脑卒中患者触觉康复治疗系统的制作方法
【专利摘要】本发明属于康复器件技术领域，具体为一种脑卒中患者触觉康复治疗系统。本发明由四个功能部件组成：手指触觉单元、触觉汇总节点、上位机、神经刺激电极阵列。本发明利用传感器阵列搜集每个手指不同部位的触觉压力信息，并将每个单指信号处理之后的信息汇总至触觉汇总节点；触觉汇总节点利用算法对来自单指信号的初级编码信息进行深度加工和编码，产生相对应的神经刺激脉冲输入大臂相应神经干；同时将采集到的信息通过有线或无线方式上传至上位机；上位机通过图形化界面实时显示各个手指不同位置压力信息；单指信号处理节点和汇总节点、汇总节点和上位机之间采用软件协议进行通讯。本系统使患者触觉感知神经通路得到强化刺激，增强康复效果，并提供拟真触觉感觉，提高患者生活质量。
【专利说明】
脑卒中患者触觉康复治疗系统
技术领域
[0001]本发明属于康复器件技术领域，具体涉及一种脑卒中患者触觉康复治疗系统。
【背景技术】
[0002]目前，对于脑卒中造成的触觉丧失康复的治疗通常使用感觉刺激法，通过作业训练或经皮电刺激加大患者的感觉输入，提高受损神经结构的兴奋或促进新的通路形成从而恢复正常功能。1然而，对于某些脑卒中后肢体末端水肿的患者而言，传统作业疗法并不能对其肿胀末端的触觉感受器造成足够强度的刺激，而传统经皮电刺激疗法又缺乏治疗的针对性，因而无法达到促进后续神经结构恢复的效果。其次，对于触觉感知神经结构受到永久性损伤的患者，传统康复治疗无法使其恢复或部分恢复触觉感知，这将极大地影响生活质量，并可能导致后天感知退化等严重后果。
[0003]关于拟真触觉的相关研究已经部分展开，但这些研究中使用的触觉信号采集、处理系统只处理个别手指个别位置的个别压力传感器信号，待处理的数据量小2，不适用于病人日常生活所需的大量的丰富的触觉信息的处理。
[0004]相关的大规模实时触觉信息处理系统多见于工业机器人机械手的机器触觉实现。但这类系统，例如所引用的发明3，其触觉压力信息采集的目的是用于后续工业信息处理，信号处理器处理信号的方式相对固定，不具备在线更改调试的性质。而对于拟真触觉的产生系统而言，系统的反复测试、模型的不断训练有重要意义，因而信号处理算法的在线调试功能缺失是工业用触觉采集系统移植到医学康复领域的一个瓶颈。
[0005]其次，这类工业机器手触觉系统，例如所引用文献中描述的装置4，仅关注触觉压力信息的感知与分析，并不涉及与人体神经系统的交互，即没有将触觉信息反馈给人体的神经通路。
[0006]而对于触觉反馈的神经通路，ΒΓ脑机接口”、“神经接口”，已存在相关研究，这为触觉康系统神经刺激反馈的环节提供了技术基础。
[0007]参考文献
1.许琳琳，郭根平，王珏等.脑卒中后偏侧感觉障碍的康复进展[J].中国康复理论与实践，2005,11(1): 30-31.DO1: 10.3969/j.issn.1006-9771.2005.01.012.2.S.Raspopovicet al., Restoring natural sensory feedback in real-timebidirect1nal hand prostheses.Sc1.Transl.Med.6， 222ral9 (2014).3.专利号申请号工似01310461638.0，“一种基于触觉传感器的机械手”.4.王浩，朱林剑，孙守林等.具有触觉和滑觉的肌电假手研究[J].中国临床康复，2004,8(2):252-253.DO1:10.3321/j.1ssn:1673-8225.2004.02.031.ο
【发明内容】
[0008]为了弥补现有的脑卒中康复治疗方案在刺激患者触觉通路方面的不足，帮助触觉丧失患者恢复或部分恢复触觉感知，本发明提供一个脑卒中患者触觉康复治疗系统。
[0009]本发明提供的脑卒中患者触觉康复系统，通过采集外界的触觉压力信息，处理、编码并向患者大臂对应神经干输出拟真触觉信号刺激，使患者触觉感知神经通路得到强化刺激，增强康复效果，并提供拟真触觉感觉，提高患者生活质量。
[0010]本发明利用传感器阵列搜集每个手指不同部位的触觉压力信息，将该信息输入该手指对应的单指触觉信号处理节点，这些节点对触觉压力信号并行地进行滤波和初级编码处理，再通过高速数字总线将每个单指信号处理节点处理之后的信息汇总至触觉汇总核心。触觉汇总核心利用算法对来自单指信号处理节点的初级编码信息进行深度加工和编码，产生相对应的神经刺激脉冲输入大臂相应神经干。同时，触觉汇总核心还将采集到的信息通过有线或无线方式上传至上位机;上位机通过图形化界面实时显示各个手指不同位置压力信息，并通过上位机端下载参数实时在线调整信号处理和编码方式。单指信号处理节点和汇总核心、汇总核心和上位机之间采用统一的软件协议进行通讯。
[0011 ]据此，本发明设计的脑卒中患者触觉康复治疗系统由四个功能部件组成:手指触觉单元、触觉汇总节点、PC上位机、神经刺激电极阵列，参见图2。各功能部件描述如下:
1.手指触觉单元:负责收集单个手指上的触觉信息并做初步处理，主要构成部分如图3所示，包括:模拟传感器阵列、模/数转换器、手指触觉节点，具体功能描述如下:
(1)模拟传感器阵列:布置在手指的指腹、指节等部位，收集上述位置的皮肤表面受压压力大小，精确地提供日常生活所必须的主要触觉信息，输出模拟电压信号；
(2)模/数转换器:接受由模拟传感器阵列输出的多路模拟电压信号，高速地采样、转换为二进制数字信号，并通过I2C总线连接手指触觉节点微处理器；
(3)手指触觉节点:是对每个手指触觉压力信号并行地进行初步处理的节点微处理器，通过I2C总线接受模/数转换器的数字信号，进行滤波、初级编码处理，并利用外围串行总线(SPI)将处理后的数据通过软件协议上传至触觉汇总节点；
2.触觉汇总节点:是微处理器，用于汇总各手指触觉压力初步处理后的信号，生成用于神经电刺激的调制脉冲信号，输出至神经刺激电极，并与PC上位机利用串口有线或蓝牙无线方式通过软件协议实时通讯，上传经处理的各手指压力信息、下载PC上位机下达的触觉压力信息处理和编码参数并加载实施；
3.PC上位机:通过图形化界面实现人机交互，利用串口有线或蓝牙无线方式通过软件协议接受触觉汇总节点上传的经处理的各手指触觉压力信息，实时显示，并允许用户在线更改信号处理和编码的各项参数，实时下载至汇总节点微处理器；
4.神经刺激电极阵列:用于接收触觉汇总节点微处理器发出的调制脉冲信号，放大并向相应电极输出，直接刺激神经干，实现拟真触觉。
[0012]上述系统工作过程中，各手指对应的节点微处理器并行运行，根据汇总节点的通讯要求上传数据。手指节点在无需响应汇总节点时，持续不断地收集压力信息并处理。
[0013]手指节点与汇总节点、汇总节点与上位机之间的通讯建立在不同的硬件总线协议上，都抽象成为统一的软件协议。
[0014]本发明的有益效果是，可以通过搜集触觉信息，刺激神经通路，提供拟真触觉感觉，帮助恢复本体触觉，并在上位机端实时监测和调整系统。
【附图说明】
[0015]图1是本发明一种实施例的系统示意图。
[0016]图2是该实施例的系统框图。
[0017]图3是该实施例中手指触觉单元的构成框图。
[0018]图4是该实施例提出的一种具体软件协议示意图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图中的实施例系统框图，对发明实施例中的技术方案进行具体、详细的描述。所描述的实施例仅是本发明的一种实施例，而不是全部实施例，基于本发明实施例，本领域普通技术人员没有创造性劳动的前提下所得到的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
[0020]本发明设计了一套包括硬件和软件的触觉康复系统，以实现触觉压力信息的实时采集、处理、编码和转换为神经刺激，并同步利用图形化界面在上位机显示、调整参数。
[0021]图2中系统由四个功能部件组成:手指触觉单元、触觉汇总节点、PC上位机、神经刺激电极阵列。各功能部件描述如下:
1.手指触觉单元:负责收集单个手指上的触觉信息并做初步处理，主要构成部分如图3所示，包括:模拟传感器阵列、模/数转换器、手指触觉节点，具体功能描述如下:
(1)模拟传感器阵列:布置在手指的指腹、指节等部位，收集上述位置的皮肤表面受压压力大小，精确地提供日常生活所必须的主要触觉信息，输出模拟电压信号；
(2)模/数转换器:接受由模拟传感器阵列输出的多路模拟电压信号，高速地采样、转换为二进制数字信号，并通过I2C总线连接手指触觉节点微处理器；
(3)手指触觉节点:是对每个手指触觉压力信号并行地进行初步处理的节点微处理器，通过I2C总线接受模/数转换器的数字信号，进行滤波、初级编码处理，并利用外围串行总线(SPI)将处理后的数据通过软件协议上传至触觉汇总节点；
2.触觉汇总节点:是微处理器，用于汇总各手指触觉压力初步处理后的信号，生成用于神经电刺激的调制脉冲信号，输出至神经刺激电极，并与PC上位机利用串口有线或蓝牙无线方式通过软件协议实时通讯，上传经处理的各手指压力信息、下载PC上位机下达的触觉压力信息处理和编码参数并加载实施；
3.PC上位机:通过图形化界面实现人机交互，利用串口有线或蓝牙无线方式通过软件协议接受触觉汇总节点上传的经处理的各手指触觉压力信息，实时显示，并允许用户在线更改信号处理和编码的各项参数，实时下载至汇总节点微处理器；
4.神经刺激电极阵列:用于接收触觉汇总节点微处理器发出的调制脉冲信号，放大并向相应电极输出，直接刺激神经干，实现拟真触觉。
[0022]上述系统工作过程中，各手指对应的节点微处理器并行运行，根据汇总节点的通讯要求上传数据。手指节点在无需响应汇总节点时，持续不断地收集压力信息并处理。
[0023]手指节点与汇总节点、汇总节点与上位机之间的通讯虽建立在不同的硬件总线协议上，但都抽象成为统一的软件协议，如图4所示。软件协议具体描述如下:
数据以数据包的形式进行传递，每个数据包都是由若干个字节的二进制数据组成，单字节长度为8bit。完整的数据包包括:帧头(2Byte)、地址位(2Byte)、数据长度位(2Byte)、数据位(n Byte )、校验位(I By te )、帧尾(2Byte)。帧头是数据传输开始的标志，选用传输数据范围以外数值，或选用相邻出现概率极低两个数值;地址位用于标记传输对象的地址;数据长度位用于标记数据位的字节长度，即数据包除去帧头、地址位、数据长度位、校验位、帧尾的长度;数据位即传输的数据主干，长度需与数据长度位标记的一致;校验位将该位之前的所有字节进行位异或运算，用于校验数据传输的准确性;帧尾是数据传输结束的标志，数值要求同帧头。协议设置超时保护，超过保护时间受到的数据即视为来自下一数据包。
[0024]以上的实施例是一种对于本发明的实现方法的描述，用于帮助理解本发明的整体工作方法和权利要求的要点，不应理解为是对于本发明的限制。
【主权项】
1.一种脑卒中患者触觉康复治疗系统，其特征在于，由四个功能部件组成:手指触觉单元、触觉汇总节点、PC上位机、神经刺激电极阵列，其中: (1)手指触觉单元负责收集单个手指上的触觉信息并做初步处理，其构成包括:模拟传感器阵列、模/数转换器、手指触觉节点，其中: 所示模拟传感器阵列，布置在手指的指腹、指节等部位，用于收集上述位置的皮肤表面受压压力大小，精确地提供日常生活所必须的主要触觉信息，输出模拟电压信号； 所述模/数转换器，接受由模拟传感器阵列输出的多路模拟电压信号，高速地采样、转换为二进制数字信号，并通过I2C总线连接手指触觉节点微处理器； 所述手指触觉节点是一种微处理器，用于对每个手指触觉压力信号并行地进行初步处理，通过I2C总线接受模/数转换器的数字信号，进行滤波、初级编码处理，并利用外围串行总线将处理后的数据通过软件协议上传至触觉汇总节点； (2)触觉汇总节点是一种微处理器，用于汇总各手指触觉压力初步处理后的信号，生成用于神经电刺激的调制脉冲信号，输出至神经刺激电极，并与PC上位机利用串口有线或蓝牙无线方式通过软件协议实时通讯，上传经处理的各手指压力信息、下载PC上位机下达的触觉压力信息处理和编码参数并加载实施； (3)PC上位机通过图形化界面实现人机交互，利用串口有线或蓝牙无线方式通过软件协议接受触觉汇总节点上传的经处理的各手指触觉压力信息，实时显示，并允许用户在线更改信号处理和编码的各项参数，实时下载至汇总节点微处理器； (4)神经刺激电极阵列用于接收触觉汇总节点微处理器发出的调制脉冲信号，放大并向相应电极输出，直接刺激神经干，实现拟真触觉。2.根据权利要求1所述的脑卒中患者触觉康复治疗系统，其特征在于，系统工作过程中，各手指对应的节点微处理器并行运行，根据汇总节点的通讯要求上传数据;手指节点在无需响应汇总节点时，持续不断地收集压力信息并处理。3.根据权利要求1所述的脑卒中患者触觉康复治疗系统，其特征在于，手指节点与汇总节点、汇总节点与上位机之间的通讯建立在不同的硬件总线协议上，并抽象成为统一的软件协议，软件协议具体描述如下: 数据以数据包的形式进行传递，每个数据包都是由若干个字节的二进制数据组成，单字节长度为8bit;完整的数据包包括:帧头、地址位、数据长度位、数据位、校验位、帧尾;帧头是数据传输开始的标志，选用传输数据范围以外数值，或选用相邻出现概率极低两个数值;地址位用于标记传输对象的地址;数据长度位用于标记数据位的字节长度，即数据包除去帧头、地址位、数据长度位、校验位、帧尾的长度;数据位即传输的数据主干，长度需与数据长度位标记的一致;校验位将该位之前的所有字节进行位异或运算，用于校验数据传输的准确性;帧尾是数据传输结束的标志，数值要求同帧头;协议设置超时保护，超过保护时间受到的数据即视为来自下一数据包。
【文档编号】A61N1/36GK105854182SQ201610258861
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月25日
【发明人】徐珂, 江逸舟, 秦亚杰, 汪源源
【申请人】复旦大学