CN106334267A - 具有辅助外骨架的神经肌肉电刺激系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有辅助外骨架的神经肌肉电刺激系统，包括用于对肢体肌肉进行刺激使其运动的电刺激仪，还包括限制肢体过度运动的外骨架，所述外骨架包括上身固定架、下肢外骨架和用于限制肢体屈伸角度的阻尼控制器，所述下肢外骨架连接在上身固定架下端，所述阻尼控制器设置在下肢骨架关节处。电刺激仪跟外骨架配合限制偏瘫患者在恢复训练中动作过度引起摔跤，使得康复训练更加安全可靠。

Description

具有辅助外骨架的神经肌肉电刺激系统

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体地指一种具有辅助外骨架的神经肌肉电刺激系统。

技术背景

脑损伤、下肢周围神经损伤后，步行周期中，一侧下肢在迈步时，另一侧下肢需要提供一个稳定的支撑，但脑损伤偏瘫下肢不能提供一个稳定的支持，导致患者步行训练时偏瘫下肢支撑相缩短，患者容易跌倒；目前多采用刺激仪或者矫形器的方式进行康复治疗，电刺激常用的外加电流刺激神经、肌肉诱发肌肉产生动作，为完成功能性的活动一般使用的是一定频率的电刺激，在开始工作前，固定刺激的频率35～50Hz，调整刺激强度，直到可以产生关节的运动。这种刺激模式可以完成关节的运动；但因为关节在运动过程中，力臂随着关节转动的角度动态变化，产生肌肉收缩的电刺激强度必须大于或等于力臂最小时的力，导致电刺激强度在整个关节运动过程的大部分范围是过大的，因此患者容易出现疲劳；同时因为力矩过大导致运动的速度不可控，关节运动的稳定性下降，患者有跌倒风险；同时当患侧下肢不能有效负重的情况下，这种电刺激不能在步行时使用，只能在床上使用。当脊髓损伤患者试图使用上述设备时，因为不能有效负重，导致使用范围严重受限，只能卧位产生动作，不能有效进行步行活动。而现有的针对脊髓损伤、脑损伤、周围神经损伤的矫形器关节的连接是刚性连接，只有两个状态，开或者关，在步行时使用的是关，当患者需要坐时通过拉绳控制开，关节屈曲；当步行时如果给予开，则患者会因为肌群力量的不足，关节稳定性降低，不能完成关节的负重。

发明内容

本发明就是针对现有技术的不足，提供一种刺激患者运动、并有效维持患者站立位平衡的具有辅助外骨架的神经肌肉电刺激系统。

为了实现上述目的，本发明所设计的具有辅助外骨架的神经肌肉电刺激系统，其特殊之处在于：包括用于对肢体肌肉进行刺激使其运动的电刺激仪，还包括限制肢体过度运动或提供额外关节动力的的外骨架，所述外骨架包括上身固定架、下肢外骨架和用于限制肢体屈伸角度的阻尼控制器，所述阻尼控制器同时能够降低阻力，且能够提供额外的动力，所述下肢外骨架连接在上身固定架下端，所述阻尼控制器设置在下肢外骨架关节处。

进一步地，还包括陀螺仪，所述陀螺仪设置有两组，分别设置在健侧肢体和非健侧肢体上。健侧肢体的空间信息，用于调整阻尼控制器的控制角度；非健侧肢体的空间信息用于作为调整偏瘫患者康复仪器相关数据的依据，或者监测患者的康复情况。

更进一步地，所述阻尼控制器分别设置在髋关节、膝关节和踝关节处。

再进一步地，所述电刺激仪包括肌电信号采集模块、微处理器模块、存储模块、多路脉冲发生模块、多路电极，电源模块，所述肌电信号采集模块、存储模块、多路脉冲发生模块均和多路电极与微处理器模块连接，所述多路电极与多路脉冲发生模块连接；

所述肌电信号采集模块用于采集处理同一人正常肢体若干组肌电信号，并输入给存储模块；

所述微处理器模块用于接收并处理所采集的肌电信号，并控制多路脉冲发生模块产生相应组不同频率不同强度的多路脉冲；

所述存储模块用于接收微处理器模块的命令存储肌电信号；

所述多路脉冲发生模块用于接收微处理器的指令，产生相应组不同频率不同强度的多路电刺激脉冲，并将此多路脉冲输入给多路电极；

所述多路电极用于接收多路脉冲发生模块的指令产生电极作用于患者非正常肢体。

再进一步地，所述肌电信号采集模块还用于采集处理患者非健侧肢体若干组肌电信号。

再进一步地，该系统还包括按键显示模块，所述按键显示模块与微处理器连接，用于设定、显示、查询本系统的相关参数、启动或者停止本系统。

再进一步地，该系统还包括USB通信模块，所述USB通信模块与所述微处理器连接，用于与PC机通信。

再进一步地，所述肌电信号采集模块包括肌电采集器、信号放大器、滤波器。

再进一步地，所述多路脉冲发生模块采用晶体管，脉冲频率、脉宽及幅度均可调节。

本发明的优点在于：电刺激仪采集正常肢体肌电信号，经过微处理器模块的处理，控制多路脉冲发生模块，调整多路电极的频率和强度的输出，从而动态地调整多路电极产生动态的电刺激，仿照人体本能的动作电位，触发患者自主运动。外骨架能够限制肢体运动的范围，防止患者在步行过程因运动过度而跌倒，进一步规范患者的动作，使得运动更加平稳。再患侧下肢外骨架的髋、膝、踝关节处给予能够程控调整阻尼大小的旋转阻尼控制器。通过陀螺仪记录健侧髋关节、膝关节、踝关节在一个步行周期中的角速度变化信息。将上述陀螺仪采集到的信息用于控制患侧下肢矫形器的髋、膝、踝关节旋转阻尼控制器，并配合电刺激仪对偏瘫患者进行康复训练，电刺激仪为患者的运动提供动力，外骨架使患侧下肢只能按照一定的角速度被动或主动按一定方向运动，当患侧力量大时阻尼控制器阻力增大，患侧力量小时，阻尼控制器能够主动运动，带动关节按一定角速度运动，使得运动更加平稳。本系统可以同时给脑损伤、脊髓损伤、周围神经损伤患者使用。关节的运动主要是摆动，不是正常模式的运动，同时力量弱的肌群得不到有效收缩，容易出现废用性肌萎缩等并发症，我们在使用外骨架的基础上通过电刺激肌肉产生关节的动作，同时使用外骨架限制关节运动的速度和幅度，在产生肌群收缩产生动作的同时，给予稳定的支撑；同时外骨架的关节使用的是阻尼控制开关，关节运动的角速度是动态调整，电刺激肌群力量大时阻力大，电刺激量不足以产生关节运动时降低关节阻力，施加被动屈曲或伸展的动力。

附图说明

图1为本发明中的外骨架结构示意图。

图2为图1的右视图。

图3为本发明中的电刺激仪模块框图。

图中：外骨架1（其中：上身固定架1.1，下肢外骨架1.2，阻尼控制器1.3）。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

本发明所设计的具有辅助外骨架的神经肌肉电刺激系统，包括用于对肢体肌肉进行刺激使其运动的电刺激仪，还包括限制肢体过度运动的外骨架1，外骨架1包括上身固定架1.1、下肢外骨架1.2和用于限制肢体屈伸角度的阻尼控制器1.3，下肢外骨架1.2连接在上身固定架1.1下端，阻尼控制器1.3设置在下肢外骨架关节处。上身固定架1.1主要对下肢外骨架1.2起支撑作用。

其中，本发明还设置有陀螺仪，可根据具体需要在在健侧肢体和非健侧肢体上设置，健侧肢体的空间信息，用于调整阻尼控制器的控制角度；非健侧肢体的空间信息用于作为调整偏瘫患者康复仪器相关数据的依据，或者监测患者的康复情况。一般情况下，阻尼控制器分别设置在髋管节、膝管节和踝关节处。当不能控制骨盆及躯干稳定性的情况下，需要使用上身固定背带配合本发明共同使用，如脊髓损伤或严重腰部病变患者。

为进一步完善偏瘫恢复系统，使得康复效果更佳，患者运动更平稳协调，本发明所涉及的电刺激仪包括肌电信号采集模块，用于采集处理同一人正常肢体若干组肌电信号，并输入给微处理器模块；存储模块，用于存储肌电信号或者本系统需要使用的其他信号；微处理器模块，用于接收所采集的若干组肌电信号或者别的需要进行的处理信号，微处理器模块接收到肌电信号后将肌电信号输入存储模块中存储，并在需要时调用存储模块中的信号进行处理，控制多路脉冲发生模块产生相应组不同频率不同强度的多路脉冲，其中存储模块按照一定的频率存储的肌电信号，用于对病人身体状况及康复效果评估的原始数据，并可作为确定进一步治疗方案的依据；多路脉冲发生模块，用于产生与肌电信号相对应的若干组多路脉冲信号，控制多路电极；多路电极用于作用于患者产生运动。本发明与仿生多通道神经肌肉电刺激系统配合使用，进一步限制偏瘫患者在恢复训练中动作过度引起摔跤，使得康复训练更加安全可靠。电源模块，用于为本刺激仪提供电源。

电刺激仪还设计有按键显示模块，实现人机交互，按键显示模块均与微处理器连接，按键功能用于设定或查询本系统的相关参数、启动或者停止本系统。显示功能用于显示本系统的相关参数比如治疗时间、治疗模式、启动或者停止的操作情况，显示模块采用LCD显示。为了便于对患者肌电信号及姿态数据进行更细致的分析，本系统还设计有USB通信模块，用于连接PC机通信，PC机通过USB接口读取患者的肌电信号及姿态数据，USB通信模块与微处理器模块连接。电刺激仪在工作过程中的启动可采用在健侧肢体安装传感器实现，传感器与微处理器模块连接，微处理器模块接收到传感器信息即可控制多路脉冲发生模块和多路电极运作，从而控制患者患侧肢体的运动。

肌电信号采集模块实现肌电信号的前端信号调理，为后面的AD采集提供合适的原始模拟信号，肌电信号属于微弱信号，需要进行放大，为了提高信号的信噪比，采用仪表放大器实现信号放大、并通过滤波器滤除信号中的噪声，然后经电位抬升电路，输入至AD，有微处理器进行AD数据采集。多路脉冲发生模块由多个脉冲发生电路构成，脉冲发生电路采用晶体管，脉冲频率、脉宽及幅度均可调节，多路电极由多个电极片构成。

正常步行周期，指一侧足跟着地至该侧足跟再次接触地面所经历的时间，每一侧下肢有其各自的步行周期。步行是一个连续的过程，一般按照美国加利福尼亚州RLA国家康复中心步态分析实验室的分类方法，将一个步行周期分成8个典型动作姿势点，通过对8个典型姿势点的分析明确受试者是否存在步行障碍，及可能出现的原因。8个典型姿势点分别为：首次接触、负荷反应期、站立中期、站立末期、迈步前期、迈步初期、迈步中期、迈步末期。

首次接触，指足跟或足底的任一部位与地面接触的瞬间。负荷反应期，指足跟着地后至足底与地面完全接触，至对侧下肢足趾离地所经历的时间；包括两个部分，足跟着地至足底与地面完全接触，此时骨盆前倾5度、髋关节屈曲30度、膝关节伸直、踝关节逐渐由中立位变为跖屈，完成足底与地面完全接触，此时足底并不完全承重，承重为0-10%；对侧腿离地前支撑腿膝关节屈曲达到站立相的最大角度承重为10%-15%；站立中期，对侧下肢足趾离地至躯干位于支撑腿的正上方承重为15%-40%；站立末期，支撑腿足跟离地至对侧下肢足跟着地所经历的时间承重为40%-50%；迈步前期，指对侧下肢足跟着地至支撑腿足趾离地之前的一段时间承重为50%-65%；迈步初期，从支撑腿足趾离地至该腿膝关节达到屈曲最大角度承重为65%-70%；迈步中期，从膝关节最大屈曲角度摆动到小腿与地面垂直承重为70%-85%；迈步末期，指与地面垂直的小腿向前摆动至该侧足跟再次着地之前承重为85%-100%。本发明根据所采集到的正常肢体的肌电信号，动态的控制非健侧肢体，使得非健侧肢体的运动更平滑稳定。

本发明采用两种方式控制多路脉冲发生模块的时间序列，1、通过表面电极采集健侧上肢、下肢、躯干不同肌群在步行周期中的动作电位，将此时间序列用于偏瘫侧肢体，纠正偏瘫肢体上、下肢、躯干的异常。2、通过采集健康人群步行中上肢、躯干、下肢肌群的肌电信号，寻找到不同年龄段人群的时间序列，应用与偏瘫患者。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种具有辅助外骨架的神经肌肉电刺激系统，其特征在于：包括用于对肢体肌肉进行刺激使其运动的电刺激仪，还包括限制肢体过度运动的外骨架，所述外骨架包括上身固定架、下肢外骨架和用于限制肢体屈伸角度的阻尼控制器，所述下肢外骨架连接在上身固定架下端，所述阻尼控制器设置在下肢外骨架关节处。

2.根据权利要求1所述的具有辅助外骨架的神经肌肉电刺激系统，其特征在于：还包括陀螺仪，所述陀螺仪设置有两组，分别设置在健侧肢体和非健侧肢体上。

3.根据权利要求2所述的具有辅助外骨架的神经肌肉电刺激系统，其特征在于：所述阻尼控制器分别设置在髋关节、膝关节和踝关节处。

4.根据权利要求1~3中任一项所述的具有辅助外骨架的神经肌肉电刺激系统，其特征在于：所述电刺激仪包括肌电信号采集模块、微处理器模块、存储模块、多路脉冲发生模块、多路电极，电源模块，所述肌电信号采集模块、存储模块、多路脉冲发生模块和多路电极均与微处理器模块连接，所述多路电极与多路脉冲发生模块连接；

所述肌电信号采集模块用于采集处理同一人正常肢体若干组肌电信号，并输入给存储模块；

所述微处理器模块用于接收并处理所采集的肌电信号，并控制多路脉冲发生模块产生相应组不同频率不同强度的多路脉冲；

所述存储模块用于接收微处理器模块的命令存储肌电信号；

所述多路脉冲发生模块用于接收微处理器的指令，产生相应组不同频率不同强度的多路电刺激脉冲，并将此多路脉冲输入给多路电极；

所述多路电极用于接收多路脉冲发生模块的指令产生电极作用于患者非正常肢体；

所述电源模块用于为本刺激仪提供电源。

5.根据权利要求4所述的仿生多通道神经肌肉电刺激系统，其特征在于：所述肌电信号采集模块还用于采集处理患者非健侧肢体若干组肌电信号。

6.根据权利要求5所述的仿生多通道神经肌肉电刺激系统，其特征在于：该系统还包括按键显示模块，所述按键显示模块与微处理器连接，用于设定、显示、查询本系统的相关参数、启动或者停止本系统。

7.根据权利要求6所述的仿生多通道神经肌肉电刺激系统，其特征在于：该系统还包括USB通信模块，所述USB通信模块与所述微处理器连接，用于与PC机通信。

8.根据权利要求7所述的仿生多通道神经肌肉电刺激系统，其特征在于：所述肌电信号采集模块包括肌电采集器、信号放大器、滤波器。

9.根据权利要求8所述的仿生多通道神经肌肉电刺激系统，其特征在于：所述多路脉冲发生模块采用晶体管，脉冲频率、脉宽及幅度均可调节。