一种功能性电刺激装置和系统的制作方法

本发明涉及辅助医疗康复训练设备领域，特别是涉及一种功能性电刺激装置和系统。

背景技术：

脑卒中和交通事故的频发导致脊髓损伤的患者数量逐年增加，传统的康复手段都是患者配合康复师进行被动式康复训练，这种训练方式的康复效果不佳。

针对严重偏瘫患者时，需要提供用户可自动控制，且可对外界环境进行交流与控制的方式。研究发现人体在接收外界刺激或者自主行为及意识的控制下，所产生的脑电(electroencephalogram，eeg)活动信号表现出不同的时空变化模式，而且eeg信号是一种不依赖外周神经和肌肉的信号。但由于eeg具有信号微弱、信噪比低和非平稳性强的特征，不仅个体间存在差异性，而且个体内存在差异性，目前还无法利用脑电，实现进行自主式康复训练。

因此，如何有效地在康复训练中实现自主控制等问题，是目前本领域技术人员急需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种功能性电刺激装置和系统，在运动康复治疗中，实现患者主动参与的主动式康复训练，同时还可以消除患者长时间使用bci系统导致眼睛的疲劳和干涩问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种功能性电刺激装置，包括：

信号采集单元，用于采集脑电信号，以及目标肢体的姿态信号；其中，所述目标肢体为与待刺激关节具有运动关联关系的肢体；

脑电信号处理单元，用于对所述脑电信号进行处理，并判断所述脑电信号是否具有运动想象信息；

姿态信号处理单元，用于在所述脑电信号具有所述运动想象信息时，对所述姿态信号进行处理，并确定所述姿态信号对应的特征值；

电刺激输出单元，用于向所述待刺激关节对应的肌群输出与所述特征值对应的电刺激。

优选地，所述脑电信号处理单元，包括：

基线矫正子单元，用于对所述脑电信号进行基线矫正和伪迹去除处理，获得第一脑电信号；

滤波子单元，用于对所述第一脑电信号进行滤波处理，获得第二脑电信号；

特征提取子单元，用于从所述第二脑电信号中提取运动意图特征值；

判断子单元，用于判断所述运动意图特征值是否大于预设阈值，如果是，则确定所述脑电信号具有运动想象信息。

优选地，所述滤波子单元，具体用于将所述第一脑电信号输入至巴特沃斯滤波器中进行带通滤波，再在共空间模式下对所述巴特沃斯滤波器输出的带通信号进行空间滤波，得到第二脑电信号。

优选地，姿态信号处理单元，具体用于在所述脑电信号具有运动想象信息时，在预设时间窗口内提取所述姿态信号对应的角度平均值，并将所述角度平均值作为特征值。

优选地，所述电刺激输出单元，具体用于根据预先设置的特征值与电刺激强度的对应关系，向所述待刺激关节对应的肌群输出与所述特征值对应的电刺激。

优选地，还包括：

反馈单元，用于检测所述待刺激关节在所述电刺激下的运动信息，以便利用所述运动信息对所述对应关系进行修正。

一种功能性电刺激系统，包括：

信号采集模块，信号处理模块和功能性电刺激器；

其中，信号采集模块，用于采集脑电信号和姿态信号；

信号处理模块，用于对所述脑电信号和所述姿态信号进行处理，获得触发信号；

功能性电刺激器，用于接收所述触发信号，并输出与所述触发信号对应的电刺激；

所述信号采集模块与所述信号处理模块之间具有通信连接，所述信号处理模块与所述功能性电刺激器之间具有通信连接。

优选地，所述信号采集模块包括egg传感器和姿态传感器，其中所述egg传感器用于采集脑电信号；所述姿态传感器用于采集姿态信号。

优选地，所述姿态信号采集器包括陀螺仪、加速度传感器。

优选地，所述功能性电刺激器包括stm8主控系统模块，升压模块，脉冲刺激产生模块和电源模块；其中，所述电刺激的电压可调范围为20-100v。

应用本发明实施例所提供的装置，该装置包括：信号采集单元，用于采集脑电信号，以及目标肢体的姿态信号；其中，目标肢体为与待刺激关节具有运动关联关系的肢体；脑电信号处理单元，用于对脑电信号进行处理，并判断脑电信号是否具有运动想象信息；姿态信号处理单元，用于在脑电信号具有运动想象信息时，对姿态信号进行处理，并确定姿态信号对应的特征值；电刺激输出单元，用于向待刺激关节对应的肌群输出与特征值对应的电刺激。

该装置将脑电信号(生物信号)和姿态信号(物理信号)相融合来识别人体的运动意图。具体的，即对脑电信号和姿态信号进行采集，当检测到脑电信号中具有运动想象信息时，对姿态信号进行分析，并确定出姿态信号的特征值。由于人体的各个肢体之间发生运动时，会存在关联关系，如人行走时，上肢的摆动幅度与下肢的行走频率一致。如此，便可基于姿态信号的特征值，利用电刺激输出单元输出与该特征值对应的电刺激，使患肢在电刺激下运动，以模仿大脑神经对肢体的控制。如此，便可通过采集患者在接收外界刺激或者自主行为及意识的控制下，所产生的脑电信号，并结合受人体大脑所控且与待刺激关节具有运动关联关系的目标肢体上采集的姿态信号，在脑电信号中具有运动想象信息时，对待刺激关节对应的肌群输出与从姿态信号中提取的特征值对应的电刺激，以通过该装置将患者的运动意图传达至待刺激关节对应的肌群，以模仿正常的人体神经传达运动意图的方式，来对患肢进行自主控制的康复训练。

相应地，本发明实施例还提供了与上述功能性电刺激装置相对应的功能性电刺激系统，具有上述技术效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种功能性电刺激装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中一种功能性电刺激系统的结构示意图；

图3为本发明实施例中一种功能性电刺激系统的具体框架图；

图4为本发明实施例中一种运动意图康复训练范式流程图；

图5为本发明实施例中一种基于功能性电刺激系统的康复训练流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

请参考图1，图1为本发明实施例中一种功能性电刺激装置的结构示意图，该装置包括：信号采集单元101、脑电信号处理单元102、姿态信号处理单元103和电刺激输出单元104。

信号采集单元101，用于采集脑电信号，以及目标肢体的姿态信号；其中，目标肢体为与待刺激关节具有运动关联关系的肢体；脑电信号即eeg，姿态信号包括目标肢体转动的角度、运动的幅度、运动的加速度等姿态信息。

脑电信号处理单元102，用于对脑电信号进行处理，并判断脑电信号是否具有运动想象信息；对脑电信号进行处理时，可对脑电信号进行筛选，将无关信号去除。其中，运动想象信息可以为目标肢体的运动想象信息，如右手运动想象。

姿态信号处理单元103，用于在脑电信号具有运动想象信息时，对姿态信号进行处理，并确定姿态信号对应的特征值；其中，姿态信号的特征值可利用目标肢体转动的角度、运动的幅度、运动的加速度中的任意一个或多个数值信息计算得到特征值。具体的，特征值越大，表示运动强度越大。例如，姿态信号处理单元，可具体用于在脑电信号具有运动想象信息时，在预设时间窗口内提取姿态信号对应的角度平均值，并将角度平均值作为特征值。也就是说，对一段时长内的姿态信号计算出对应的角度平均值，并将角度平均值作为特征值。

电刺激输出单元104，用于向待刺激关节对应的肌群输出与特征值对应的电刺激。电刺激输出单元可向待刺激关节对应的肌群输出与特征值对应的电刺激。例如，若待刺激关节为踝关节，可对胫骨前肌输出与特征值对应的电刺激。具体的，电刺激的强度可分为若干等级，并根据特征值的大小来选择对应的电刺激强度，例如一个特征值取值范围区间可对应一个电刺激强度。该电刺激可以为电压刺激。

应用本发明实施例所提供的装置，该装置包括：信号采集单元，用于采集脑电信号，以及目标肢体的姿态信号；其中，目标肢体为与待刺激关节具有运动关联关系的肢体；脑电信号处理单元，用于对脑电信号进行处理，并判断脑电信号是否具有运动想象信息；姿态信号处理单元，用于在脑电信号具有运动想象信息时，对姿态信号进行处理，并确定姿态信号对应的特征值；电刺激输出单元，用于向待刺激关节对应的肌群输出与特征值对应的电刺激。

该装置将脑电信号(生物信号)和姿态信号(物理信号)相融合来识别人体的运动意图。具体的，即对脑电信号和姿态信号进行采集，当检测到脑电信号中具有运动想象信息时，对姿态信号进行分析，并确定出姿态信号的特征值。由于人体的各个肢体之间发生运动时，会存在关联关系，如人行走时，上肢的摆动幅度与下肢的行走频率一致。如此，便可基于姿态信号的特征值，利用电刺激输出单元输出与该特征值对应的电刺激，使患肢在电刺激下运动，以模仿大脑神经对肢体的控制。如此，便可通过采集患者在接收外界刺激或者自主行为及意识的控制下，所产生的脑电信号，并结合受人体大脑所控且与待刺激关节具有运动关联关系的目标肢体上采集的姿态信号，在脑电信号中具有运动想象信息时，对待刺激关节对应的肌群输出与从姿态信号中提取的特征值对应的电刺激，以通过该装置将患者的运动意图传达至待刺激关节对应的肌群，以模仿正常的人体神经传达运动意图的方式，来对患肢进行自主控制的康复训练。

其中，脑电信号处理单元102，具体可以包括：

基线矫正子单元，用于对脑电信号进行基线矫正和伪迹去除处理，获得第一脑电信号；

滤波子单元，用于对第一脑电信号进行滤波处理，获得第二脑电信号；

特征提取子单元，用于从第二脑电信号中提取运动意图特征值；

判断子单元，用于判断运动意图特征值是否大于预设阈值，如果是，则确定脑电信号具有运动想象信息。

为便于描述，下面将上述三个子单元结合起来进行描述。

基线矫正子单元对脑电信号进行基线矫正和伪迹去除处理，可获得第一脑电信号。其中，进行基线矫正时，可预先采集一段校准后的无动作的脑电信号，取其均值作为标准，在进行基线矫正时，便可将脑电信号减去该平均值，以实现基线校正；对脑电信号进行工频50hz陷波滤波去除伪迹。得到第一脑电信号之后，为减少干扰信号，可利用滤波子单元对第一脑电信号进行滤波处理，滤波后得到的信号为脑电信号。

优选地，由于脑电信号中的运动想象信息的频段属于中频信号，且活动信号即运动想象信息表现出不同的时空变化模式，因此在滤波子单元对第一脑电信号进行滤波时，可将第一脑电信号输入至巴特沃斯滤波器中进行带通滤波，再在共空间模式下对巴特沃斯滤波器输出的带通信号进行空间滤波，得到第二脑电信号。具体的，巴特沃斯滤波器可为4阶巴特沃斯滤波器，带通范围：8-30hz。得到第二脑电信号之后，特征提取子单元，可从第二脑电信号中提取运动意图特征值。提取运动意图特征值时，也可在共空间模式下进行特征提取。得到运动意图特征值之后，判断子单元，可判断运动意图特征值是否大于预设阈值，如果是，则确定脑电信号具有运动想象信息。

优选地，在对待刺激关节对应的肌群输出与特征值对应的电刺激时，电刺激输出单元，具体可根据预先设置的特征值与电刺激强度的对应关系，向待刺激关节对应的肌群输出与特征值对应的电刺激。也就是说，不同的姿态信号对应不同强度的电刺激，如此患者在进行康复训练时，不仅可通过脑电信号对启动电刺激装置，还可通过自主控制目标肢体，进而实现对待刺激关节进行由控制的刺激，提升患者的自主参与感，使得神经系统得到更好地锻炼。

优选地，由于不同的患者的性格、体质、形体等差异，可能会导致适用于患者a的电刺激强度，并不适用于患者b的情况，以及同一运动意图下，姿态信号不同。因而，在本发明实施例所提供的功能性电刺激装置中，还可以包括：反馈单元。该反馈单元，用于检测待刺激关节在电刺激下的运动信息，以便利用运动信息对对应关系进行修正。

实施例二：

相应于上面的装置实施例，本发明实施例还提供了一种功能性电刺激系统，下文描述的功能性电刺激系统与上文描述的功能性电刺激装置可相互对应参照。

参见图2所示，该系统包括以下模块：

信号采集模块201，信号处理模块202和功能性电刺激器203；

其中，信号采集模块201，用于采集脑电信号和姿态信号；

信号处理模块202，用于对脑电信号和姿态信号进行处理，获得触发信号；

功能性电刺激器203，用于接收触发信号，并输出与触发信号对应的电刺激；

信号采集模块201与信号处理模块202之间具有通信连接，信号处理模块202与功能性电刺激器203之间具有通信连接。

其中，信号采集模块中可采用tcp/ip技术将脑电信号和姿态信号传输到控制系统的信号处理模块中；信号处理模块可采用串口技术将触发信号传输到电刺激器模块中。

应用本发明实施例所提供的系统，该装置包括：信号采集模块，信号处理模块和功能性电刺激器；其中，信号采集模块，用于采集脑电信号和姿态信号；信号处理模块，用于对脑电信号和姿态信号进行处理，获得触发信号；功能性电刺激器，用于接收触发信号，并输出与触发信号对应的电刺激；信号采集模块与信号处理模块之间具有通信连接，信号处理模块与功能性电刺激器之间具有通信连接。其中，信号采集模块中可采用tcp/ip技术将脑电信号和姿态信号传输到控制系统的信号处理模块中；信号处理模块可采用串口技术将触发信号传输到电刺激器模块中。

该系统可将脑电信号(生物信号)和姿态信号(物理信号)相融合来识别人体的运动意图。具体的，即对脑电信号和姿态信号进行采集，当检测到脑电信号中具有运动想象信息时，对姿态信号进行分析，并确定出姿态信号的特征值。由于人体的各个肢体之间发生运动时，会存在关联关系，如人行走时，上肢的摆动幅度与下肢的行走频率一致。如此，便可基于姿态信号的特征值，利用点电刺激输出单元输出与该特征值对应的电刺激，使患肢在电刺激下运动，以模仿大脑神经对肢体的控制。如此，便可通过采集患者在接收外界刺激或者自主行为及意识的控制下，所产生的脑电信号，并结合受人体大脑所控，且与待刺激关节具有运动关联关系的目标肢体上采集的姿态信号，在脑电信号中具有运动想象信息时，对待刺激关节对应的肌群输出与从姿态信号中提取的特征值对应的电刺激，以通过该装置将患者的运动意图传达至待刺激关节对应的肌群，以模仿正常的人体神经传达运动意图的方式，来对患肢进行自主控制的康复训练。

具体的，信号采集模块201包括egg信号采集帽和姿态传感器，其中，egg信号采集帽用于采集脑电信号；姿态传感器用于采集姿态信号。其中，姿态信号采集器包括陀螺仪、加速度传感器。

具体的，功能性电刺激器202包括stm8主控系统模块，升压模块，脉冲刺激产生模块、电源模块和2输出通道；其中，电刺激的电压可调范围为20-100v，电刺激的频率范围为20hz。

实施例三：

为便于本领域技术人员更好的理解本发明实施例所提供的技术方案，下面以具体的功能性电刺激系统对踝关节进行刺激的应用场景为例，对本发明实施例所提供的技术方案进行详细说明。

本发明实施例提供了一种基于运动想象的脑开关控制的功能性电刺激系统，该系统采用二级控制实现人体的运动意图控制电刺激系统：第一级控制：对eeg信号进行信号分析处理，当系统检测到脑电信号具有运动想象信息时，如右手运动想象，则开启电刺激系统进行意图控制；反之，当系统检测到脑电信号为空闲状态时，不开启电刺激系统。第二级控制：在脑电信号开启电刺激系统后的基础上，当系统检测到姿态角度达到设定的阈值范围时，电刺激系统输出对应刺激强度的电刺激脉冲刺激患侧肢体部位。

请参考图3，图3为本发明实施例中一种功能性电刺激系统的具体框架图。

在利用该功能性电刺激系统之前，需预先调节刺激参数，例如，参数设定刺激频率为20hz，刺激电压分为3个等级：40v、50v和60v。设定姿态角度为60-70°对应于刺激电压为40v，姿态角度为80-90°对应于刺激电压为50v，姿态角度为100-110°对应于刺激电压为60v。用户或患者佩戴上eeg信号采集脑电帽，启动eeg硬软件系统，设置脑电采样频率、脑电通道和tcp/ip参数；同时也佩戴姿态传感器在右手手臂上，启动姿态传感器硬软件系统，设置tcp/ip参数。当然，上述参数还可设置为其他数值。

完成这些预备工作之后，患者或用户可结合图4所示的运动意图康复训练范式流程图，进行运动想象和控制相应肢体进行运动，以使功能性电刺激系统检测到脑电信号和姿态信号，并基于脑电信号和姿态信号对患肢进行电刺激，以模仿人体正常运动。

其中，运动意图康复训练范式流程，具体为用户根据康复训练范式的提示，用户首先处于2s空闲状态，然后出现1.8-2s准备提示，再进行4s右手运动想象任务，其次听到0.5s提示音后进行2.5-3s姿态的动作幅度任务，最后又处于4s空闲状态。注意，为了抑制眼电和肌电伪迹，用户在实验过程中或康复训练过程中尽量不要眨眼和移动身体。

请参考图5，图5为本发明实施例中一种基于功能性电刺激系统的康复训练流程图。即，用户根据提示进行运动意图任务，功能性电刺激系统采集原始的脑电信号和姿态信号，并从采集到的脑电原始信号中提取与运动想象任务事件相关的脑电信号。采集的脑电信号数据主要来自于初级感觉运动区的10个通道(f3，fc3，c3，cp3，p3，f4，fc4，c4，cp4，p4)，采集的姿态信号数据主要来自于右上肢肘关节角度信息。

然后，信号处理模块对上述的脑电信号进行基线校正和去除伪迹处理，再经过4阶巴特沃斯滤波器进行8-30hz的带通滤波，再通过共空间模式进行空间滤波和特征提取，得到系统中运动意图起始状态判定的特征值，即脑开关的特征值。然后，对脑开关的特征值，采用支持向量机(supportvectormachine，svm)进行分类识别，设定适当的脑开关阈值，超过阈值的特征值判定为刺激开启的控制信号，得到控制电刺激器开启的分类结果。

同时，信号处理模块也对姿态信号进行处理，姿态信号也可进行基线校正和去除伪迹处理，实时采集姿态信号的幅值大小，提取设定窗口大小内的姿态数据的角度平均值，作为姿态信号的特征值。将特征值与设定刺激强度的相关姿态角度的阈值范围比较，当姿态信号的角度平均值在设定的阈值范围内判定为刺激强度的控制信号，得到控制电刺激器刺激强度的分类结果。

可能性电刺激系统中的数据处理模块将脑电信号和姿态信号的分类结果进行决策级融合，将融合后的分类结果分别转换为控制功能性电刺激器开启和刺激强度的触发指令(同上文中描述的触发信号)，并实时将触发指令发送给功能性电刺激器的主控系统，主控系统对接收到的指令进行分析，当且仅当第一级指令为脑开关信号的控制指令，第二级指令为姿态信号的控制指令，系统才对用户进行功能性电刺激。也就是说，当且仅当脑电信号中具有运动想象信息，且从姿态信号中提取出控制指令时，才输出相应的电刺激。

主控系统(即功能性电刺激系统)每次接收到完整融合的控制指令后，电刺激系统正常工作后会自动关闭。且在患者重复进行运动想象和肢体运动后，在功能性电刺激系统得到脑开关的控制指令和姿态信号的控制指令之后，才能再次使功能性电刺激进行工作，即再次输出电刺激。优选地，为了保证电刺激系统的安全性和可靠性，设定功能性电刺激系统在未接收到开启指令，一直保持关闭状态；接收到开启指令后，设定电刺激系统的开启时间为8s，若8s内未接收到控制刺激强度的指令(即未检测到符合要求的姿态信号)，电刺激系统会自动关闭。

在功能性电刺激系统输出电刺激给用户的下肢胫骨前肌之后，用户根据下肢胫骨前肌的刺激感受通过神经反馈给大脑，同时反馈模块可结合下肢踝关节角度检测系统检测到踝关节的角度大小变化，适时调整下次实验时肘关节姿态角度的大小，进而调整适当的刺激强度，使系统成为闭环反馈系统，以模拟人体神经系统的运动想象传达和运动反馈。

由此可见，本发明实施例所提供的功能性电刺激系统，主要解决了以下问题：1、解决了采用其它刺激范式导致的视力问题，给用户带来极大的方便，同时运动想象脑电信号是自发的，使系统更加自然化；2、解决了系统中运动意图的定性化和定量化控制功能性电刺激问题，使得系统可以识别运动意图的起始状态和运动程度；3、结合功能性电刺激技术，既符合运动学习原则又可促进大脑重塑，实现由大脑到上肢到下肢全身神经都参与的主动式康复训练，增强大脑的控制性和上下肢的运动能力，比传统的康复技术有自身独特的优势。