本发明专利技术公开了一种基于肌电信号通信机理的瘫痪肢体功能重建方法及其装置。该重建装置包括探测电极阵列、信号处理电路、通信信道、激励生成电路和刺激电极阵列。所述的探测电极阵列采用多个探测电极和一个共用参考电极的单端形式，或采用两两配对的差动形式。本发明专利技术具有电路简单、器件体积小、功耗低、成本低、有利于推广应用的特点，可用于任何需要动作功能重建的场合，包括脊髓损伤的瘫痪病人动作功能重建，中风导致的偏瘫病人动作功能重建，健康人的动作训练等等。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于肌电信号通信机理的瘫痪肢体功能重建方法及其装置，属于康复医学和电子科学的交叉领域。
技术介绍
瘫痪病人肢体动作功能的丧失给他们自身及家庭乃至社会带来巨大的痛苦和负担。瘫痪肢体动作功能的重建，一直是康复医学重点研究的目标。多年以来，国内外的科学家们为瘫痪病人设计了众多控制肢体动作的功能电刺激装置，主要分为植入式的和非植入式两大类。植入式无可避免地为患者带来手术的困扰，而非植入式的功能电刺激由于通道数目少，无法达到精确的控制。重要的是，无论是植入式的还是非植入式的刺激系统，由于对各种动作的神经及肌电编码的认知缺失，只能通过构想的人工脉冲编码作为控制信号产生简单重复的肢体动作，这些动作和正常人肢体动作的自由度和和谐度相去甚远。由于健康肢体肌 电信号真实反映着实时的肌肉活动方式，利用健康肢体动作时产生的肌电信号作为参照生成多通道的刺激信号，就弥补了现有功能电刺激系统的缺陷。除上述针对瘫痪病人康复医学的应用，在体育运动员的训练，钢琴等乐器的练习和各种器械的操作训练等过程中，动作的准确复制和重建也有着重大的意义。设想一下，如果能够摆脱难以理解的口头传授的动作要领，精确的做出教练和老师要求的标准技术动作，无疑节省了大量的训练时间，更快地培养出优秀的运动员、演奏家、技术人员和熟练工人。在ZL 200510135541.6的专利技术专利中，提出了 “微电子系统辅助神经信道功能恢复方法及其装置”，用于受损脊髓神经的信道桥接、信号再生和功能重建。这一专利要处理的是动作和感觉的神经电位脉冲序列(编码)。该专利技术专利的特征是1)应用目标是同体受损的脊髓神经，2)采用近距离有线的生物神经-电子接口，3)装置需要手术植入。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于肌电信号通信机理的瘫痪肢体功能重建方法及其装置，将采集到的健康肢体动作时产生的多通道肌电信号，经过信号处理，以有线或无线的通信方式传送至瘫痪肢体上的功能电激励系统，利用刺激波形生成算法生成多通道的刺激电信号，施加于穿戴在瘫痪肢体上的刺激电极阵列，产生与肌电信号采集肢体相似的和谐动作，达到瘫痪肢体动作功能重建的目的。本专利技术为解决其技术问题采用如下技术方案一种基于肌电信号通信机理的瘫痪肢体功能重建装置，由探测电极阵列、信号处理电路、通信信道、激励生成电路和刺激电极阵列顺序连接而成，其中所述的探测电极阵列包括探测电极和参考电极；所述的信号处理电路由缓冲隔离器、滤波器、放大器和A/D转换电路顺序连接而成，所述的通信信道由信号调制电路、无线发射电路、无线接收电路和信号解调电路顺序连接而成，所述的激励生成电路由基于微处理器的控制电路、D/A转换电路、信号隔离电路、极间耦合滤波网络和激励输出电路顺序连接而成，所述的刺激电极阵列包括正向激励输出端子和负向激励输出端子；探测电极阵列中的探测电极与信号处理电路中的缓冲隔离器的正输入端连接，参考电极与信号处理电路的缓冲隔离器的负输入端相连，信号处理电路中的A/D转换电路与通信信道的信号调制电路连接或者信号处理电路中的A/D转换电路与激励生成电路的控制电路连接，激励生成电路中的激励输出电路的正、负输出端分别与刺激电极阵列中的正向激励输出端子和负向激励输出端子连接。所述的探测电极阵列采用多个探测电极和一个共用参考电极的单端形式，或采用两两配对的差动形式。所述的探测电极阵列采用单端对地时，各通道共用一个参考电极，此时参考电极应放置在关节等无肌电信号位点附近，激励用多通道体表刺激电极的各正向和负向输出电极点中心距离不超过5cm，电极导体与皮肤接触面积小于1cm2，沿特定肌肉走向设置，正向输出电极位点的中心位于某一肌肉刺激敏感处，该敏感处的具体位置根据被刺激对象的实际情况通过激励实验方法确定，当某些特定肌肉需要的刺激强度较高时，将多个通道的输出电极置于同一肌肉上并同时输出相同刺激信号以提高刺激强度。所述的滤波器包括RC低通滤波网络和高通滤波网络，RC低通滤波网络滤除高频 信号的干扰，高通滤波网络抑制由电极接触和呼吸等因素产生的低频干扰。本专利技术的有益效果如下I)目前用于动作功能重建的功能性电激励方法都采用人工编制的脉冲序列进行刺激。这种控制方式是根据动作解剖学的知识通过人们构想的动作方式生成相对规则的刺激脉冲序列刺激多块肌肉来实现的。实际动作过程中的肌肉组合，不仅有时序关系，还有强弱关系，只靠简单的脉冲组合刺激产生的动作和正常人肢体动作的自由度与和谐度相去较远。而本专利技术则从另一个方面为刺激波形的生成提供了参考，因为肌电信号是诱发其生成的神经信号的一种直接映射，是反映肌肉活化程度的一个重要参考，以其作为参考的刺激波形不仅包含了时序关系，空间关系，也包含了活化程度的强弱关系，以此为基础的多通道功能电刺激在实现肢体动作的自由度和和谐度方面比现有人工编码技术大有提高。2)目前，用于动作功能重建的功能性电激励方法都采用人工编制的脉冲序列进行刺激，这种刺激脉冲的频率和占空比单一，而实际的肌肉在动作中可通过调节动作电位爆发频率和序列密度来调整肌肉的力量并减少肌肉疲劳。使用现有的单一频率和占空比的刺激脉冲，使得所有肌肉按照相同的刺激强度来活化，效率较低且肌肉易产生疲劳，不适合长时间使用。而本专利技术采用的刺激波形根据探测到的肌电信号来产生，刺激能量密度可根据动作中肌电信号强弱变化进行调整，从原理上来说，这种刺激波形相比于原来较为单一的刺激波形能够更接近实际情况使肌肉活化同时降低肌肉的动作疲劳，使系统的持续使用时间得到提闻。3)目前，用于临床的动作功能重建的功能性电激励系统使用的电极都为体积较大的体表干电极，其选择性较差，激励时导致多块肌肉同时活化，故动作无法精细控制。本装置中采用的多通道体表刺激电极阵列各正向和负向输出电极点中心距离不超过5cm，电极导体与皮肤接触面积小于1cm2，沿特定肌肉走向设置，正向输出电极位点的中心位于某一肌肉刺激敏感处，该敏感处的具体位置根据被刺激对象的实际情况而定。当某些特定肌肉需要的刺激强度较高时，可将多个通道的输出电极置于同一肌肉上并同时输出相同刺激信号以提高刺激强度。在提高刺激效率的同时，由于每一通道的电极接触点较小，肌肉选择性将明显增强。4)由于本专利技术的肢体运动功能再生方法实现的基本上是主动肢体脉冲式动作电位到被动肢体一一对应的脉冲式动作电位的探测、处理、传递和激励的过程，不涉及激励脉冲的人工生成和参数调整等硬件和软件，具有电路简单、器件体积小、功耗低、成本低、有利于推广应用的特点。5)本专利技术可用于任何需要动作功能重建的场合，包括脊髓损伤的瘫痪病人动作功能重建，中风导致的偏瘫病人动作功能重建，健康人的动作训练等等。本专利技术采用有线或无线的方式传输刺激波形信号，相比于ZL200510135541.6的专利技术专利中神经信号仅仅是跨过受损的脊髓实现功能的重建与 再生，使得动作控制的距离大大增加。同时与ZL200510135541. 6的专利技术专利及ZL201020135844. 4的技术专利比较，前两种专利所述系统不管是探测电极还是激励电极都需要手术进行植入，而本专利技术只需表面电极就可实现动功能的重建，大大降低了系统使用复杂性，可更快地投入到临床用途当中。6)本专利技术具有广泛的应用领域在医疗康复领域，可以将该装置应用于一个健康人(如医本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于肌电信号通信机理的瘫痪肢体功能重建装置，其特征在于由探测电极阵列、信号处理电路、通信信道、激励生成电路和刺激电极阵列顺序连接而成，其中所述的探测电极阵列包括探测电极（21）和参考电极（22）；所述的信号处理电路由缓冲隔离器（31）、滤波器（32）、放大器（33）和？A/D转换电路（34）顺序连接而成，所述的通信信道由信号调制电路（41）、无线发射电路（42）、无线接收电路（43）和信号解调电路（44）顺序连接而成，所述的激励生成电路由基于微处理器的控制电路（51）、D/A转换电路（52）、信号隔离电路（53）、极间耦合滤波网络（54）和激励输出电路（55）顺序连接而成，所述的刺激电极阵列包括正向激励输出端子（61）和负向激励输出端子（62）；探测电极阵列中的探测电极（21）与信号处理电路中的缓冲隔离器（31）的正输入端连接，参考电极（22）与信号处理电路的缓冲隔离器（31）的负输入端相连，信号处理电路中的A/D转换电路（34）与通信信道的信号调制电路（41）连接或者信号处理电路中的A/D转换电路（34）与激励生成电路的控制电路（51）连接，激励生成电路中的激励输出电路（55）的正、负输出端分别与刺激电极阵列中的正向激励输出端子（61）和负向激励输出端子（62）连接。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王志功，吕晓迎，周宇轩，黄宗浩，徐建，罗寅，
申请(专利权)人：东南大学，南京神桥医疗器械有限公司，
类型：发明
国别省市：
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