一种基于肌电反馈的多通道电刺激装置的制作方法

本发明涉及医疗器械领域，尤其是一种基于肌电反馈的多通道电刺激装置。

背景技术：

肌电图(electromyography，英文简称emg)，应用电子学仪器记录肌肉静止或收缩时的电活动，及应用电刺激检查神经、肌肉兴奋及传导功能的方法。通过此检查能够确定周围神经、神经元、神经肌肉接头及肌肉本身的功能状态。

针对人体的电刺激是指利用一定强度的低频脉冲电流，通过预先设定的程序来刺激一组或多组肌肉，最早被应用于矫正偏瘫患者的足下垂步态。随着技术和研究的发展，从初期以改善或恢复被刺激肌肉或肌群功能为目的功能性电刺激，逐步延伸出缓解疼痛、人体感觉再现应用。在假肢领域，电刺激反馈能够提高病人对假肢的本体感受。

在康复医疗领域，肌电诊断与电刺激治疗已在肢体功能康复治疗中得到广泛的应用，但多数情况下都是两者独立使用，兼容性差，通道数低，肌电与电刺激电极不统一，且设备笨重，实际使用中带来诸多不便，无法或难以实时根据患侧肌肉状态调控电刺激治疗输出实现主动康复，无法实现精准定位病态肌群和靶向刺激增强达到精准康复治疗。因此，一种真正意义上的肌电检测与电刺激输出软硬件兼容集成，具备友好交互界面的便携闭环系统的研发具有很大的商业价值与应用潜力。

基于以上问题，本发明提出一种基于肌电反馈的多通道功能性电刺激系统。其将电刺激与肌电检测软硬件集成形成闭环控制系统，电刺激输出基于相应肌肉肌电信号的检测分析反馈，肌电与电刺激电极共用，交互界面友好，便携且易用，临床使用上达到主动康复，精确定位与诊断以及靶向刺激治疗的目的。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是肌电诊断与电刺激治疗独立使用，兼容性差，无法或难以实时根据患侧肌肉状态调控电刺激治疗输出实现主动康复，通道数低，肌电与电刺激电极不统一，无法实现精准定位病态肌群和靶向刺激增强，且设备笨重；通过集成肌电诊断与电刺激治疗形成闭环控制，以得到肌电诊断与电刺激电极分时共用配合度高，兼容性好，便携易用的电刺激装置，临床上达到主动康复，精确定位与诊断以及靶向刺激治疗的目的。

基于以上技术问题，本发明提出一种基于肌电反馈的多通道电刺激装置，包括肌电信号采集/电刺激输出仪、上位机、信号采集/输出部件，所述肌电信号采集/电刺激输出仪和所述上位机通信连接，所述肌电信号采集/电刺激输出仪和所述信号采集/输出部件通过电线连接，所述信号采集/输出部件连接到人体；基于肌电反馈的多通道电刺激装置是将多通道肌电检测与多通道电刺激相结合的闭环控制系统，该系统有机的将肌电采集信号与电刺激信号相结合，实现生物反馈与电刺激输出的闭环控制。

进一步地，所述肌电信号采集/电刺激输出仪包括模式切换电路、多通道肌电采集电路、多通道电刺激输出电路和主控芯片电路，所述模式切换电路与所述多通道肌电采集电路和所述多通道电刺激输出电路连接，所述多通道肌电采集电路和所述多通道电刺激输出电路与所述主控芯片电路连接。

进一步地，所述肌电信号采集/电刺激输出仪还包括通信接口电路和电源管理电路，所述主控芯片电路与所述通信接口电路连接，所述电源管理电路分别与所述模式切换电路、所述多通道肌电采集电路、所述多通道电刺激输出电路、所述主控芯片电路和所述通信接口电路连接。

进一步地，所述模式切换电路用于实现所述肌电信号采集/电刺激输出仪工作模式在肌电采集模式与电刺激输出模式之间切换，使肌电采集与电刺激输出分时进行，所述模式切换电路将所述信号采集/输出部件获取的肌电信号传输至多通道肌电采集电路，或所述模式切换电路将多通道电刺激输出电路输出的电刺激信号传输至所述信号采集/输出部件实现电刺激。

进一步地，多通道肌电采集电路由预处理电路和单片机模数转换器adc采样组成，预处理电路由16个预处理电路模块组成，能够同时处理16通道的原始肌电数据，每个预处理电路模块对应一个通道的肌电数据；所述多通道肌电采集电路与所述信号采集/输出部件通过所述模式切换电路连接，所述多通道肌电采集电路在肌电采集模式下通过电子开关模块的控制能够实现16通道的肌电信号采集，所述多通道肌电采集电路用于对原始肌电信号的预处理以及将处理后的肌电信号传输给所述主控芯片电路进行模数转换器(adc，analogtodigitalconverter)采样。

进一步地，对原始肌电信号的预处理步骤为：在预处理模块中所述原始肌电信号依次经过低通滤波、仪表放大器、带通滤波、陷波滤波、主放大器和电位提升。

进一步地，所述多通道电刺激输出电路包括高压升压模块、同相比例放大模块、电子开关模块、安全保护模块以及基于光耦、运算放大器与功率mos管的恒流源刺激电流波形发生模块，所述基于光耦、运算放大器与功率mos管的恒流源刺激电流波形发生模块分别与所述高压升压模块、所述同相比例放大模块和所述安全保护模块连接，所述安全保护模块与所述电子开关模块连接；所述多通道电刺激输出电路在电刺激模式下通过电子开关模块的控制能够实现16通道刺激电流的分时输出。多通道电刺激输出电路通过信号采集/输出部件的电极将电刺激电流作用于人体，使人产生触觉或与本体感类似的感觉，还能够用于刺激肌肉收缩以完成相应的运动或康复治疗；电刺激输出的形式为频率与脉宽可调的正负双相脉冲方波电流或单相脉冲方波电流，电流大小在几毫安到上百毫安范围可调；电流刺激形式为正负双相脉冲方波时，单个周期刺激脉冲方波包括一定脉宽与幅值的正负两部分方波，能够有效防止电荷在刺激对象皮肤上的积累引起的不适；具体刺激频率与脉宽以及刺激电流的大小根据设计的刺激模式可通过上位机软件给出，根据刺激模式的不同配置电极位置、刺激通道数量、刺激电流强度、刺激脉冲脉宽、单通道刺激时间以及两个相邻通道间的刺激时间间隔。

进一步地，所述主控芯片电路包括stm32主控芯片和外围电路，所述主控芯片电路在肌电采集模式下将多通道肌电采集电路采集所述的肌电信号通过模数转换器采集并传输到通信接口电路，再通过所述通信接口电路传输到所述上位机；所述主控芯片电路通过通信接口电路接收来自上位机的控制指令；所述主控芯片电路控制所述模式切换电路进行肌电采集模式与电刺激模式切换；所述主控芯片电路还控制所述多通道电刺激输出电路在通道中输出一定波形刺激电流。

进一步地，所述通信接口电路通信连接所述主控芯片电路和所述上位机，所述通信连接方式为有线连接或无线蓝牙连接。

进一步地，所述上位机的软件是人机交互界面，所述上位机的能够对采集的肌电信号进行分析处理与存储，如对肌电信号特征提取与分类识别；所述上位机根据对采集的所述肌电信号的处理结果结合数据库自动或人为配置生成相应的刺激模式并发送命令控制所述肌电信号采集/电刺激输出仪实现电刺激输出；或者所述上位机的不依靠所述肌电信号的分析结果人为配置生成相应的刺激模式并发送命令控制所述肌电信号采集/电刺激输出仪实现电刺激输出，仅作为控制电刺激输出的上位机软件。

进一步地，所述信号采集/输出部件是直接与人体接触的部分，起到传递肌电信号或电刺激电流的作用；所述采集/输出部件由电极和袖套组成，每两个电极组成一个肌电信号采集通道或电刺激输出通道；所述采集/输出部件用于上臂肌电采集或电刺激输出，在仅用于上臂肌电采集时使用干电极，在用于肌电采集与电刺激输出时采集/输出部件使用湿电极。

进一步地，所述电源管理电路将外界电源转化为肌电信号采集/电刺激输出仪所需电压，所述外界电源包括电池或usb线连接的上位机。

本发明将肌肉电信号获取、分析处理与电刺激相结合提供一种具备实时反馈的闭环控制系统，有以下效果及优点：

1、本发明将肌电信号采集仪与电刺激输出仪在硬件上集成，通过有线或蓝牙方式与上位机通信，体积小便携。

2、本发明基于肌电反馈的多通道电刺激装置的闭环控制系统能够实时采集肌电信号并完成分析，根据分析结果配置刺激模式输出刺激，能够定点定量对某部分肌肉生理参数分析与电刺激。

3、本发明能够实现同时采集的肌电通道数和分时输出电刺激通道数最多为16个，肌电信息采集点丰富，对肌肉的刺激范围广。

4、本发明能根据应用场景产生不同，输出不同的刺激模式，通过刺激使被刺激者产生类似触觉以及本体感觉或让被刺激者产生肌肉收缩达到激发肌肉活力、康复理疗目的。

5、本发明上位机软件界面友好，既能单独用于多通道肌电信号的采集分析存储、单独用于多通道电刺激输出的控制，也能够将两者结合形成肌电反馈电刺激输出的闭环控制系统。

综上所述，本发明在残疾人辅助医疗器械、康复医疗、玩具娱乐诸多领域有着非常广泛的应用前景；可用于任何以肌肉活动为诱发信号的生机控制系统，同时此类系统将控制目标状态以电刺激形式作用于人体本身，以提升控制稳定性，提升人体对外部设备的本体感受，也能够达到康复治疗目的。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是基于肌电反馈的多通道电刺激装置的整体框架图。

图2是肌电信号采集/电刺激输出仪的电路框图。

图3a是单通道肌电信号预处理过程的流程图。

图3b是单通道肌电信号预处理电路的电路结构图。

图4是多通道肌电采集电路主要功能模块与肌电信号采集/电刺激输出仪其他功能模块配合的结构图。

图5是多通道电刺激输出电路主要功能模块与肌电信号采集/电刺激输出仪其他功能模块配合的结构图。

图6a是基于运算放大器、光耦以及功率mos管的恒流源波形发生电路的第一输出out1的原理图。

图6b是基于运算放大器、光耦以及功率mos管的恒流源波形发生电路的第二输出out2的原理图。

图7是电刺激电流单相脉冲波形图。

图8是电刺激电流双相对称脉冲波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的手功能康复实施例作详细说明：实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的运作流程。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，还能够做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供一种基于肌电反馈的多通道电刺激装置，包括肌电信号采集/电刺激输出仪、上位机、信号采集/输出部件，肌电信号采集/电刺激输出仪和上位机通信连接，肌电信号采集/电刺激输出仪和信号采集/输出部件通过电线连接，信号采集/输出部件连接到人体。首先将16通道信号采集/输出部件的袖套戴在手功能缺陷患者上臂，确保电极与皮肤接触良好的情况下，开启肌电信号采集/电刺激输出仪，在肌电采集模式下采集1至16通道的肌电数据，并将数据通过数据线或蓝牙无线传输到上位机，上位机接收数据并将各通道数据以波形显示出来，同时上位机软件将数据存储并进行分析计算，如提取各通道的时域与频域的特征，并将数据分析结果显示出来，康复人员通过可视化数据分析结果对16通道对应的肌肉健康状况进行评估；完成数据采集和分析后，在不解下袖套的情况下上位机配置好刺激电流的频率、脉宽、幅值、通道信息通过有线或蓝牙方式将配置信息发送给肌电信号采集/电刺激输出仪，将其切换至电刺激模式，通过袖套定点对肌电数据不理想的肌肉群进行刺激治疗，各通道电刺激之间是分时关系，某一时刻进行一个通道刺激输出。

如图2所示，肌电信号采集/电刺激输出仪包括模式切换电路、多通道肌电采集电路、多通道电刺激输出电路、主控芯片电路、通信接口电路和电源管理电路，模式切换电路与多通道肌电采集电路和多通道电刺激输出电路连接，多通道肌电采集电路和多通道电刺激输出电路与主控芯片电路连接；主控芯片电路与通信接口电路连接，电源管理电路分别与模式切换电路、多通道肌电采集电路、多通道电刺激输出电路、主控芯片电路和通信接口电路连接，并为连接的各电路提供电源。

模式切换电路用于实现肌电信号采集/电刺激输出仪工作模式在肌电采集模式与电刺激输出模式之间切换，使肌电采集与电刺激输出分时进行，模式切换电路将信号采集/输出部件获取的肌电信号传输至多通道肌电采集电路，或模式切换电路将多通道电刺激输出电路输出的电刺激信号传输至信号采集/输出部件实现电刺激。

多通道肌电采集电路由预处理电路和单片机模数转换器adc采样组成，预处理电路由16个预处理电路模块组成，能够同时处理16通道的原始肌电数据，每个预处理电路模块对应一个通道的肌电数据；多通道肌电采集电路与信号采集/输出部件通过模式切换电路连接；多通道电刺激输出电路中，基于光耦、运算放大器与功率mos管的恒流源刺激电流波形发生模块分别与高压升压模块、同相比例放大模块和安全保护模块连接、安全保护模块和电子开关模块连接；多通道肌电采集电路在肌电采集模式下通过电子开关模块的控制能够实现16通道的肌电信号采集，多通道肌电采集电路用于对原始肌电信号的预处理以及将处理后的肌电信号传输给主控芯片电路进行模数转换器(adc，analogtodigitalconverter)采样。

如图3a所示，对原始肌电信号的预处理步骤为：在预处理模块中原始肌电信号依次经过低通滤波、仪表放大器、带通滤波、陷波滤波、主放大器和电位提升。如图3b所示，肌电信号预处理使用的电路结构如下：主要元器件是仪表放大器ad620,双路轨至轨输入和输出运算放大器lmc6482以及相关外围电容电阻，该电路设计的突出优点在于能够很好节省单片机计算资源直接通过硬件而不是软件处理完成如图3a中对原始肌电信号的预处理的过程，去除了大部分肌电信号的潜在噪声，得到高信噪比且频率范围位为20hz-500hz的肌电信号供模数转换器采样。

图4是多通道肌电采集电路主要功能模块与肌电信号采集/电刺激输出仪其他功能模块配合的结构图，16个通道的肌电信号经过16个预处理电路模块后被stm32单片机采样，stm32单片机即为stm32主控芯片，采样频率为1khz，采样后单片机通过有线方式或蓝牙无线方式将数据上传到上位机作进一步的分析处理。

如图5所示为多通道电刺激输出电路主要功能模块结构图，多通道电刺激输出电路包括高压升压模块、同相比例放大模块、电子开关模块、安全保护模块以及基于光耦、运算放大器与功率mos管的恒流源刺激电流波形发生模块，基于光耦、运算放大器与功率mos管的恒流源刺激电流波形发生模块分别与高压升压模块、同相比例放大模块和安全保护模块连接，安全保护模块与电子开关模块连接，多通道电刺激输出电路在电刺激模式下通过电子开关模块的控制能够实现16通道刺激电流的分时输出。电源管理电路为高压升压模块提供输入电压u1，为电子开关模块提供电压u7，为基于运算放大器、光耦以及功率mos管的恒流源波形发生模块中的运算放大器和光耦开关分别提供电压u2和u6，为同相比例放大模块提供电压u3，高压升压模块将u1升压至u5给恒流源供电。

图6a和图6b是基于运算放大器、光耦以及功率mos管的恒流源波形发生模块原理图，该模块工作流程是：上位机对所采集的肌电数据分析处理后通过有线或蓝牙向下位机，即肌电信号采集/电刺激输出仪下达包含刺激模式信息的控制指令，stm32单片机解析上位机指令后将模式切换电路切换为电刺激输出模式，并按指令实现数模转换器(dac，digitaltoanalogconverter)输出、配置刺激波形以及控制电子开关模块配置刺激通道，其中配置刺激波形用于设置刺激频率、脉宽、单双相。具体说来，数模转换器输出至同相比例放大模块放大成u4给基于运算放大器、光耦以及功率mos管的恒流源波形发生电路用于调整刺激电流大小，电流大小的计算公式是：

同时stm32单片机产生pwm方波控制信号用于控制刺激电流的方波频率和脉宽，其中pwm控制信号1和4分别控制光耦开关1和4使out1和out2输出正相方波，同理，pwm控制信号2和3分别控制光耦开关2和3使out1和out2输出负相方波，之后刺激电流通过安全保护模块、电子开关模块到达电极，电子开关模块选用的是光耦aqw216，每一个aqw216对应一个刺激通道，通过使能不同的电子开关即可选通不同的刺激通道。由于信号采集/输出部件的电极在手臂上的位置未改变，刺激电流能够精准定点刺激肌电数据差的肌群；刺激结束后系统再次切换至肌电采集模式重复上述过程。总的说来，整个系统基于肌电反馈控制电刺激输出，形成一个闭环，达到手功能康复治疗目的；功能性电刺激发生电路产生的电流参数为：强度0-100ma可调，频率1-100hz可调、脉宽0-1000us可调。

如图7所示为电刺激电流脉冲单相波形图，电刺激电流脉冲为一系列的单相正脉冲，a表示脉宽，b表示刺激电流的强度，c表示刺激脉冲的周期，实际使用过程中可实现软件更改a、c以及刺激时长以达到理想刺激模式及效果。上述波形适合应用在用于假肢手控制时的电触觉反馈，电刺激电流比较微弱，作用于残肢端皮肤仅用于激活皮肤内触觉感受器，改变a、b、c能够获得不同的触觉感受，如振动、压力、粗糙度。

如图8所示为电刺激电流双相波形图，图8满足正负脉冲与横轴所围面积相等；其中a为脉宽、b为电流幅值，c为刺激脉冲的周期，实际使用过程中可通过软件更改a、b、c以及刺激时长以达到理想刺激模式及效果。上述波形适合应用在用于使肌肉产生收缩或抑制痉挛场合，电刺激电流比较大，用于激活骨骼肌以及相关神经来引发肌肉收缩，用于偏瘫患者前臂肌肉康复时，改变a、b、c能够使肌肉收缩程度与速度不同从而激发腕关节以不同角度与速度运动，双相的电流刺激效果更明显，在大电流下双相的形式能够防止电荷在皮肤表面积累从而避免引发组织损伤。如在针对脑卒中患者前臂肌肉康复时，根据某通道肌电数据分析结果配置该通道的刺激模式为刺激频率50hz，脉宽300us，电流强度30ma，一个刺激疗程刺激时间可设为20分钟，其中刺激持续5分钟间歇20s；当多通道刺激输出治疗时，不同通道对应检测分析肌肉的状态可能不同，则对应的刺激模式不同，如通道一刺激频率50hz，脉宽300us，电流强度30ma，通道二刺激频率50hz，脉宽300us，电流强度45ma，通道三刺激频率30hz，脉宽200us，电流强度20ma，各通道分时输出，间隔时间可设为50ms，一个刺激疗程总的刺激时间可为20分钟，其中刺激持续5分钟间歇20s。

主控芯片电路包括stm32主控芯片和外围电路，主控芯片电路在肌电采集模式下将多通道肌电采集电路采集的肌电信号通过模数转换器采集并传输到通信接口电路；主控芯片电路通过通信接口电路接收来自上位机的控制指令；主控芯片电路控制模式切换电路进行肌电采集模式与电刺激模式切换；主控芯片电路还控制多通道电刺激输出电路在通道中输出波形刺激电流。

通信接口电路通信连接主控芯片电路和上位机，通信连接方式为有线连接或无线蓝牙连接。

上位机的软件是人机交互界面，上位机的能够对采集的肌电信号进行分析处理与存储，如对肌电信号特征提取与分类识别；上位机的根据对采集的肌电信号的处理结果结合数据库自动或人为配置生成相应的刺激模式并发送命令控制电刺激输出；或者上位机的不依靠肌电信号的分析结果人为配置生成相应的刺激模式并发送命令控制电刺激仪实现电刺激输出，仅作为控制电刺激输出的上位机软件。

信号采集/输出部件是直接与人体接触的部分，起到传递肌电信号或电刺激电流的作用；采集/输出部件由电极和袖套组成，每两个电极组成一个肌电信号采集通道或电刺激输出通道；采集/输出部件用于上臂肌电采集或电刺激输出，在仅用于上臂肌电采集时使用干电极，在用于肌电采集与电刺激输出时采集/输出部件使用湿电极。

电源管理电路将外界电源转化为肌电信号采集/电刺激输出仪所需电压，外界电源包括电池或usb线连接的上位机。

综上所述，本发明能够检测分析肌电信号配置不同模式的电刺激实现肌电反馈的电刺激闭环输出，肌电检测与电刺激输出共用袖套，能够实现肌肉群的定位检测诊断以及定点刺激，同时系统包含保护电路，增强可靠性，避免用户在使用过程中发生危险。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就能够根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验能够得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。