[發(fā)明專利]針對(duì)下肢的層級(jí)式功能性電刺激康復(fù)系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910310630.8
• 申請(qǐng)日: 2009-11-30
• 公開（公告）號(hào): CN101711908A
• 公開（公告）日: 2010-05-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張定國;朱向陽;劉廣權(quán)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): A61N1/06
• 分類號(hào): A61N1/06;A61N1/36
• 代理公司: 上海交達(dá)專利事務(wù)所 31201
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種肢殘人康復(fù)醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)，具體是一種針對(duì)下肢的層級(jí)式功 能性電刺激康復(fù)系統(tǒng)。

背景技術(shù)

功能性電刺激(FES-Functional?Electrical?Stimulation)利用人工弱電流脈沖信號(hào) 刺激癱瘓病人骨骼肌，以期望恢復(fù)其受損或喪失的運(yùn)動(dòng)功能。最初的應(yīng)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(jì)算機(jī) 科技的發(fā)展，功能性電刺激的應(yīng)用越來越廣泛，早已突破了單純理療的范疇，其應(yīng)用包括對(duì) 于上肢的屈伸、抓握；對(duì)于下肢的站立、行走、騎自行車等。與此同時(shí)，高級(jí)智能的功能性 電刺激系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)前國際上的很多科研團(tuán)隊(duì)正致力于這方面的研發(fā)，比如美國克里 夫蘭FES中心、加拿大多倫多康復(fù)工程中心、英國格拉斯哥大學(xué)康復(fù)工程中心等。

一套完整的功能性電刺激系統(tǒng)通常包括控制器、刺激器和傳感器，其中的核心部分是控 制器，它的作用相當(dāng)于人類神經(jīng)系統(tǒng)中的大腦，可根據(jù)反饋信息并產(chǎn)生恰當(dāng)?shù)碾娒}沖。在以 往傳統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)中，都是使用一些人工控制算法來實(shí)現(xiàn)癱瘓肢體關(guān)節(jié)對(duì)期望軌跡的跟蹤 ，比如比例-積分-微分控制、最優(yōu)控制、模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑模控制等等。這 些功能性電刺激系統(tǒng)的控制器都是外界人工設(shè)計(jì)的，病人的主觀意識(shí)不參與其中，這在某種 程度上大大限制了功能性電刺激系統(tǒng)的“功能性”。

根據(jù)神經(jīng)修復(fù)的理念，最理想的康復(fù)系統(tǒng)應(yīng)是搭建從腦部到肌肉的神經(jīng)信號(hào)“橋梁”： 人腦→脊髓→骨骼肌(末梢神經(jīng))。腦機(jī)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(jī)接口技術(shù)，尤其是常用的腦電信號(hào)(EEG)處理水 平還非常有限，最多能識(shí)別二維平面里的四種狀態(tài)(比如前、后、左、右)，腦機(jī)接口與功 能性電刺激的聯(lián)合應(yīng)用大多是針對(duì)上肢。神經(jīng)科學(xué)已經(jīng)證實(shí)了中樞模式發(fā)生器(CPG Central?Pattern?Generator)是存在于動(dòng)物脊髓中的一種生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)控制動(dòng)物的 節(jié)律運(yùn)動(dòng)(行走、奔跑、游泳、飛翔等)，它無需大腦的支持，可以獨(dú)立地為參與節(jié)律運(yùn)動(dòng) 的肌肉產(chǎn)生期望的激勵(lì)模式，中樞模式發(fā)生器的功能相當(dāng)于一個(gè)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(qiáng)其自適應(yīng)功能。

經(jīng)對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請(qǐng)?zhí)枺?00510126360.7，名稱為：利用腦電波直接 控制功能性電刺激器的方法，該技術(shù)提供了一種功能性電刺激器康復(fù)系統(tǒng)，腦機(jī)接口與功能 性電刺激器直接連接，但是該技術(shù)忽略了當(dāng)前腦電信號(hào)的發(fā)展水平，可實(shí)現(xiàn)性很困難；該技 術(shù)沒有考慮脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的作用，仿生機(jī)制在康復(fù)效果上有非常重要的作用；且該康復(fù)系統(tǒng) 是一種開環(huán)系統(tǒng)，沒有反饋信息，不能實(shí)現(xiàn)肢體關(guān)節(jié)對(duì)期望軌跡的準(zhǔn)確跟蹤，即不能確保實(shí) 現(xiàn)正常人的行走步態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，提供一種針對(duì)下肢的層級(jí)式功能性 電刺激康復(fù)系統(tǒng)。本發(fā)明通過仿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)枛中樞模式發(fā)生器的功能性復(fù) 制，為刺激肌肉產(chǎn)生節(jié)律模式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)癱瘓病人下肢行走運(yùn)動(dòng)的康復(fù)性訓(xùn)練。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明包括：腦機(jī)接口模塊、中樞模式發(fā)生器模塊和功能性電刺激模塊，其中：腦機(jī)接 口模塊與中樞模式發(fā)生器模塊相連傳輸控制指令信息；中樞模式發(fā)生器模塊與功能性電刺激 模塊相連傳輸節(jié)律運(yùn)動(dòng)模式信息；功能性電刺激模塊與人體下肢肌骨系統(tǒng)相連傳輸弱電流脈 沖信號(hào)。

所述的腦機(jī)接口模塊包括：腦電采集單元、預(yù)處理單元、特征提取單元、分類識(shí)別單元 和信號(hào)轉(zhuǎn)換單元，其中：腦電采集單元的輸入端與患者的運(yùn)動(dòng)大腦皮層相連傳輸腦電信號(hào)， 預(yù)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(hào)，特征提取單元的輸入 端與預(yù)處理單元的輸出端相連傳輸與想象運(yùn)動(dòng)相關(guān)的信號(hào)，分類識(shí)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(hào)轉(zhuǎn)換單元的輸入端與分類識(shí)別單元的輸出端相連 傳輸模式分類結(jié)果信息，信號(hào)轉(zhuǎn)換單元的輸出端與中樞模式發(fā)生器模塊相連傳輸控制指令信 息，腦機(jī)接口模塊的作用是：根據(jù)腦電信號(hào)識(shí)別患者運(yùn)動(dòng)企圖。