專利名稱：一種結合功能性電刺激和機器人的康復訓練系統和訓練方法
技術領域：
本發明涉及輔助醫療康復訓練設備領域，尤其涉及一種結合功能性電刺激和機器 人用于給患者關節提供康復訓練的系統和訓練方法。
背景技術：
功能性電刺激(Functional electrical stimulation，簡稱FES)能夠通過電流人 工刺激指定的肌肉組織，從而引起肌肉收縮，這樣可以訓練肌肉力量和產生感覺反應并反 饋給大腦，以使促進神經肌肉運動功能的重塑。康復機器人(robot)系統能夠提供外部機械支持給身體部分，如偏癱側肢體部 分，幫助患者訓練相應的肢體運動，以使提高相關的感覺運動功能。所述FES和康復機器人 都用于殘疾人的康復。然而，現有技術中大部分FES和robot系統通常以被動方式應用于癱瘓肢體的治 療，比如說，來自FES或robot的輔助支持不是和自主運動意識直接相關的。依據神經康 復理論，有自主意識參于下的肢體康復訓練比被動的肢體運動更有利于神經肌肉功能的重 塑。雖然一些FES和機器人系統含有自主運動觸發輸入，如利用肌電或扭矩來表征自主運 動，然而，這些系統僅使用自主運動輸入作為觸發信號去啟動系統的輔助支持，系統啟動后 的輔助支持不再和自主運動意相關；同時，此類FES或機器人提供的訓練任務往往以被動 的方式由程序設定，而不能在執行訓練任務時提供實時連續的人機交互。在傳統的FES系 統中，在刺激和肌肉收縮之間存在有反應時差，并且大部分的FES系統一般也采用預編程 的被動訓練運動方式，缺乏實時人機交互?，F有的FES技術中，一對FES電極只可有效刺激 一塊目標肌肉。如果指定訓練任務中包括了多塊肌肉或多個肌肉群，那么在僅用FES作為 訓練手段的系統中對于電極數目以及電極尺寸要求就會增加；同時，如果FES所引起的肌 肉收縮力度不足以便肢體完成指定訓練動作所要求的位置或速度(例如對于有肌肉萎縮 的患者)，那么其訓練效果也會受到影響。因為，成功完成目標動作對于肢體運動感覺的恢 復是重要的。機器人在訓練任務中可以給偏癱肢體提供外源性的機械支持，這就可避免在 FES訓練系統中由于患側肌力不足而無法完成訓練任務的現象；而且機器人在被測的生物 反饋信號和電動刺激器之間不存在長時間的反應時間。然而與FES訓練模式相比較，在單 純的機器人輔助訓練中，系統是通過關節點來訓練相應的肌肉組，但是這種訓練不能針對 具體某一塊肌肉，如在肌肉訓練的選擇性上比FES性能低。由于機器人系統使用外部電機 去提供輔助力量而不是利用人體本身的肌肉系統，雖然這樣在完成訓練動作的質量上會優 于FES，但是在長期的肌力訓練效果上會不如FES那樣直接利用病人自己的肌肉產生輔助 力量。FES所引起的肌肉收縮也可以刺激肌肉內的感覺傳入神經并將來自身體內的自然感 知刺激反饋給中樞神經系統。這種由FES引起的感覺通路的強化在訓練期間可以幫助神經 通路的重建及運動功能再學習。目前，FES和機器人在康復訓練應用中都是獨立的系統，還 沒有結合這兩種系統來對患者關節進行康復訓練的裝置和訓練方法。
發明內容
本發明的一個目的是提供一種結合FES和Robot兩種功能的康復訓練系統，以使 能夠更好地幫助患者進行康復訓練。為了實現上述目的，本發明提供一種結合功能性電刺激和機器人的康復訓練系 統，所述系統包括功能性電刺激部件、機器人部件、以及分別與功能性電刺激部件和機器人 部件相連接的控制單元；其中所述功能性電刺激部件，設有多個肌電電極陣列、多個FES電極陣列和多個 通道FES發生器；其中所述機器人部件，設有提供輔助扭矩支持的機械臂、帶動機械臂進行旋轉運 動的電動機；其中所述控制單元，接收所述肌電電極陣列所感應到的生物電信號，按照功能性 電刺激部件與機器人部件輔助比例可調的模式或追蹤誤差閾值可調模式，實時控制所述功 能性電刺激部件和所述機器人部件，使所述功能性電刺激部件中的FES發生器通過FES電 極陣列刺激患者關節相應肌群，以及使所述機器人部件提供給患者關節輔助扭矩。根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述功能性電刺激部件與機器人部件 輔助比例可調的模式為所述控制單元按照公式(1)控制所述功能性電刺激部件和所述機 器人部件提供給患者關節輔助支持Ass(FES，robot) = a*Ass(FES)+b*Ass(Robot)(1)其中Ass(FES)為所述功能性電刺激部件提供給患者關節的輔助支持， Ass (robot)為所述機器人部件提供給患者關節的輔助支持，a和b為電刺激部件和機器人 部件預先定義的輔助百分值。所述追蹤誤差閾值可調模式為所述控制單元依據公式(2)選擇性地并行控制或 單獨控制電刺激部件和機器人部件提供給患者關節輔助支持
\ Ass(FES),Error < Threshold , ^、Ass{FES,robot) = \(2)其中，Ass(FES)為功能性電刺激部件提供給患者關節的輔助支持，Ass (robot)為 機器人部件提供給患者關節的輔助支持，a和b為電刺激部件和機器人部件預先定義的輔 助百分值，Error是追蹤患者關節訓練目標值和實際值之間的誤差值，Threshold是用來判 定選擇性地開啟輔助支持的誤差閥值。所述功能性電刺激部件提供給患者關節輔助支持定義為
圳爾) = Ρ“C3)
l、ax*M￡+/re 在伸展追蹤階段其中，Ass (FES)是到達患者關節相應肌群的輔助激勵電流，Imax是最大施加到對抗 肌上的激勵電流，Itf與Ite是分別作用于屈肌與伸肌上引起肌肉收縮的閾值電流。
定義為公式⑷
,, EMGfif -EMGk,」、Mm=J(4)
EMGmax-EMGr
7
其中，EMGf7e是患者關節對應肌群在訓練追蹤期間彎曲或伸展追蹤階段的生物電 信號，EMGk是肌肉在靜息狀態時的平均生物電信號，以及EMGmax是肌肉在等長主動收縮期間 的最大生物電信號。所述機器人部件提供給患者關節的輔助扭矩定義為
權利要求
一種結合功能性電刺激和機器人的康復訓練系統，其特征在于，所述系統包括功能性電刺激部件、機器人部件、以及分別與功能性電刺激部件和機器人部件相連接的控制單元；其中所述功能性電刺激部件，設有多個肌電電極陣列、多個FES電極陣列和多個通道FES發生器；其中所述機器人部件，設有提供輔助扭矩支持的機械臂、帶動機械臂進行旋轉運動的電動機；其中所述控制單元，接收所述肌電電極陣列所感應到的生物電信號，按照功能性電刺激部件與機器人部件輔助比例可調的模式或追蹤誤差閾值可調模式，實時控制所述功能性電刺激部件和所述機器人部件，使所述功能性電刺激部件中的FES發生器通過FES電極陣列刺激患者關節相應肌群，以及使所述機器人部件提供給患者關節輔助扭矩。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述功能性電刺激部件與機器人部件輔 助比例可調的模式為所述控制單元按照公式(1)控制所述功能性電刺激部件和所述機器 人部件提供給患者關節輔助支持Ass(FES, robot) = a*Ass(FES)+b*Ass(Robot)(1)其中Ass(FES)為所述功能性電刺激部件提供給患者關節的輔助支持，Ass (robot)為 所述機器人部件提供給患者關節的輔助支持，a和b為電刺激部件和機器人部件預先定義 的輔助百分值。
3.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述追蹤誤差閾值可調模式為所述控制 單元依據公式(2)選擇性地并行控制或單獨控制電刺激部件和機器人部件提供給患者關 節輔助支持 Ass(FES),Error < ThresholdAss{FES,robot) = \ V ^(2)[a* Ass(FES) + b* Ass(robot) Error > Threshold其中，Ass(FES)為功能性電刺激部件提供給患者關節的輔助支持，Ass (robot)為機器 人部件提供給患者關節的輔助支持，a和b為電刺激部件和機器人部件預先定義的輔助百 分值，Error是追蹤患者關節訓練目標值和實際值之間的誤差值，Threshold是用來判定選 擇性地開啟輔助支持的誤差閥值。
4.根據權利要求1-3任意一項所述的系統，其特征在于，所述功能性電刺激部件提供 給患者關節輔助支持定義為▲料(3)Kax ^ii +Α·. 在伸展追蹤階段其中，Ass (FES)是到達患者關節相應肌群的輔助激勵電流，Imax是最大施加到對抗肌上 的激勵電流，Itf與Ite是分別作用于屈肌與伸肌上引起肌肉收縮的閾值電流。Mf和Me定義 為公式(4)M EMGflli-EMGli(4)EMG隱-EMGr其中，EMGf7e是患者關節對應肌群在訓練追蹤期間彎曲或伸展追蹤階段的生物電信號， EMGe是肌肉在靜息狀態時的平均生物電信號，以及EMGmax是肌肉在等長主動收縮期間的最大生物電信號。
5.根據權利要求1-3任意一項所述的系統，其特征在于，所述機器人部件提供給患者關節的輔助扭矩定義為\TF*MF 在彎曲追蹤階段…Assirobot)-^^ 在伸展追蹤階段⑴其中，Ass (robot)表示為在追蹤目標彎曲階段或者伸展階段電動機產生的輔助扭矩； Tf和Te分別是患者在肌肉等長收縮期間的扭矩的最大值Me定義為公式(6) EMGfie-EMGr⑷EMGuax-EMGr其中，EMGf7e是患者關節對應肌群在訓練追蹤期間彎曲或伸展追蹤階段的生物電信號， EMGe是肌肉在靜息狀態時的平均EMG信號，以及EMGmax是肌肉在等長主動收縮期間的最大 生物電信號。
6.根據權利要求1-3任意一項所述的系統，其特征在于，所述機器人部件提供給患者 關節多處肌肉的輔助扭矩定義為Ass(Robot)=Σ 0,·ΤΡ|,·ΜΡ| ,在彎曲階段‘；'(7)Σ ^·Τε|ι·Με|ι,在伸展階段其中，i表示肌肉的名稱，Ass (robot)表示為在追蹤目標彎曲階段或者伸展階段電動 機對多處關節產生的輔助扭矩而為機器人肌肉附助系數，表示肌肉i的貢獻，范圍在一 1 到1之間；TE|i和TF|i分別是患者肌肉i在肌肉等長收縮期間的扭矩的最大值；MF|i和ME|i定 義為公式⑶EMGrn , -EMGol,、Mnpl.-——^-^(8)“4 EMGMAxrEMGR]i其中，EMGF/E|i是患者關節肌肉i在訓練追蹤期間彎曲或伸展追蹤階段的生物電信號， EMGeu是肌肉i在靜息狀態時的平均生物電信號，以及EMGtttxli是肌肉i在等長主動收縮期 間的最大生物電信號。
7.根據權利要求1-3任意一項所述的系統，其特征在于，所述功能性電刺激部件提供 給患者關節多處肌肉的輔助支持定義為Ass(FES)=YKr在彎曲階段‘1(9)Σ^+^v 在伸展階段其中，Imaxii,是施加到收縮肌i上的最大激勵電流；Ki為電刺激肌肉附助系數，表示肌 肉i的權重，范圍在-1到1之間；ITF|I和ITE|i分別為在彎曲或伸展階段加在收縮肌i上引 起肌肉收縮的閾值電流;MF|i和ME|i定義為公式(10)EMGripl- - EMGlfl, 、Mnn 二~~^-1(10)/:丨’EMGmax1i-EMGr1i其中，EMGF/E|i是患者關節肌肉i在訓練追蹤期間彎曲或伸展追蹤階段的生物電信號，EMGeu是肌肉i在靜息狀態時的平均生物電信號，以及EMGtttxli是肌肉i在等長主動收縮期 間的最大生物電信號。
8.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述系統還包括肌電信號處理部件和數 據采集部分，其中所述肌電電極陣列感應到的生物電信號通過所述肌電處理部件進行全波 整流放大和濾波后，再通過所述數據采集部分輸入到控制單元。
9.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述機器人部件還包括連接在機械臂和 電動機之間的扭矩傳感器和角度傳感器，用來測量患者關節所產生的扭矩和角度信號。
10.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述生物電信號是一組包括肌電圖EMG 信號、肌動圖MMG信號、腦電圖EEG信號、神經電圖ENG信號中的任意一種。
11.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述系統進一步地包括與控制單元相連 的存儲器和人機界面部分，所述存儲器用于存儲控制單元所獲得的訓練期間有關執行情況 的相應信號；所述人機界面部分用來實時顯示訓練的執行情況，并提供給感官反饋給用戶。
12.根據權利要求11所述的系統，其特征在于，所述有關執行情況的相應信號為輔助 扭矩信號、角度信號、扭矩或者生物電信號。
13.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述輔助扭矩是與患者想要運動方向一 致的輔助力矩，或者是與患者想要運動方向相反的阻力力矩。
14.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述系統還包括干擾抑制部件，用于將 所述肌電電極感應到的生物電信號中的干擾信號去除。
15.一種結合功能性電刺激和機器人的康復訓練方法，其特征在于，所述方法采用權利 要求1所述的系統根據下列步驟對患者關節進行訓練肌電電極陣列從患者相關肌肉群中感應獲取生物電信號，并傳輸給控制單元；控制單元根據所述生物電信號，按照功能性電刺激部件與機器人部件輔助比例可調的 模式或追蹤誤差閾值可調模式，實時控制所述功能性電刺激部件和機器人部件，使所述功 能性電刺激部件刺激患者關節相應肌群和所述機器人部件提供給患者關節輔助扭矩。
16.根據權利要求15所述的康復訓練方法，其特征在于，所述控制單元按照功能性電 刺激部件與機器人部件輔助比例可調的模式控制所述功能性電刺激部件和機器人部件進 一步包括下列步驟預先設定功能性電刺激部件與機器人部件的輔助比例和訓練動作達標值；所述控制單元按照輔助比例分別控制所述功能性電刺激部件和機器人部件開始訓練；若訓練動作達到所述訓練動作達標值，則降低所述功能性電刺激部件與機器人部件的 輔助支持，否則維持原有的輔助設定；其中所述功能性電刺激部件與機器人部件輔助比例可調的模式為所述控制單元按照 公式(11)中的a和b值來控制所述功能性電刺激部件和機器人部件Ass(FES,robot) = a*Ass(FES)+b*Ass(Robot)(11)其中Ass(FES)為所述功能性電刺激部件提供給患者關節的輔助支持，Ass (robot)為 所述機器人部件提供給患者關節的輔助支持，a和b為功能性電刺激部件和機器人部件預 先設定的輔助百分值。
17.根據權利要求15述的康復訓練方法，其特征在于，所述控制模式按照追蹤誤差閾值可調模式控制控制所述功能性電刺激部件和機器人部件進一步包括下列步驟 預先設定追蹤誤差閾值和和訓練動作達標值；所述控制單元按照輔助比例分別控制所述功能性電刺激部件和機器人部件開始訓練；若訓練動作達到所述訓練動作達標值，則降低所述功能性電刺激部件與機器人部件的輔助支持，否則維持原有的輔助設定；其中所述追蹤誤差閾值可調模式為所述控制單元按照公式(12)中的誤差閾值Threshold來控制所述功能性電刺激部件和機器人部件
全文摘要
本發明提出一種結合功能性電刺激和機器人的康復訓練系統及訓練方法。所述系統包括功能性電刺激部件、機器人部件、以及分別與功能性電刺激部件和機器人部件相連接的控制單元；其中所述控制單元，接收生物電信號，按照功能性電刺激部件與機器人部件輔助比例可調的模式或追蹤誤差閾值可調模式，實時控制所述功能性電刺激部件和所述機器人部件，使所述功能性電刺激部件刺激患者關節相應肌群，以及使所述機器人部件提供給患者關節輔助扭矩。本發明可以應用于漸進交互式肘關節，腕關節，膝關節，踝關節，和肩關節的康復，幫助患者在改善的運動空間里進行主動康復訓練，極大地加快患側關節的運動功能恢復。
文檔編號A61B5/0488GK101961527SQ200910158210
公開日2011年2月2日 申請日期2009年7月21日 優先權日2009年7月21日
發明者李睿, 湯啟宇, 胡曉翎 申請人:香港理工大學