多感互動多模控制功能性電刺激系統的制作方法
【專利摘要】本發明提出了將功能性電刺激技術、運動輔具、物聯網技術、多感互動游戲及人體生命體征參數有機結合的多感互動多模控制功能性電刺激系統。本系統由功能性電刺激、生命體征參數采集、運動輔具信息采集、信息融合、基于物聯網技術的多感互動游戲競技等模塊組成。生命體征反饋控制功能性電刺激器對運動功能重建更自然、更符合人體運動，視覺、聽覺的實時反饋能夠有效地促使運動功能重建，提高康復訓練的效率。基于物聯網的游戲互動式沉浸環境可為訓練者提供運動過程和運動效果的視覺、聽覺等多感覺實時反饋信息，可跨地域、跨時間進行訓練效果競賽，更大程度地激發和維護訓練者動機和毅力，繼而得到更好的康復效果。
【專利說明】多感互動多模控制功能性電刺激系統

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種康復裝置,尤其涉及一種功能性電刺激(Funct1nal ElectricalStimulat1n, FES)、運動輔具、物聯網技術、多感互動游戲及人體生命體征參數有機結合康復裝置。

【背景技術】
[0002]根據第六次全國人口普查及第二次全國殘疾人抽樣調查我國殘疾人占全國總人口的比例和各類殘疾人占殘疾人總人數的比例，推算2010年末我國殘疾人總人數為8502萬人，占全國人口總數的6..35%，其中運動障礙者2472萬人。這些殘障人士不僅自身生活水平大大下降，甚至降低壽命，而且給家庭和社會帶來的巨大的危害。同時調查數據分析報告預測，殘疾人士規模即將進入快速增長期，殘疾率將會持續上升。所以如何改善殘疾人士的自主生活水平，是亟待解決的問題。
[0003]功能性電刺激(Funct1nalElectrical Stimulat1n, FES)是通過電流脈沖序列來刺激肢體運動肌群及其外周神經，有效地恢復或重建截癱患者的部分運動功能的技術。其本質就是利用功能性電刺激系統刺激肌肉，誘發細胞發生生理變化，致使細胞膜對離子的選通性發生變化，即細胞膜對鈉離子、鉀離子和氯離子的通透性發生變化，導致細胞內外離子濃度發生變化，致使細胞膜電位發生突變，形成動作電位，誘發神經細胞產生動作電位，引起骨骼肌細胞的興奮，進而引起骨骼肌收縮，繼而產生運動效應，同時通過擴張血管，促進肌體的局部血液循環，加強神經沖動，促進神經再生。
[0004]20世紀60年代，Liberson首次成功地利用電刺激腓神經矯正了偏癱患者足下垂的步態，開創了功能性電刺激用于運動和感覺功能康復治療的新途徑。目前，FES已經成為了恢復或重建殘障人士的部分運動功能的重要康復治療手段。
[0005]功能性電刺激經過近四十年的發展，已由使用者通過操作相應按鈕來控制刺激器而發展到利用肌電、心電、腦電、語音等反饋控制功能性電刺激。目前，已有專門的機構組織殘障人士在功能性電刺激幫組下參加體育競技，雖然在控制的精度和主動性有所改善，在應用功能性電刺激也得到互動娛樂，但是在運動缺乏參考的示范和對運動狀態的實時評估。多感互動多模式控制功能性電刺激系統將功能性電刺激、運動輔具、物聯網、多感覺互動游戲、生命體征參數運動評價有機結合，即可實時反饋控制功能性電刺激，又能將訓練效果通過游戲以視覺、聽覺多感覺方式反饋至訓練者，指導訓練過程，提高訓練的效果。同時亦將訓練打破地域性、時間性限制，自由組合訓練競技，能夠激發和維持訓練者訓練動機。本發明有利于建立康復訓練過程的適時訓練指導、動態評價和功能重建過程效果的實時反饋系統。


【發明內容】

[0006]本發明的主旨是針對目前康復產業的現狀及不足，將功能性電刺激技術、運動輔具、物聯網技術、多感互動游戲及人體生命體征參數有機結合，以至于形成運動過程和運動效果的多模態反饋信息融合，建立一種多感互動多模控制功能性電刺激系統。
[0007]本發明主要是通過以下技術方案來實現的:一種多感互動多模控制功能性電刺激系統，主要由功能性電刺激模塊、運動輔具、生命體征參數采集模塊、運動輔具信息采集模塊、信息融合模塊、基于物聯網技術的多感互動游戲競技模塊組成；其中，利用將生命體征參數信息與運動輔具參數信息有機結合，繼而控制基于物聯網技術的多感互動游戲競技模塊。生命體征參數主要包括血氧信息、心電信息、肌電信息、腦電信息、脈搏信息、體溫及肢體運動(如關節角度)等，運動輔具數主要包括所消耗功率，運動速率等，信息融合模塊將無線接收生命體征參數及運動輔具參數進行融合形成信息融合特征值，基于物聯網技術的多感互動游戲競技模塊，跟據生命體征參數信息及運動輔具參數信息的融合特征值控制和操作游戲進行競技。
[0008]功能性電刺激模塊主要包括微處理器、通訊模塊、刺激模塊、電源模塊等。電源模塊為整個功能性電刺激供電，通訊模塊包括無線通訊模塊和鍵盤輸入模塊，刺激模塊主要由恒流源電路、選擇單元等。其中微處理器控制通訊模塊以及刺激模塊。
[0009]生命體征參數采集系統主要是由采集模塊，放大電路、濾波電路、數模轉換電路及微處理器，及無線傳輸模塊等組成，可對對血氧、心電、肌電、腦電、體溫等信號進行采集和對肢體運動等信息捕做，然后經過放大濾波等處理，數模轉化經微處理器處理后利用無線傳輸模塊傳輸信息融合模塊進行分析處理，繼而控制基于物聯網技術的多感互動游戲競技模塊，結合運動輔具參數對訓練效果進行評估，同時肌電、心電信號、肢體運動等信息融合后傳輸至功能性電刺激，反饋控制功能性電刺激的相關參數。
[0010]運動輔具信息參數采集系統主要是由傳感器、放大濾波電路，數模轉換電路及微處理器，無線傳輸模塊等組成。其工作原理主要是利用傳感器采集運動輔具的做功功率，運動速率等參數，這些參數能夠實時反饋訓練者對運動輔具的操作狀況及訓練者的訓練狀態。
[0011]信息融合模塊主要由無線接收系統、信息融合算法模塊及融合特征值輸出模塊組成，其主要作用是根據生命體征參數及運動輔具信息參數進行整合繼而形成融合特征值，經融合特征值輸出模塊傳輸至基于物聯網技術的多感互動游戲競技模塊。同時，模塊無線發送肌電、心電，肢體運動信息等特征值與運動輔具，反饋控制功能性電刺激相關參數。
[0012]基于物聯網技術的多感互動游戲競技模塊主要是通訊模塊，游戲控制模塊、游戲方式設置模塊、顯示模塊、聲音模塊等組成。其主要功能是根據通訊模塊接收到生命體征參數及運動輔具信息參數的融合特征值控制相應的游戲競技，并通過顯示模塊和聲音模塊實時反饋競技的情況，繼而反應訓練者的訓練狀況。其中，游戲競技可為單機游戲也可為網絡游戲，即可同時間參與者競技，也可通過單獨闖關與既往的訓練記錄對比，此模塊通過物聯網技術將使不同地域、不同時間的訓練者參與訓練對比。
[0013]本專利主要工作步驟如下:
Stepl:利用采集模塊分別采集采集人體生命體征參數與運動輔具參數信息，并將信息利用無線方式傳輸至信息融合模塊；
Step2:信息融合模塊無線接收體生命體征參數與運動輔具參數，并將信息融合形成融合特征值；
Step3:信息融合模塊融合肌電、心電、肢體運動等信息,經過信息融合模塊輸出模塊無線傳輸至功能性電刺激控制系統，繼而實現對功能性電刺激的控制；
Step4:基于物聯網技術的多感互動游戲競技模塊根據設定的游戲方式及融合特征值實時控制游戲，并通過視覺和聽覺等方式實時反饋訓練者；
Step5:根據游戲競技的情況指導訓練者進行有效的康復訓練，并根據游戲競技狀況有效評價訓練者的訓練狀態。
[0014]本發明其特征在于:多感互動多模控制功能性電刺激系統，將功能性電刺激技術、運動輔具、物聯網技術、多感互動游戲及人體生命體征參數有機結合，以至于形成運動過程和運動效果的多模態反饋信息融合，建立多感互動多模控制功能性電刺激系統。此系統即可實現訓練過程的有效地實時地調節，又可激發和維護訓練的動機，繼而更好地達到康復訓練的目的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為多感互動多模控制功能性電刺激系統原理框圖。
[0016]圖2為功能性電刺激原理框圖。
[0017]圖3為生命體征參數采集系統的原理框圖。
[0018]圖4為運動輔具信息采集系統的原理框圖。
[0019]圖5為信息融合模塊原理框圖。
[0020]圖6為基于物聯網技術的多感互動游戲競技模塊原理框圖。

【具體實施方式】
[0021]功能性電刺激是通過電流脈沖序列來刺激肢體運動肌群及其外周神經，有效地恢復或重建部分運動功能的主要技術之一，其本質是功能性電刺激系統刺激肌肉，誘發細胞發生生理變化，致使細胞膜對離子的選通性發生變化，即細胞膜對鈉離子、鉀離子和氯離子的通透性發生變化，導致細胞內外離子濃度發生變化，致使細胞膜電位發生突變，形成動作電位，誘發神經細胞產生動作電位，引起骨骼肌細胞的興奮，進而引起骨骼肌收縮，繼而產生運動效應，同時通過擴張血管，促進肌體的局部血液循環，加強神經沖動，促進神經再生，繼而達到康復效果。本發明提供的一種多感互動多模控制功能性電刺激系統，是將功能性電刺激技術、運動輔具、物聯網技術、多感互動游戲及人體生命體征參數有機結合，以至于形成運動過程和運動效果的多模態反饋信息融合，建立一種多感互動多模控制功能性電刺激系統。可適用于相應部位障礙及健康人士的康復訓練。
[0022]如圖1所示，一種多感互動多模控制功能性電刺激系統，主要由功能性電刺激模塊、運動輔具、生命體征參數采集模塊、運動輔具信息采集模塊、信息融合模塊、基于物聯網技術的多感互動游戲競技模塊組成；訓練者使用功能性電刺激及其輔具進行訓練時，利用分別生命體征參數采集系統和運動輔具信息采集系統采集生命體征參數和運動輔具信息，并經過信息融合模塊進行分析處理形成融合特征值，存儲數據庫，同時將融合特征值傳輸至基于物聯網技術的多感互動游戲競技模塊，控制游戲，并通過視覺、聽覺實時反饋與訓練者，繼而對訓練過程給予指導和評價。其中生命體征參數經數據處理融合后提取特征值，實時控制功能性電刺激的刺激模式。同時利用立體顯示器或者三維立體顯示設備將游戲訓練場景展示與訓練者，同時將訓練中的人體信息及訓練器信息實時反饋訓練者。
[0023]如圖2所示，功能性電刺激，主要包括電源模塊、微處理器、刺激模塊、通訊模塊等組成。電源模塊為微處理器，刺激模塊、通訊模塊提供電源，通訊模塊主要作用是為功能性電刺激提供輸入輸出，同時通訊模塊亦可接收融合特征值，并將其傳輸至微處理器，繼而實時控制刺激模塊調整刺激波形、刺激頻率、刺激電流幅度。其中，刺激模式及刺激波形可通過微處理進行特殊算法及軟件編程方法實現，同樣，通過通信模塊接收到反饋控制特征值也是通過微處理進一步調整刺激參數，使功能性電刺激能夠更好地適應訓練者，改善和提聞訓練者的身體素質。
[0024]如圖3所示，生命體征參數采集模塊主要包括采集模塊，放大電路、濾波電路、數模轉換電路及微處理器，及無線傳輸模塊等。首先利用采集模塊采集人體包括血氧、心電、肌電、腦電、體溫及等人體生命體征參數和捕做肢體運動信息，經過放大電路、濾波電路對采集信號進行簡單處理，再利用數模轉換電路進行數字化轉換，經微處理器壓縮處理后利用無線傳輸模塊傳輸信息融合模塊，針對人體特征參數進行進一步分析處理并提取特征值。
[0025]如圖4所示，運動輔具信息采集系統主要包括由傳感器、放大濾波電路，數模轉換電路及微處理器，無線傳輸模塊等。在訓練者使用運動輔具時，利用傳感器采集運動輔具消耗功率、運動速率等參數，經過放大電路、濾波電路等處理電路對傳感器采集到的信號進行實時處理，再經過數模轉換電路進行數字化，之后經過處理器處理后，控制無線傳輸模塊將信息傳輸至信息融合模塊，進一步對運動輔具訓練過程中的參數進行分析。
[0026]如圖5所示，信息融合模塊主要包括由無線接收系統、信息融合算法模塊及融合特征值輸出模塊等。信息融合模塊中無線接收系統接收到生命體征參數及運動輔具參數后，傳輸至信息融合算法模塊，對接收的信息進行濾波、去噪等處理后，再次分析及特征值提取形成融合特征值，然后再利用將融合特征值存儲至數據庫，并實時傳輸到多感互動游戲競技模塊，繼而控制游戲及訓練場景的反饋。信息融合模塊對心電、肌電、肢體運動信息等分析處理提取特征值，并將特征值實時發送至功能性電刺激，實現反饋調整功能性電刺激相關參數。
[0027]如圖6所示，基于物聯網技術的多感互動游戲競技模塊，主要包括是通訊模塊，游戲控制模塊、游戲方式設置模塊、顯示模塊、聲音模塊等。通訊模塊主要將信息融合模塊或者利用Internet傳輸其他地域或者數據庫中存儲既往的融合特征值信息傳輸至游戲控制模塊即游戲方式設置模塊，然后將游戲控制模塊和游戲方式設置模塊形成三維場景或者游戲競技場景傳輸至顯示模塊和聽覺模塊。游戲控制模塊和游戲方式設置模塊根據融合特征值形成游戲控制命令控制游戲競技形成場景控制信息，并利用此控制信息控制場景或者游戲競技，并通過顯示模塊和聽覺模塊。可實現三維的信息反饋及運動效果的評價。
[0028]本專利主要工作步驟如下:
Stepl:利用采集模塊分別采集采集人體生命體征參數與運動輔具參數信息，并將信息利用無線方式傳輸至信息融合模塊；
Step2:信息融合模塊無線接收體生命體征參數與運動輔具器參數，并將信息融合形成融合特征值；
Step3:信息融合模塊融合肌電、心電、肢體運動等信息,經過信息融合模塊輸出模塊無線傳輸至功能性電刺激微處理器，繼而實現對功能性電刺激刺激模塊的控制； Step4:基于物聯網技術的多感互動游戲競技模塊根據設定的游戲方式及融合特征值實時控制游戲，并通過視覺和聽覺等方式實時反饋訓練者；
Step5:根據游戲競技的情況指導訓練者進行有效的康復訓練，并根據游戲競技狀況有效評價訓練者的訓練狀態。
[0029]多感互動多模控制功能性電刺激系統，將功能性電刺激技術、運動輔具、物聯網技術、多感互動游戲及人體生命體征參數有機結合，以至于形成運動過程和運動效果的多模態反饋信息融合，建立多感互動多模控制功能性電刺激系統。需要說明的是，以上僅為參考優選實例來具體示出和描述其發明的原理及創新點。本領域的科技人員應該理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換及其進行形式和細節上的各種修改，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍內。最佳實施方案擬采用專利轉讓、技術合作或產品開發。
【權利要求】
1.一種多感互動多模控制功能性電刺激系統，是將功能性電刺激，運動輔具，生命體征參數、物聯網技術及人體生命體征參數有機結合，多模態實時反饋和評價運動過程和運動效果新技術，主要由功能性電刺激器、生命體征參數采集模塊、運動輔具信息采集模塊、信息融合模塊、基于物聯網技術的多感互動游戲競技模塊組成；其中，利用將生命體征參數信息與運動輔具參數信息有機結合，繼而控制基于物聯網技術的多感互動游戲競技模塊，實時反饋訓練過程和訓練的效果，其中心電、肌電、肢體運動等參數進行分析提取特征值后實時反饋控制功能性電刺激器。
2.根據權利要求1所述的一種多感互動多模控制功能性電刺激系統,其中，生命體征參數采集系統主要是有采集模塊，放大電路、濾波電路、數模轉換電路及微處理器及無線傳輸模塊等組成，對血氧、心電、肌電、腦電、體溫及肢體運動信號進行采集和捕做，然后經過放大濾波等處理，數模轉化經微處理器處理后利用無線傳輸模塊傳輸基于物聯網技術的多感互動游戲競技模塊，結合運動輔具參數對訓練效果進行評估。
3.根據權利要求1所述的一種多感互動多模控制功能性電刺激系統，其中，功能性電刺激器主要是有電源模塊、微處理器、通訊模塊、刺激模塊等組成；電源模塊為微處理器、通訊模塊及刺激模塊提高電動力，通訊模塊主要是設置刺激器參數及無線接收信息融合模塊傳輸的融合特征值，并傳輸至微處理器繼而控制刺激模塊；微處理器根據反饋信息實時控制功能性電刺激儀的刺激參數。
4.根據權利要求1所述的一種多感互動多模態控制功能性電刺激系統，其中，運動輔具信息參數采集系統主要是由運動輔具、采集傳感器、放大濾波電路，數模轉換電路及微處理器，無線傳輸模塊等組成；其工作原理主要是利用傳感器采集運動輔具消耗功率，運動速率等參數，并對這些參數進行處理。
5.根據權利要求1所述的一種多感互動多模態控制功能性電刺激系統，其中，信息融合模塊主要包括無線信息接收，信息融合算法模塊及融合特征值輸出模塊組成，其中信息融合算法主要由兩個作用:對心電、肌電、腦電等生命體征參數進行分析及處理，并提取特征值傳輸至功能電刺激器控制其刺激參數。
6.根據權利要求1所述的一種多感互動多模態控制功能性電刺激系統，其中，基于物聯網技術的多感互動游戲競技模塊主要是通訊模塊，游戲控制模塊、游戲方式設定模塊、顯示模塊、聲音模塊等組成；在訓練過程中，通過游戲競技以視覺、聽覺多感反饋刺激效果，促使訓練者實時調整刺激模式和參數；游戲競技亦能激發和維持訓練者訓練動機。
【文檔編號】A61N1/36GK104288909SQ201310302106
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年7月18日 優先權日:2013年7月18日
【發明者】張廣舉, 袁囡囡 申請人:袁囡囡