基于肘部运动驱动的手掌电刺激控制系统的制作方法

本发明属于手掌电刺激控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于肘部运动驱动的手掌电刺激控制系统。

背景技术：

功能性电刺激(functionalelectricalstimulation，fes)是利用一定强度的低频脉冲电流信号，刺激肌肉运动或模拟正常的自主运动，以达到改善或恢复被刺激肌肉的功能。自60年代美国医生liberson首先利用电刺激腓神经成功的矫正了偏瘫患者的足下垂的步态后，fes在运动和感觉功能的恢复方面获得了成功的应用。科学研究证实，功能性电刺激可以促进局部血液循环并使得毛细血管密度增高，促使平滑肌细胞血管内皮生长因子上调，促进血管再生。

目前国内关于fes的应用主要用于理疗康复为主，即康复医学方面，比如脑卒中康复、截瘫康复、痉挛康复、肌肉萎缩康复等，手部的康复治疗也包含在其中。据统计约55％的中风患者在他们中风之后上肢没有正常运动功能，另外的30％局部可以使用他们的上肢，其中动作和强度的范围是有限的。由于动作和强度这些局限性，使得他们无法完成日常生活中简单的动作，比如手部抓取动作。

以往，手部的电刺激康复和训练都是通过外部的指令进行控制的，使用者的手臂进行伸展运行时，刺激手掌肌肉的电极信号并不会自动产生，从而导致手掌康复训练的效率比较低，同时该方式产生的电刺激引起的肌肉收缩是间断不连贯的，不符合人正常伸手抓取物体的动作。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于肘部运动驱动的手掌电刺激控制系统，自动调整电刺激设备的脉冲控制参数，实现对手指对应肌肉的自动连续刺激。

为实现上述发明目的，本发明基于肘部运动驱动的手掌电刺激控制系统包括惯性测量模块、弯曲传感器模块、数据处理模块、上位机、电刺激设备，其中：

惯性测量模块包括2个惯性测量单元，分别安装在用户的大臂和小臂上，将采集得到的姿态四元数发送给数据处理模块；

弯曲传感器模块包括n个弯曲传感器，预先根据实际需要在用户5根手指中设置n根待刺激手指，n个弯曲传感器分别安装在对应待刺激手指的背面，用于采集该手指的弯曲角度，然后发送给数据处理模块；

数据处理模块用于将接收到的姿态四元数和手指弯曲角度进行汇总和预处理，然后发送给上位机；

上位机用于根据预设的控制周期周期性地利用接收到的姿态四元数和手指弯曲角度设置电刺激控制参数，生成控制指令并发送给电刺激设备，控制指令生成的具体方法为：

s1：根据大臂和小臂的姿态四元数计算得到肘关节的夹角θea和角速度θev；

s2：判断肘部夹角θea是否位于预设的肘部夹角范围内，如果是，进入步骤s3，否则不作任何操作，本次控制结束，等待下一控制周期；

s3：判断预先设置的控制参数数据库中是否存在该肘部夹角θea对应的电刺激控制参数，如果存在，进入步骤s4，否则进入步骤s5；

s4：根据控制参数数据库中已经存在的肘部夹角θea对应的电刺激控制参数生成m个控制指令，电刺激控制参数中包含电刺激设备所生成的m个脉冲信息的宽度和幅度参数，将生成的m个控制指令发送给电刺激设备；

s5：根据预先设置的默认电刺激控制参数生成m个控制指令并发送给电刺激设备；

s6：判断所有待刺激手指的弯曲角度是否均达到预设的弯曲角度阈值，如果是，进入步骤s7，否则进入步骤s8；

s7：本次电刺激完成，上位机向电刺激设备发送停止指令，将当前的肘部夹角θea和电刺激控制参数存入控制参数数据库中；

s8：调整电刺激控制参数，具体方法为：筛选出弯曲角度未达到预设弯曲角度阈值的待刺激手指，记其所对应的脉冲信号的序号为m^*，1≤m^*≤m，其当前电刺激控制参数中的脉冲宽度为pw(m^*)、脉冲幅度为pi(m^*)，根据肘关节的夹角θea、角速度θev和各待刺激手指的弯曲角度θf(n)计算出调整后的脉冲宽度p′w(m^*)、脉冲幅度p′i(m^*)，计算公式如下：

其中，e1表示采用肘关节角度控制脉冲宽度的参数，e2表示采用肘关节角速度控制脉冲宽度的参数，fw(n)表示采用各待刺激手指的弯曲角度θf(n)控制脉冲宽度的参数，n＝1,2,…,n，e3表示采用肘关节角度控制脉冲幅度的参数，e4表示采用肘关节角速度控制脉冲幅度的参数，fi(n)表示采用各待刺激手指的弯曲角度θf(n)控制脉冲幅度的参数；

电刺激设备包括脉冲生成装置和m对电极片，预先将n根待刺激手指根据实际情况分为m组，n对电极片安装于用户手臂上m组待刺激手指所对应的肌肉处；脉冲生成装置根据上位机发送的m个控制指令生成相应脉冲并输出至对应的电极片，以刺激手指对应肌肉收缩；在接收到上位机发送的停止指令后停止脉冲生成。

本发明基于肘部运动驱动的手掌电刺激控制系统，利用惯性测量模块采集肘部的姿态四元数，利用弯曲传感器模块采集手指弯曲角度，由数据处理模块对姿态四元数和手指弯曲角度进行汇总并发送至上位机，上位机根据预设的控制周期周期性地利用接收到的姿态四元数和手指弯曲角度设置电刺激控制参数，向电刺激设备发送控制指令，电刺激设备根据上位机发送的控制指令输出相应脉冲刺激手指对应肌肉收缩。

本发明可以自动调整电刺激设备的脉冲控制参数，实现对手指对应肌肉的自动连续刺激。本发明可以帮助手部功能不完整的患者进行手部康复治疗，根据肘部角度变化自动引导患者完成手部康复治疗，提高手部康复效率，并且整个控制过程连贯，更加接近健康人的手部运动。本发明还可以对电刺激控制参数进行记录，以便长期监督患者康复情况。

附图说明

图1是本发明基于肘部运动驱动的手掌电刺激控制系统的具体实施方式结构图；

图2是本发明中数据测量装置的手臂安装外观示意图；

图3是本发明中控制指令生成的流程图；

图4是电极片安装示例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明基于肘部运动驱动的手掌电刺激控制系统的具体实施方式结构图。如图1所示，本发明基于肘部运动驱动的手掌电刺激控制系统包括惯性测量模块1、弯曲传感器模块2、数据处理模块3、上位机4、电刺激设备5，其中惯性测量模块1、弯曲传感器模块2和数据处理模块3用于构成数据采集装置，下面分别对各个部件模块进行详细说明。

图2是本发明中数据测量装置的手臂安装外观示意图。如图2所示，惯性测量模块1包括2个惯性测量单元，分别安装在用户的大臂和小臂上，将采集得到的姿态四元数发送给数据处理模块3。

弯曲传感器模块2包括n个弯曲传感器，预先根据实际需要在用户5根手指中设置n根待刺激手指，n个弯曲传感器分别安装在对应待刺激手指的背面，用于采集该手指的弯曲角度，然后发送给数据处理模块3。待刺激手指可以根据预设的动作设置。如图2所示，本实施例在左手的5根手指上均安装有弯曲传感器。

数据处理模块3用于将接收到的姿态四元数和手指弯曲角度进行汇总和预处理，然后发送给上位机4。预处理一般包括去噪处理等。如图2所示，本实施例中数据处理模块佩戴于用户左手大臂上部，以便弯曲传感器和惯性测量单元上报数据。数据处理模块与弯曲传感器、惯性测量单元以及上位机之间的通信采用有线通信和无线通信均可。

上位机4用于根据预设的控制周期周期性地利用接收到的姿态四元数和手指弯曲角度设置电刺激控制参数，生成控制指令并发送给电刺激设备5。图3是本发明中控制指令生成的流程图。如图3所示，本实施例中上位机的控制指令生成的具体步骤包括：

s301：计算肘部夹角和角速度：

根据大臂和小臂的姿态四元数计算得到肘关节的夹角θea和角速度θev。

s302：判断肘部夹角θea是否位于预设的肘部夹角范围内，如果是，进入步骤s303，否则不作任何操作，本次控制结束，等待下一控制周期。肘部夹角范围根据预设的手掌动作来设置。

s303：判断预先设置的控制参数数据库中是否存在该肘部夹角θea对应的电刺激控制参数，如果存在，进入步骤s304，否则进入步骤s305。

s304：使用已存在控制参数：

根据控制参数数据库中已经存在的肘部夹角θea对应的电刺激控制参数生成m个控制指令，电刺激控制参数中包含电刺激设备所生成的m个脉冲信息的宽度和幅度参数，将生成的m个控制指令发送给电刺激设备。

s305：使用默认控制参数：

根据预先设置的默认电刺激控制参数生成m个控制指令并发送给电刺激设备。

s306：判断所有待刺激手指的弯曲角度是否均达到预设的弯曲角度阈值，如果是，进入步骤s307，否则进入步骤s308。

s307：电刺激完成：

本次电刺激完成，上位机向电刺激设备发送停止指令，将当前的肘部夹角θea和电刺激控制参数存入控制参数数据库中。

s308：调整电刺激控制参数：

筛选出弯曲角度未达到预设弯曲角度阈值的待刺激手指，记其所对应的脉冲信号的序号为m^*，1≤m^*≤m，其当前电刺激控制参数中的脉冲宽度为pw(m^*)、脉冲幅度为pi(m^*)，根据肘关节的夹角θea、角速度θev和各待刺激手指的弯曲角度θf(n)计算出调整后的脉冲宽度p′w(m^*)、脉冲幅度p′i(m^*)，计算公式如下：

其中，e1表示采用肘关节角度控制脉冲宽度的参数，e2表示采用肘关节角速度控制脉冲宽度的参数，fw(n)表示采用各待刺激手指的弯曲角度θf(n)控制脉冲宽度的参数，n＝1,2,…,n，e3表示采用肘关节角度控制脉冲幅度的参数，e4表示采用肘关节角速度控制脉冲幅度的参数，fi(n)表示采用各待刺激手指的弯曲角度θf(n)控制脉冲幅度的参数。以上参数可以根据实验得到具体取值。

电刺激设备5包括脉冲生成装置和m对电极片，预先将n根待刺激手指根据实际情况分为m组，n对电极片安装于用户手臂上m组待刺激手指所对应的肌肉处。一般来说，可以将肌肉位置较为接近的待刺激手指分为一组，如果需要精细控制，也可以每根待刺激手指分别设置一对电极片，即m＝n。脉冲生成装置根据上位机4发送的m个控制指令生成相应脉冲并输出至对应的电极片，以刺激手指对应肌肉收缩；在接收到上位机4发送的停止指令后停止脉冲生成。图4是电极片安装示例图。图4中所示的电极片对用于刺激左手中指、无名指、小指对应的肌肉，该电极片对中的电极片a、b分别安装于左手小臂内侧和外侧，形成一个闭合电流回路。如果需要对左手的大拇指、食指的对应肌肉进行刺激，其电极片对的安装方式类似。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。