)境限制，且操作簡單，適用于醫(yī)院和家庭個人的運動機能障礙癥康復(fù)治療。本發(fā)明通過物聯(lián)網(wǎng)平臺對設(shè)備進行組網(wǎng)，可任意添加設(shè)備，為協(xié)同多種康復(fù)和監(jiān)測設(shè)備提供便利。通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)遠程發(fā)送和控制的形式，可以幫助收集醫(yī)療大數(shù)據(jù)建立分析，并且便于醫(yī)師和患者家屬的遠程監(jiān)護工作。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于步態(tài)識別的功能性肌肉電刺激助行裝置的整體構(gòu)成簡圖；

圖2是本發(fā)明基于步態(tài)識別的功能性肌肉電刺激助行裝置的整體構(gòu)成框圖。

圖中

1：物聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)器 2：手機或PC機

3：無線路由器 4：步態(tài)采集系統(tǒng)

41：腰腹部檢測單元 42：左側(cè)大腿檢測單元

43：左側(cè)小腿檢測單元 44：左側(cè)腳部檢測單元

45：右側(cè)大腿檢測單元 46：右側(cè)小腿檢測單元

47：右側(cè)腳部檢測單元 401：多軸傾角加速度傳感器

402：采集側(cè)Wi-Fi物聯(lián)網(wǎng)模塊 403：采集側(cè)穩(wěn)壓芯片

404：采集側(cè)開關(guān) 405：采集側(cè)供電電池

406：采集側(cè)充電接口 5：功能性神經(jīng)肌肉電刺激器

51：刺激側(cè)Wi-Fi物聯(lián)網(wǎng)模塊 52：功率驅(qū)動芯片

53：H橋輸出電路 54：DAC芯片

55：恒流源電路 56：刺激側(cè)穩(wěn)壓芯片

57：刺激側(cè)開關(guān) 58：電源升壓模塊

59：刺激側(cè)供電電池 510：刺激側(cè)充電接口

6：表面肌肉刺激電極 7：患者目標肌肉

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的一種基于步態(tài)識別的功能性肌肉電刺激助行裝置做出詳細說明。

本發(fā)明的一種基于步態(tài)識別的功能性肌肉電刺激助行裝置，直接基于Wi-Fi物聯(lián)網(wǎng)模塊開發(fā)嵌入式系統(tǒng)，替代外部單片機控制，系統(tǒng)集成度大幅提高，體積功耗顯著降低，同時實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)平臺遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)共享的功能。所述的Wi-Fi物聯(lián)網(wǎng)模塊可以采用ESP32或者ESP8266或者CC3200模塊。本發(fā)明通過完整步態(tài)周期的測量和識別，分析用戶的步態(tài)變異性特征，調(diào)節(jié)功能性肌肉電刺激器的介入調(diào)控時相和強度，以實現(xiàn)用戶更為自然的行走姿態(tài)。

如圖1、圖2所示，本發(fā)明的一種基于步態(tài)識別的功能性肌肉電刺激助行裝置，有物聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)器1，所述的物聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)器1分別無線連接n個步態(tài)康復(fù)系統(tǒng)，所述n個步態(tài)康復(fù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，均包括有手機或PC機2、無線路由器3、步態(tài)采集系統(tǒng)4和功能性神經(jīng)肌肉電刺激器5，其中，所述手機或PC機2的信號輸入端通過無線路由器3連接用于采集人體不同部位在電刺激下的姿態(tài)數(shù)據(jù)的步態(tài)采集系統(tǒng)4的信號輸出端，所述手機或PC機2的控制信號輸出端通過無線路由器3連接用于對人體進行電刺激的功能性神經(jīng)肌肉電刺激器5的控制信號輸入端，所述手機或PC機2的信號輸出端還通過http協(xié)議無線連接物聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)器1，用于將步態(tài)采集系統(tǒng)4所采集到的人體不同部位在電刺激下的姿態(tài)數(shù)據(jù)上傳給物聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)器1，以備做進一步分析。所述功能性神經(jīng)肌肉電刺激器5的輸出端連接分別放置在人體不同部位的目標肌肉7上的表面肌肉刺激電極6，放置有表面肌肉刺激電極6的人體不同部位連接所述用于采集人體不同部位在電刺激下的姿態(tài)數(shù)據(jù)的步態(tài)采集系統(tǒng)4的信號采集端。

所述手機或PC機2通過上位機軟件建立Wi-Fi tcp/ip網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器及通訊端口，連接步態(tài)采集系統(tǒng)4中的各個步態(tài)測量單元與功能性肌肉電刺激器，并使用http網(wǎng)絡(luò)連接物聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)器1。手機或PC機2在接收到各步態(tài)測量單元的姿態(tài)信息后，計算各關(guān)節(jié)的時間相位參數(shù)，并發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)器1。同時，對比標準步態(tài)時間相位曲線和患者的步態(tài)時間相位特征，發(fā)送肌肉活動調(diào)控指令至功能性神經(jīng)肌肉電刺激器5。通過步態(tài)采集系統(tǒng)4監(jiān)控功能性神經(jīng)肌肉電刺激器5調(diào)控步態(tài)的結(jié)果，并對刺激調(diào)控指令加以修正。

所述的步態(tài)采集系統(tǒng)4包括有：用于檢測使用者腰腹部姿態(tài)數(shù)據(jù)的腰腹部檢測單元41、用于檢測使用者左側(cè)大腿姿態(tài)數(shù)據(jù)的左側(cè)大腿檢測單元42、用于檢測使用者左側(cè)小腿姿態(tài)數(shù)據(jù)的左側(cè)小腿檢測單元43、用于檢測使用者左側(cè)腳部姿態(tài)數(shù)據(jù)的左側(cè)腳部檢測單元44、用于檢測使用者右側(cè)大腿姿態(tài)數(shù)據(jù)的右側(cè)大腿檢測單元45、用于檢測使用者右側(cè)小腿姿態(tài)數(shù)據(jù)的右側(cè)小腿檢測單元46和用于檢測使用者右側(cè)腳部姿態(tài)數(shù)據(jù)的右側(cè)腳部檢測單元47。

所述的腰腹部檢測單元41、左側(cè)大腿檢測單元42、左側(cè)小腿檢測單元43、左側(cè)腳部檢測單元44、右側(cè)大腿檢測單元45、右側(cè)小腿檢測單元46和右側(cè)腳部檢測單元47結(jié)構(gòu)完全相同，均包括有：用于放置在帶有表面肌肉刺激電極6的人體所對應(yīng)的部位，采集人體該部位在電刺激下的姿態(tài)數(shù)據(jù)的多軸傾角加速度傳感器401，本實施例中所述多軸傾角加速度傳感器401可以采用型號為MPU9150或MPU6050或ADXL203的傳感器。所述多軸傾角加速度傳感器401的信號輸出端連接采集側(cè)Wi-Fi物聯(lián)網(wǎng)模塊(ESP32或者ESP8266或者CC3200)402，所述采集側(cè)Wi-Fi物聯(lián)網(wǎng)模塊402依次通過無線路由器3和手機或PC機2連接物聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)器1，將人體不同部位在電刺激下的姿態(tài)數(shù)據(jù)上傳給物聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)器1，所述的多軸傾角加速度傳感器401和采集側(cè)Wi-Fi物聯(lián)網(wǎng)模塊402的電源輸入端依次通過采集側(cè)穩(wěn)壓芯片403和采集側(cè)開關(guān)404連接采集側(cè)供電電池405，所述采集側(cè)供電電池405的電源輸入端連接采集側(cè)充電接口406。

步態(tài)采集系統(tǒng)4采集由貼敷于患者各肢體部位上的表面肌肉刺激電極6刺激下各肢體的空間姿態(tài)，通過無線路由器建立的Wi-Fi無線socket網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)tcp/ip通訊協(xié)議，將相應(yīng)肢體的空間姿態(tài)信息發(fā)送至正在運行的上位機軟件的手機或PC機5。上位機軟件處理肢體空間姿態(tài)信息計算不同關(guān)節(jié)活動的時間相位曲線特征，通過無線路由器3建立的Wi-Fi無線socket網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)tcp/ip通訊協(xié)議，發(fā)送相應(yīng)的控制指令至功能性神經(jīng)肌肉電刺激器5。同時，手機或PC機5通過http通訊協(xié)議，將數(shù)據(jù)發(fā)送往物聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)器1存儲以及進一步分析?；颊呒捌浼胰撕歪t(yī)師可遠程登錄物聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)器1查看實時康復(fù)訓(xùn)練過程，以便于遠程監(jiān)護和針對調(diào)整康復(fù)訓(xùn)練方案。

所述的功能性神經(jīng)肌肉電刺激器5包括有停車輸入端通過無線路由器3連接所述刺激側(cè)Wi-Fi物聯(lián)網(wǎng)模塊51，本實施例中所述刺激側(cè)Wi-Fi物聯(lián)網(wǎng)模塊51可采用型號為ESP32或者ESP8266或者CC3200的模塊。所述刺激側(cè)Wi-Fi物聯(lián)網(wǎng)模塊51的信號輸入端通過無線路由器3連接所述手機或PC機2的控制信號輸出端，所述刺激側(cè)Wi-Fi物聯(lián)網(wǎng)模塊51的輸出端分別連接功率驅(qū)動芯片52和DAC芯片54，所述功率驅(qū)動芯片52的輸出端通過H橋輸出電路53連接恒流源電路55，所述DAC芯片54的輸出端連接恒流源電路55，所述恒流源電路55的輸出端連接所述的表面肌肉刺激電極6，所述刺激側(cè)Wi-Fi物聯(lián)網(wǎng)模塊51的電源輸入端依次通過刺激側(cè)穩(wěn)壓芯片56和刺激側(cè)開關(guān)57連接刺激側(cè)供電電池59，所述功率驅(qū)動芯片52的電源輸入端依次通過電源升壓模塊58和開關(guān)57連接刺激側(cè)供電電池59，所述刺激側(cè)供電電池59的電源輸入端連接刺激側(cè)充電接口510。

刺激側(cè)Wi-Fi物聯(lián)網(wǎng)模塊51接收上位機控制指令，控制功率驅(qū)動芯片52和恒流源電路55，調(diào)整施加在用戶目標肌肉7上的表面肌肉刺激電極6的刺激時相、刺激電流強度、頻率和脈寬等參數(shù)。

所述的功能性神經(jīng)肌肉電刺激器5通過刺激側(cè)Wi-Fi物聯(lián)網(wǎng)模塊51提供的SDK開發(fā)嵌入式系統(tǒng)，實現(xiàn)控制指令接收和各芯片的工作狀態(tài)。刺激側(cè)供電電池59和刺激側(cè)穩(wěn)壓芯片56為功能性神經(jīng)肌肉電刺激器5內(nèi)部的各芯片供電。電源升壓模塊58將3.3V的低電壓升壓至80V，滿足刺激肌肉運動時所需的最大輸出電壓。功率驅(qū)動芯片52根據(jù)當前上位機指令選擇刺激輸出或者關(guān)斷。恒流源電路55用于根據(jù)控制指令調(diào)節(jié)和穩(wěn)定刺激輸出電流強度。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。