專利名稱：針對下肢的層級式功能性電刺激康復系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種肢殘人康復醫療技術領域的系統，具體是一種針對下肢的層
級式功能性電剌激康復系統。
背景技術：
功能性電剌激(FES-Functional Electrical Stimulation)利用人工弱電流脈沖 信號剌激癱瘓病人骨骼肌，以期望恢復其受損或喪失的運動功能。最初的應用是以理療為 目的，"功能性"的概念起源于60年代，矯正足部下垂，效果非常理想。近些年，隨著電子計 算機科技的發展，功能性電剌激的應用越來越廣泛，早已突破了單純理療的范疇，其應用包 括對于上肢的屈伸、抓握；對于下肢的站立、行走、騎自行車等。與此同時，高級智能的功能 性電剌激系統也應運而生。當前國際上的很多科研團隊正致力于這方面的研發，比如美國 克里夫蘭FES中心、加拿大多倫多康復工程中心、英國格拉斯哥大學康復工程中心等。
—套完整的功能性電剌激系統通常包括控制器、剌激器和傳感器，其中的核心部 分是控制器，它的作用相當于人類神經系統中的大腦，可根據反饋信息并產生恰當的電脈 沖。在以往傳統的控制器設計中，都是使用一些人工控制算法來實現癱瘓肢體關節對期望 軌跡的跟蹤，比如比例積分微分控制、最優控制、模糊邏輯控制、神經網絡控制、滑模控制等 等。這些功能性電剌激系統的控制器都是外界人工設計的，病人的主觀意識不參與其中，這 在某種程度上大大限制了功能性電剌激系統的"功能性"。 根據神經修復的理念，最理想的康復系統應是搭建從腦部到肌肉的神經信號"橋 梁"人腦一脊髓一骨骼肌(末梢神經)。腦機接口 (BCI-Brain-Computer Interface)是 一種獲取人腦信息的很好手段。但是目前的腦機接口技術，尤其是常用的腦電信號(EEG) 處理水平還非常有限，最多能識別二維平面里的四種狀態(比如前、后、左、右)，腦機接 口與功能性電剌激的聯合應用大多是針對上肢。神經科學已經證實了中樞模式發生器 (CPGCentral Pattern Generator)是存在于動物脊髓中的一種生物神經網絡，負責控制動 物的節律運動(行走、奔跑、游泳、飛翔等)，它無需大腦的支持，可以獨立地為參與節律運 動的肌肉產生期望的激勵模式，中樞模式發生器的功能相當于一個前饋控制器，但又不是 純粹的前饋控制器，反饋信息可以增強其自適應功能。 經對現有文獻檢索發現，中國專利申請號200510126360. 7，名稱為利用腦電波 直接控制功能性電剌激器的方法，該技術提供了一種功能性電剌激器康復系統，腦機接口 與功能性電剌激器直接連接，但是該技術忽略了當前腦電信號的發展水平，可實現性很困 難；該技術沒有考慮脊髓神經網絡的作用，仿生機制在康復效果上有非常重要的作用；且 該康復系統是一種開環系統，沒有反饋信息，不能實現肢體關節對期望軌跡的準確跟蹤，即 不能確保實現正常人的行走步態。

發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中存在的上述不足，提供一種針對下肢的層級式功能性電剌激康復系統。本發明通過仿生技術，實現對脊髓神經網絡抓中樞模式發生器的 功能性復制，為剌激肌肉產生節律模式，實現了對癱瘓病人下肢行走運動的康復性訓練。
本發明是通過以下技術方案實現的 本發明包括腦機接口模塊、中樞模式發生器模塊和功能性電剌激模塊，其中腦 機接口模塊與中樞模式發生器模塊相連傳輸控制指令信息；中樞模式發生器模塊與功能性 電剌激模塊相連傳輸節律運動模式信息；功能性電剌激模塊與人體下肢肌骨系統相連傳輸 弱電流脈沖信號。 所述的腦機接口模塊包括腦電采集單元、預處理單元、特征提取單元、分類識別
單元和信號轉換單元，其中腦電采集單元的輸入端與患者的運動大腦皮層相連傳輸腦電
信號，預處理單元的輸入端與腦電采集單元的輸出端相連傳輸原始腦電信號，特征提取單
元的輸入端與預處理單元的輸出端相連傳輸與想象運動相關的信號，分類識別單元的輸入
端與特征提取單元的輸出端相連傳輸特征值信息，信號轉換單元的輸入端與分類識別單元
的輸出端相連傳輸模式分類結果信息，信號轉換單元的輸出端與中樞模式發生器模塊相連
傳輸控制指令信息，腦機接口模塊的作用是根據腦電信號識別患者運動企圖。 所述的中樞模式發生器模塊包括仿生脊髓神經網絡、穩定性分析單元、參數設定
單元和自適應單元，其中仿生脊髓神經網絡與腦機接口模塊相連傳輸控制指令信息，穩定
性分析單元與仿生脊髓神經網絡相連傳輸神經元的參數和網絡鏈接的權值信息，參數設定
單元與仿生脊髓神經網絡相連傳輸仿生神經網絡的網絡結構、神經元的參數、網絡鏈接的
權值和調節信息，自適應單元的輸入端與功能性電剌激模塊相連傳輸反饋信息，自適應單
元的輸出端與仿生脊髓神經網絡相連傳輸調節信息，仿生脊髓神經網絡與功能性電剌激模
塊相連傳輸節律運動模式信息，中樞模式發生器模塊的作用是由腦電信號觸發，自主地為
行走產生節律控制信號。
所述的功能性電剌激模塊包括電剌激器和反饋電路，其中電剌激器的輸入端
與中樞模式發生器模塊相連傳輸節律性運動模式信息，電剌激器的輸出端與人體下肢肌骨
系統相連傳輸弱電流脈沖信號，反饋電路的一端與電剌激器相連傳輸反饋信息，反饋電路
的另一端與人體下肢肌骨系統相連傳輸反饋信息，功能性電剌激模塊的作用是在中樞模
式控制器模塊的節律信號控制下，產生期望的弱電流脈沖信號，剌激骨骼肌。
與現有技術相比，本發明的有益效果是首先，利用中樞模式發生器模塊，克服了現
有腦機接口技術的局限，降低了對腦電信號處理的要求，使系統的可實現性大大提高，同時中
樞模式發生器符合人體脊髓神經網絡運行機制，從神經修復的角度來說，更有助于患者(腦
卒中、脊髓損傷等)受損神經的可塑性發展，提高康復效果；其次，反饋控制機制使系統實現
閉環控制，增強了系統對外部環境的自適應能力和抗干擾能力，提高了控制效果，也就是使癱
瘓患者能實現與正常人一致的步態康復訓練，這樣會確保康復效果的可信性和有效性。


圖1為實施例的結構原理圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的系統進一步描述本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述
的實施例。 實施例 如圖1所示，本實施例包括腦機接口模塊1、中樞模式發生器模塊2和功能性電 剌激模塊3，其中腦機接口模塊1與中樞模式發生器模塊2相連傳輸控制指令信息；中樞 模式發生器模塊2與功能性電剌激模塊3相連傳輸節律運動模式信息；功能性電剌激模塊 3與人體下肢肌骨系統4相連傳輸弱電流脈沖信號。 所述的腦機接口模塊1包括腦電采集單元5、預處理單元6、特征提取單元7、分 類識別單元8和信號轉換單元9，其中腦電采集單元5的輸入端與運動大腦皮層10相連 傳輸腦電信號，預處理單元6的輸入端與腦電采集單元5的輸出端相連傳輸原始腦電信號， 特征提取單元7的輸入端與預處理單元6的輸出端相連傳輸與想象運動相關的信號，分類 識別單元8的輸入端與特征提取單元7的輸出端相連傳輸特征值信息，信號轉換單元9的 輸入端與分類識別單元8的輸出端相連傳輸模式分類結果信息，信號轉換單元9的輸出端 與中樞模式發生器模塊2相連傳輸控制指令信息，腦機接口模塊的作用是根據腦電信號 識別運動企圖。 所述的腦電采集單元5是美國的Neuroscan腦電采集系統。 所述的中樞模式發生器模塊2包括仿生脊髓神經網絡11、穩定性分析單元12、參 數設定單元13和自適應單元14，其中仿生脊髓神經網絡11與信號轉換單元9相連傳輸 控制指令信息，穩定性分析單元12與仿生脊髓神經網絡11相連傳輸神經元的參數和網絡 鏈接的權值信息，參數設定單元13與仿生脊髓神經網絡11相連傳輸仿生神經網絡的網絡 結構、神經元的參數、網絡鏈接的權值和調節信息，自適應單元14的輸入端與功能性電剌 激模塊3相連傳輸反饋信息，自適應單元14的輸出端與仿生脊髓神經網絡11相連傳輸調 節信息，仿生脊髓神經網絡11與功能性電剌激模塊3相連傳輸節律運動模式信息，中樞模 式發生器模塊2的作用是由腦電信號觸發，自主地為行走產生節律控制信號。
所述的中樞模式發生器模塊2選用的是松岡(Mastuoka)神經振蕩器。
所述的穩定性分析單元12的作用是設定神經元的參數、網絡鏈接的權值，保證 中樞模式發生器模塊2輸出平穩的節律信號。 所述的參數設定單元13的作用是設定仿生脊髓神經網絡11的網絡結構、神經元 的參數、網絡鏈接的權值，調節中樞模式發生器模塊2輸出信號的幅度、相位、頻率和占空 比信息。 所述的自適應單元14的作用是作用是調節仿生脊髓神經網絡11的參數信息， 利用反饋信息賦予仿生脊髓神經網絡11自適應調整功能。 所述的功能性電剌激模塊3包括電剌激器15和反饋電路16，其中電剌激器15 的輸入端與仿生脊髓神經網絡11相連傳輸節律性運動模式信息，電剌激器15的輸出端與 人體下肢肌骨系統4相連傳輸弱電流脈沖信號，反饋電路16的一端與電剌激器15相連傳 輸反饋信息，反饋電路16的另一端與人體下肢肌骨系統4相連傳輸反饋信息，功能性電剌 激模塊3的作用是在中樞模式發生器模塊2的節律信號控制下，產生期望的弱電流脈沖信 號，剌激骨骼肌。 所述的電剌激器15是瑞士的Compex Motion II。
所述的反饋電路16是角度傳感器和足部壓力傳感器。 本實施例的工作過程當癱瘓病人想象下肢開始運動時，Neuroscan腦電采集系統開始采集腦電信號，原始的腦電信號依次經過預處理單元6、特征提取單元7、分類識別單元8被識別出來，再經過信號轉換單元9變成控制指令"開始"，該指令將觸發松岡神經振蕩器，該振蕩器將自主地產生節律信號，這個節律信號調節和控制功能性電剌激模塊3，電剌激器Compex Motion II將產生電脈沖剌激骨骼肌，帶動下肢運動。角度傳感器檢測關節角，足部壓力傳感器檢測應力。反饋信息將傳給中樞模式發生器模塊2以調整節律模式，同時傳給電剌激器Compex Motion II，使該電剌激器進一步調整電脈沖；當癱瘓病人想象運動停止時，將終止運動。 本實施例的優點首先，仿生機制(中樞模式發生器模塊2)的引入帶來兩大優點1)克服了現有腦機接口技術的局限，降低了對腦電信號處理的要求，使系統的可實現性大大提高，2)中樞模式發生器模塊2符合人體脊髓神經網絡運行機制，從神經修復的角度來說，更有助于患者(腦卒中、脊髓損傷等)受損神經的可塑性發展，提高康復效果；其次，反饋控制機制使系統實現閉環控制，增強了系統對外部環境的自適應能力和抗干擾能力，提高了控制效果，也就是使癱瘓患者能實現與正常人一致的步態康復訓練，這樣會確保康復效果的可信性和有效性。
權利要求
一種針對下肢的層級式功能性電刺激康復系統，其特征在于，包括腦機接口模塊、中樞模式發生器模塊和功能性電刺激模塊，其中腦機接口模塊與中樞模式發生器模塊相連傳輸控制指令信息；中樞模式發生器模塊與功能性電刺激模塊相連傳輸節律運動模式信息；功能性電刺激模塊與人體下肢肌骨系統相連傳輸弱電流脈沖信號。
2. 根據權利要求1所述的針對下肢的層級式功能性電剌激康復系統，其特征是，所述 的腦機接口模塊包括腦電采集單元、預處理單元、特征提取單元、分類識別單元和信號轉 換單元，腦機接口模塊根據腦電信號識別患者的運動企圖，其中腦電采集單元的輸入端與 患者的運動大腦皮層相連傳輸腦電信號，預處理單元的輸入端與腦電采集單元的輸出端相 連傳輸原始腦電信號，特征提取單元的輸入端與預處理單元的輸出端相連傳輸與想象運動 相關的信號，分類識別單元的輸入端與特征提取單元的輸出端相連傳輸特征值信息，信號 轉換單元的輸入端與分類識別單元的輸出端相連傳輸模式分類結果信息，信號轉換單元的 輸出端與中樞模式發生器模塊相連傳輸控制指令信息。
3. 根據權利要求1所述的針對下肢的層級式功能性電剌激康復系統，其特征是，所述 的中樞模式發生器模塊包括仿生脊髓神經網絡、穩定性分析單元、參數設定單元和自適應 單元，中樞模式發生器模塊由腦電信號觸發，自主地為行走產生節律控制信號，其中仿生 脊髓神經網絡與腦機接口模塊相連傳輸控制指令信息，穩定性分析單元與仿生脊髓神經網 絡相連傳輸神經元的參數和網絡鏈接的權值信息，參數設定單元與仿生脊髓神經網絡相連 傳輸仿生神經網絡的網絡結構、神經元的參數、網絡鏈接的權值和調節信息，自適應單元的 輸入端與功能性電剌激模塊相連傳輸反饋信息，自適應單元的輸出端與仿生脊髓神經網絡 相連傳輸調節信息，仿生脊髓神經網絡與功能性電剌激模塊相連傳輸節律運動模式信息。
4. 根據權利要求1所述的針對下肢的層級式功能性電剌激康復系統，其特征是，所述 的功能性電剌激模塊包括電剌激器和反饋電路，功能性電剌激模塊在中樞模式控制器模 塊的節律信號控制下，產生期望的弱電流脈沖信號，剌激骨骼肌，其中電剌激器的輸入端 與中樞模式發生器模塊相連傳輸節律性運動模式信息，電剌激器的輸出端與人體下肢肌骨 系統相連傳輸弱電流脈沖信號，反饋電路的一端與電剌激器相連傳輸反饋信息，反饋電路 的另一端與人體下肢肌骨系統相連傳輸反饋信息。
全文摘要
本發明公開了一種肢殘人康復醫療技術領域的針對下肢的層級式功能性電刺激康復系統，包括腦機接口模塊、中樞模式發生器模塊和功能性電刺激模塊，腦機接口模塊包括腦電采集單元、預處理單元、特征提取單元、分類識別單元和信號轉換單元，中樞模式發生器模塊包括仿生脊髓神經網絡、穩定性分析單元、參數設定單元和自適應單元，功能性電刺激模塊包括電刺激器和反饋電路，其中腦機接口模塊與中樞模式發生器模塊相連傳輸控制指令信息，中樞模式發生器模塊與功能性電刺激模塊相連傳輸節律運動模式信息，功能性電刺激模塊發出弱電流脈沖信號。本發明可行性高，能提高病人的康復效果，增加了反饋控制功能，確保了康復效果的可信性和有效性。
文檔編號A61N1/36GK101711908SQ200910310630
公開日2010年5月26日 申請日期2009年11月30日 優先權日2009年11月30日
發明者劉廣權, 張定國, 朱向陽 申請人:上海交通大學