一种基于mems传感器的足下垂治疗方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种基于MEMS传感器的足下垂治疗方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，脑卒中（脑中风)或外伤引起的足下垂患者数量巨大且逐年增多，因此，社 会亟需有效且携带便捷的康复治疗方法。如今，功能性电刺激是应用最为广泛的足下垂康 复治疗方法。相比其他康复治疗方法，功能性电刺激可以使患者行走时更加自信、步态更稳 健且不易疲劳。步态即为人体走路时的姿态，包含了许多运动信息，步态信息的分段在功能 性电刺激中起着非常重要的作用。目前的步态分段方法存在识别率低，实时性差，过于复杂 等缺点。对于足下垂患者，通过将步态分析应用到功能性电刺激治疗中，准确识别患者行走 时的摆动相，并且在其摆动时进行电刺激，对足下垂患者的康复有着非常显著的治疗效果。
【发明内容】
[0003] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于MEMS传感器的足下垂治疗方法，适用 于各种步态情况，有效地解决了步态分段方法现有的不足和缺点，并且能够满足实时性要 求。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于MEMS传感器的足下垂治疗 方法，其特征在于包括以下步骤：
[0005] 步骤S1:提供设置于使用者腿部的传感器，所述传感器用于采集患者腿部的角速 度信号并将所述角速度信号传输至微处理器；
[0006] 步骤S2:所述微处理器对角速度信号进行处理，通过采用基于阈值的角速度步态 分段算法识别使用者行走时的摆动相，选取脚跟离地点作为电刺激的开始时相，脚跟着地 点作为电刺激的结束时相；
[0007] 步骤S3:根据所述电刺激的开始时相和所述电刺激的结束时相，功能性电刺激模 块经电极片对使用者的胫骨前肌进行电刺激。
[0008] 进一步的，所述角速度步态分段算法的具体内容如下：
[0009] 步骤 SA1:令 N=0;
[0010] 步骤SA2:依次读取角速度信号的数据点；
[0011 ] 步骤SA3:若N=0，则执行步骤SA4;否则执行步骤SA6;
[0012] 步骤SA4 :若奴〇) > A，
及 - Α?) ·?'(?) S 0，其中 0⑴为该数据点的角速度，&为摆动阶段中点的角速度阈值，则令N=l，判断该数据点为摆 动阶段中点；否则回到步骤SA2;
[0013] 步骤SA5:若该信号点为最后一个数据点，则程序结束;否则回到步骤SA2;
[0014] 步骤SA6:若Ν= 1，则执行步骤SA7;否则执行步骤SA8;
[0015]
，则令Ν= 2,判断该 数据点为脚跟着地点并回到步骤SA5;否则回到步骤SA2;
[0016] 步骤SA8:若(取的-+1) -1) (0且[t- Δ h，t ]内数据点的角速度值连续下降 且[t，t+ △ t2 ]内数据点的角速度值也连续下降，其中λ为脚跟离地点对应的角速度值，Δ tl 为数据点取样前阈值，A t2为数据点取样后阈值，则令N=0,判断该数据点为脚跟离地点并 回到步骤SA5;否则回到步骤SA2。
[0017] 进一步的，摆动阶段中点的角速度阈值人:的取值范围为[35° /s，45° /s ];脚跟离地 点对应的角速度值λ的取值范围为[-30° /s，-20° /s ];数据点取样前阈值△ t的取值范围 为[80ms，90ms ];数据点取样后阈值Δ t2的取值范围为[110ms，120ms ]。
[0018] 进一步的，所述传感器设置于一条形束缚带上，所述条形束缚带上还设置有一电 路板，所述电路板上设置有相互连接的所述微控制器与所述功能性电刺激模块，所述微控 制器经第一导线与所述传感器连接，所述功能性电刺激模块经第二导线与一对所述电极片 连接。
[0019] 进一步的，所述条形束缚带上还设置有阵列式透气孔。
[0020] 进一步的，所述条形束缚带的两端设置有魔术贴。
[0021] 进一步的，还包括一用于指示微处理器工作状态的指示电路，所述指示电路的指 示灯设置于所述电路板上。
[0022] 本发明与现有技术相比具有以下有益效果:本发明一边进行数据采集，一边进行 步态分段，既简单又具有较好的实时性，能够准确对步态周期的各个阶段进行分段，而且在 单片机中易于实现，另外，对应的装置体积小携带方便，方便足下垂患者使用。
【附图说明】
[0023] 图1是本发明一实施例的装置结构示意图。
[0024] 图2是本发明一实施例的传感器穿戴示意图。
[0025] 图3是本发明的整体流程图。
[0026] 图4是本发明的角速度步态分段算法流程示意图。
[0027] 图5是本发明一实施例的矢状面角速度与步态各阶段的曲线图。
[0028]图中：1-条形束缚带;2-电路板;3-微处理器;4-第一导线;5-传感器;6-电极片;7-魔术贴;8-阵列式透气孔;9-指示灯;10-功能性电刺激模块;11-第二导线。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0030]请参照图1，本实施例提供一种用于基于MEMS传感器的足下垂治疗方法的装置，包 括一条形束缚带1，所述条形束缚带1上设置有一电路板2,所述电路板2上设置有相互连接 的微处理器3及功能性电刺激模块10,所述微处理器3经第一导线4与一传感器5连接，于本 实施例中，微处理器3具有I 2C串口，第一导线4为I2C总线，所述功能性电刺激模块10经第二 导线11与一对电极片6连接;所述传感器为MPU6050传感器，MPU6050传感器内部已集成低通 滤波器，在进行电路设计时不必再经过信号调整电路对信号进行预处理。MPU6050传感器解 决了以往组合陀螺仪和加速度计组合使用时容易产生轴间差的问题，MPU6050传感器可透 过最高至400kHz的I 2C端口以单一数据流的形式，向应用端输出完整的运动处理资料库，可 处理运动感复杂数据，降低了运动处理运算量数据传输模块。
[0031] 在使用过程中，将条形束缚带1绑在使用者的小腿上，由于胫骨前肌为比较适宜刺 激点，因此将电极片6贴在使用者的胫骨前肌处，如图2所示，坐标系原点为传感器5所在的 位置;XYZ轴为加速度方向，陀螺仪的方向为XYZ绕这三个轴的旋转，旋转角度是有方向的， 满足左手定则，穿戴时，使XZ平面为人体矢状面，Z轴正方向为行走的方向。
[0032] 于本实施例中，所述条形束缚带1上还设置有阵列式透气孔8,可使穿戴时，腿部的 运动更灵活，同时能防止使用者在夏天穿戴时感到闷热。
[0033]于本实施例中，所述条形束缚带1的两端设置有魔术贴7,使穿戴更为牢固。
[0034] 于本实施例中，所述微处理器3为51单片机处理器，还包括一用于指示所述微处理 器3工作状态的指示电路，所述指示电路的指示灯9设置于所述电路板上，外露于条形束缚 带1的表面以便观察。
[0035]于本实施例中，所述功能性电刺激模块10包括按键模块、数字电位器模块、boost 升压电路模块、双极性输出电路、电压采集模块及保护模块;其中，按键模块包括系统的总 关机和开机键，电刺激强度"+"键，特别的，电路板外表面设置有安装盒，安装盒开设有 通孔用于按键模块中的各个按键露出；具体的，双极性输出电路与所述电极片6通过第二导 线11连接。
[0036] 装置的工作原理如下:开启开机键后，系统进行初始化，通过对设置于使用者腿部 的传感器5采集到的角速度信号进行处理，当检测到脚跟离地时，微处理器3发出开始电刺 激输出的控制信号，控制双极性输出电路输出对称双极性脉冲(输出波形相同、相位相差 180度）；当检测到脚跟着地时，微处理器3发出停止电刺激输出的控制信号，输出对称的双 向脉冲波。需要强调的是，为了让使用者更方便调节而不受传统治疗仪有多个可调电刺激 参数的困扰，本发明仅对电刺激的强度设置了调节范围，其他电刺激参数都在标准范围内 设置，共设置了 8个等级的电刺激强度。
[0037] 请参照图3,基于MEMS传感器的足下垂治疗方法包括以下步骤：
[0038] 步骤S1:提供设置于使用者腿部的传感器，所述传感器用于采集患者腿部的角速 度信号并将所述角速度信号实时传输至微处理器，保持微处理器与传感器数据的实时同 步；
[0039] 步骤S2:所述微处理器对角速度信号进行处理，通过采用基于阈值的角速度步态 分段算法识别使用者行走时的摆动相，摆动相包括脚跟离地点、摆动阶段中点及脚跟着地 点;选取脚跟离地点作为电刺激的开始时相，脚跟着地点作为电刺激的结束时相；
[0040] 步骤S3:根据所述电刺激的开始时相和所述电刺激的结束时相，功能性电刺激模 块经电极片对使用者的胫骨前肌进行电刺激，即在脚跟离地时通过电极片对小腿胫骨前肌 进行电刺激，在脚跟