技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及醫(yī)療器械領(lǐng)域，具體地指一種仿生多通道神經(jīng)肌肉電刺激方法及電刺激系統(tǒng)。

技術(shù)背景

目前，針對偏癱，多使用電刺激的方式進(jìn)行康復(fù)治療，其中多通道電刺激訓(xùn)練在業(yè)內(nèi)使用廣泛。當(dāng)腦損傷、周圍神經(jīng)損傷后，神經(jīng)系統(tǒng)不能控制骨骼肌，導(dǎo)致肌肉無力、肢體不能運(yùn)動(dòng)。常用的外加電流刺激神經(jīng)、肌肉誘發(fā)肌肉產(chǎn)生動(dòng)作，為完成功能性的活動(dòng)一般使用的是一定頻率的電刺激，在開始工作前，固定刺激的頻率35～50Hz，調(diào)整刺激強(qiáng)度，直到可以產(chǎn)生關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。但這種方式存在幾個(gè)缺點(diǎn)：

1、不符合生理狀態(tài)下的神經(jīng)、肌肉工作模式，因?yàn)橐粋€(gè)神經(jīng)沖動(dòng)產(chǎn)生次肌肉的收縮，為了保證肢體運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性，神經(jīng)沖動(dòng)的頻率在整個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中并不是保持不變的，正常情況下人體通過改變傳出神經(jīng)的輸出頻率控制肌肉收縮的幅度。

2、關(guān)節(jié)在的運(yùn)動(dòng)過程中，因?yàn)樾枰朔欢ǖ闹亓Γ谡麄€(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡范圍內(nèi)，運(yùn)動(dòng)的力矩在發(fā)生改變，如果需要保持固定的扭矩，則肌肉收縮的幅度是動(dòng)態(tài)調(diào)整的?，F(xiàn)有的電刺激設(shè)備，在開始工作前給予一個(gè)固定頻率的電刺激，然后調(diào)整刺激器的電流強(qiáng)度，產(chǎn)生一個(gè)能讓關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)同時(shí)患者能夠耐受的刺激電流，這樣在患者使用前，固定了頻率和刺激電流的幅度，但因?yàn)闆]有考慮關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中力矩的改變，不能動(dòng)態(tài)調(diào)整刺激頻率、刺激強(qiáng)度，產(chǎn)生的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的速度和幅度在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中固定不變，不利于患者在變化的環(huán)境中使用上述設(shè)備。

3、正常情況下，任何一個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)至少包括3組肌群的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)肌、協(xié)同肌、拮抗肌，現(xiàn)有的電刺激設(shè)備沒有充分考慮這個(gè)問題，僅僅使用多個(gè)通道產(chǎn)生一系列的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的組合，產(chǎn)生一個(gè)肢體的動(dòng)作。

4、關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過程中不停的向中樞神經(jīng)系統(tǒng)傳遞運(yùn)動(dòng)的軌跡、力量等信息，但固定的刺激頻率、刺激強(qiáng)度，產(chǎn)生的是一種刻板的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致傳入腦的信息不能與其他感官得到的信息整合，不利于康復(fù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種使得電刺激后患者運(yùn)動(dòng)更平滑和協(xié)調(diào)、更符合正常肢體運(yùn)動(dòng)方式的仿生多通道神經(jīng)肌肉電刺激方法及電刺激系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的仿生多通道神經(jīng)肌肉電刺激方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：

S1在同一時(shí)刻采集同一人正常肢體的肌電信號(hào)，并進(jìn)行預(yù)處理，得到若干組多肌群肌電信號(hào)數(shù)據(jù)U1；

S2將步驟S1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，得到若干組信號(hào)參數(shù)值；

S3將信號(hào)參數(shù)值進(jìn)行多通道電刺激參數(shù)配比，得到相應(yīng)組的多通道電刺激參數(shù)配比；

S4利用多路電極根據(jù)多通道電刺激參數(shù)配比對患者患側(cè)肢體進(jìn)行電刺激。

進(jìn)一步地，為了監(jiān)測患者恢復(fù)程度，制定更好的刺激方式，所述步驟S1中還包括采集非健側(cè)肢體若干組肌電信號(hào)，并進(jìn)行預(yù)處理，得到非健側(cè)多肌群肌電信號(hào)數(shù)據(jù)U2。

一種仿生多通道神經(jīng)肌肉電刺激系統(tǒng)，其特殊之處在于：包括肌電信號(hào)采集模塊、微處理器模塊、存儲(chǔ)模塊、多路脈沖發(fā)生模塊、多路電極，所述肌電信號(hào)采集模塊、存儲(chǔ)模塊、多路脈沖發(fā)生模塊均與微處理器模塊連接，所述多路電極與多路脈沖發(fā)生模塊連接；

所述肌電信號(hào)采集模塊用于采集處理同一人正常肢體若干組肌電信號(hào)，并輸入給微處理器模塊和存儲(chǔ)模塊；

所述微處理器模塊用于接收并處理所采集的肌電信號(hào)，并控制多路脈沖發(fā)生模塊產(chǎn)生相應(yīng)多路不同頻率不同強(qiáng)度的多路肌電刺激；

所述存儲(chǔ)模塊用于接收微處理器模塊的命令存儲(chǔ)肌電信號(hào)；

所述多路脈沖發(fā)生模塊用于接收微處理器的指令，產(chǎn)生相應(yīng)多路不同頻率不同強(qiáng)度的多路電刺激脈沖，并將此多路脈沖輸入給多路電極；

所述多路電極用于接收多路脈沖發(fā)生模塊的指令產(chǎn)生電極作用于患者非正常肢體。

進(jìn)一步地，所述肌電信號(hào)采集模塊還用于采集處理患者非健側(cè)肢體若干組肌電信號(hào)。用于對比監(jiān)測患者的肢體的恢復(fù)程度，從而制定合適的刺激強(qiáng)度。

再進(jìn)一步地，該系統(tǒng)還包括按鍵顯示模塊，所述按鍵顯示模塊與微處理器連接，用于設(shè)定或查詢本系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)、啟動(dòng)或者停止本系統(tǒng)。

為了便于對患者肌電信號(hào)及姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行更細(xì)致的分析，該系統(tǒng)還包括USB通信模塊，所述USB通信模塊與所述微處理器連接，用于與PC機(jī)通信，便于在PC端對患者的康復(fù)狀況進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析處理。

再進(jìn)一步地，所述肌電信號(hào)采集模塊包括肌電采集器、信號(hào)放大器、濾波器。對所采集的肌電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，得到高信噪比的肌電信號(hào)。便于微處理器模塊進(jìn)行處理。

優(yōu)選地，所述多路脈沖發(fā)生模塊采用晶體管驅(qū)動(dòng)，脈沖頻率、脈寬及幅度均可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：采集正常肢體肌電信號(hào)，經(jīng)過微處理器模塊的處理，控制多路脈沖發(fā)生模塊，調(diào)整多路電極的頻率和強(qiáng)度的輸出，從而動(dòng)態(tài)地調(diào)整多路電極產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的電刺激，仿照人體本能的動(dòng)作電位，規(guī)范動(dòng)作的平滑和穩(wěn)定。充分考慮任何一個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)至少需要3組肌群的參與，主動(dòng)肌、協(xié)同肌、拮抗肌，使用電刺激刺激3組肌群模擬一個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，可以得到一個(gè)可控的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中力矩的改變，上述3組肌群輸出強(qiáng)度動(dòng)態(tài)變化的過程，是完成可控運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，我們使用陀螺儀采集關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡使其與關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)肌群的向匹配，作為控制輸出信號(hào)，規(guī)范目標(biāo)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。充分考慮正常關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)中，隨著力矩的改變，對應(yīng)肌群收縮強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)調(diào)整過程，模擬這一過程，動(dòng)態(tài)調(diào)整電刺激的輸出頻率和強(qiáng)度，模擬關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中力矩改變時(shí)的肌肉輸出力量的改變過程。

附圖說明

圖1本發(fā)明的模塊框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述：

一種仿生多通道神經(jīng)肌肉電刺激方法，包括以下步驟：

S1在同一時(shí)刻采集同一人正常肢體的肌電信號(hào)，并進(jìn)行預(yù)處理，得到若干組多肌群肌電信號(hào)數(shù)據(jù)U1；

S2將步驟S1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，得到若干組信號(hào)參數(shù)值；

S3將信號(hào)參數(shù)值進(jìn)行多通道電刺激參數(shù)配比，得到相應(yīng)組的多通道電刺激參數(shù)配比；

S4利用多路電極根據(jù)多通道電刺激參數(shù)配比對患者患側(cè)肢體進(jìn)行電刺激。

其中，為了監(jiān)測患者恢復(fù)程度，制定更好的刺激方式，所述步驟S1中還包括采集非健側(cè)肢體若干組肌電信號(hào)，并進(jìn)行預(yù)處理，得到非健側(cè)多肌群肌電信號(hào)數(shù)據(jù)U2。

圖中所示的仿生多通道神經(jīng)肌肉電刺激系統(tǒng)，包括肌電信號(hào)采集模塊，用于采集處理同一人正常肢體若干組肌電信號(hào)，并輸入給微處理器模塊；存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)肌電信號(hào)或者本系統(tǒng)需要使用的其他信號(hào)；微處理器模塊，用于接收所采集的若干組肌電信號(hào)或者別的需要進(jìn)行的處理信號(hào)，微處理器模塊接收到肌電信號(hào)后將肌電信號(hào)輸入存儲(chǔ)模塊中存儲(chǔ)，并在需要時(shí)調(diào)用存儲(chǔ)模塊中的信號(hào)進(jìn)行分配和處理，控制多路脈沖發(fā)生模塊產(chǎn)生相應(yīng)組不同頻率不同強(qiáng)度的多路脈沖，其中存儲(chǔ)模塊按照一定的頻率存儲(chǔ)的肌電信號(hào)，用于對病人身體狀況及康復(fù)效果評估的原始數(shù)據(jù)，并可作為確定進(jìn)一步治療方案的依據(jù)；多路脈沖發(fā)生模塊，用于產(chǎn)生與肌電信號(hào)相對應(yīng)的若干組多路脈沖信號(hào)，控制多路電極；多路電極用于作用于患者產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。為了使患者的運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)一致。

本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)有按鍵顯示模塊，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，按鍵顯示模塊與微處理器連接，按鍵模塊用于設(shè)定或查詢本系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)、啟動(dòng)或者停止本系統(tǒng)。顯示模塊用于顯示本系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)比如治療時(shí)間、治療模式、啟動(dòng)或者停止的操作情況，顯示模塊采用LCD顯示。為了便于對患者肌電信號(hào)及姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行更細(xì)致的分析，本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)有USB通信模塊，用于連接PC機(jī)通信，PC機(jī)通過USB接口讀取患者的肌電信號(hào)及姿態(tài)數(shù)據(jù)，USB通信模塊與微處理器模塊連接。

肌電信號(hào)采集模塊實(shí)現(xiàn)肌電信號(hào)的前端信號(hào)調(diào)理，為后面的AD采集提供合適的原始模擬信號(hào)，肌電信號(hào)屬于微弱信號(hào)，需要進(jìn)行放大，為了提高信號(hào)的信噪比，采用儀表放大器實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大、并通過濾波器濾除信號(hào)中的噪聲，然后經(jīng)電位抬升電路，輸入至AD，由微處理器模塊進(jìn)行AD數(shù)據(jù)采集。多路脈沖發(fā)生模塊由多個(gè)脈沖發(fā)生電路構(gòu)成，脈沖發(fā)生電路采用晶體管，脈沖頻率、脈寬及幅度均可調(diào)節(jié)，多路電極由多個(gè)電極片構(gòu)成。

正常步行周期，指一側(cè)足跟著地至該側(cè)足跟再次接觸地面所經(jīng)歷的時(shí)間，每一側(cè)下肢有其各自的步行周期。步行是一個(gè)連續(xù)的過程，一般按照美國加利福尼亞州RLA國家康復(fù)中心步態(tài)分析實(shí)驗(yàn)室的分類方法，將一個(gè)步行周期分成8個(gè)典型動(dòng)作姿勢點(diǎn)，通過對8個(gè)典型姿勢點(diǎn)的分析明確受試者是否存在步行障礙，及可能出現(xiàn)的原因。8個(gè)典型姿勢點(diǎn)包括：首次接觸、負(fù)荷反應(yīng)期、站立中期、站立末期、邁步前期、邁步初期、邁步中期、邁步末期。

首次接觸，指足跟或足底的任一部位與地面接觸的瞬間。負(fù)荷反應(yīng)期，指足跟著地后至足底與地面完全接觸，至對側(cè)下肢足趾離地所經(jīng)歷的時(shí)間；包括兩個(gè)部分，足跟著地至足底與地面完全接觸，此時(shí)骨盆前傾5度、髖關(guān)節(jié)屈曲30度、膝關(guān)節(jié)伸直、踝關(guān)節(jié)逐漸由中立位變?yōu)轷徘?，完成足底與地面完全接觸，此時(shí)足底并不完全承重，承重為0-10%；對側(cè)腿離地前支撐腿膝關(guān)節(jié)屈曲達(dá)到站立相的最大角度承重為10%-15%；站立中期，對側(cè)下肢足趾離地至軀干位于支撐腿的正上方承重為15%-40%；站立末期，支撐腿足跟離地至對側(cè)下肢足跟著地所經(jīng)歷的時(shí)間承重為40%-50%；邁步前期，指對側(cè)下肢足跟著地至支撐腿足趾離地之前的一段時(shí)間承重為50%-65%；邁步初期，從支撐腿足趾離地至該腿膝關(guān)節(jié)達(dá)到屈曲最大角度承重為65%-70%；邁步中期，從膝關(guān)節(jié)最大屈曲角度擺動(dòng)到小腿與地面垂直承重為70%-85%；邁步末期，指與地面垂直的小腿向前擺動(dòng)至該側(cè)足跟再次著地之前承重為85%-100%。本發(fā)明根據(jù)所采集到的正常肢體的肌電信號(hào)，動(dòng)態(tài)的控制非健側(cè)肢體，使得非健側(cè)肢體的運(yùn)動(dòng)更平滑穩(wěn)定。

本發(fā)明采用兩種方式控制多路脈沖發(fā)生模塊的時(shí)間序列，1、通過表面電極采集健側(cè)上肢、下肢、軀干不同肌群在步行周期中的動(dòng)作電位，將此時(shí)間序列用于偏癱側(cè)肢體，糾正偏癱肢體上、下肢、軀干的異常。2、通過采集健康人群步行中上肢、軀干、下肢肌群的肌電信號(hào)，尋找到不同年齡段人群的時(shí)間序列，應(yīng)用與偏癱患者。本系統(tǒng)在工作過程中的啟動(dòng)可采用在健側(cè)肢體安裝傳感器實(shí)現(xiàn)，傳感器與微處理器模塊連接，微處理器模塊接收到傳感器信息即可控制多路脈沖發(fā)生模塊和多路電極運(yùn)作，從而控制患者患側(cè)肢體的運(yùn)動(dòng)。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。