一种基于电极阵列的刺激位置优化系统及方法

技术领域

本申请涉及辅助医疗康复训练领域，尤其涉及一种基于电极阵列的功能性电刺激康复系统及方法。

背景技术

脑卒中是一种急性脑血管疾病，由于脑部血管阻塞或血管破裂导致血液不能流入大脑造成脑组织损伤。肢体功能障碍是脑卒中最常见的后果之一，患者会出现不同程度的偏瘫、肌张力异常、协调障碍、肌肉萎缩等情况，严重影响患者的正常生活。

功能性电刺激(FES)是脑卒中常用的治疗方法，利用一定强度的低频脉冲电流，通过预先设定的程序刺激目标肌肉的支配神经，诱发肌肉收缩，用来替代或矫正肢体已丧失的功能。理论上，接近肌肉运动点的刺激可以增加每单位刺激强度的肌肉力量输出，同时减少患者的不适感。因此，在肌肉的最佳刺激位置如肌肉运动点进行康复训练能够增加收缩强度，减少刺激强度，从而产生更有效和舒适的肢体运动，提高康复效果。

目前商用的FES系统主要使用两对大电极，能够驱动两组肌肉，然而传统的电极片有两个明显的缺陷，一是贴附位置固定，难以确定最佳刺激位置；二是面积较大，刺激会溢出到附近的肌肉，导致患者出现不适感，也不利于实现功能目标。

因此，应考虑合适的电极尺寸和电极相对于底层骨骼肌的放置位置，在功能性电刺激的过程中确定最佳刺激位置，实现精确的运动控制，达到最佳刺激效果是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对目前商用FES系统的不足，提供一种基于电极阵列的刺激位置优化系统及方法，能够在电刺激过程中根据阵列内不同个数的电极组合方式自动切换刺激位置，从而确定患侧肌肉的最佳刺激点，获得最大的刺激效果。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于电极阵列的刺激位置优化系统，包括上位机、多通道电刺激器、电极阵列、角度传感器、电源模块；

所述上位机作为控制中心，用于运行控制程序，发送控制信号至所述多通道刺激器对患侧肌肉施加电刺激，接收患侧肌肉在电刺激过程中由所述角度传感器测量得到的反馈信息，并与用户通过人机交互界面调整刺激参数、监控肌肉运动信息；所述控制程序包括：初始设置、最大阈值记录、切换电极位置以及监控运动信息；所述刺激参数包括：采样频率、脉冲宽度、波形选择和电极个数；

所述多通道刺激器与所述上位机通过蓝牙无线连接；所述多通道刺激器包括：电源接口、升压模块、蓝牙通讯模块、控制器、多通道信号发生模块、多通道输出接口及安全检测和保护模块；所述电源接口与所述电源模块连接，用于为所述控制器提供所需低压电源，并通过所述升压模块为所述多通道信号发生模块提供高压电源；所述控制器用于通过所述蓝牙通讯模块接收控制信号，控制所述多通道信号发生模块产生特定频率、脉宽的刺激信号；所述多通道输出接口通过排线与所述电极阵列连接，使每个通道的刺激信号传输到相应的位置；所述安全检测和保护模块用于监测系统的工作状态，确保刺激参数在安全范围内，并采取必要的措施以保护患者和设备的安全；

所述电极阵列与所述多通道电刺激器通过排线连接；所述电极阵列包括独立电极和参考电极构成二维分布，用于贴附于目标肌肉上，通过所述上位机的切换电极位置程序改变患侧肌肉的刺激位置；

所述角度传感器固定在患者患肢关节，用于测量在阵列中每个电极组合的刺激下患肢关节的运动角度，实时监测患肢关节的运动状态，并将测量的运动信息反馈到所述上位机中以便调整刺激参数、确定最佳刺激位置；

所述电源模块用于为多通道电刺激器提供稳定的电源，确保整个系统的正常运行。

可选地，所述上位机运行的控制程序包括初始设置、最大阈值记录、切换电极位置以及监控运动信息用MATLAB执行；

所述初始设置程序用于用户初始化刺激参数，包括采样频率、脉冲宽度、波形选择、电极个数和患侧位置；

所述最大阈值记录程序用于记录并存储不同电极个数对应的最大阈值电压与关节运动角度，通过计算单位刺激强度的关节运动角度确定最优电极个数，进而确电极组合方式；

进一步地，所述最大阈值电压定义为上位机输出PWM波，自动逐步增大占空比，当患者感到不适时停止输出，则记录上一次输出幅值作为最大阈值电压；

进一步地，单位刺激强度的关节运动角度＝关节运动角度值/最大阈值电压；

进一步地，电极组合方式有三种模式，包括：单电极模式，双电极模式和四电极模式：

其中，单电极模式为，使用阵列中的一个电极施加电刺激，取该电极构成一组单电极组合方式；

其中，双电极模式为，使用阵列中的两个电极施加电刺激，取一个电极与其右侧横向相邻的电极构成一组双电极组合方式；

其中，四电极模式为，使用阵列中的四个电极施加电刺激，取横向相邻的两个电极与其对应下方的两个电极构成一组四电极组合方式；

所述切换电极位置程序用于输入最优电极个数，根据确定的电极组合方式切换刺激位置，并在每次切换时显示所应用的电极及坐标；

进一步地，切换方式为，针对二维电极阵列，从阵列的左上角开始每组电极组合依次轮流向右移动一个电极单位，当达到行末尾时，转移到下一行的起始位置，继续向右移动，持续这一过程直到达到阵列的右下角，从而实现对其系统性的遍历；

所述监控运动信息程序用于记录并实时显示每次切换刺激位置施加电刺激时患肢关节产生的运动，横坐标为采样时间，纵坐标为角度数值。

可选地，所述控制器使用Arduino单片机。

可选地，所述多通道信号发生器包括多路电压源模块和多路电压放大器；

所述多路电压源模块用于根据控制信号产生特定的频率和脉宽，每个通道可以单独设置；

所述多路电压放大器用于放大电压源产生的电压信号，确保电压的强度和形状符合特定的刺激要求。

可选地，所述电极阵列使用可弯曲折叠的柔性电路板(FPC)制成，包括4*4个独立电极和1个参考电极。

可选地，角度传感器为Biometrics Ltd的无线电子关节测角系统，包括角度传感器和无线接收器；

角度传感器固定在患肢关节；

无线接收器与上位机连接。

一种基于电极阵列的刺激位置优化方法，应用于所述的一种基于电极阵列的刺激位置优化系统；所述的一种基于电极阵列的刺激位置优化方法，包括：

对因脑卒中导致肢体运动障碍的患者，在放松状态下将电极阵列贴附至患侧对应的肌肉处，连接多通道电刺激器，并将角度传感器固定在患肢相应的关节位置，把此时放松状态下的关节角度置零；

在上位机中运行初始设置程序，输入采样频率、脉冲宽度，根据患侧肌肉特点选择方波、三角波和梯形波的一种，并选择患侧的左右位置和欲使用的阵列中的电极个数；

分别应用阵列中的1、2、4个电极对患者进行阈值电压测试，上位机自动实现根据所选刺激参数逐步增大脉冲宽度，通过多通道电刺激器对患者施加电刺激，当患者感到不适时停止输出刺激信号，并记录上一采样时刻的输出幅值作为所选电极个数的阈值电压，在刺激过程中，角度传感器实时测量并记录使用不同电极个数在达到阈值电压时患肢关节产生的运动角度；

通过计算，定义单位刺激强度的关节运动角度最大值对应的电极个数为该患肢的最优电极个数，上位机通过所确定的最优电极个数的排列组合方式切换电极位置，并输出对应的阈值电压，同时，角度传感器实时测量并记录每次切换时患肢关节产生的角度信息；

对记录的每个电极组合施加电刺激时患肢关节的运动角度，生成测试散点图，横坐标为组合序号，纵坐标为阈值电压对应的关节角度，通过比较，确定关节角度最大的电极组合所在的位置为该患肢的最佳刺激位置。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

1.本发明能够在电极放置不精确时根据阵列内不同电极个数的组合方式自动切换电极位置，从而确定患肢的最佳刺激点，最大限度的作用于目标神经系统或肌肉，减少副作用、增强治疗效果。

2.本发明提出的刺激位置优化方法适用范围广，对不同的患者、不同的患侧肌肉选择不同的刺激参数、不同的电极组合模式，都能有效的确定最佳刺激位置，有助于制定个体化治疗方案。

3.本发明提出的刺激位置优化系统结构简单，成本较低，能够更便携、有效的实施患肢功能康复训练，减少所需的电刺激强度和时间，从而提高治疗的经济性。

4.本发明能够与上位机进行通信，能够实时显示并存储刺激数据，方便医护人员实时调整康复方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种基于电极阵列的刺激位置优化系统的结构示意图。

图2为本发明上位机功能模块示意图。

图3为本发明阈值电压测试流程图。

图4为本发明不同个数电极组合方式示意图。

图5为本发明多通道刺激器功能模块示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是针对目前商用FES系统的不足，提供一种基于电极阵列的刺激位置优化系统及方法，能够在电刺激过程中根据阵列内不同个数的电极组合方式自动切换刺激位置，从而确定患侧肌肉的最佳刺激点，获得最大的刺激效果。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明所提供的一种基于电极阵列的刺激位置优化系统，包括：上位机、多通道电刺激器、电极阵列、角度传感器以及电源模块。

所述上位机发送控制信号到多通道电刺激器，由多通道电刺激器控制电极阵列产生特定的刺激信号作用于患者患侧肌肉，在刺激过程中固定在患肢关节的角度传感器实时测量关节的运动角度信息，作为反馈信号传送到上位机中调整刺激参数。

其中，刺激对象为由脑卒中造成神经肌肉损伤，从而导致肢体运动功能障碍的患者，正常的健康人也可在刺激过程中肢体运动不含自主意愿时模拟患者作为刺激对象。

所述上位机可使用安装有MATLAB和Biometrics Ltd分析软件的便携式笔记本电脑，用于运行控制程序，发送控制信号至多通道刺激器对患侧肌肉施加电刺激，接收患侧肌肉在电刺激过程中由角度传感器测量得到的反馈信息，并与用户通过人机交互界面调整刺激参数、监控肌肉运动信息。

具体的，所述控制程序参见图2，由MATLAB运行，包括初始设置、最大阈值记录、切换电极位置以及监控运动信息。

其中，所述初始设置程序为人机交互界面，用户可以设置初始化刺激参数，包括采样频率、脉冲宽度、波形选择、电极个数和患侧位置，一般地，在刺激肱二头肌时，采样频率设置为40Hz，脉冲宽度初始值设置为0，所选用的电极个数提供1、2和4三种选择，根据不同肌肉的电刺激特点，用户可选择方波、三角波和梯形波三种波形，并考虑到所选用的角度传感器在不同弯曲方向时数值有正负，因此用户需选择患侧的左右位置。

其中，所述最大阈值记录程序用于记录并存储不同电极个数对应的最大阈值电压与关节运动角度。最大阈值电压测试流程图参见图3，选择不同的电极个数运行该程序，上位机输出PWM波自动逐步增大占空比，当患者感到不适时停止运行，此时界面显示上一采样时刻的输出幅值作为所选电极个数的最大阈值电压，通过计算单位刺激强度的关节运动角度确定最优电极个数。

其中，所述切换电极位置程序用于根据最优电极个数，通过对应的电极组合方式，上位机根据确定的组合方式实现自动轮流切换刺激位置，并在每次切换时显示所应用的电极位置，即程序绘制出所述电极阵列的示意图，当使用阵列中的电极组合施加电刺激时，所使用的电极高亮显示。

其中，所述监控运动信息程序用于记录并实时显示每次切换刺激位置施加电刺激时患肢关节产生的运动过程，当使用某一电极组合在患肢施加电刺激时，患肢关节由于肌肉收缩会产生一定的运动角度，由所述角度传感器测量得到患肢关节运动角度，在程序界面实时显示，横坐标为采样时间，纵坐标为角度数值。

如图4所示，所述电极组合方式有三种模式，包括：单电极模式，双电极模式和四电极模式：单电极模式为，使用阵列中的一个电极施加电刺激，取该电极构成一组单电极组合方式，用于直接刺激特定的神经或肌肉区域；双电极模式为，使用阵列中的两个电极施加电刺激，取一个电极与其右侧横向相邻的电极构成一组双电极组合方式，用于扩大刺激范围，同时保持相对简单的配置；四电极模式为，使用阵列中的四个电极施加电刺激，取横向相邻的两个电极与其对应下方的两个电极构成一组四电极组合方式，用于更全面地覆盖目标区域，提高刺激的精准度和效果。通过灵活运用这些配置方式，可以更好地满足患者个性化治疗的要求，确保电刺激的最佳效果。

所述切换方式为，针对二维电极阵列，从阵列的左上角开始每组电极组合依次轮流向右移动一个电极单位，当达到行末尾时，转移到下一行的起始位置，继续向右移动，持续这一过程直到达到阵列的右下角，从而实现对其系统性的遍历。

所述多通道电刺激器参见图5，包括：电源接口、升压模块、蓝牙通讯模块、控制器、多通道信号发生模块、多通道输出接口及安全检测和保护模块，这些模块集成在一块PCB板中。

具体的，所述电源接口采用标准USB接口，与电源模块连接，经过EMI和RFI滤波单元，避免刺激器受到外部电源干扰，用于为所述控制器提供所需5V低压电源，并通过所述升压模块为所述多通道信号发生模块提供100V高压电源。所述升压模块使用HRB05200D电源芯片实现5V转100V的DC-DC升压电路。所述控制器使用Arduino Uno单片机，通过串口通信连接HC-05蓝牙模块，使Arduino能够通过蓝牙与上位机进行数据传输和通信，用于控制所述多通道信号发生模块产生特定频率、脉宽的刺激信号。所述多通道信号发送模块包括16通道电压源模块和电压放大器，每个通道可单独控制，施加电刺激时，上位机发出控制信号打开所应用的电极对应的电压源模块，则5V电源电压经过升压模块输出100V电压，经过该通道对应的电压放大器输出特定频率、脉宽和形状的刺激电压。所述多通道输出接口为17通道，连接16通道电压放大器与电极阵列，另一个通道用于连接参考电极，使每个通道的刺激信号传输到相应的位置。所述安全检测和保护模块用于监测系统的工作状态，使用电压传感器检测电路的输入和输出电压，使用电流传感器检测电路的电路情况，确保刺激参数在安全范围内，并使用保护开关当系统故障时切断电路，保护患者和设备的安全。

所述电极阵列使用可弯曲折叠的柔性电路板(FPC)制成，包括4*4个独立电极和1个参考电极构成二维排列，通过排线与所述多通道刺激器连接。电极阵列的整体尺寸为150mm*80mm，基于FPC的可弯折性能够覆盖肱二头肌的整个肌腹。16个独立电极的输入分别连接16通道电压放大器的输出，每个独立电极的尺寸为25mm*15mm，参考电极连接多通道电刺激器的地，尺寸为40mm*20mm。在使用的过程中在每个电极片上覆盖一层电极凝胶，减少电极与皮肤表面的接触电阻，降低刺激，提高使用者的舒适感，通过上位机切换电极位置程序改变患侧肌肉的刺激位置。

所述角度传感器使用Biometrics Ltd的无线电子关节测角系统，包括角度传感器和无线接收器。角度传感器固定在患肢关节上，无线接收机与上位机连接，测量在阵列中每个电极组合的刺激下患肢关节的运动角度。测量数据通过无线接收机传输到上位机的Biometrics Ltd分析软件中，使用MATLAB整合数据。

所述电源模块提供5V稳定电源，用于为多通道电刺激器供电，确保整个系统的正常运行。

以下对本发明的最佳实施方式作进一步详细描述。

招募实验所需若干名实验对象，在实验前获得所有实验对象的书面同意。在参加实验前没有上半身关节问题的病史和神经系统方面的疾病，也没有报告任何上臂肱二头肌的疼痛。在实验开始前24小时内，实验对象的肱二头肌处于放松状态，没有经历长时间的收缩疲劳。

设置串口连接上位机和多通道刺激器，接入电源模块使多通道刺激器处于工作状态，使用排线连接多通道刺激器和电极阵列，将电极阵列用医用胶带贴附至实验对象A左臂肱二头肌的皮肤表面，并在左臂肘关节处固定角度传感器，将实验对象A的小臂放在桌面上。打开Biometrics Ltd分析软件，将实验对象A自然放松状态下角度传感器测量得到的肘关节角度置零。

在上位机中打开MATLAB控制程序，在初始设置程序人机交互界面，针对人体肱二头肌的特点，设置采样频率为40Hz，脉冲宽度置零，由于梯形波的波形相对较为平滑，较三角波和方波更适合模拟肱二头肌的激活状态，因此波形选择梯形波，选择患侧位置为左。

选择电极个数为1，在MATLAB电刺激程序中打开1个电极通道，运行阈值电压测试程序，记录选择1个电极个数时实验对象A左臂肱二头肌所能承受的最大阈值电压，同时记录角度传感器在1个电极阈值电压刺激下测量得到肘关节运动角度。休息1分钟，选择电极个数为2，在MATLAB电刺激程序中打开上一步所选电极与其右侧相邻电极共2个电极通道，运行阈值电压测试程序，记录选择2个电极个数时实验对象A左臂肱二头肌所能承受的最大阈值电压，同时记录角度传感器在2个电极阈值电压刺激下测量得到肘关节运动角度。休息1分钟，选择电极个数为4，在MATLAB电刺激程序中打开上一步所选2个电极与其下侧相邻2个电极共4个电极通道，运行阈值电压测试程序，记录选择4个电极个数时实验对象A左臂肱二头肌所能承受的最大阈值电压，同时记录角度传感器在4个电极阈值电压刺激下测量得到肘关节运动角度。通过计算三次单位刺激强度的关节角度，即关节运动角度值/最大阈值电压，结果显示，针对实验对象A的左臂肱二头肌，使用4个电极片时单位刺激强度的关节角度值最大，则定义实验对象A左臂肱二头肌的最优电极个数为4。

参见图4，4个电极的组合方式有九种，运行切换电极位置程序，输入最优电极个数4，则上位机自动按照图5的组合方式依次轮流控制多通道电刺激器输出9次4个电极对应的最大阈值电压，程序界面高亮所应用的电极位置，每次刺激间隔1分钟。同时，角度传感器实时测量每次刺激时肘关节的运动角度，采集到的数据通过无线接收器发送到BiometricsLtd分析软件中，监控运动信息程序实时获取分析软件中的数据并在界面中进行显示并存储。

在九种组合方式测试完成后，对记录的电极组合-关节角度生成测试散点图，横坐标为九种不同电极组合的序号，纵坐标为电极个数为4时的阈值电压对应的肘关节角度。通过比较，定义关节角度最大的电极组合所在的位置为实验对象A左臂肱二头肌的最佳刺激位置。

作为另一个具体的实施例，应用于上述实施例对应的系统，还提供了一种基于电极阵列的刺激位置优化方法，包括：

S1,对因脑卒中导致肢体运动障碍的患者，在放松状态下将电极阵列贴附至患侧对应的肌肉处，连接多通道电刺激器，并将角度传感器固定在患肢相应的关节位置，把此时放松状态下的关节角度置零；

S2,在上位机中运行初始设置程序，输入采样频率、脉冲宽度，根据患侧肌肉特点选择方波、三角波和梯形波的一种，并选择患侧的左右位置和欲使用的阵列中的电极个数；

S3,分别应用阵列中的1、2、4个电极对患者进行阈值电压测试，上位机自动实现根据所选刺激参数逐步增大脉冲宽度，通过多通道电刺激器对患者施加电刺激，当患者感到不适时停止输出刺激信号，并记录上一采样时刻的输出幅值作为所选电极个数的阈值电压，在刺激过程中，角度传感器实时测量并记录使用不同电极个数在达到阈值电压时患肢关节产生的运动角度；

S4,通过计算，定义单位刺激强度的关节运动角度最大值对应的电极个数为该患肢的最优电极个数，上位机通过所确定的最优电极个数的排列组合方式切换电极位置，并输出对应的阈值电压，同时，角度传感器实时测量并记录每次切换时患肢关节产生的角度信息；

S5,对记录的每个电极组合施加电刺激时患肢关节的运动角度，生成测试散点图，横坐标为组合序号，纵坐标为阈值电压对应的关节角度，通过比较，确定关节角度最大的电极组合所在的位置为该患肢的最佳刺激位置。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。