专利名称：牙齿控制的假肢装置及方法
技术领域：
发明属于人机交互领域，特别涉及医疗康复领域，具体是指一种使用牙齿动作产生的脑肌电信号，进行实时控制的假肢装置及方法。
背景技术：
据国家统计局报告指出，因先天性(发育畸形、近亲遗传、妊期疾病等)、外伤(工伤、交通事故、战伤及其他外伤)以及疾病(血管性疾病、小儿麻痹、化脓性感染等)造成的肢体残疾的人已经达到2412万，其中2008年仅因汶川大地震中，就有多达2万多人失去肢体。随着生活节奏的加快，很多残疾人在生活自理、学习交流以及工作上存在严重的缺陷，因此，研究如何帮助残疾人重新回归社会，正常生活，减轻社会不必要的负担，已经成为社会日益关注的焦点，具有极大的商业价值和潜力。但是，由于现在医学还尚未达到帮助截肢者恢复肢体的技术，假肢是截肢者最好的选择。其目的就是为截肢者弥补已失肢体和补偿其部分功能而制造装配的。现代科学技术迅速发展，社会对残疾人事业的日益关注，使假肢从传统的手工艺转换为多工程学科(机械、电子、计算机技术、控制、生物力学、高分子材料学等)、医学技术相结合的学科。目前多个国家包括美国、德国、日本、加拿大、意大利及中国等国家对智能假肢正展开了深入研究，使假肢能够根据外界条件和工作要求，自动调整假肢系统的参数，从而达到工作可靠、运动自如，具有更好的仿生性。公知的，智能假肢采用的控制手段包括手工(含手脚动作)、肌电信号控制、意念交互控制方式。手工交互控制方式是主流，应用广泛而且成熟；肌电信号交互控制方式，也在不断发展完善；意念交互控制方式，还处于实验研究向实用转变的初级阶段。目前，截肢者使用的大多数是功能假肢，这类假肢多用铝板、木材、皮革、塑料等材料制作而成，并通过截肢残端的肌力作为力源(配以相应的如弹簧、液压、气压等运动辅助装置)来控制功能假肢的运动。这类假肢虽然功能简单，制造容易，成本低廉，但是重量大，操作不方便，维护困难，通过手工控制对于一些残疾人来说都是生理和心理上的挑战。对于通过肌电信号(截肢残端肌电信号)控制的方式而言，其控制的假肢装置属于智能假肢，相比于传统假肢而言，它具有更好的灵活度、稳定性以及自适应能力。但是，通过肌电信号产生的输入信号单一，无法满足多自由度假肢的控制，在实际生活中无法表达出残疾人行动目的。将意念解码作为假肢的一个控制源是近来学者研究的热点，但该技术还处于非常初级的研究阶段。目前，意念交互控制手段，或者识别动作状态单一、准确度不高(比如运动想象)，或者准确度高、识别时间较长(比如P300，即视觉刺激下300毫秒后脑电波信号加强)，而且，意念时不能专注前方物体或对象(比如P300时，用户视线必须全神专注工作界面)而分散注意力。公知的，对意念控制方式的认识，具体请参阅以下文献:
Gerwin Schalk (美)、Jurgen.Mellinger(美)著，胡三清译，《BCI2000与脑机接口》，国防工业出版社2011年6月。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中的缺点，提供一种方便、简单、舒适、直接、实时、准确、抗干扰、多任务、无损无创、不分散注意力、多数人适合的牙齿控制的智能假肢装置及方法。为肢体截肢的残疾人提供性能优越的智能假肢，帮助他们提高自主行动自由度，从而提高他们的生活质量，减轻社会压力。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
该牙齿控制的假肢装置，包括采集模块、传输模块、动作模块、显示模块，其特点是，所述的装置中还包括牙齿动作状态的脑肌电信号的传感模块、牙齿动作状态的脑肌电信号的控制模块，所述的传感模块的输出端与采集模块的输入端连接，所述的控制模块的输入端与传输模块的输出端连接，所述的控制模块的输出端与动作模块、显示模块的输入端连接。该装置的传感模块包括参考电极、C3和C4电极，控制模块包括控制动作模块(6)和控制显示模块(7)。该装置的控制动作模块包括启 动假肢、关闭假肢、腕部弯曲、腕部伸展、腕部外旋、腕部内旋、肘部弯曲、肘部伸展、手部张开、手部闭合、加速、减速、伸出特定的手指、手部抓握。通过这些基本动作的组合可以得到更多的复杂的动作。该装置的控制显示模块包括启动显示、关闭显示、操作人机界面。该对上述的假肢装置进行控制的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤:
步骤(I)采集咬牙动作产生的脑肌电信号。可采用几个相关的信号强度明显的采集电极(比如，根据国际10-20标准电极分布系统，咬牙采用3个电极:参考电极、C3和C4)的采集设备，从而降低数据处理量，提高数据实时处理算法的效率。步骤(2)咬牙动作的信号分析。具体步骤如下:
a.首先对于采集的数据进行带通滤波处理，去除信号基线漂移；
b.定位时序信号中牙齿动作产生信号的位置，并提取该信号；
c.量化提取的信号，并利用神经网络进行适当分类，将咬牙动作区分为左边咬牙、右边咬牙、左右两边同时咬牙三种状态；
d.分析时域信号持续时间以及咬牙状态和次数，若时长不超过I秒，则利用可变窗口方法，初始化窗口数量N计为1，逐渐调整窗口长度，若窗口长度大于阈值T，则N自动加I ;遍历整个咬牙时序信号后，若N是为I，则表示咬I次，若N是2，则表示咬了 2次，若N是3，则表示咬了 3次。若时长持续超过I秒，则表示长咬状态。步骤(3)整合上述步骤c和d的分类结果，可以区分出不同的咬牙动作状态。咬牙动作具体可分为:左咬一次(sOl)、左咬两次(s02)、左咬三次(803)、左长咬(804)、右咬一次(s05)、右咬两次(s06)、右咬三次(s07)、右长咬(s8)、左右同时咬一次(s9)、左右同时咬两次(SlO)、左右同时咬三次(sll)、左右同时长咬(sl2)。另外，为了开机和关机特产生如下一种咬牙状态，即左右同时长咬持续超过2秒，记为sl3。顺序完成步骤⑴、步骤⑵、步骤(3)即可实现咬牙动作产生的脑肌电信号的多达13种状态的识别。步骤(4)设计启动或关闭假肢的控制指令以及12种实时控制假肢的控制指令。由于不同部位的假肢其对应的功能是不同的，在此将以机械手臂为例进行控制功能说明。第一次sl3对应于启动假肢；第二次sl3对应于关闭假肢；手部张开(sOl);肘部弯曲(s02);手部抓握(s03);加速(s04);手部闭合(s05);肘部伸展(s06);伸出特定手指(s07);减速(s08);腕部内旋(s09);腕部外旋(slO);腕部弯曲(sll);腕部伸展(sl2)。上述各种控制指令针对假肢的运动控制。如下步骤可让用户完成更多的任务。步骤(5)对上述假肢运动进行组合可以得到更丰富和复杂的运动方式，提高假肢实际应用能力。此处以抓取一个物体为例，第一次sl3启动机械假肢后，sOl进行手部张开，如果伸展速度过慢可以通过s04进行加速张开。s02伸展肘部以达到靠近物体，在该过程中也可以利用s04或s08进行加减速，利用sll或者sl2来微调手部与物体的距离，最后利用s03实现物体的抓取。当然，运动方式的组合并不局限于上面介绍的方式，通过组合方式可以更高效、准确的完成对应的任务。采用本发明的牙控智能假肢集方便、简单、舒适、直接、实时、准确、抗干扰、多任务、无损无创、不分散注意力、多数人适合等众多特点于一身，为肢体截肢的残疾人提供实用且功能健全的智能假肢。在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改、变换、替代、组合、简化而不背离本发明的精神和范围，都在本发明的保护范围之内。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
图1本发明方法中流程示意图
图2咬牙动作信号分析处理流程3左咬一次波形4左咬两次波形5左咬三次波形6左长咬波 形7右咬一次咬波形8右咬两次波形9右咬三次波形10右长咬波形11左右同时咬一次波形12左右同时咬两次波形13左右同时咬三次波形14左右同时长咬波形图。
权利要求
1.牙齿控制的假肢装置，包括采集模块(I)、传输模块(2)、动作模块(3)、显示模块(4)，其特征在于，所述的装置中还包括牙齿动作状态的脑肌电信号的传感模块(5)、牙齿动作状态的脑肌电信号的控制模块出)，所述的传感模块的输出端与采集模块的输入端连接，所述的控制模块的输入端与传输模块的输出端连接，所述的控制模块的输出端与动作模块、显示模块的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的牙齿控制的假肢装置，其特征在于，所述的传感模块包括参考电极、C3和C4电极。
3.根据权利要求1所述的牙齿控制的假肢装置，其特征在于，所述的控制模块包括控制动作模块(6)和控制显示模块(7)。
4.根据权利要求3所述的牙齿控制的假肢装置，其特征在于，所述的控制动作模块包括启动假肢、关闭假肢、腕部弯曲、腕部伸展、腕部外旋、腕部内旋、肘部弯曲、肘部伸展、手部张开、手部闭合、加速、减速、伸出特定的手指、手部抓握；通过这些基本动作的组合可以得到更多的复杂的动作。
5.根据权利要求3所述的牙齿控制的假肢装置，其特征在于，所述的控制显示模块包括启动显示、关闭显示、操作人机界面。
6.一种对权利要求1所述的牙齿控制的假肢装置进行检测控制的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤: (1)采集牙齿动作状态产生的脑肌电信号； (2)将采集信号进行处理转换为控制命令。
7.根据权利要求6所述的牙齿控制的假肢装置进行检测控制的方法，其特征在于，所述的采集牙齿动作状态产生的脑肌电信号，包括以下步骤: (1)牙齿动作状态分为牙齿上下运动、水平运动和组合运动； 牙齿上下运动，简称为咬牙；牙齿水平运动，简称为磨牙；牙齿组合运动，简称为咬磨牙； (2)咬牙按位置分为左边、右边、中间；磨牙按位置分为左边、右边、中边；咬牙、磨牙、咬磨牙的混合使用为组合状态； (3)安装脑肌电信号采集电极，脑电极的安装位置采用国际10-20标准电极系统分布图； (4)根据信号强度特征，选取相关采集电极，减少电极数目，最大程度地对系统进行简化； (5)咬牙动作状态的相关脑电极为参考电极、C3和C4电极。
8.根据权利要求6所述的牙齿控制的假肢装置进行检测控制的方法，其特征在于，所述的将采集信号进行处理转换为控制命令，包括以下步骤: (1)采用带通滤波保留4(T100Hz频段的信号，去除基线漂移； (2)分别利用神经网络和可变窗口方法来识别牙齿动作的不同状态及次数为控制命令。
全文摘要
本发明涉及一种牙齿控制的假肢装置及方法。包括牙齿动作状态的脑肌电信号的传感模块、控制模块。本发明采集牙齿动作状态产生的脑肌电信号，将采集信号进行数据处理转换为控制命令。由于本发明的牙齿控制方便、简单、舒适、安静、实时、准确、抗干扰、多任务、无损无创、不分散注意力、多数人适合等，为因交通事故、疾病、工伤等意外伤害而造成的肢体残缺者在生活或者工作等方面提供帮助，有效提高其生活自理能力。
文档编号A61F2/72GK103156713SQ201310070669
公开日2013年6月19日 申请日期2013年3月6日 优先权日2013年3月6日
发明者胡三清, 池剑峰, 赵化宾 申请人:胡三清, 池剑峰, 赵化宾