智能可穿戴面瘫同步化运动刺激设备及其使用方法与流程

本发明涉及医疗器械技术领域，具体地，涉及一种智能可穿戴面瘫同步化运动刺激设备及其使用方法。

背景技术：

面瘫是一种由神经损坏造成的导致患者失去面部活动能力的疾病。面瘫患者通常表现为脸部一侧肌肉明显下垂，既不美观也影响他们的生活质量。同时面瘫能够引起眼部的损伤甚至失明，这是因为一些面瘫患者不能控制眼睑闭合，这样他们的眼球就会长时间和空气接触而得不到湿润，进而眼球就会变得干涩，然后发炎，最后严重的会导致失明。面瘫最普遍的形式被称为贝尔面瘫，它的典型症状是脸部一侧肌肉的失能。

已经有许多工作致力于找到贝尔面瘫的病因，但确切的原因仍不可知。就目前所知，面瘫是由于包含主要神经的通道的感染造成的压力引起的。这个通道在人的脑部，被称为面神经管。一个跟这个理论相关的现象是当使用3-11mA电流刺激面部神经能够使得大多数病患眼睛闭合，这个现象说明了面瘫患者的面部肌肉的功能还是正常的。

经皮神经电刺激(Transcuataneous electrical nerve stimulation，TENS)在不破坏面部皮肤的情况下对面部神经施以电刺激，它已经被理疗学家当做一种康复面瘫患者的选择，并且电刺激已经被证明是安全的而且不会干涉患者的康复方法。

鉴于目前科学有效的使用电刺激治疗缓解面瘫病理症状的设备的缺失，本发明设计实现了一种智能可穿戴面瘫同步化运动刺激设备，缓解面瘫所带来的病痛，可长时间穿戴，并具有较高普适性、稳定性、准确性，以及广泛的应用前景。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种智能可穿戴面瘫同步化运动刺激设备及其使用方法。

根据本发明提供的智能可穿戴面瘫同步化运动刺激设备，包括处理器、图像采集器；所述图像采集器用于实时采集眼部图像，并将采集到的眼部图像传输至处理器；所述处理器通过构建图像处理模型对眼部图像进行分类，并根据分类结果输出不同的电刺激强度。

优选地，所述图像采集器为可穿戴的前置眼部监控摄像头。

优选地，所述采集器包括：

图像数据提取模块：用于提取出多名面瘫病人处于不同室内场景时的眼部图像数据，不同室内场景包括：晴天、阴天、夜间时室内的场景，以及室内阴暗处的场景；当处于夜间时开启红外灯，眼部图像数据是指：用户健康侧、患侧眼部睁开、闭合两种状态时的光照强度；

图像处理模型构建模块：建立图像处理模型，按照光照强度对提取的眼部图像数据进行分类，并以分类好的眼部图像数据对图像处理模型进行训练，得到模型选择器；

概率向量生成模块：根据模型选择器所检测出的眼部图像数据生成对应概率向量；

具体地，模型选择器通过计算输入的眼部图像数据的平均像素值得到该眼部图像数据的近似光照强度，选定日间或夜间模型并输入眼部图像数据，根据输入的眼部图像数据获得对应的概率向量，并根据用户给定的图像数据决定出最优分类判别，来判定刺激的开启及相应的刺激等级；

通信模块：建立患者与医生之间的信息通信。

优选地，还包括电位器，所述电位器将用户的手动控制信号转换为电信号，并传输至处理器。

优选地，所述处理器还包括：

反馈监控模块：根据电位器发出的电信号，调整电刺激的强度，通过图像采集器监测电刺激后的眼部反应，若引起患侧眨眼反应，则保持这一刺激强度；若未引起患侧眨眼反应，则继续提高刺激强度直至患侧有眨眼反应为止。

根据本发明提供的智能可穿戴面瘫同步化运动刺激设备的使用方法，包括如下步骤：

训练阶段步骤，包括：

步骤A1：采集不同面瘫病人处于不同光照条件下的眼部图像；

步骤A2：构建图像处理模型，使用所采集的眼部图像对图像处理模型进行训练，调整与优化图像处理模型中的采样时间、判决模型的参数；

步骤A3：使用训练好的图像处理模型检测所获得病人当前的具体眼部图像及当前环境下的光照数据，生成对应概率向量，根据用户给定的图像数据决定出最优分类判别，来判定刺激的开启及相应的刺激等级；

测试阶段步骤：包括：

步骤B1：根据眼部图像数据检测用户眼部对称性，判断眼部出现不对称的异常行为；

步骤B2：根据眼部图像数据检测结果产生控制信号，并结合用户通过电位器输入的控制信号，生成相应的脸部表面电刺激；

步骤B3：根据监控用户的眨眼频率、眨眼程度行为反馈实时调整表面电刺激的强度等级、频率；

步骤B4：根据设备采集到的病患刺激前后的眨眼频率、程度以及刺激等级数据，进行医生与病患之间的信息通信。

优选地，所述步骤A2包括：提取出多名面瘫病人处于不同室内场景时的眼部图像数据，不同室内场景包括：晴天、阴天、夜间时室内的场景，以及室内阴暗处的场景；当处于夜间时开启红外灯，眼部图像数据是指：用户健康侧患侧眼部睁开、闭合两种状态以及当时所处的光照强度；

建立图像处理模型，按照光照强度对提取的眼部图像数据进行分类，并以分类好的眼部图像数据对图像处理模型进行训练，得到模型选择器。

优选地，所述步骤A3包括：模型选择器通过计算输入的眼部图像数据的平均像素值得到该眼部图像数据的近似光照强度，选定日间或夜间模型并输入眼部图像数据，根据输入的眼部图像数据获得对应的概率向量，并根据用户给定的图像数据决定出最优分类判别。

优选地，所述步骤B1包括：眼部监控摄像头实时捕获用户眼部图像数据，根据位置信息进行图像切割与处理，由于脸部对称性，右眼图像数据进行翻转操作后与左眼图像数据，输入到步骤A3中训练出来的图像处理模型；根据眼部监控摄像头的图像数据输入，分别判断左右眼睁闭状态，形成左右眼实时眼部状态序列；对该转态序列进行数据平滑、去除异常点，得到眨眼序列图，通过比较左右眼眨眼序列图的差别，判断健康侧与患侧眼部睁闭状态、频率不一致的异常活动。

优选地，所述步骤B2包括：根据眼部图像数据检测结果产生相应的电路控制信号，结合用户通过电位器输入的用户控制信号，产生相应的脸部表面电刺激；其中：

电路控制信号对应五种面部刺激模式：启动模式、日间模式、夜间模式、睡眠保护模式以及疼痛控制模式；启动模式用于设备启动阶段，根据不同病人的临界刺激点寻找合适刺激强度；日间模式用于光照充足的条件下；当光照低于设定的阈值时切换至夜间模式，前置眼部监控摄像头开启红外灯模组；病人处于睡眠状态，即健侧眼部长期闭合时使用睡眠保护模式，设备将向下试探电刺激临界点，以保持最低面部刺激强度；疼痛控制模式用于在出现电刺激引起的面部疼痛时，能够通过自动与手动的方法调节面部电刺激强度。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明中的设备能够根据面瘫病人面部病理特征实时产生电刺激脉冲，并通过调整面部表面电刺激强度缓解面瘫病痛，病理捕捉准确、处理效率高。

2、本发明中的设备的可穿戴、可移动，并且提供通信模块与安卓客户端，为医生提供接口获取本设备所采集的面瘫病人病理特征记录，提供治疗日志，便于监控患者使用情况，保证了设备的稳定性、使用的安全性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的智能可穿戴面瘫同步化运动刺激设备的工作流程图；

图2为本发明提供的设备结构示意图；

图3为本发明中的各电刺激模式切换流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的智能可穿戴面瘫同步化运动刺激设备的使用方法，包括如下步骤：

训练阶段步骤，包括：

步骤A1：采集不同面瘫病人处于不同光照条件下的眼部图像数据；

步骤A2：构建图像处理模型，使用所采集的眼部图像数据对图像处理模型进行训练，调整与优化图像处理模型参数；

步骤A3：使用训练好的图像处理模型检测所获得的具体图像及光照数据，生成对应概率向量，根据用户给定的图像数据决定出最优分类判别；

测试阶段步骤：包括：

步骤B1：可穿戴前置摄像头及电位器输入用户图像数据及行为数据至处理器；

步骤B2：处理器根据用户图像数据检测用户眼部对称性及异常行为；

步骤B3：处理器根据图像检测结果产生控制信号，并结合行为数据输入控制电路，产生脸部表面电刺激；

步骤B4：处理器根据监控用户行为反馈实时调整电路刺激参数，应用至下一回路，实现自适应控制；

步骤B5：处理器根据客户端数据请求进行医生与病患信息通信；

实施例一：

临床测试，某面瘫患者单侧脸部面瘫，右侧脸部为患侧，右眼无法自由睁闭。穿戴本设备，根据其左眼动作通过电刺激使其右侧眼部产生同步化运动。设备使用30万像素微型USB摄像头作为前置眼部监控摄像头，工作像素为640*480，最大帧率为30fps，配有可控红外灯模组；处理器使用树莓派2B平台，900MHz四核ARM Cortex-A7，1G内存，搭载Linux系统；面部表面刺激电路使用CD4600BE芯片、50k电位器与输出变压器组成放大与分级电路，生成面部表面电刺激；电源使用7.4V锂电池组；所述树莓派2B平台作为移动微型处理器，可通过USB接口、无线网卡或蓝牙向外通信。

设备设计图如图2所示。

本实例具体步骤包括训练阶段及测试阶段，训练阶段过程如下：

1)处理器采集不同面瘫病人处于不同光照条件下的眼部图像数据；

前置眼部监控摄像头采集多名面瘫病人处于不同室内场景时的眼部图像数据，包括晴天室内、阴天室内、室内阴暗处、夜间等常见场景，光照强度分布于10lx至1000lx之间。其中，夜间场景图像数据采集时红外灯模组开启。所采集图像数据覆盖病人健侧及患侧眼部睁开、闭合两种状态。

2)处理器建立对应图像处理模型，使用所采集的图像数据进行训练、调整与优化模型参数；

根据所采集的眼部图像数据，处理器计算图像数据光照强度将其分类，并使用分类后的图像数据训练图像处理模型并定义模型选择器，所训练的图像处理模型分日间模型与夜间模型两类。模型的输入为眼部监控摄像头所采集的图像数据，健侧、患侧眼部图像分别输入。

3)处理器使用所训练模型检测所获得的具体图像及光照数据，生成对应概率向量，根据用户给定的图像数据决定出最优分类判别；

给定监控摄像头实时传回的每帧图像数据，输入模型选择器选定适当模型，模型选择器通过计算输入图像数据的平均像素值得到该图像数据近似光照强度，选定日间或夜间模型并输入图像数据。所对应的图像处理模型对输入图像数据计算并得到其概率向量，根据概率向量计算可得该图像数据的最优分类判别。

当用户开始使用本发明中的设备时，进入测试阶段，测试阶段步骤如下：

步骤B1：可穿戴前置摄像头及电位器输入用户图像数据及行为数据至处理器；

眼部监控摄像头实时捕获用户眼部图像数据，根据位置信息进行图像切割与处理，由于脸部对称性，右眼图像数据进行翻转操作后与左眼图像数据输入同一图像处理模型进行处理；若用户操作电位器手动进行疼痛控制操作，电位器将用户的行为数据输入至处理器。

步骤B2：处理器根据用户输入图像检测用户眼部对称性及异常行为；

根据眼部监控摄像头的图像数据输入，图像处理模型计算其对应概率向量，分别判断左右眼睁闭状态，形成实时眼部状态序列。根据所对应序列，进行数据平滑、去除异常点，得到眨眼序列图，通过比较左右眼眨眼序列图，判断健侧与患侧眼部对称性及异常活动。

步骤B3：处理器根据图像检测结果产生控制信号，并结合行为数据输入控制电路，产生脸部表面电刺激；

根据图像处理模型对健侧与患侧眼部对称性及异常活动的检测结果，结合用户通过电位器输入的行为数据，处理器产生相应的控制信号。当健侧与患侧眼部眨眼状态不对称时，处理器发出控制信号使刺激电路产生面部表面电刺激，通过表面电极刺激患侧眼部皮肤，使患侧产生于健侧相同的眨眼行为。同时设备设有反馈监控机制，即产生电刺激后眼部摄像头监控眼部，检测该刺激是否引起用户患侧眨眼反应。面部表面电刺激的强度由高到低分为16档，处理器通过不同控制信号组合实现档位的切换。

处理器所产生的控制信号按不同的场景分为五种模式：

1)启动模式；

启动模式用于设备启动阶段，由于不同病人有不同的刺激临界点，即最小能使病人产生眨眼反应的电流大小不同，当用户启动设备时，为保证安全，系统会从最低刺激档位开始自动递增寻找该用户的临界刺激强度。若在反馈监控机制中某一刺激档位未能引起眨眼反应，则增加刺激档位，直至出现眨眼反应，即到达临街刺激强度。

2)日间模式

日间模式为常用模式，在光照充足的条件下设备长期处于该模式。同时反馈监控机制仍然开启，由于环境变化与时间变化可能会改变临界刺激点，当某一时刻电刺激无法引起眨眼反应时，控制信号将增加刺激档位至有眨眼反应为止。

3)夜间模式

当用户处于夜间场景或光照不足的室内场景时该模式启动，控制信号将眼部监控摄像头的红外灯模组开启。

4)睡眠保护模式

当用户处于睡眠状态，即健侧眼部长期闭合时，患侧电刺激向下试探电刺激临界点，由于电刺激临界点的不确定性，用户在睡眠状态时会出现对轻微疼痛无反应情况，为避免长时间轻微疼痛，控制信号将始终向下试探降低刺激档位，若降低后的档位可以引起眨眼反应，则选择较低档位进行电刺激，同时继续向下试探；若降低后的档位无法引起眨眼反应，则维持在原有刺激档位，同时继续向下试探。该机制始终保持最低面部刺激强度，避免睡眠时无意识的疼痛。

5)疼痛控制

该模式与其余四种模式并行，为保证本医疗设备的安全性与稳定性，出现电刺激引起的面部疼痛时，设备提供自动与手动的方法调节面部电刺激强度。当用户感觉到疼痛时，可以通过调节电位器手动降低电刺激强度，同时可以通过某些预先设定的用户行为，触发自动疼痛控制，当反馈监控机制监测到预先设定的用户行为时，控制信号将降低刺激档位，直至最低可引起眨眼反应的电刺激档位。由于睡眠保护所采用的防止疼痛方法与其类似，本设备采用健侧长时间闭眼为预先设定的用户行为，通过闭眼的时长和某些特定阈值的比较决定所采用的模式。为防止用户误操作，手动疼痛控制范围控制在某一级档位中，不能跨档位调节。当用户感觉到较轻微的疼痛感时可使用手动疼痛控制，若有强烈疼痛感，则需通过反馈监控机制调节。

步骤B4：处理器根据监控用户行为反馈实时调整电路刺激参数，应用至下一回路，实现自适应控制；

处理器通过反馈监控机制判断每帧用户眼部的状态，并决定所需模式。具体流程如图3所示。当启动本设备时，进入启动模式，直至找到用户最佳临界电刺激强度。结束启动模式后，对每一帧眼部图像，眼部监控摄像头判断周围光照环境，根据光照强度选择日间模式或夜间模式，图中L_a为预先设定的照度阈值。若无疼痛感或其他情况出现，则继续下一帧，循环处理。若用户感觉到轻微疼痛，则使用手动疼痛控制。当用户感觉到较强烈的电刺激疼痛时，可使健侧连续闭眼时间超过T_p，T_p为触发自动疼痛控制的时间阈值，超过该阈值时设备进入自动疼痛控制模式。由于睡眠保护采用与自动疼痛控制类似的预设用户行为，当连续闭眼时间超过T_s时，则进入睡眠保护模式，T_s为触发睡眠保护模式的时间阈值。

步骤B5：处理器根据客户端数据请求进行医生与病患信息通信；

为使医生可以随时掌握面瘫病人的病理数据，本设备记录用户眼部眨眼行为序列及异常检测情况，并提供智能手机、设备端无线通信，智能手机端可通过不同选项查看病人不同时段的不同病理记录，保证医生与病患间的信息共享。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。