一种多通道电刺激系统与刺激方法与流程

1.本发明属于假肢触觉反馈采集领域，具体涉及一种适用于灵巧手触觉与位置觉反馈的多通道电刺激系统与信息反馈方法。


背景技术：

2.现有商业化假肢手系统已经发展出较为美观外形与足够多驱动自由度，可以满足截肢患者的日常生活，然而普遍缺乏有效的感觉反馈功能而无法将假手设备纳入到本体感觉映像。一方面使得残肢患者在使用过程中容易产生控制疲劳感与心理抵触情绪，造成灵巧手设备使用频率的大幅度较少或者放弃使用的现象；另一方面，压力觉、位置觉等多重感觉反馈的缺失也导致患者无法实时做出捏取、抓握、触摸等精细动作，成为当前假手研究领域亟需解决的关键技术环节。
3.人体前臂皮肤组织的一般平均厚度为0.2mm，主要分为表皮层和真皮层，其中游离神经末梢位于表皮层，主要感受温度觉、轻触觉(较小应力)、痛觉刺激；迈斯钠小体与环层小体位于皮肤真皮层，前者可以感受精细触觉(纹理觉)，后者能够接收较强的应力、压觉、振动觉刺激；手指位置觉主要通过判断多个肌梭内的ia纤维信息来确定手指状态。鉴于各类本体感觉的形成机理与电信号传导方式的差异较大，因此当前假手系统感知信息的反馈主要通过感觉替代方式来实现，即佩戴患者以皮肤感受器接收到的电刺激频率、幅值强度、通断状态等信息代替位置觉、压力觉、运动模式信息完成感觉传递。
4.经检索发现，目前有一些假手系统触觉反馈与刺激器相关的专利发布，例如：授权公告号为cn104606779a的发明专利公开了一种多通道恒流源刺激电路，实现了对人体皮肤表面的多通道刺激反馈，但没有阐述mcu的i/o端口实现多通道刺激反馈的具体扩展方法，单独通过有限的i/o端口配合数模转换电路与功率放大模块扩展多达十几条独立通道的波形刺激无法实现。
5.授权公告号为cn110946683b的发明专利公开了一种多通道低频刺激方法与系统，用于假手指尖压力与关节角度反馈的电刺激方法与系统，该系统将假手指尖压力信息与关节角度信息统一划分成七个等级的低频刺激信号，进而对应手指标号向不同通道输出该刺激信号，并没有具体阐述电刺激驱动系统的组成与实现方法。
6.由于现有的电刺激器技术目的主要是构建电刺激硬件设备及其与人体表面皮肤电极的配套刺激方法，大多适用于单通道或通道需求量较少的反馈情况，并没有明确阐述刺激通道数目较大时的电路扩展方法及其相适应的刺激方法，难以满足假手系统电刺激反馈的实时性、准确性、多样性的要求。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种用于灵巧手触觉与位置觉反馈的多通道电刺激系统，可以输出高实时性、宽频率、多通道的便携式电刺激设备，专门设计多通道选通电路用于扩展恒压源刺激通道数量，解决电路尺寸过大与假手系统便携性要
求之间的矛盾；同时匹配设计电流监测电路，防止由皮肤阻抗变化或电极脱落导致的电流聚集现象发生。进一步地，本发明提供了一种能够反馈灵巧手位置觉、压力觉、抓握状态等多重感知信息的刺激方法，利用多通道的时空动态选通与刺激频率的变化，达到多模式刺激皮肤触觉神经的效果，满足使用者在无视觉辅助情况下实时感知假手状态的需求。最终电刺激装置的输出脉冲的电压幅值范围：-60v～60v，精度为0.12v；输出脉冲的脉冲宽度范围10μs～1ms，精度为1μs；频率调节范围为0～10khz，精度为1hz；电刺激各通道的启动延时时间为10ms。
8.系统具体包括电源模块、主控芯片模块、信号发生模块、比例放大模块、精密采样模块、电流检测模块、蓝牙通讯模块、多通道选通模块、lcd驱动与按键模块和电极接口阵列；其中，电源模块将电池电压转化为稳压电源，为其它模块提供电源供应，主控芯片模块通过逻辑控制信号控制各个模块，假手设备与触觉感知设备通过蓝牙通讯模块或uart串口与主控芯片模块进行连接通讯，信号发生模块通过spi接口与主控芯片模块连接，产生具有独立频率和电压强度的多通道刺激波形，信号发生模块将刺激波形发送至比例放大模块，对刺激波形进行放大提升，再经过精密采样电阻后，输出至电流检测模块和多通道选通模块，多通道选通模块进一步扩展电刺激通道数目，将信号发送至电极接口阵列，从而输出至外部多通道电刺激电极阵列，多通道刺激电流通过电流检测模块滤除中频信号后，通过adc接口反馈回主控芯片模块，使其对各通道刺激电流进行闭环调控。
9.进一步地，所述主控芯片模块为stm32f407zgt6型号芯片，通过与假手设备和触觉感知设备连接，实时获取位置觉、压力觉信息，进而调整刺激选通模式、载波频率和刺激强度。
10.进一步地，所述信号发生模块采用ad9959芯片，利用直接数字频率合成产生多通道正弦信号，调制频率最高可达500mhz，电压波形幅值范围为1.8v
±
0.5v。
11.进一步地，各通道波形具备独立频率、相位和幅度调制能力，主控芯片模块可以通过i/o并口实时更新存储转换字、相位偏置字和幅度控制比例。
12.进一步地，比例放大模块采用差分放大电路形式对波形进行信号调理，运放芯片采用pa78dk，将刺激电压幅值放大为
±
60v，形成中频载波信号，保证刺激信号对人体皮肤组织的穿透性与敏感性。
13.进一步地，所述多通道选通模块通过开关选通方式对电刺激信号进行分时复用，采用max14803芯片作为所述选通开关模块，将比例放大模块输出的中频载波信号平均分配到3～5路通道中，形成具有低频占空比的tens刺激波形；主控芯片模块根据手指关节位置与压力信息直接控制通道动态开关状态，将复用通道的低频调制周期控制为50ms，每个通道占空比设定为0.2，使测试者在单独刺激通道仍然能够接受连续反馈感知。
14.进一步地，电流检测模块包括高端采样电路和电压检波电路，实时监测电流参量，所述电压检波电路首先通过差分运算放大器采集串联在通路上精密采样电阻的电压值，对采集到电压添加偏置电压，从而获得采样电压；基于高端采样电路输出波形为低频方波包络的正弦载波信号。
15.基于一种适用于灵巧手多重感知反馈的多通道电刺激系统的刺激方法，通过动态选通不同位置的刺激通道实现对假手位置觉、压力觉、抓握状态的编码反馈，实现使用者在无视觉辅助情况下实时感知假手状态，具体控制流程如下：
16.1)系统上电后首先使能时钟，并初始化各个模块，保持具有原始参数的刺激模式和刺激波形；
17.2)控制程序轮询串口是否接受到关节运动信息或指尖压力信息，确定电刺激的刺激选通模式，将感知数据通过直接存储器访问的方式存储；
18.3)根据选定的刺激模式与假手状态信息，动态调整不同空间位置通道的选通状态，同时分别更新刺激波形的幅值、频率、脉冲参数，通过定时器来控制输出波形的占空比，提供多重感知信息的联合反馈；
19.4)通过电流检测模块，将各通道刺激电流值通过模数转换器反馈回主控芯片模块用以参考，保证刺激的稳定性和安全性。
20.本发明的有益效果在于：
21.1、本发明提供了一种i/o口控制波形发生器分时复用，产生多通道的动态刺激反馈方法与系统；并且为恒压源刺激设备配置了电流检波电路，防止皮肤阻抗变化与导联脱落现象造成的刺激电流剧烈变化情况的发生。
22.2、本发明提供了一种携带信息量更丰富、更易于人体感知的多通道刺激方法，通过动态实时调整tens波形的通断状态、脉冲宽度、簇频率等参数，完成对假手系统手指位置、指间压力、运动方向等信息向使用者外周神经的传递，在缺少视觉反馈的情况下的假肢系统的精细操控。
附图说明
23.图1为假手系统的多通道电刺激驱动反馈系统组成示意图。
24.图2为差分放大电模块原理及仿真结果示意图。
25.图3为通过选通开关分时复用刺激波形的电路示意图。
26.图4为刺激源的电流检测模块电路图。
27.图5为运动反馈模式与压力反馈模式的刺激选通方式，以及多通道分时复用刺激波形的示意图。
28.图6为多通道电刺激系统的控制流程图。
具体实施方式
29.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。需要注意的是，以下描述仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
30.一种适用于灵巧手多重感知反馈的多通道电刺激系统，如图1所示，主要包括电源模块、主控芯片模块、信号发生模块、比例放大模块、精密采样模块、电流检测模块、蓝牙通讯模块、多通道选通模块、lcd驱动与按键模块。电源模块将便携电池的电压分别转化为1.8v、3.3v、
±
15v、
±
60v稳压电源，为其它功能模块提供电源供应；主控芯片模块为各功能模块提供逻辑控制信号，其中假手设备与环境感知设备通过蓝牙设备或uart串口设备与主控芯片模块进行连接通讯。信号发生模块通过spi接口与主控芯片模块连接，产生具有独立频率和电压强度的多通道刺激波形；另一方面，信号发生模块与比例放大模块连接，将刺激波形的最大幅值提升至
±
60v，通过多通道选通电路进一步扩展电刺激通道数目。各通道的刺激电流通过电流检测模块滤除1khz～4khz中频信号后，将包络检波电压通过12位模数转
化接口反馈回主控芯片模块，使其对各通道刺激电流进行闭环调控，实现具有实时更新刺激脉宽、刺激频率、动态选通的可编程刺激系统。
31.所述主控芯片模块选用外设功能丰富且具有足够多通用接口(gpio)stm32f407zgt6芯片，工作主频可达到168mhz，能够调用通用定时器(12个)、pwm同步定时器(2个)、24位adc(3个)、12位dac(2个)、uart接口、spi接口等功能模块。主控芯片通过uart串口与假手系统连接，实时获取位置觉、压力觉信息，进而调整刺激选通模式、载波频率、刺激强度等参数。所述信号发生模块采用ad9959芯片，利用直接数字频率合成(dds,direct digital synthesis)技术产生4通道正弦信号，调制频率最高可达500mhz，电压波形幅值范围为1.8v
±
0.5v。各通道具备独立频率、相位和幅度调制能力，主控芯片模块可以通过i/o并口实时更新存储转换字ftw、相位偏置字pow、幅度控制比例字k，计算公式可表示如下：
[0032][0033]
式中，fs为系统时钟频率，f
out
为输出波形频率，a0为满幅度幅值范围，φ为输出波形的偏置相位输出，a为输出波形幅值。
[0034]
所述比例放大模块如图2所示，采用差分放大电路形式对数字合成波形进行信号调理，并将刺激电压幅值放大为
±
60v，形成中频载波信号，保证刺激信号对人体皮肤组织的穿透性与敏感性；比例方法模块的高压运放芯片需采用pa78dk，搭建电路的比例放大关系如公式(2)所示：
[0035][0036]
其中，令配置电阻r1＝r2＝500ω，r3＝r4＝60kω，实现对输入中频信号120倍幅值放大。
[0037]
根据前期研究结果，当tens调制波形频率达到16hz～20hz时，测试者开始难以分辨刺激信号的离散通断状态，将其混淆为连续波形电刺激。所述多通道选通模块通过开关选通方式对电刺激信号进行分时复用，将比例放大模块输出的中频载波平均分配到3～5路通道中，形成具有低频占空比的tens刺激波形，如图3所示。具体来说，本发明采用max14803芯片作为所述选通开关模块，主控芯片模块根据手指关节位置与压力信息直接控制通道动态开关状态，将复用通道的低频调制周期控制为50ms，每个通道占空比设定为0.2，使测试者在单独刺激通道仍然能够接受连续反馈感知，实现多通道连续刺激感知功能与刺激电路构成复杂庞大之间的矛盾。
[0038]
本发明的电刺激装置采用模拟恒压源以保证刺激快速性，考虑到刺激电极会因为安装松动、脱落等现象发生皮肤阻抗的剧烈变化，导致局部电流密度增加及其组织灼伤，采用高端采样电路和电压检波电路实时监测电流参量，是人体对电刺激实际感受更为有效、稳定，如图4所示。所述电流检测模块首先通过差分运算放大器采集串联在刺激通路上精密采样电阻的电压值，将采样电阻靠近刺激电源端，以避免低电平的噪声干扰；此外，为避免后续检波电路存在幅值失真，对采集到刺激电压添加偏置电压，最终获得的采样电压可表述为：
[0039]vout
＝rs+i
load
+20
·
ref
a-19
·
ref
b (3)
[0040]
鉴于上述高端采样电路输出波形为低频方波(fm≤20hz)包络的正弦载波信号
(f
out
＝2khz～4khz)。如图4所示，低通滤波器的时间常数满足r1c1《《1/fm和r1c1》》1/f
out
，从而完成刺激信号解调与包络波形检测。
[0041]
主控制芯片模块自带12位高速模数转化器，能够实时获取刺激幅值进而推算电流强度，实现本体感觉稳定刺激。
[0042]
除了多通道电压刺激装置，本发明配合电刺激器与多通道电极，提供了一种时空动态刺激的多重感觉反馈方法，通过动态选通不同位置的刺激通道实现对假手位置觉、压力觉、抓握状态的编码反馈，达到使用者在无视觉辅助情况下实时感知假手状态的效果。如图5所示，所述刺激电极为fpc技术制作的3x5多通道电极，所述电刺激控制器根据假手运动状态将选通刺激方式分为运动反馈和压力反馈两种模式：
[0043]
1)当假手各手指开始运动但未接受到压力信号时，电刺激器处于运动反馈模式，装置通过选通刺激电极最外侧的边角通道，以顺时针/逆时针顺序刺激方式来表征假手抓握/张开的关节运动状态；
[0044]
2)当假手指尖感知到压力信息时，电刺激器处于压力反馈状态，此时每列电极对应手指位置和压力状态。控制器首先根据各手指弯曲角度确定每列电极的选通状态，以30
°
、60
°
、90
°
作为通道选通判定阈值分为三档选通条件，达到屈曲角度的分级反馈；同时，根据指间压力大小将调制波形占空比分别设定为0.15、0.20、0.25、0.30四档，实现压力信息的分级反馈。
[0045]
本发明的多通道电刺激的控制流程如图6所示，具体控制流程如下：
[0046]
1)系统上电后首先使能时钟，并初始化各功能模块，保持具有原始参数的刺激模式和刺激波形(第一次不输出波形)。
[0047]
2)控制程序轮询串口是否接受到关节运动信息或指尖压力信息，确定电刺激的刺激选通模式，将感知数据通过直接存储器访问(dma,direct memory access)的方式存储。
[0048]
3)根据选定的刺激模式与假手状态信息，动态调整不同空间位置通道的选通状态，同时分别更新幅值、频率、脉冲等刺激波形参数，通过定时器来控制输出波形的占空比，提供多重感知信息的联合反馈。
[0049]
4)通过电流检测模块，将各通道刺激电流值通过模数转换器反馈回主控芯片模块用以参考，达到刺激稳定性和安全性的效果。
[0050]
以上内容对本发明所进行了详细的介绍，但是具体实施方式的描述仅用于解释本发明的方法及其核心思想，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。