多信号融合的反馈式功能性电刺激系统转让专利
申请号 : CN202110212815.6
文献号 : CN113058157B
文献日 : 2022-01-18
发明人 : 李增勇 , 徐功铖 , 张腾宇 , 霍聪聪 , 陈伟 , 臧鑫运
申请人 : 国家康复辅具研究中心
摘要 :
权利要求 :
1.一种多信号融合的反馈式功能性电刺激系统,其特征在于,包括:信息采集模块,用于在患者进行肢体的运动训练过程中,实时采集患者中枢神经信息与外周运动信息;
显示操作模块,用于选择康复训练方式、储存康复数据信息及显示评估结果;
信息处理融合模块,用于将所述信息采集模块所获取的中枢神经信息与外周运动信息进行处理并进行多模态同步融合分析;
多信号融合FES控制模块,用于按照显示操作模块中所选择的运动模式,同时融合从所述信息处理融合模块传输的中枢神经信息与外周运动信息,建立中枢神经信息与外周运动信息与FES控制器之间的时效控制模型,按照所述控制模型根据中枢神经信息和外周运动信息的变化值输出电刺激控制命令以控制FES各个通道的电刺激输出参数;以及多通道FES输出模块,用于按照所述多信号融合FES控制模块发送的电刺激控制命令控制各个通道的刺激参数,输出相对应的频率、脉冲宽度和幅值的电刺激电流,以辅助肢体进行运动康复训练。
2.根据权利要求1所述的多信号融合的反馈式功能性电刺激系统,其特征在于,所述信息采集模块包括包括近红外采集单元和运动信息采集单元,其中所述近红外采集单元用于在患者进行康复训练过程中,实时采集患者对应位置的近红外光神经信号,并且其中所述运动信息采集单元包括压力传感器、绝对值编码器和电机轴转速采集器,用于采集康复训练过程中获取实时调节电刺激参数所需的力信号、位置信号和角速度信号。
3.根据权利要求2所述的多信号融合的反馈式功能性电刺激系统,其特征在于,所述压力传感器用于采集肢体康复训练过程中肢体的推力和/或拉力;所述绝对值编码器用于采集电机轴绝对转动位置,从而确定康复训练过程中任意时刻的肢体位置。
4.根据权利要求2所述的多信号融合的反馈式功能性电刺激系统,其特征在于,所述信息处理融合模块包括近红外信号处理单元、力处理单元、位置处理单元及动作处理单元,以对所述近红外采集单元采集的近红外光神经信号、所述运动信息采集单元采集的力信号、位置信号及角速度信号进行处理,得出当前运动过程中的大脑功能活动的变化、肢体运动过程中力变化、运动速度及肢体位置变化信息,对运动功能状态进行实时评估与反馈,并将计算结果实时传输至所述多信号融合FES控制模块以及所述显示操作模块。
5.根据权利要求4所述的多信号融合的反馈式功能性电刺激系统,其特征在于,所述力处理单元用于对康复训练过程中肢体左右两侧力进行对比,并且根据力差大小确定在患侧施加电刺激强度,其中所述动作处理单元用于分析康复训练过程中运动转速变化情况,其中近红外信号处理单元用于分析康复训练过程中左右脑区连接性平衡变化情况,以此作为反馈参数实时调整电刺激强度。
6.根据权利要求4所述的多信号融合的反馈式功能性电刺激系统,其特征在于,所述控制器对信息处理融合模块传递来的信息进行处理,在施加电刺激的肢体主动训练过程中,对肢体左右两侧推拉力进行对比,计算健侧力F1和患侧力F2的差距比值a,a=(F1‑F2)/F1;分析电机轴角速度值变化比值b,b=(n1‑n)/n,其中n1为当前转速,n为设置的目标转速;电刺激电流I调整为I=I1[1+a(1+b)],其中I1为当前电流强度;利用所述近红外信号处理单元分析出的连接侧偏性指数LI来调整左、右肢体施加的电流强度:当以左侧脑半球为基准计算连接侧偏性指数LI左时,左侧肢体的电流强度继续调整为I左=I(1+0.5LI左),右侧肢体的电流强度继续调整为I右=I(1‑0.5LI左)。
7.根据权利要求4所述的多信号融合的反馈式功能性电刺激系统,其特征在于,所述控制器对所述信息采集模块采集来的信息进行处理,在施加电刺激的肢体被动训练过程中,对肢体左右两侧推拉力进行对比,计算健侧力F1和患侧力F2的差距比值a,a=(F1‑F2)/F1;分析电机轴角速度值变化比值b,b=(n1‑n)/n,其中n1为当前转速,n为设置的目标转速;电刺激电流I调整为I=I1(1+a),其中I1为当前电流强度;利用所述近红外处理单元分析出的连接侧偏性指数LI来调整左、右肢体施加的电流强度:当以左侧脑半球为基准计算连接侧偏性指数LI左时,左侧肢体的电流强度继续调整为I左=I(1+0.5LI左),右侧肢体的电流强度继续调整为I右=I(1‑0.5LI左)。
8.根据权利要求1所述的多信号融合的反馈式功能性电刺激系统,其特征在于,所述多通道FES输出模块按照所述多信号融合FES控制模块发送的输出时相参数驱动多通道FES输出模块的多通道FES电刺激器的开关以控制各通道电刺激电脉冲的开始和结束时间,各通道FES输出刺激强度分别依据患者静息状态下最大的承受电刺激强度设置一个标定输出强度参数值,所述标定输出强度参数值对应的输出为最大电刺激电流幅值。
说明书 :
多信号融合的反馈式功能性电刺激系统
技术领域
背景技术
改善患者身体功能的一种康复技术。临床研究表明,功能性电刺激能显著改善运动功能障
碍患者的伸够、抓握和步行能力,预防早期肌肉萎缩,增加本体感觉刺激,促进中枢功能重
组,提高大脑可塑性。目前,功能性电刺激已由最初的单通道刺激发展到多通道刺激,可实
现对多个肌肉交替刺激,产生更协调、更符合机体功能运动的活动,更好的改善患者的肢体
运动功能。
时间分辨率至毫秒级别,通过检测光信号的变化来直接反应神经细胞的功能活动,使实时
监测脑神经活动并反馈调控功能电刺激参数成为可能。
出对应的电刺激,将患者的运动意图传达至待刺激关节对应的肌群,模仿正常人体神经传
达运动意图方式,来对患肢进行自主控制的康复训练。专利号为CN110420383A的“一种基于
多模态融合反馈的可调功能性电刺激控制方法”,基于肌电、超声和FSR压力信号,电刺激输
出将传感信息反馈到人体,多模态传感信息作为电刺激输出的反馈,形成闭环信号采集‑电
刺激过程。专利号为CN110404168A的“一种自适应电刺激训练系统”,通过监测运动学信号
和动力学信号在步态中的变化,电刺激控制模块自适应的调节多通道电刺激器的输出时相
和强度,提高患者的步态行走能力,可用于下肢康复训练。当今康复训练系统的发展侧重于
功能的集成化,重点是将训练参数的智能化调整与训练效果的实时评估结合在一起。但上
述提及的功能电刺激系统缺乏在运动与电刺激结合训练过程中对患者进行实时的多模态
功能评估。从中枢‑外周多模态信息融合角度出发,实时评估康复训练效果,指导康复训练
方案的智能化调整,可促进运动训练与外周神经刺激协同优化和实时反馈,实现个性化干
预,构建协同增强的一体化平台,使得FES作为辅助治疗策略发挥最大行为增益,优化临床
康复路径。
发明内容
优化刺激参数,评估康复训练效果,有利于患侧肢体的功能恢复。
外周运动信息与FES控制器之间的时效控制模型,按照所述控制模型根据中枢神经信息和
外周运动信息的变化值输出电刺激控制命令以控制FES各个通道的电刺激输出参数;以及
体进行运动康复训练。
近红外光神经信号,并且其中所述运动信息采集单元包括压力传感器、绝对值编码器和电
机轴转速采集器,用于采集康复训练过程中获取实时调节电刺激参数所需的力信号、位置
信号和角速度信号。
的肢体位置。
信息采集单元采集的力信号、位置信号及角速度信号进行处理,得出当前运动过程中的大
脑功能活动的变化、肢体运动过程中力变化、运动速度及肢体位置变化信息,对运动功能状
态进行实时评估与反馈,并将计算结果实时传输至所述多信号融合FES控制模块以及所述
显示操作模块。
训练过程中运动转速变化情况,其中近红外信号处理单元用于分析康复训练过程中左右脑
区连接性平衡变化情况,以此作为反馈参数实时调整电刺激强度。
侧力(F2)的差距比值(a),a=(F1‑F2)/F1;分析电机轴角速度值变化比值(b),b=(n1‑n)/n,
其中n1为当前转速,n为设置的目标转速;电刺激电流(I)调整为I=I1[1+a(1+b)],其中I1为
当前电流强度;利用所述近红外处理单元分析出的连接侧偏性指数LI来调整左、右肢体施
加的电流强度:当以左侧脑半球为基准计算连接侧偏性指数LI左时,左侧肢体的电流强度继
续调整为I左=I(1+0.5LI左),右侧肢体的电流强度继续调整为I右=I(1‑0.5LI左)。
患侧力(F2)的差距比值(a),a=(F1‑F2)/F1;分析电机轴角速度值变化比值(b),b=(n1‑n)/
n,其中n1为当前转速,n为设置的目标转速;电刺激电流(I)调整为I=I1(1+a),其中I1为当
前电流强度;利用所述近红外处理单元分析出的连接侧偏性指数LI来调整左、右肢体施加
的电流强度:当以左侧脑半球为基准计算连接侧偏性指数LI左时,左侧肢体的电流强度继续
调整为I左=I(1+0.5LI左),右侧肢体的电流强度继续调整为I右=I(1‑0.5LI左)。
道电刺激电脉冲的开始和结束时间,各通道FES输出刺激强度分别依据患者静息状态下最
大的承受电刺激强度设置一个标定输出强度参数值,所述标定输出强度参数值对应的输出
为最大电刺激电流幅值。
刺激控制命令以控制FES各个通道的电刺激输出参数;以及
体进行运动康复训练。
模块中的运动信息采集单元所包括的电机轴的角速度值变化比值(b),b=(n1–n)/n,其中n1
为当前转速,n为设置的目标转速;电刺激电流(I)调整为I=I1[1+a(1+b)],其中I1为当前电
流强度;利用所述信息处理融合模块的近红外信号处理单元分析出的连接侧偏性指数LI来
调整左、右肢体施加的电流强度:当以左侧脑半球为基准计算连接侧偏性指数LI左时,左侧
肢体的电流强度继续调整为I左=I(1+0.5LI左),右侧肢体的电流强度继续调整为I右=I(1‑
0.5LI左)。
集模块中的运动信息采集单元所包括的电机轴的角速度值变化比值(b),b=(n1–n)/n,其
中n1为当前转速,n为设置的目标转速;电刺激电流(I)调整为I=I1(1+a),其中I1为当前电
流强度;利用所述信息处理融合模块的近红外信号处理单元分析出的连接侧偏性指数LI来
调整左、右肢体施加的电流强度:当以左侧脑半球为基准计算连接侧偏性指数LI左时,左侧
肢体的电流强度继续调整为I左=I(1+0.5LI左),右侧肢体的电流强度继续调整为I右=I(1‑
0.5LI左)。
速度信号;
运动过程中的力变化、运动速度和肢体位置;
逊相关系数,表征运动过程中脑皮层区域协同程度;计算健侧脑和患侧脑的连接偏侧性指
数LI,表征运动过程中健、患侧脑的主导程度。
块控制命令实时调整刺激参数,辅助肢体进行运动康复训练。
距比值(a),a=(F1‑F2)/F1;分析电机轴角速度值变化比值(b),b=(n1‑n)/n,其中n1为当前
转速,n为设置的目标转速;电刺激电流(I)调整为I=I1[1+a(1+b)],其中I1为当前电流强
度;利用所述近红外处理单元分析出的连接侧偏性指数LI来调整左、右肢体施加的电流强
度:若以左侧脑半球为基准计算连接侧偏性指数LI左,则左侧肢体的电流强度继续调整为I左
=I(1+0.5LI左),右侧肢体的电流强度继续调整为I右=I(1‑0.5LI左)。
距比值(a),a=(F1‑F2)/F1;分析电机轴角速度值变化比值(b),b=(n1‑n)/n,其中n1为当前
转速,n为设置的目标转速;电刺激电流(I)调整为I=I1(1+a),其中I1为当前电流强度;利用
所述近红外处理单元分析出的连接侧偏性指数LI来调整左、右肢体施加的电流强度:若以
左侧脑半球为基准计算连接侧偏性指数LI左,则左侧肢体的电流强度继续调整为I左=I(1+
0.5LI左),右侧肢体的电流强度继续调整为I右=I(1‑0.5LI左)。
区,初级运动区,实时监测患者训练过程中大脑神经信号。
态的表现结果,评估治疗效果,指导后期康复策略。
附图说明
具体实施方式
施例仅用解释本发明,并不用于限定本发明。
合FES控制模块和多通道FES输出模块。
种;数据储存单元,用于实时储存康复训练过程中的相关运动功能表现信息(参数信息)及
各个通道电刺激的实时参数;以及评估显示单元,用于显示康复治疗过程中所采集的多模
态融合信号分析所得的患者功能状态的表现结果,评估治疗效果,指导后期康复策略。
息采集模块包括:近红外采集单元,该近红外采集单元利用多通道功能近红外采集仪,用于
获取患者在康复训练过程中实时的脑氧近红外光神经信号;以及运动信息采集单元,用于
从不同角度出发获取患者在康复训练过程中实时的运动信息。大脑功能信号的采集区域包
括前额叶、感觉运动区、辅助运动区、初级运动区。运动信息采集单元包含柔性薄膜压力传
感器、绝对值编码器和电机轴转速采集器(电机自带),能采集康复训练过程中的触觉力信
号、肢体位置信号和运动速度信号,对患者训练过程外周运动功能状态实时监测。
融合分析指的是不同来源的信息同步分析,如以下所述,本文指的是近红外信息、力信息、
位置信息、速度信息。
力信号、所述绝对值编码器采集的位置信号及所述电机轴转速采集器(电机自带)采集的角
速度信号进行处理,得出当前运动过程中的大脑功能活动的变化、肌肉功能状态变化、肢体
运动过程中力变化、运动速度及肢体位置变化信息。分别从中枢、外周与中枢‑外周协同的
角度出发,对运动功能状态进行实时评估与反馈,并将计算结果实时传输至FES控制模块和
显示操作模块中的评估显示单元。
机自带)采集的角速度信号进行处理,从而得到肢体运动过程中力变化、运动速度及肢体位
置变化信息,并将计算结果实时传输至FES控制模块。
皮尔逊相关系数,表征运动过程中脑皮层区域协同程度;计算健侧脑和患侧脑的连接偏侧
性指数,表征运动过程中健、患侧脑的主导程度。
整数倍)波峰较高的独立成分,并将该独立成分对应的变换矩阵数值赋值为0,按照赋值后
的变换矩阵重构光神经信号;
中‑1代表仅存在对侧连接,1代表仅存在同侧连接,接近0的值表示对称连接。
用于训练结束后的总结报告分析。
合模块传输的中枢神经、肌肉功能状态的变化、运动过程中的力变化、运动速度和肢体位置
变化情况,按照所述控制模型根据所述变化值输出电刺激控制命令,调整FES控制器的输出
参数,控制FES各个通道的刺激参数。
作处理单元传输的运动过程中所述的大脑功能变化、肌肉状态变化、力变化、运动速度和肢
体位置变化信息综合反馈,形成输出电刺激执行命令。具体地,在被动运动时,患者主要由
机器带动肢体运动,此时电刺激参数主要基于刺激感觉阈值提供刺激强度(在这一过程中,
主要是将视觉,本体感觉和躯体感觉反馈信息与运动输出结合起来),因为体感输入是运动
学习所必须的,体感刺激可增强运动训练效果,体感刺激与运动训练结合可获得较长时间
的行为增益。感觉阈值的确定与优化可通过近红外信号处理单元所反馈的信息自适应调
整。在主动运动时,判断健侧与患侧运动参数的差异,依靠控制算法,提供运动阈值以上的
刺激强度辅助。在助动运动时,根据信息处理融合模块中实时分析结果,判断患者肢体运动
状态,自适应调整FES输出刺激参数。
制命令实时调整刺激参数,辅助肢体进行运动康复训练。
刺激肌肉产生不同程度的收缩;按照电刺激控制模块发送的输出时相参数驱动所述多通道
FES电刺激器的开关以控制各通道电刺激电脉冲的开始和结束时间。各通道FES输出刺激强
度分别依据患者静息状态下最大的承受电刺激强度设置一个标定输出强度参数值,所述标
定输出强度参数值对应的输出为最大电刺激电流幅值。FES参数自适应调节过程中,其强度
不会超过所述的标定输出强度参数值。
红外软硬件系统,检查数据质量,设置采样频率参数;同时佩戴压力传感器,启动传感器软
硬件系统;静息状态下分别对每块肌肉进行初步电刺激,确定每块肌肉对应的感觉阈值、运
动阈值及最大承受刺激强度值,以此作为基础参数。
道刺激强度根据训练模式的选择,对应静息刺激阈值,主动/助动运动模式,初始刺激强度
为静息最小运动阈值;被动运动模式时,初始刺激强度为静息最小感觉阈值;一方面,该系
统可将融合触觉力、运动速度及肢体位置三种信号对患者训练过程功能状态实时监测,基
于力信号、速度信号、位置信号相融合的反馈策略,对输出电刺激进行实时调整形成闭环控
制,实现康复训练过程中根据患者训练状态自适应调整电刺激参数。
性薄膜压力传感器、绝对值编码器和电机轴转速采集器(电机自带),因此,柔性薄膜压力传
感器采集两侧上肢施力情况,绝对值编码器采集肢体运动位置信息,电机轴转速采集器(电
机自带)采集康复训练过程中的角速度。
的光神经信号、柔性薄膜压力传感器采集的力信号、所述绝对值编码器采集的位置信号和
所述电机轴转速采集器(电机自带)采集的角速度信号进行处理,得出当前运动过程中的左
右侧脑连接平衡性变化、力变化、运动速度和肢体位置;施加电刺激的肢体主动训练过程
中,在患侧施加电刺激,电流强度初始值为静息最低运动阈值,并设置目标训练转速为n;柔
性薄膜压力传感器、绝对值编码器和电机轴转速采集器(电机自带)始终采集训练信息,实
时对电刺激进行调整。首先对肢体左右两侧力进行对比,对比两侧力差是否有差距,肢体左
右两侧力进行对比,计算健侧力(F1)和患侧力(F2)的差距比值a:
流强度:若以左侧脑半球为基准计算连接侧偏性指数LI左,则左侧肢体的电流强度继续调
整为I左=I(1+0.5LI左),右侧肢体的电流强度继续调整为I右=I(1‑0.5LI左)。
电流,传输至刺激电极,施加到患者相应肌肉。
采集训练信息,实时对电刺激进行调整。控制器对采集来的信息进行处理,肢体左右两侧力
进行对比,计算健侧力(F1)和患侧力(F2)的差距比值a:
流强度:若以左侧脑半球为基准计算连接侧偏性指数LI左,则左侧肢体的电流强度继续调
整为I左=I(1+0.5LI左),右侧肢体的电流强度继续调整为I右=I(1‑0.5LI左)。
基于力信号、位置信号和速度信号相融合的反馈式功能性电刺激系统,在康复训练过程中
能根据患者训练状态,融合多种信号,实时反馈对输出电刺激进行调整。
包括前额叶,感觉运动区,辅助运动区,初级运动区,实时监测患者训练过程中大脑神经信
号;
干扰,并计算每两个通道信号间的皮尔逊相关系数,表征运动过程中脑皮层区域协同程度;
计算健侧脑和患侧脑的连接偏侧性指数,表征运动过程中健、患侧脑的主导程度。
明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:任何熟悉本技术领域的技术人员
在本发明揭露的技术范围内,其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻
易想到变化,或者对其中部分技术特征进行等同替换,而这些修改、变化或者替换,并不使
相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围,都应涵盖在本发明的保护
范围之内。因此,本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。