肌电反馈式电刺激仪.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102049095 A (43)申请公布日 2011.05.11 CN 102049095 A *CN102049095A* (21)申请号 200910220945.3 (22)申请日 2009.11.10 A61N 1/36(2006.01) A61B 5/0488(2006.01) (71)申请人 上海理工大学 地址 200093 上海市杨浦区军工路 516 号 (72)发明人 郭旭东 徐秀林 张东衡 严荣国 王成 (74)专利代理机构 上海科盛知识产权代理有限 公司 31225 代理人 杨元焱 (54) 发明名称 肌电反馈式电刺激仪 (57) 摘要 本发明提供。

2、了一种肌电反馈式电刺激仪， 它 包括电源管理模块、 微处理器、 语音录放控制模 块、 信号灯控制模块、 触控式可编程模块、 肌电信 号处理及反馈模块、 波形调制模块、 刺激电流检测 及过电流保护模块和波形驱动模块。本发明应用 语音及信号灯作为指导， 提示患者主动参与训练， 促使患者主动参与康复治疗， 并对患者主动诱发 的肌电信号进行无创测量、 特征值提取， 当自发肌 电信号达到设定的肌电诱发值时， 装置产生电刺 激作用于患者肌肉， 实现了康复治疗过程的智能 化。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页。

3、 CN 102049099 A1/1 页 2 1. 一种肌电反馈式电刺激仪， 其特征在于 ： 包括电源管理模块、 微处理器、 语音录放控 制模块、 信号灯控制模块、 触控式可编程模块、 肌电信号处理及反馈模块、 波形调制模块、 刺 激电流检测及过电流保护模块和波形驱动模块 ； 电源管理模块将外接直流稳压电源或电池 电压转换为各用电模块所需的电压等级并输出到各用电模块 ； 微处理器的多个输出端分别 连接语音录放控制模块、 信号灯控制模块和波形调制模块的输入端， 微处理器还与触控式 可编程模块、 肌电信号处理及反馈模块和刺激电流检测及过电流保护模块输入输出双向连 接 ； 肌电信号处理及反馈模块的另。

4、一输出端连接波形调制模块的另一输入端 ； 波形调制模 块的另一输出端连接刺激电流检测及过电流保护模块的另一输入端 ； 刺激电流检测及过电 流保护模块的另一输出端连接波形驱动模块的输入端 ； 波形驱动模块设有两个输出通道。 2. 如权利要求 1 所述的肌电反馈式电刺激仪， 其特征在于 ： 所述的肌电信号处理及反 馈模块包括肌电拾取电极、 信号拾取电路、 特征值提取电路和反馈控制电路 ； 肌电拾取电极 的输出端连接信号拾取电路的输入端 ； 信号拾取电路的输出端连接特征值提取电路的输入 端 ； 特征值提取电路的输出端连接微处理器的一个输入端 ； 反馈控制电路的输入端连接微 处理器的一个输出端。特征值。

5、提取电路输出被测肌电信号的特征量， 并由微处理器将其与 预设的肌电诱发值进行比较， 通过反馈控制电路控制电刺激仪的输出。 其中， 肌电诱发值可 实现自适应调节。 3. 如权利要求 2 所述的肌电反馈式电刺激仪， 其特征在于 ： 所述的肌电拾取电极为三 点式拾取电极， 其中包括一个参考信号电极。 4. 如权利要求 2 所述的肌电反馈式电刺激仪， 其特征在于 ： 所述的信号拾取电路由前 置放大器、 高通滤波器、 低通滤波器、 50Hz 陷波器和后级放大器顺序连接组成， 前置放大器 的输入端连接肌电拾取电极的输出端， 后级放大器的输出端连接特征值提取电路的输入 端。 5. 如权利要求 1 所述的肌电。

6、反馈式电刺激仪， 其特征在于 ： 所述的语音录放控制模块 录制有不同语种的提示指令， 并在治疗过程中由程序自动控制播放。 6. 如权利要求 1 所述的肌电反馈式电刺激仪， 其特征在于 ： 所述的信号灯控制模块内 设有以不同方式闪烁的信号指示灯。 权 利 要 求 书 CN 102049095 A CN 102049099 A1/4 页 3 肌电反馈式电刺激仪 技术领域 0001 本发明涉及一种医疗器械， 尤其涉及一种帮助微弱肌力患者康复的肌电反馈式电 刺激仪。 背景技术 0002 脑血管病是我国的常见病， 在生存的患者中约有 70-80遗留不同程度的功能障 碍， 其中最重要包括运动功能的异常。 。

7、针对脑血管病患者早期出现的运动功能障碍， 通过电 刺激治疗装置进行低频电刺激疗法， 可以激发肌肉被动有节律收缩， 从而加强肌肉血液循 环及营养供应， 促进神经兴奋性及运动功能恢复。 0003 通过电刺激的方法增强肌力， 已有相关专利。如专利 200510065043.9 给出了一 种功能电刺激系统及其方法， 专利 02830155.2 设计了一种便携式电刺激治疗装置， 专利 200620039948.9 给出了一种信号式功能性电刺激仪。但这些专利都注重单一的电刺激， 没 有引导患者主动参与治疗和训练， 易于引起患者的中枢失调， 引发拮抗肌的痉挛， 导致训练 的失败。 发明内容 0004 本发明。

8、的目的， 就是为了提供一种能引导患者主动参与治疗和训练的肌电反馈式 电刺激仪。 0005 为了达到上述目的， 本发明采用了以下技术方案 ： 一种肌电反馈式电刺激仪， 包括 电源管理模块、 微处理器、 语音录放控制模块、 信号灯控制模块、 触控式可编程模块、 肌电信 号处理及反馈模块、 波形调制模块、 刺激电流检测及过电流保护模块和波形驱动模块 ； 电源 管理模块将外接直流稳压电源或电池电压转换为各用电模块所需的电压等级并输出到各 用电模块 ； 微处理器的多个输出端分别连接语音录放控制模块、 信号灯控制模块和波形调 制模块的输入端， 微处理器还与触控式可编程模块、 肌电信号处理及反馈模块和刺激电。

9、流 检测及过电流保护模块输入输出双向连接 ； 肌电信号处理及反馈模块的另一输出端连接波 形调制模块的另一输入端 ； 波形调制模块的另一输出端连接刺激电流检测及过电流保护模 块的另一输入端 ； 刺激电流检测及过电流保护模块的另一输出端连接波形驱动模块的输入 端 ； 波形驱动模块设有两个输出通道。 0006 所述的肌电信号处理及反馈模块包括肌电拾取电极、 信号拾取电路、 特征值提取 电路和反馈控制电路 ； 肌电拾取电极的输出端连接信号拾取电路的输入端 ； 信号拾取电路 的输出端连接特征值提取电路的输入端 ； 特征值提取电路的输出端连接微处理器的一个输 入端 ； 反馈控制电路的输入端连接微处理器的一。

10、个输出端。 0007 所述的肌电拾取电极为三点式拾取电极， 其中包括一个参考信号电极。 0008 所述的信号拾取电路由前置放大器、 高通滤波器、 低通滤波器、 50Hz 陷波器和后级 放大器顺序连接组成， 前置放大器的输入端连接肌电拾取电极的输出端， 后级放大器的输 出端连接特征值提取电路的输入端。 说 明 书 CN 102049095 A CN 102049099 A2/4 页 4 0009 所述的语音录放控制模块录制有不同语种的提示指令， 并在治疗过程中由程序自 动控制播放。 0010 所述的信号灯控制模块内设有以不同方式闪烁的信号指示灯。 0011 本发明的肌电反馈式电刺激仪具有以下的优。

11、点和和特点 ： 0012 1、 借助语音和信号灯对患者进行听觉、 视觉提示， 指导患者按照指令主动参与治 疗， 用意识诱发肌电信号， 并对运动肌群的电信号进行无创测量、 特征值提取， 通过将患者 诱发肌电的特征值与预设值进行比较， 控制电刺激仪的输出， 从而实现了康复治疗的智能 化。 0013 2、 本发明电刺激仪为便携式， 有两组独立输出通道， 在治疗中能实时监测每个通 道刺激电流的大小， 显示在 LCD 上， 若刺激电流过大， 可通过微处理器控制单元切断电刺激 仪的输出， 并发出警报， 提醒医生或患者注意， 从而提高使用的安全性。 0014 3、 可以录制不同语种的提示指令， 并由程序自动。

12、控制治疗过程中提示指令的播 放， 能满足不同国家和不同方言地区的需要 ； 同时， 配以不同闪烁方式的信号指示灯， 从而 在听觉和视觉上指导患者按操作指令主动参与治疗。 0015 4、 采用三点式表面肌电拾取电极对患者运动肌群的电信号进行无创拾取， 并进行 后续信号处理和特征值提取， 通过将患者诱发肌电的特征值与预设值进行比较， 由微处理 器控制电刺激仪的输出。预设值可由医生根据患者的实际情况， 通过触摸屏人机交互界面 进行调整 ； 或者由仪器进行自适应调整。 0016 5、 本发明设计为触摸屏式人机交互方式， 可提供固定处方模式和自由编程模式， 便于医生根据不同病情选用不同的固定处方， 或通过。

13、触控式人机交互精确设置刺激参数， 控制精度高、 灵活性好。同时， 可动态地显示电刺激治疗过程中的各种参数， 包括治疗周期 的剩余时间、 刺激电流大小等。 附图说明 0017 图 1 是本发明的结构方框图。 0018 图 2 是本发明中的肌电信号处理及反馈模块的结构示意图。 0019 图 3 是特征值提取电路的拓扑结构图。 0020 图 4 是语音芯片的 SPI 通信接口图。 具体实施方式 0021 参见图 1、 图 2， 本发明肌电反馈式电刺激仪， 包括电源管理模块 1、 微处理器 2、 语 音录放控制模块3、 信号灯控制模块4、 触控式可编程模块5、 肌电信号处理及反馈模块6、 波 形调制模。

14、块 7、 刺激电流检测及过电流保护模块 8 和波形驱动模块 9。电源管理模块 1 将外 接直流稳压电源或电池电压转换为各用电模块所需的电压等级并输出到各用电模块 ； 微处 理器2的多个输出端分别连接语音录放控制模块3、 信号灯控制模块4和波形调制模块7的 输入端， 微处理器 2 还与触控式可编程模块 5、 肌电信号处理及反馈模块 6 和刺激电流检测 及过电流保护模块 8 输入输出双向连接。肌电信号处理及反馈模 .6 的另一输出端连接波 形调制模块 7 的另一输入端 ； 波形调制模块 7 的另一输出端连接刺激电流检测及过电流保 护模块 8 的另一输入端 ； 刺激电流检测及过电流保护模块 8 的另。

15、一输出端连接波形驱动模 说 明 书 CN 102049095 A CN 102049099 A3/4 页 5 块 9 的输入端 ； 波形驱动模块 9 设有两个输出通道 101、 102。 0022 本发明中的肌电信号处理及反馈模块 6 包括肌电拾取电极 61、 信号拾取电路 62、 特征值提取电路 63 和反馈控制电路 64。其中的肌电拾取电极 61 为三点式拾取电极， 其中 包括一个参考信号电极。信号拾取电路 62 由前置放大器 621、 高通滤波器 622、 低通滤波器 623、 50Hz 陷波器 624 和后级放大器 625 顺序连接组成， 前置放大器 621 的输入端连接肌电 拾取电极。

16、 61 的输出端， 后级放大器 625 的输出端连接特征值提取电路 63 的输入端。特征 值提取电路 63 的输出端连接微处理器 2 的一个输入端 ； 反馈控制电路 64 的输入端连接微 处理器 2 的一个输出端。 0023 本发明的工作原理是， 电源管理模块将外接直流稳压电源或电池电压转换为各电 路模块所需的电压等级。微处理器获取触控式可编程模块下传的设置参数， 并将检测的刺 激电流值上传至触控式可编程模块进行实时显示 ； 根据操作流程驱动语音录放控制模块完 成治疗过程中相应的提示指令播放， 同时， 驱动信号灯控制模块实现不同指令的信号灯闪 烁方式， 并读取由肌电信号处理及反馈模块检测的患者。

17、主动诱发的肌电特征值， 控制刺激 波形的输出， 协调各功能模块按照治疗程序正确运行。 电刺激仪上电初始化后， 首先读取存 放在 E2PROM 中的各种固定处方的刺激参数， 当某一固定处方被选定， 由触控式可编程模块 发出中断请求， 微处理器获取被选定处方的编号， 并从 E2PROM 中读取相应的处方参数。患 者主动诱发的肌电信号经特征提取模块处理， 当测得的肌电特征值达到预设值时， 微处理 器控制刺激脉冲产生电路生成处方中所需的刺激波形， 通过波形驱动模块和升压变压器输 出到刺激电极。 而对于自由编程治疗模式， 操作者可精确设置各种刺激参数， 由微处理器与 触控式可编程模块通讯， 获取设置的参。

18、数， 产生相应的脉冲。 脉冲输出部分采用光耦或固态 继电器将与患者接触的电极和刺激脉冲产生电路从电气上进行隔离， 以确保使用的安全。 0024 本发明考虑到肌电信号的幅值范围在2V到5mV之间， 势必受到各种背景噪声和 人体其它生理电信号的共模干扰 ； 其次， 表面电极与皮肤之间的接触阻抗比较高， 肌电信号 源是一个高内阻的信号源， 因此设计了高共模抑制比、 低噪声、 低漂移、 高输入阻抗的前置 放大器。 0025 经过放大和滤波后的肌电信号， 是一个交变电信号， 如果对该信号进行实时采集， 需要较高的采样频率， 并且采集的数据量非常庞大， 这给数据存储和处理也带来了很大的 难度。为了简化数据。

19、采集和处理， 设计了特征值提取电路， 采用了信号特征量提取的方法， 无需对动态波形进行实时采集。 由于信号的幅值易受外界噪声的干扰而波动， 信号不稳定、 重复性差、 抗干扰能力差， 采用了基于技术的有效值(RMS)检测方案， 提取肌电信号的 有效值特征量。特征值提取电路的拓扑结构参见图 3。其中， 调制器用作除法器， 一个 简单的极性开关用作乘法器， 低通滤波器 LPF 的输入为乘法器的计算结果， LPF 取得该值的 平均来形成有效值输出。 0026 采用 RMS 信号特征值提取方法， 将频率范围主要分布在 10Hz 至 500Hz 的肌电信号 转换为电平信号， 以此来定量测量患者主动参与训练。

20、而诱发的表面肌电信号。微处理器读 取此电平信号， 然后与预设值进行比较， 控制电刺激治疗仪的输出， 从而实现智能式康复治 疗。 0027 为了实现电刺激仪的语音提示功能， 且能录制不同语种的提示指令， 本发明设计 了语音录放控制模块。 语音录放控制模块的模式设计为所有操作必须通过单片微处理器控 说 明 书 CN 102049095 A CN 102049099 A4/4 页 6 制， 操作命令通过 SPI 串行通信接口实现。单片微处理器的 SPI 移位寄存器在时钟的下降 沿动作， 在时钟上升沿锁存 MOSI 引脚的数据， 在下降沿将数据送到 MISO 引脚。在设计中采 用基于单片机I/O口的软。

21、件模拟法， 通过软件程序模拟SPI通信时序， 实现单片机与语音芯 片之间的数据传输。SPI 接口的硬件电路图设计参见图 4。其中， P1.0 模拟 SPI 低电平有 效的从机选择端， P1.1 模拟 SPI 的串行时钟输出线， P1.2 模拟 SPI 的主设备数据输出端， P1.3 模拟主设备数据输入端。P1.4 工作在 I/O 口状态查询方式。 0028 本发明电刺激仪的每次治疗过程都由多个刺激周期组成， 每个刺激周期主要包括 主动诱发肌电阶段、 治疗输出阶段和中继放松阶段。 治疗仪上电后， 首先进行各功能模块的 初始化， 然后在 LCD 触摸屏上显示主菜单界面， 等待医生进行治疗处方的选择。

22、或参数设置。 刺激参数包括治疗总时间、 刺激时间、 间歇时间、 刺激脉宽、 刺激频率、 刺激强度、 肌电阈值。 在选定治疗处方后， 点击界面上的开始按钮， 本仪器发出语音指令和信号灯闪烁， 提示患者 进入主动诱发肌电阶段， 当患者的肌电诱发值达到肌电阈值， 即根据设定的刺激参数输出 相应的刺激波形作用于患者肌肉， 进入治疗输出阶段， 当治疗时间达到刺激时间， 仪器停止 输出， 进入中继放松阶段， 当中继放松阶段的时间达到间歇时间， 仪器则重新出现语音和信 号灯提示， 开始下一周期电刺激治疗。 在第一个主动诱发肌电阶段， 若患者诱发的肌电信号 在某一时间段内始终无法达到肌电阈值， 仪器则会在 “。

23、嘀” 声提示后自动将肌电阈值降低一 个等级， 直到诱发肌电值达到阈值， 并将修改后的肌电阈值实时在触摸屏上更新。 当治疗过 程达到预设的治疗总时间， 仪器自动停止输出， 并发出提示音响。 0029 本发明应用语音及信号灯作为指导， 提示患者主动参与训练， 促使患者主动参与 康复治疗， 并对患者主动诱发的肌电信号进行无创测量、 特征值提取， 当自发肌电信号达到 设定的肌电诱发值时， 装置产生电刺激作用于患者肌肉， 实现了康复治疗过程的智能化。 本 发明体积小、 安全可靠、 造价低廉。 说 明 书 CN 102049095 A CN 102049099 A1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102049095 A CN 102049099 A2/2 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102049095 A 。