一种基于生物电信号进行肢体电刺激的康复训练系统

技术领域

本发明属于医疗检测仪器，具体涉及一种基于生物电信号进行肢体电刺激的康复训练系统。

背景技术

脑卒中是个发病率极高的脑血管疾病，而且现在每年的病例都有明显的增加趋势，且有年轻化的趋势，一旦脑卒中发生，往往通过破坏脑神经-运动环路而引起四肢运动障碍，严重影响到个人的生活。

目前对于脑卒中包括其他类似神经-运动系统障碍的患者后期治疗方案没有太多有效手段，要么去医院定期做一些康复性的治疗，要么自己在家中靠他人帮助活动按摩四肢肌肉简单的治疗。传统的运动康复设备往往是单方面的对肢体进行被动式的活动，从而减轻肌肉的萎缩，这种被动式的机械训练方式收效甚微。另外，通过机械设备来活动四肢并没有直接诱发肌肉群的放电，从而模拟出来实际运动中的生理变化。

现在最新的方案是让病人带上一个多通道的脑电采集系统，病人通过运动想象来控制外部的康复设备，从而实现脑神经与四肢活动产生环路联系，这种通过运动想象主动式的康复训练比单纯机械被动式的活动更能加速打通神经-运动系统，从而达到更好的康复效果，然而目前的这种设备价格十分昂贵，一般患者都需要去医院去做这种康复治疗，这对大部分每天都需要进行这种康复治疗的患者来说还是比较难以实现的。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供一种基于生物电信号进行肢体电刺激的康复训练系统，采集到患者的生物电信号，当识别到的生物电信号时通过无线或有线通讯把刺激指令发送给贴在四肢肌肉上的刺激电极贴，刺激电极贴产生微弱的电刺激信号，而微弱的电刺激信号能够诱发神经肌肉产生兴奋，产生一次肌肉收缩，从而诱发出一个动作产生，即使在一些运动障碍的病人中，只要其肌肉细胞还存活，依然能够独立诱发其产生肌肉收缩行为。

本发明是通过如下技术方案实现的，一种基于生物电信号进行肢体电刺激的康复训练系统，包括刺激端电极、信号传递单元和记录端电极；

所述信号传递单元包括EMS刺激输出、放大电路、与所述放大电路连接的ADC采集电路以及与所述ADC采集电路连接的MCU；MCU连接有通过外部触发的方式实时响应用户指令的控制按键；所述EMS刺激输出通过DAC转换器接收所述MCU传递的可变电压信号以产生所需要的电流信号输出；放大电路、ADC采集电路、MCU、DAC转换器和EMS刺激输出均与所述信号传递单元的电源电路电连接，电源电路接供电源；

所述刺激端电极包括用于接收所述EMS刺激输出输出的电流信号的刺激电极贴；

所述记录端电极包括用于获取生物电信号并将信号传递给放大电路的记录电极贴。

进一步地，所述信号传递单元集成在记录刺激设备上，记录刺激设备还包括给电源电路供电的锂电池以及给锂电池充电的充电接口。

进一步地，所述记录刺激设备上还设有用于响应使用者不同操作的蜂鸣器。

进一步地，所述记录刺激设备上还设有用于指示记录刺激设备工作状态的指示灯。

进一步地，所述MCU包括第一MCU与第二MCU；所述电源电路包括第一电源电路和第二电源电路；

所述信号传递单元的放大电路、ADC采集电路、第一MCU和第一电源电路设在记录设备上；

所述信号传递单元的第二MCU、控制按键、EMS刺激输出和第二电源电路设在刺激设备上，控制按键用于控制第二MCU；

所述记录设备还包括与第一MCU连接的信号发送模块，所述刺激设备还包括用于接收来自所述信号发送模块的指令的信号接收模块；所述EMS刺激输出通过DAC转换器接收所述第二MCU传递的可变电压信号以产生所需要的电流信号输出；

所述第一电源电路分别连接放大电路、ADC采集电路、第一MCU和信号发送模块；所述第二电源电路分别连接第二MCU、DAC转换器、EMS刺激输出和信号接收模块。

进一步地，所述EMS刺激输出内部设有用于输出双相波形的双相控制器。

进一步地，所述记录端电极还包括供用户穿戴的头环，头环的端部设有信号参考电压接口，所述记录电极贴安装在所述头环上用于获取生物电信号并将信号传递给放大电路。

进一步地，所述刺激电极贴选择凝胶电极贴、PET自粘电极片、硅胶自粘电极片、水凝胶自粘电极片或金属干电极；

所述记录电极贴选择凝胶电极贴、PET自粘电极片、硅胶自粘电极片、水凝胶自粘电极片或金属干电极。

进一步地，所述DAC转换器集成在所述MCU内或以外接方式与所述MCU连接。

进一步地，所述生物电信号包括眼电信号和咬牙所发出的动作信号中的一种或多种。

本发明的有益效果是：1）通过捕捉病人运动关联特征，引起肌肉主动收缩，病人完全是主动式的去想像，这完美模拟出来人的一个动作的自然生理行为过程，比传统的机械式的康复训练更有治疗价值；

2）该系统的记录电极贴贴附在人的前额，刺激电极贴贴附在四肢肌肉的皮肤上，两者通过无线或有线进行通信，便携可穿戴设计，病人操作方便，可以实现家里进行康复训练；

3）该设备通过重点捕捉眼电活动信号，该信号容易区分检测，大大提高了运动指令的判断精度；

4）该设备不需要常用的高通量昂贵的脑电采集系统，整体生产成本较低，可以批量生产，普通家庭均能够承担，使得病人不用每天去医院去做高成本主动式的康复训练，普通家庭居家也能够实现。

附图说明

图1为本发明有线通讯的示意图；

图2为本发明有线通讯下记录刺激设备内集成的信号传递单元的示意图；

图3为本发明有线通讯下记录刺激设备内设置的锂电池的示意图；

图4为本发明有线通讯的信号传递示意图；

图5为本发明刺激电极贴与延长线的连接示意图；

图6为本发明记录电极贴与头环的连接示意图；

图7为本发明无线通讯的示意图；

图8为本发明无线通讯下记录设备内的模块示意图；

图9为本发明无线通讯下刺激设备内的模块示意图；

图10为本发明无线通讯的信号传递示意图；

图中，1、刺激电极贴，2、记录电极贴，3、头环，4、放大电路，5、ADC采集电路，6、充电接口，7、控制按键，8、电源电路，81、第一电源电路，82、第二电源电路，9、EMS刺激输出，10、蜂鸣器，11、MCU，111、第一MCU，112、第二MCU，12、指示灯，13、锂电池，14、信号发送模块，15、信号接收模块，16、纽扣。

实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的阐述。

如图1至图10所示，一种基于生物电信号进行肢体电刺激的康复训练系统，包括刺激端电极、信号传递单元和记录端电极。

所述信号传递单元包括放大电路4、ADC采集电路5、EMS刺激输出9、MCU11和控制按键7。放大电路4与ADC采集电路5连接，ADC采集电路5与MCU11连接，控制按键7连接MCU11的输入端口，EMS刺激输出9通过DAC转换器连接所述MCU11。

放大电路4用于将采集到的生物电信号经过滤波后进行放大。放大电路4包括高通滤波、低通滤波、50/60Hz陷波电路、运算放大器芯片，此种方式可以提高信号质量，便于采集。

ADC采集电路5包括AD7768、ADS1299等多通道同步采集ADC芯片以及相关外围电路；ADC采集电路5采集前端接放大电路4。AD7768、ADS1299等多通道同步采集ADC芯片和MCU11的通信线（如片选线、时钟线、数据线等）的引脚连接在一起，并加上其他所需的元件（如电阻、电容）。ADC采集电路5与MCU11通过SPI通讯，MCU11对AD7768、ADS1299等多通道同步采集ADC芯片进行配置和初始化，ADC采集电路5将采集到的模拟信号转换成MCU11能够识别处理的数字信号，并传给MCU11。MCU11根据拿到信号进行分析算法处理，以达到实现功能刺激的目的。

MCU11可以采用STM32L072CBT6或STM32L100R8T6等低功耗芯片（不限于此两款芯片）以及外围电路。所述MCU11内部集成设有SPI通讯接口以及UART串口，用于识别到运动关联特征中所产生的动作电位信号后，通过有线或无线发出指令给到刺激输出端。同时响应用户给出的指令从而实现调节电流各项参数值，以达到最有合适的刺激方式。MCU11通过外部触发的方式实时响应用户指令，通过对控制按键7单击、长按来调节电流幅值以及刺激模式。

EMS刺激输出9为恒流输出，通过DAC转换器接收可变电压信号，来控制输出可调电流。所述MCU11的低功耗芯片内部设有双路12位DAC转换器（此为内部DAC），输出幅度可变波形；亦可外接精度更高的DAC芯片（此为外接DAC）。所述EMS刺激输出内部设有双相控制器，用于输出双相波形。

放大电路4、ADC采集电路5、MCU11、DAC转换器和EMS刺激输出9均与所述信号传递单元的电源电路8电连接，电源电路8接供电源。

所述刺激端电极包括延长线和刺激电极贴1，延长线的一端通过插针与所述刺激电极贴1相连，另一端连接所述EMS刺激输出9。刺激电极贴1可以选择凝胶电极贴、PET自粘电极片、硅胶自粘电极片、水凝胶自粘电极片或金属干电极。

所述记录端电极包括延长线和记录电极贴2，延长线的一端通过插针与所述记录电极贴2相连，延长线的另一端连接设备前级输入，用于给放大电路4传递采集到的生物电信号。作为上述技术方案的改进，所述记录端电极还包括头环3，头环3供用户的穿戴，头环3的端部有信号参考电压接口，所述记录电极贴2安装在所述头环3上用于获取生物电信号并将信号传递给放大电路4。所述头环3和记录电极贴2通过纽扣16连接在一起，便于对记录电极贴2进行更换。在新增头环3的方案下，延长线的一端连接设备前级输入，用于给放大电路4传递采集到的生物电信号，延长线的另一端连接头环3。

用户使用头环3可以便于记录电极贴2的固定；而不使用头环3，记录电极贴2的自由度会更高。

记录电极贴2可以选择凝胶电极贴、PET自粘电极片、硅胶自粘电极片、水凝胶自粘电极片或金属干电极。不仅如此，信号传递单元和记录端电极也可以一起放进头环3内部，用户直接穿戴头部，仅需将刺激端电极引出，减少中间的连接引线。

如图1至图4所示，所述信号传递单元集成在记录刺激设备上，此时，MCU11以有线通讯把刺激指令经EMS刺激输出9发送给刺激电极贴1。记录刺激设备还包括给电源电路8供电的锂电池13，电源电路8通过升降压负压芯片以及相关外围电路产生±3.3V、±5V以及高压90V输出，分别给MCU11、ADC采集电路5、放大电路4、EMS刺激输出9等供电。记录刺激设备上设有充电接口6，充电接口6为常用的电池充电接口且内置充电管理芯片，用于给锂电池13充电。在有线通讯中，MCU11需要用到SPI通讯接口，而无需UART串口。

如图2所示，所述记录刺激设备上还设有用于响应使用者不同操作的蜂鸣器10。蜂鸣器10包括无源蜂鸣器以及外围驱动电路，蜂鸣器10的电源端连接电源电路8，蜂鸣器10的信号端连接MCU11的IO口。所述蜂鸣器10用于响应使用者不同的操作，蜂鸣器10产生相应频率的声音，便于使用者更清楚的了解到当前的工作状态。同时在工作过程中没电时，蜂鸣器10会提醒使用者及时给锂电池13充电。

如图2所示，所述记录刺激设备上还设有用于指示记录刺激设备工作状态的指示灯12。指示灯12分为充电检测指示灯和设备工作状态检测指示灯。充电检测指示灯连接充电管理芯片（充电接口6内置的充电管理芯片），充电检测指示灯在充电过程中持续点亮，在充满后熄灭。设备工作状态检测指示灯连接MCU11的IO口，配合蜂鸣器10一起使用，在执行相应的操作时通过闪烁来提醒使用者，当前操作已完成。

如图7至图10所示，所述信号传递单元分为信号记录单元和信号刺激单元；信号记录单元设在记录设备上，信号刺激单元设在刺激设备上，记录设备与刺激设备间采用无线通讯；上述设置使得记录设备与刺激设备可以分别放置，相对将信号传递单元全部集成在记录刺激设备上，这种改进设置使用起来更为灵活。具体地，所述MCU11包括第一MCU111与第二MCU112；所述电源电路8包括第一电源电路81和第二电源电路82。信号记录单元包括所述信号传递单元的放大电路4、ADC采集电路5、第一MCU111和第一电源电路81；所述信号刺激单元包括所述信号传递单元的第二MCU112、控制按键7、EMS刺激输出9和第二电源电路82。

无线通讯包含信号发送模块14和信号接收模块15，信号发送模块14设在记录设备上并与第一MCU111连接，用于将第一MCU111通过SPI通讯接收ADC采集电路5的信号后，MCU111进行处理，将要执行的指令发送给UART串口，UART串口后接信号发送模块14发出的信号传递给刺激设备。信号接收模块15设在刺激设备上并通过DAC转换器与EMS刺激输出9连接，信号接收模块15用于接收来自所述信号发送模块14的指令。所述EMS刺激输出9通过DAC转换器接收所述第二MCU112传递的可变电压信号以产生所需要的电流信号输出。具体地，所述信号发送模块14采用蓝牙通讯发送方式给信号接收模块15发送指令；信号接收模块15采用蓝牙通讯接收方式用于识别处理来自于信号发送模块14的指令。

所述第一电源电路81设在记录设备上，第一电源电路81分别连接放大电路4、ADC采集电路5、第一MCU111和信号发送模块14；记录设备设有用第一电源电路81供电的锂电池和给记录设备上锂电池充电的充电接口。第一电源电路81通过升降负压芯片以及相关外围电路产生±3.3V、±5V供电。

所述第二电源电路82设在刺激设备上，第二电源电路82分别连接第二MCU112、DAC转换器、EMS刺激输出9和信号接收模块15；刺激设备设有用第二电源电路82供电的锂电池和给刺激设备上锂电池充电的充电接口。第二电源电路82通过升降负压芯片以及相关外围电路产生±3.3V、±5V以及高压90V供电。

第一MCU111可以采用STM32L072CBT6或STM32L100R8T6等低功耗芯片（不限于此两款芯片）以及外围电路。所述第一MCU111内部集成设有SPI通讯接口以及UART串口，用于识别到运动关联特征中所产生的动作电位信号后，通过无线发出指令给到第二MCU112。在无线通讯中，第一MCU111需要用到SPI通讯接口和UART串口。

第二MCU112可以采用STM32L072CBT6或STM32L100R8T6等低功耗芯片（不限于此两款芯片）以及外围电路。所述第二MCU112内部设有UART串口，用于接收来自信号接收模块15的指令，产生相应刺激。另一方面通过外部中断实时响应用户按钮信号，对刺激信号的幅值、频率以及不同的刺激模式进行调节。第二MCU112通过外部触发的方式实时响应用户指令，通过对控制按键7单击、长按来调节电流幅值以及刺激模式。

所述第二MCU112的低功耗芯片内部设有双路12位DAC转换器，输出幅度可变波形，所述第二MCU112亦可外接精度更高的DAC芯片。

在记录设备与刺激设备上分别配置蜂鸣器。记录设备上的蜂鸣器用来检测记录设备电量情况；刺激设备上的蜂鸣器一方面响应使用者的操作，另一方面也用来检测刺激设备的电量情况。

在记录设备与刺激设备上分别配置指示灯。记录设备上的指示灯连接记录设备的充电管理芯片，进行充电检测，充电检测指示灯在充电过程中持续点亮，在充满后熄灭。刺激设备上的指示灯分为充电检测指示灯和设备工作状态检测指示灯，充电检测指示灯连接刺激设备的充电管理芯片，进行充电检测，充电检测指示灯在充电过程中持续点亮，在充满后熄灭；刺激设备的设备工作状态检测指示灯连接第二MCU112的IO口，配合蜂鸣器一起使用，在执行相应的操作时通过闪烁来提醒使用者，当前操作已完成。

所述刺激电极贴1选择凝胶电极贴、PET自粘电极片、硅胶自粘电极片、水凝胶自粘电极片或金属干电极；所述记录电极贴2选择凝胶电极贴、PET自粘电极片、硅胶自粘电极片、水凝胶自粘电极片或金属干电极。作为优选，刺激电极贴1和记录电极贴2均优选凝胶电极贴，可极大减少皮肤表层的阻抗。

所述生物电信号包括眼电信号和咬牙所发出的动作信号中的一种或多种，即可以将眼电信号和咬牙所发出的动作信号中的任意一种作为需要检测的信号，甚至为了更好的使用效果，同时采集眼电信号和咬牙所发出的动作信号。

本发明的工作原理是：将可以采集生物电信号的记录电极贴2贴附在病人的前额部，刺激电极贴1贴附在患肢肌肉处，患者通过相对应侧的眼睛进行眨眼动作和/或进行咬牙动作。该生物电信号传给放大电路处理后，传递给主控芯片，主控内置有算法程序，一旦识别到运动关联特征中所产生的动作电位信号后，通过有线通讯或无线通讯发出指令给到EMS刺激输出，EMS刺激输出接收到该指令后发出一串能够诱发神经肌肉兴奋的微电流信号，诱发肌肉收缩，患者最终可以完全主动实现肢体的收缩行为。

显然，上述描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，本领域的技术人员对本发明不经创造性的变动，均应属于本发明的保护范围。