可提供定制化康复训练的功能性电刺激系统及控制方法与流程

本发明属于康复医疗器械领域，特别涉及一种可提供定制化康复训练的功能性电刺激系统及控制方法。

背景技术：

随着我国人口老龄化的加剧和现代社会疾病多样化的增加，脊髓损伤、脑损伤、脑卒中(中风)等神经损伤疾病的发病率也逐年上升，仅就脑卒中(中风)而言，根据中国卫计委统计发布的数据显示，在中国，每年新增病例就超过200万，脑卒中后致残率约为70％-80％。目前，对于我国脑卒中患者而言，专业康复中心或综合性医院康复科所提供的康复治疗的服务远远无法满足患者的需求，数量庞大的患者，无法通过有效训练进行康复治疗，急需要一款智能化的功能性电刺激系统用于患者的辅助康复治疗。

功能性电刺激是应用低强度的脉冲电刺激神经或失去神经控制的肌肉，使其收缩，从而恢复或改善肢体的运动功能。

现有技术公开的功能性电刺激系统，所有参数都需要专业的医护人员来设定，无法根据患者的情况和不同的上肢功能性康复训练任务进行自定义设定。

现有技术公开的功能性电刺激系统，没有pc机软件对电刺激系统进行参数的设置与管理，无法及时有效获取和分析患者的治疗任务以及完成情况。

现有技术公开的功能性电刺激系统，无法实现通过蓝牙与智能手机进行通讯，无法通过手机app软件实现康复过程的参数设置以及数据监控，也无法实现远程医嘱。

技术实现要素：

本发明针对上述问题，发明了一种可提供定制化康复训练的功能性电刺激系统及控制方法，可根据患者运动功能不同的受损程度提供可定制化的康复训练任务，解决了传统方法无法实现根据患者自身条件，完成不同难易程度的辅助康复训练的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一目的是公开一种可提供定制化康复训练的功能性电刺激系统，包括：运动传感器和主控制器，所述主控制器包括：依次连接的运动数据处理模块、自定义控制器生成决策模块、可自定义状态机以及同步时序控制模块；

所述运动数据处理模块将运动传感器检测到的数据转换为信号幅值面积信号以及前臂和大臂的角度变化信号，所述自定义控制器生成决策模块根据运动数据处理模块输出的运动信号，生成可自定义状态机的控制参数；

所述可自定义状态机根据自定义的控制参数生成运动任务文件；或者，根据自定义控制器生成决策模块的控制参数，生成运动任务文件。

进一步地，所述运动数据处理模块还与可自定义状态机连接；所述可自定义状态机直接接收信号幅值面积信号和前臂以及大臂的角度变化信号，通过信号幅值面积信号和前臂以及大臂的角度确定可自定义状态机的状态的个数以及状态转换所需的触发条件；通过前臂以及大臂的角度变化信号作为状态机状态发生变化的触发的依据，状态机判断完成触发条件后，进入下一个状态；

或者，

所述可自定义状态机根据设定的计时器信号、硬件按钮、远程遥控信号或者肌肉信号emg来判断该任务中某一运动状态的完成情况。

进一步地，还包括：上位机，所述上位机与主控制器连接，用于根据患者的肌肉受损程度进行控制参数的设置，包括：设置与上肢功能性训练任务相对应的可自定义状态机不同状态的数量，状态转换所需的触发条件以及每一个状态的功能性电刺激输出参数；最终生成运动任务文件发送至主控制器。

进一步地，还包括：数据存储模块，所述数据存储模块用于存储设置好的控制参数以及实时更新的运动任务文件。

进一步地，还包括：移动终端和/或pc端，用于设置可自定义状态机的控制参数，实时监控训练数据；

所述移动终端和/或pc端通过蓝牙与主控制器通信；或者，所述移动终端和/或pc端接入物联网，实现运动任务文件的共享、治疗方案与结果的共享以及训练数据的远程监控。

进一步地，所述同步时序控制模块通过总线与多通道电刺激输出模块连接，用于协调多通道电刺激输出模块的逻辑时序。

本发明的第二目的是公开一种可提供定制化康复训练的功能性电刺激系统的工作方法，包括：

根据患者的肌肉受损程度进行控制参数的设置，包括：与上肢功能性训练任务相对应的可自定义状态机不同状态的数量，状态转换所需的触发条件以及每一个状态的功能性电刺激输出参数；

可自定义状态机根据设置的控制参数生成相应的运动任务文件，控制电刺激输出模块执行相应的任务；

采集患者前臂以及大臂的运动数据，分别将其转换为信号幅值面积和前臂以及大臂的角度变化信号；

自定义控制器生成决策模块接收信号幅值面积和前臂以及大臂的角度变化信号，根据接收到的信号幅值面积判断可自定义状态机中的状态数量；根据前臂以及大臂的角度变化信号判断可自定义状态机状态转换所需的触发条件；

或者，

可自定义状态机直接接收信号幅值面积信号和前臂以及大臂的角度变化信号，通过信号幅值面积信号和前臂以及大臂的角度确定可自定义状态机的状态的个数以及状态转换所需的触发条件；通过前臂以及大臂的角度变化信号作为状态机状态发生变化的触发的依据，状态机判断完成触发条件后，进入下一个状态；

或者，

可自定义状态机根据设定的计时器信号、硬件按钮、远程遥控信号或者肌肉信号emg来判断任务中某一运动状态的完成情况。

进一步地，还包括：与移动终端和/或pc端建立连接，通过移动终端和/或pc端进行控制参数的设置以及对训练数据的远程监控；

或者，

将移动终端和/或pc端接入物联网，实现运动任务文件的共享、治疗方案与结果的共享以及训练数据的远程监控。

进一步地，自定义控制器生成决策模块接收信号幅值面积信号，根据接收到的信号判断患者在功能性训练任务进行过程中的静止状态和运动状态，具体为：

(1)采集运动传感器的输出的三轴加速度信号，依次进行高通滤波和中值滤波处理；

(2)计算三轴加速度信号的信号幅值面积；

(3)非叠加滑动窗口过滤器对计算得到的信号幅值面积进行处理；

(4)将处理过的信号幅值面积与设定的阈值进行比较，如果大于设定阈值，自定义控制器生成决策模块则定义这段时间患者手臂为运动状态，反之，则为静止状态。

进一步地，如果在设定的时间内判断为静止状态，说明状态机状态没有发生变化，运动任务没有有效执行，设定好的状态机的动作过程会在规定的时间内失效，状态机重回初始状态，患者可重新开始任务训练；如果判断为运动状态，说明状态机的状态正在发生变化，运动任务正在被执行，当满足触发条件时状态机自动进入下一状态。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过总线方式连接多个独立的电刺激激发器，通过数字化的协同工作，单台主控制器就可以控制多个独立电刺激激发器，这样便于实现复杂的运动动作，比如适用于脑卒中患者上肢抓握举物，还可以扩展应用到下肢协同行走动作，划船机四肢联动动作，电刺激自行车动作等。

2、自定义控制器决策生成模块，在设置模式下根据不同患者的实际情况可以实现参数的自动设定，免去了复杂而又专业的参数人工设定过程，方便快捷。

3、可自定义状态机用于上肢fes的控制，状态机可结合其它闭环控制方法，例如比例控制等，实现在某一个状态中的闭环控制，通过不断获取副值面积信号和前臂以及大臂的角度变化信号，作为运动动作的反馈信号，a)当手臂到达设置的位置时立即停止电刺激，防止当运动到位后电刺激不停止导致肌肉过度兴奋和刺激疲劳，b)当手臂没有到达位置时持续监控运动过程，适当延长电刺激刺激时间和强度，在安全的前提下保证康复运动的完整性，达到更全面的锻炼肌肉的效果，使用闭环控制可以做到康复动作不遗漏、不过度，提高舒适度。

4、可自定义状态机，所有输入、输出，状态均可设置，从而提供患者完成不同的康复训练任务，患者自身使用便捷，同样也减轻了医生的工作诊断和治疗指导压力。

5、将惯性加速度信号转换为信号幅值面积和前臂以及大臂的角度变化信号，用于自定义控制器生成决策模块，信号幅值面积和前臂以及大臂的角度变化信号作为可自定义状态机自动生成的依据，从而自动生成以上状态机控制器，在设置状态下可以自动辅助完成部分参数的设置。

6、随着智能化设备的增多，医生更希望能通过合理的统计来掌握患者的情况，通常情况下，医生会观察和记录患者的方案实施情况，然后根据记录来做统计分析，再决定下一步的治疗方案，在有很多患者的时候，大大增加了医生的工作量，容易出现工作上疏忽，本发明通过pc机软件与设备连接即可获取当前患者的病患信息、治疗方案、治疗实施情况，帮助医生迅速的进行有效的分析，减少大量的询问以及检查时间，提高了医生的工作舒适度，能有效提高医生和医院的工作效率。

7、通过蓝牙和手机app，针对上肢功能性电刺激训练，提供患者运动/训练数据监控，反馈，可实现医生给患者提供远程医嘱，更新康复训练计划，患者和医生均查看历史康复治疗数据，查询康复治疗过程以及效果。

8、通过手机app，系统可扩展接入到物联网，实现医疗成果分享功能，可以将治疗方案与治疗过程和结果与自己的主治医生分享，便于医生实时获取患者的情况，也有利于医生适时调整治疗方案；

患者还可以将自己的康复情况分享给亲朋好友或者有相同病症的病友，有助于大家更多的鼓励患者进行积极的治疗，还可以通过这样的互助互帮互享重新树立起生活的自信，使患者得到心灵上的鼓舞；

实现已编辑好的功能性训练任务文件参数的共享,便于医生间共享不同的功能性训练任务.免去针对每一为新患者功能性训练任务的麻烦.例如上文提及的“触碰前方物体”这一个功能性任务,一旦完成设置,即可在不同患者间共享使用该任务。

附图说明

图1为可提供定制化康复训练的功能性电刺激系统结构示意图；

图2为上位机工作过程示意图；

图3为同步时序控制模块工作过程示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了解决背景技术中存在的问题，本发明公开了一种可提供定制化康复训练的功能性电刺激系统，能够针对不同受损程度的患者提供定制化同时又具备功能性和挑战性的上肢康复训练任务。

本发明上肢功能性电刺激控制系统包含设置模式以及训练模式。在设置模式下，使用者可以帮助患者设置与定制化的上肢功能性的训练任务相对应的状态机控制器，设置状态机状态转换相对应的触发条件(包括传感器阈值的设定、计时器设定、硬件按钮、远程按键、上臂或前臂运动角度变化或者肌肉信号emg阈值的设定)以及设置功能性电刺激输出参数。在训练模式中，患者可以通过本系统完成相应的目标训练任务的循环练习。

本发明系统结构如图1所示，包括：上位机、两个运动传感器(分别佩戴于脑卒中患者前臂以及大臂)、运动数据处理模块、自定义控制器生成决策模块、可自定义状态机、同步时序控制模块、存储模块、设置与lcd显示模块、蓝牙模块以及多通道电刺激输出模块；

上述的运动数据处理模块、自定义控制器生成决策模块、可自定义状态机、同步时序控制模块等由均在系统主控制器中实现。运动数据处理模块、自定义控制器生成决策模块、可自定义状态机以及同步时序控制模块依次连接；优选的，运动数据处理模块还与可自定义状态机连接。

主控制器是系统的控制核心，采用st(意法半导体)的stm32f405控制器，该控制器属于cortex-m4处理器，具备fpu(硬件浮点运算单元),保证算法的实时性和准确性，主控制器负责整个系统的调度。

上位机、两个运动传感器、存储模块、设置与lcd显示模块、蓝牙模块以及多通道电刺激输出模块分别与主控制器连接。

本发明的上位机，主要是通过可视化的界面设置系统运行参数，主要包括：与上肢功能性训练任务相对应的可自定义状态机不同状态的数量，状态转换所需的触发条件以及每一个状态的功能性电刺激输出参数等等。

上位机根据患者是初次训练还是持续训练来制定或者更新相应的训练任务，最终生成决策文件下载到主控制器中执行，具体过程如图2所示。

本发明的两个运动传感器，主要用于采集上肢训练过程中的动作数据，运动传感器固定在患者的前臂和大臂上，用于采集患者前臂以及大臂的运动信号，并通过运动数据处理模块将采集到的未经加工的x轴、y轴、z轴的加速度信号转换为：信号幅值面积(signalmagnitudearea，sma)和前臂以及大臂的角度变化信号。

其中，信号幅值面积用于判断可自定义状态机中状态数量；也可以为康复医师或患者提供反馈信息，用于判断训练动作时长，训练强度。

前臂以及大臂的角度信号用于判断状态转换所需的触发条件，也可以作为状态机状态发生变化的触发的依据，状态机判断完成触发条件后，进入下一个状态。

作为一种实施方式，运动数据处理模块将以上两种数据提供给自定义控制器生成决策模块，自定义控制器生成决策模块根据接收到的信号幅值面积判断可自定义状态机中的状态数量；根据接收到的前臂以及大臂的角度信号生成状态转换所需的触发条件，从而生成可自定义状态机的控制参数。

自定义控制器生成决策模块是一种控制算法，具体来讲设置模式下，患者完成一段功能性的训练任务，例如“触碰前方物体”这一个功能性任务，这段任务包括“初始动作”，“手臂前伸”以及“手臂收回”三个运动状态。惯性传感器用于采集患者在完成这段训练任务时前臂以及大臂的运动信号。此时，信号幅值面积(sma)用于区分脑卒中患者在功能性训练任务进行过程中的静止状态(0)和运动状态(1)，并作为自动生成与该定制化的上肢功能性的训练任务相对应的自定义控制器生成决策的依据。

自定义控制器生成决策模块判断任务状态的方法包含以下步骤：

(1)使用高通滤波器分别过滤采集到的三轴加速度信号，截至频率设置为0.25hz。

(2)使用中值滤波器过滤经步骤(1)处理过的三轴加速度信号，降低信号噪音。

(3)使用如下公式计算经步骤(1)与(2)处理过的三轴加速度信号的信号幅值面积(sma)：

公式中，accx(t)，accy(t)，accz(t)分别为惯性传感器x轴，y轴以及z轴的输出信号，t为采样时间。

(4)非叠加滑动窗口过滤器处理步骤(3)所得的信号幅值面积(sma)：

公式中，n为非叠加滑动窗口所包含的采样点数。

(5)如经步骤(4)处理过的信号幅值面积(sma)大于某一阈值，则系统自定义控制器生成决策模块则定义这段时间患者手臂为运动状态(1)，反之，则为静止状态(0)。

如果信号幅值面积在规定的时间内判断为静止状态，说明状态机状态没有发生变化，运动任务没有有效执行，设定好的状态机的动作过程会在规定的时间内失效，状态机重回初始状态，患者可重新开始任务训练；如果判断为运动状态，说明状态机的状态正在发生变化，运动任务正在被执行，当满足触发条件时状态机自动进入下一状态。

作为另外一种实施方式，运动数据处理模块将以上两种数据直接提供给可自定义状态机。可自定义状态机直接接收信号幅值面积信号和前臂以及大臂的角度变化信号，通过信号幅值面积判断可自定义状态机中状态数量，通过前臂以及大臂的角度变化信号作为状态机状态发生变化的触发条件，状态机判断完成触发条件后，进入下一个状态。

作为再一种实施方式，可自定义状态机根据设定的计时器信号、硬件按钮、远程遥控信号或者肌肉信号emg来判断任务中某一运动状态的完成情况。

常规状态机无法实现自由配置，各种参量均是固定的，本发明中的状态机是一个灵活的运动状态和运动任务配置模块，它可以根据输入的配置参数完成不同功能性训练任务的运动状态化分解，例如“触碰前方物体”这一个功能性任务，这段任务包括“初始动作”，“手臂前伸”以及“手臂收回”三个运动状态。该可自定义状态机根据患者运动功能损伤程度以及康复训练的难易，提供定制化康复训练任务的控制。它可以根据pc端参数的设定产生相应的运动任务，设置的过程中还可以根据运动传感器和数据处理模块的反馈更新状态机，配置灵活。

可自定义配置的各种参量包括：

状态机中不同状态的数量(复杂的训练任务需要相对应的状态机拥有更多的状态数量)；

状态转换出发条件的设置(计时器，硬件按钮，手机按键，上臂或前臂运动角度变化，肌肉信号emg达到某一个阈值)；

状态机输出：状态机中每一个状态的输出(电刺激通道，每一个所需使用的电刺激通道所输出的pulse的波形)。以方形波为例，可以设置的参数包括，上坡时间，峰值，下坡时间，延迟时间等。

对可自定义状态机的自定义过程说明如下：

可自定义状态机指的是产生状态机的过程，比如说“触碰前方物体”这个训练任务，这个动作的逻辑是状态机的产物，那么产生状态机的方法和过程是可以自定义的，首先要分解出这个状态机的动作状态：a状态：手臂置于胸前桌面静止；b状态：手臂前伸触碰前方物体；c状态：手臂收回到到a状态位置；

以上状态是可以自定义的，也可以设置成a-b-c-d-e-f6个状态(每个状态的动作取决于患者的肌肉受损程度，受损越严重生成的可自定义的状态机的状态越简单，完成复杂任务的状态机需要肌肉具备足够的灵活性即受损程度相对较低)，用于控制更为复杂的训练任务。

可自定义状态机需要根据具体的训练任务来自定义，灵活的设定对于患者和医生来说是非常重要的，使得康复具备针对性，假如患者的丧失了上肢运动功能受损严重，则系统可以提供较为简单的训练任务，例如可以分解为a-b两个运动状态或a-b-c三个运动状态的功能性训练任务。如患者运动功能有所恢复或是患者运动功能受损成都较轻，则灵活配置的状态机则可为其提供较为复杂的训练任务(例如“喝水”，“吃饭”等)。

以“喝水”任务举例，“喝水”任务可分解为以下状态(a状态：手臂置于胸前桌面静止；b状态：手臂前伸并抓住杯子；c状态：抬起水杯；d状态：放下水杯；e状态：松开水杯并将手臂收回到到a状态位置)。

假如患者的手臂前伸功能没有丧失，那么患者完全没有必要辅助刺激前三角肌以及三头肌(电刺激前三角肌以及三头肌可以用来辅助患者肘关节伸展，完成手臂前伸这一运动状态)，而仅仅刺激前臂伸肌群，用于协助患者完成手掌打开这一动作即可。

再比如通过传感器感知“手臂前伸触碰前方物体”，状态机可以根据运动传感器的数据来判断运动状态的完成情况，也可以根据不同患者或是康复训练目标，使用计时器，硬件按钮，手机按键，或是肌肉信号emg来判断该运动状态的完成情况。如果运动状态已经完成，则状态机进入下一个状态，即“手臂收回”。如果这个状态没有完成，那么设定好的状态机的动作过程会在规定的时间内失效，说明自定的状态机无效，那么状态机重回初始a状态。患者可重新开始任务训练。

另外，为了保证患者的舒适度，可自定义状态机具备较多的可配置参数，比如电流大小、脉冲宽度、频率、上升斜坡和下降斜坡时间等，这些参量都可灵活设定，生成对应的状态机，力求让不同肢体受损程度的患者使用时，是在一个可以设定的舒适范围内，并且能顺利完成功能性训练任务。

作为一种实施方式，可自定义状态机可结合其它闭环控制方法，例如比例控制等，实现在某一个状态中的闭环控制，通过不断获取副值面积信号和前臂以及大臂的角度变化信号，作为运动动作的反馈信号，a)当手臂到达设置的位置时立即停止电刺激，防止当运动到位后电刺激不停止导致肌肉过度兴奋和刺激疲劳，b)当手臂没有到达位置时持续监控运动过程，适当延长电刺激刺激时间和强度，在安全的前提下保证康复运动的完整性，达到更全面的锻炼肌肉的效果，使用闭环控制可以做到康复动作不遗漏、不过度，提高舒适度。

同步时序控制模块用于控制多通道电刺激输出模块，电刺激输出模块通过总线连接到主控制器，主控制器通过时序控制模块来协调多路电刺激输出模块的逻辑时序，具体过程如图3所示，电刺激模块接入后，模块得电开机运行，模块主动上送注册指令，向主控制器请求接入注册，总线通过仲裁允许第一个抢占总线的有效节点发送数据进行注册，注册时使用超时管理机制，在规定的时间内如果注册没有完成，则认为是无效注册，有效注册完成后即可对新注册的模块进行可自定义的功能配置，置于配置的位置进行有效的刺激输出。电刺激的发生通过主控制器进行逻辑时序控制，通过数据通信预先告知每个通道的功能任务，比如说两个通道情况下，指定电刺激器1输出100us、50ma电流，电刺激器2输出50us、60ma的电流，首先主控制器通过指令交互发送给两个通道，等待两个通道回复确认指令，指令中包含具体的发生时间标签，主控制器通过时间标签来同步时序，时序同步完成后即可按照规定的延时时序进行电刺激动作，比如实现电刺激1通道输出完成20ms后电刺激2再输出这样的时序。

存储模块采用spi接口的flash芯片，主要是用来存储设置好的系统参数以及实时更新的方案。

设置与lcd显示模块用来手动设置和调整训练的过程，lcd用来呈现当前的设置参数以及当前的动作过程细节。

蓝牙模块用来连接手机或者pc机，可以实现与手机或者pc机的互动，患者可以通过手机或者pc机直观设置查看和监控治疗过程，可以方便的设置参数和查看运动过程和结果，分享给家人，有助于提高康复和生活的信心。

作为一种实施方式，通过手机终端，扩展接入到物联网，实现医疗成果分享功能，可以将治疗方案与治疗过程和结果与自己的主治医生分享，便于医生实时获取患者的情况，也有利于医生适时调整治疗方案。患者还可以将自己的康复情况分享给亲朋好友或者有相同病症的病友，有助于大家更多的鼓励患者进行积极的治疗，还可以通过这样的互助互帮互享重新树立起生活的自信，对于患者是心灵上的鼓舞。

还可以实现已编辑好的功能性训练任务文件参数的共享，便于医生间共享不同的功能性训练任务。免去针对每一为新患者功能性训练任务的麻烦。例如上文提及的“触碰前方物体”这一个功能性任务，一旦完成设置，即可在不同患者间共享使用该任务。

本发明进一步公开一种可提供定制化康复训练的功能性电刺激系统的工作方法，包括：

根据患者的肌肉受损程度进行控制参数的设置，包括：与上肢功能性训练任务相对应的可自定义状态机不同状态的数量，状态转换所需的触发条件以及每一个状态的功能性电刺激输出参数；

可自定义状态机根据设置的控制参数生成相应的运动任务文件，控制电刺激输出模块执行相应的任务；

采集患者前臂以及大臂的运动数据，分别将其转换为信号幅值面积和前臂以及大臂的角度变化信号；

自定义控制器生成决策模块接收信号幅值面积和前臂以及大臂的角度变化信号，根据接收到的信号幅值面积判断可自定义状态机中的状态数量；根据前臂以及大臂的角度变化信号判断可自定义状态机状态转换所需的触发条件；

或者，

可自定义状态机直接接收信号幅值面积信号和前臂以及大臂的角度变化信号，通过信号幅值面积信号和前臂以及大臂的角度确定可自定义状态机的状态的个数以及状态转换所需的触发条件；通过前臂以及大臂的角度变化信号作为状态机状态发生变化的触发的依据，状态机判断完成触发条件后，进入下一个状态；

或者，

可自定义状态机根据设定的计时器信号、硬件按钮、远程遥控信号或者肌肉信号emg来判断任务中某一运动状态的完成情况，自动生成可自定义状态机的运动任务文件。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。