專利名稱：一種智能化腦損傷患者手功能康復訓練設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種醫療輔助儀器，特別是一種實時腦電控制的智能化腦損傷患者手 功能康復訓練設備，該儀器能用腦損傷患者的運動想象腦電控制、依患者肌無力狀態、以自 適應方式、分級地提供外部補償助力或阻力，并向醫生和患者實時、動態顯示肌力信息的手 功能訓練裝置。
背景技術：
從現代醫療和康復儀器設備的發展趨勢來看，可穿戴技術已經成為生物醫學工程 領域關注的熱點問題，在“準自然狀態”下檢測人體各種生理信息對于發現和治療新的疾病 具有重大的意義。既能精確測量人體生理信息又不影響人的正常活動的傳感器技術是實現 可穿戴技術的基礎。現代微電子機械系統(MEMQ制造工藝的發展，讓傳感器實現微型化、 精確化成為可能。MEMS制造工藝和生物醫學工程的結合是可穿戴技術發展的必然趨勢。近 年來，基于MEMS工藝的柔性壓力傳感器陣列成為人體表面壓力檢測的關鍵技術，目前這項 技術主要靠從國外引進。研發具有自主知識產權的用于醫學測量的MEMS柔性壓力傳感器 陣列，將為我國研制新型醫學儀器和康復設備提供必要的基礎。神經功能信息工程是一個迅速崛起的新領域，其在臨床工程和康復工程中有著廣 泛的應用前景。當前，腦-機接口及其應用技術已經成為國際研究的熱點，而動態、自發腦 電的在線提取，腦行為意識信息的實時定征技術更是研究的難點。在這個研究方向上的突 破不僅有重要的學術價值，還將會有效地促進我國數字化醫療儀器行業的發展。遵循中樞運動控制的原則，運動想象是運動功能狀態在工作記憶中內在激活而沒 有任何明顯的運動輸出。20世紀80年代末至90年代初，運動想象技術開始逐漸應用于康 復訓練。根據鏡像神經元理論，鏡像神經元系統不只在動作執行時被激活，當一個人觀察另 一個人完成同樣的動作或是自己想象該動作時也會被激活。所以，腦損傷患者通過想象和 觀察動作時鏡像神經元系統就可以被激活，從而起到恢復運動功能缺損的作用。近年來的 研究發現也證實了這個理論，運動想象可改善腦損傷患者的運動功能，可作為激活運動網 絡的一種手段，同時這種療法不依賴于患者的殘存功能，為實現患者的主動康復提供了新 的方法。多學科交叉融合為研發具有我國獨立自主知識產權的醫療儀器和康復設備提供 了新的途徑、思路和方法。國家相關部門鼓勵多學科專家合作，開展綜合交叉研究，以通過 整合各個學科的優勢，融合各個學科的新思想和新技術，促進科技創新。我國現有肢體殘疾人M12萬，其中神經性損傷是最常見的致殘原因。腦卒中(約 1000萬人，每年新增400萬人)、腦外傷(每年新增100 120萬人)、腦癱(每年新增100 萬人)、脊髓損傷(每年新增60萬人)、小兒麻痹后遺癥等都可導致不同程度的癱瘓。其主 要表現為肢體運動障礙，使日常生活、工作、學習、娛樂等各項活動均受到嚴重影響。肢體偏 癱的康復是一個國際難題，目前采用的療法很多，但由于以康復儀器仍停留在意被動康復 為主，缺乏量化的功能評定方法，總體治療效果不甚理想。

發明內容
本發明的目的在于提供一種以主動康復理念為基礎，采用運動想象腦電為啟動信 號，肌力信號作為反饋手段的智能化腦損傷患者手功能康復訓練設備。為達到上述目的，本發明采用的技術方案是包括腦電信號采集處理模塊、手部力 信號實時檢測裝置和康復機械手模塊；所述的腦電信號采集處理模塊提取患者主動運動意念，實時、在體、在線采集腦損 傷患者的腦電波，提取運動想象的特征信息，作為康復訓練的控制信號輸入至下位機DSP 中，用自發腦電信號中的運動意識信息控制康復機械手模塊的運動；所述的手部力信號實時檢測裝置是在手部布置傳感器陣列，檢測手部的運動和力 的信息輸入至下位機DSP，實現自適應方式、分級地為患者手功能訓練提供外部補償助力；所述的康復機械手模塊包括上端帶有滑槽的主體機械框架，在該主體機械框架的 滑槽內固定有手腕支架板，在主機機械框架的下端兩側對稱固定有帶有導向槽的安裝板， 在安裝板的導向槽內安裝有橫梁，橫梁的兩端分別與彈簧相連，彈簧的另一端固定在主體 機械框架的滑槽內，與下位機DSP相連的汽缸的輸出端與橫梁相連。本發明的腦電信號采集處理模塊包括電極帽、前置腦電放大采集板和下位機DSP 信號處理部分組成，三道腦電采集帽提取頭部C3、C4和Cz區域的腦電信號，經前置腦電放 大采集板將uV級別的腦電信號，經過腦電采集板放大一萬倍，送入下位機DSP，DSP采樣頻 率為128Hz，在下位機中腦電信號去噪后，做任務意識分類得到人的主動運動意念，此時手 功能康復訓練設備得到運動啟動信號。所述的腦電采集板采用逐次放大的方式，其中前置放大為25倍，二級放大為40 倍，三級放大為10倍，放大后的腦電通過光電隔離電路送至下位機DSP進行A/D轉換，其采 樣率為128Hz，采樣精度為12位。所述的手部力信號實時檢測裝置采用手套式結構，且在手套內安裝有五個 檢測手指壓力信號的薄片式壓力傳感器和三個檢測手部的運動位置的芬蘭VTI公司 SCA61T-FA1H1G芯片的單軸角度傳感器，薄片式壓力傳感器安裝在中指淺屈肌(標號1)、拇 短屈肌(標號2、3)、拇收肌(標號5)、小指短屈肌(標號4)，單軸角度傳感器安裝在橫梁背 面正中間的位置，九個傳感器經A/D采樣模塊將信號通通過串口傳入上位機。所述的手部力信號實時檢測裝置手套的手指連接在康復機械手模塊的橫梁階梯 孔上。所述的康復機械手模塊的汽缸采用醫用靜音空壓機作為氣壓源，提供0-0. SMpa 的氣壓，在氣缸與氣壓源之間的管路上安裝有單向閥、儲氣罐、過濾器、空氣干燥潤滑器、電 氣比例閥和三位五通閥，其中電氣比例閥與下位機DSP相連。所述的下位機DSP還與外設的上位機相連，將下位機傳輸來的腦電及傳感器信號 處理后，向醫生和患者實時、動態地顯示定量肌力信息、監測訓練結果，由用戶自行設定訓 練時機械手所提供的力量等級，使其在下位機DSP的控制下自動調節外部助力或阻力的強 度大小。本發明具有下列技術特點1、采集多個頭皮電極得到的多導腦電信號提取反饋治療信息，由于腦損傷患者易出現腦功能區移位，可根據不同的需要放置不同的位置，提取與治療相關性最大的腦電信 號；2、依據“主動康復”的先進理念，以自發腦電中手部運動意識特征信息的在線提取 與識別技術為基礎，完成一種由患者自發腦電參與控制的肢體康復訓練儀器；3、應用微型薄膜壓力傳感器陣列采集手部力信號，通過患者肢體力學信號評估其 肢體肌肉運動功能狀態；根據實驗提出依據神經-肌肉傳導理論和手多關節精細的運動 域，進行MEMS柔性傳感器陣列的最佳空間布局和集成構架方案設計，實現高測量精度、具 “夾層”結構的傳感器陣列的制作。4、以自適應方式、按等級地提供外部助力或阻力，輔助運動功能障礙患者進行被 動、助動及主動模式的康復訓練。該系統還能向醫生和患者實時、動態地顯示手部運動功能 狀態信息及所提供的助力或阻力信息，為臨床康復診療提供客觀、量化的評定方法及指標。5、本發明的醫用儀器實時顯示康復訓練效果及所提供的外部力量信息，不僅為醫 生制定康復訓練計劃提供依據，而且為患者主動意念參與肢體康復訓練提供激勵源；引入 基于虛擬環境技術的實時視覺反饋訓練推出腦部訓練與肢體訓練結合臨床干預模式，設 計手功能康復訓練指導界面顯示手運動功能狀態信息，為臨床康復診療提供客觀、量化的 評定方法及指標系統的使用簡單，同時界面友好，易于醫生和患者接受。系統不要求使用者 具有編程經驗，不提供復雜的操作環境。


圖1是本發明的總體設計技術路線圖；圖2是本發明的的硬件框圖；圖3是本發明康復機械手模塊的結構示意圖；圖4是壓阻式力傳感器電阻與力的定量線性關系；圖5是壓力傳感器壓力與輸出的關系；圖6是安裝位置與傳感器電壓輸出關系；圖7是柔性傳感器陣列的排布位點分布圖；圖8柔性傳感器陣列的實物位置排布圖；圖9是手功能康復訓練設備的氣動動力回路；圖10是腦電信號采集電路結構；圖11是手功能康復訓練設備的系統軟件流程圖；圖12是手功能康復訓練設備助力訓練模式(左)和阻力訓練模式子程序流圖 (右)；圖13是本發明的軟件登陸界面；圖14是本發明的軟件訓練界面；圖15是本發明的數據庫查詢界面；圖16是本發明的主界面；圖17是本發明的游戲訓練界面。以下結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
具體實施例方式康復機械手模塊在手功能障礙者在各種肌無力的狀態下，康復機械手應當能夠輔助手進行抓握和 伸展的動作。通過對于各種方案比較，本發明采用結構簡單的氣缸結構，設計了康復機械手 的固定框架，通過氣缸的伸縮推拉手指而實現本模塊所需要的功能。手部力信號實時檢測MEMS多傳感器陣列及其排布方式與封裝本發明引入等級助力補償理念，在手部布置傳感器陣列，以檢測手部的運動和力 的信息，是實現自適應方式、分級地為患者手功能訓練提供外部補償助力的關鍵所在。本發 明根據實驗提出依據神經-肌肉傳導理論和手多關節精細的運動域，進行MEMS柔性傳感器 陣列的最佳空間布局和集成構架方案設計，實現高測量精度、具“夾層”結構的傳感器陣列 的制作。在手部布有兩種傳感器，一種是薄膜壓力柔性MEMS傳感器及傳感器陣列，此種傳 感器寬量程、高靈敏度、高精度、響應速度快，不僅具有普通陣列式傳感器的優點，還具有良 好的柔韌性，可以自由彎曲甚至折疊，在不改變患者活動和用力方式的前提下，實時檢測手 部與康復機械手之間作用力的大小。另外一種是芬蘭VTI公司SCA61T-FA1H1G芯片的單軸 角度傳感器，在手的自由度方向可檢測手部的運動位置，為患者神經-肌肉功能狀態的評 價以及分級助力或阻力反饋控制提供依據。腦電信號采集、處理模塊本模塊是“自主智能控制”的重要核心，也是實現“主動康復”理念的中心環節。引 入患者主動運動意念的參與，實時、在體、在線采集腦損傷患者的腦電，提取運動想象的特 征信息，作為康復訓練的控制信號，用自發腦電信號中的運動意識信息控制康復系統中機 械手的運動，不僅有助于肢體神經-肌肉系統的功能恢復，而且有助于腦損傷患者大腦神 經功能及其相對應的神經傳導通路的功能恢復。本模塊首先利用多個頭皮電極用于腦電信號采集，采樣頻率是128Hz，并將采集的 腦電信號進行提取、放大和濾波處理，放大的信號通過12位A/D轉換成數字信號后，進行腦 電信號預處理、特征提取、與分類。由于腦損傷患者功能區會發生代償移位等現象，本裝置應用共同空間模式的預處 理技術，實現對于腦損傷患者最佳電極位置的選擇，以及完成各種偽差信號、噪聲的在線降 噪處理。通過研究腦-機接口技術和信號處理技術，在線BCI系統中，使用AR模型提取特定 頻段的頻譜特征，然后用線性分類器直接做分類，分類效果好且穩定，適合應用于在線BCI 系統且容易實現。所以本發明采用AR模型作為運動想象腦電信號的特征提取方法，Fisher 判別式作為分類方法，實現對手部運動意識任務的在線識別，分類精度> 90%。基于多源信息融合的控制模塊反饋控制電路進行腦電、力信號特征等的多源信息融合，完成基于腦電、壓力的康 復機械手運動的主動控制，以及基于手部力信號的助力或阻力大小的自適應調節控制。本發明的軟件由以下模塊構成；人-機控制顯示界面不但可以向醫生和患者實時、動態地顯示定量肌力信息、監 測訓練結果，而且還可由用戶自行設定訓練時機械手所提供的力量等級，使其在微處理器 的控制下可自動調節外部助力或阻力的強度大小。
管理模塊，用于對訓練進程和受試者信息進行管理，包括訓練者信息的創建、查 詢、修改、刪除，以及訓練方案的選擇，設置反饋訓練方案所要求的指標和形式以及資料的 存儲；數據庫，用于存儲訓練方案、訓練者的信息及其訓練的過程存儲；反饋訓練模塊，該模塊中可以由用戶自行設定訓練時機械手所提供的助力或阻力 等級，使其在微處理器的控制下可自動調節助力或阻力的強度大小；顯示模塊，由結果打印、腦電顯示、腦電分析、肌力顯示、肌力分析五部分組成，用 于實時監測與顯示患者的康復訓練狀態。本發明系統的總體設計技術路線圖如圖1所示，以自發腦電和手部用力信號的實 時監測為基礎，以自發腦電中手部運動意識特征信息的在線提取與識別技術、手部力信號 的檢測與分析技術、以及融合多源信息的自適應控制技術為核心，以包含微型薄膜壓力傳 感器單元和分級外部助力/阻力單元在內的機械手為檢測和執行模塊，構成基于腦-機接 口、融合多源信息的自主智能手康復系統。本發明將依據“主動康復”的先進理念，完成一 種由患者自發腦電參與控制的、能依據患者肌無力狀態、以自適應方式、分等級地提供外部 力量的手部康復醫療輔助訓練裝置。系統的硬件與軟件構成如下系統的硬件構成手功能康復訓練設備系統硬件框圖見圖2。本發明按任務可以劃分為是由三個模 塊，分別是啟動模塊、反饋控制模塊和人機界面。啟動模塊包括三道電集帽、前置腦電放大采集板和下位機DSP信號處理部分組 成，負責提取人手運動的主動意識，提供手功能康復訓練設備的啟動信號。患者佩戴三道腦 電采集帽，提取出頭部C3、C4和Cz的腦電信號，再將uV級別的腦電信號，經過自制的腦電 采集板放大一萬倍，送入下位機。在下位機中，腦電信號去噪后，做任務意識分類，可以得到 人的主動運動意念，此時手功能康復訓練設備得到運動啟動信號。反饋控制模塊包括手部機械裝置、手部MEMS柔性傳感器陣列和下位機反饋控制 部分組成。負責依據患者肌無力狀態、以自適應方式、分等級地提供外部助力。在得到啟動 信號后，依據手部的傳感器陣列，得到手部實時的運動和力的狀態，根據不同的康復模式， 控制手部提供助力的大小變化。同時將傳感器陣列采集到的信號傳輸到上位機，作為康復 評價的依據。人機界面是顯示在裝有手功能康復訓練設備軟件的PC機上，將下位機傳輸來的 腦電及傳感器信號處理后，向醫生和患者實時、動態地顯示定量肌力信息、監測訓練結果， 而且還可由用戶自行設定訓練時機械手所提供的力量等級，使其在微處理器的控制下可自 動調節外部助力或阻力的強度大小。實時顯示康復訓練效果及所提供的外部力量信息，不 僅為醫生制定康復訓練計劃提供依據，而且為患者主動意念參與肢體康復訓練提供激勵 源。引入基于虛擬環境技術的實時視覺反饋訓練，推出腦部訓練與肢體訓練結合臨床干預 模式，設計手功能康復訓練指導界面。顯示手運動功能狀態信息，為臨床康復診療提供客 觀、量化的評定方法及指標1. 1康復機械手機械設計及其動力模塊根據產品預期功能和指標進行機械結構的設計，為了達到手功能障礙者在各種肌無力的狀態下，能夠輔助手做出一些簡單的伸張和回握的動作，采用了汽缸控制的方案。由 于中風病人手部長期不能運動，手部可能產生一定的畸變，采用結構簡單的汽缸結構，通過 汽缸的伸縮推拉手指而實現我們需要的功能。如圖3所示，康復機械手模塊包括上端帶有滑槽7的主體機械框架1，在該主體機 械框架1的滑槽7內固定有手腕支架板8，在主機機械框架1的下端兩側對稱固定有帶有導 向槽3的安裝板9，在安裝板9的導向槽3內安裝有橫梁2，橫梁2的兩端分別與彈簧5相 連，彈簧5的另一端固定在主體機械框架1的滑槽7內，與下位機DSP相連的汽缸4的輸出 端與橫梁2相連。手套的手指連接在橫梁上，橫梁的階梯孔是為了固定綁手套的粘布，用螺釘壓緊 粘布。橫梁兩端在導向槽內活動，彈簧一段連接彈簧橫梁連接點連接，另一端連接螺栓安裝 槽。在橫梁中間有連接汽缸的連接點，汽缸做伸縮運動，提供手功能康復訓練設備的動力。彈簧選拉力彈簧(拉力小于250牛，大徑小于15毫米，拉伸長度80毫米左右)，另 外為達到更好的康復效果可選不同拉力的幾款彈簧互換，左右對稱。整個手掌距離底平面 小于100毫米，因此只要放置位置合適，坐臥都可使用。但是彈簧在運動中與槽接觸會發出 輕微的聲音。整個裝置模仿人手的抓放運動，主要根據彈簧提供的彈力做被動抗阻力運動， 以達到更好的康復效果。1. 2康復機械手氣動動力模塊分級助力或阻力的提供和機械手的可控性實現。具 體氣動回路如圖9所示。康復機械手模塊的汽缸4采用醫用靜音空壓機作為氣壓源，提供 0-0. SMpa的氣壓，在氣缸4與氣壓源之間的管路上安裝有單向閥、儲氣罐、過濾器、空氣干 燥潤滑器、電氣比例閥和三位五通閥，其中電氣比例閥與下位機DSP相連。采用醫用靜音空壓機作為氣壓源，提供0-0. SMpa的氣壓，經過穩壓，除塵除油以 后，提供給汽缸。三位五通閥控制氣體流動路徑，實現汽缸的運動方向的控制。當提供高電 位電壓時，氣缸前推，手部做伸展運動；當提供低電位電壓時，氣缸后縮，手部做蜷縮。電氣 比例閥可根據電壓的變化線性地控制氣壓變化，0-10V的電壓對應0. 005-0. 5Mpa的氣壓， 可分級地控制外部助力的大小。所有的氣功控制元件采購自SMC公司。康復機械手應當能夠輔助手進行抓握和伸展的動作。通過對于各種方案比較，本 發明采用氣缸結構，由控制推拉手指而實現功能。1. 3MEMS多傳感器陣列及其排布方式與封裝手指壓力信號通過薄片式壓力傳感器提取，前期通過多次試驗標定得到準確的手 指壓力與手握力對應關系，DSP A/D采樣模塊讀取信號通過處理計算得到手部握力值，通過 串口傳入上位機進行進一步處理與信號顯示。本發明引入等級助力補償理念，在手部布置傳感器陣列，以檢測手部的運動和力 的信息，是實現自適應方式、分級地為患者手功能訓練提供外部補償助力的關鍵所在。本發 明根據實驗提出依據神經-肌肉傳導理論和手多關節精細的運動域，進行MEMS柔性傳感器 陣列的最佳空間布局和集成構架方案設計，實現高測量精度、具“夾層”結構的傳感器陣列 的制作。在手部布有兩種傳感器，一種是薄膜壓力柔性MEMS傳感器及傳感器陣列，此種傳 感器寬量程、高靈敏度、高精度、響應速度快，不僅具有普通陣列式傳感器的優點，還具有良 好的柔韌性，可以自由彎曲甚至折疊，在不改變患者活動和用力方式的前提下，實時檢測手部與康復機械手之間作用力的大小。另外一種是芬蘭VTI公司SCA61T-FA1H1G芯片的單軸 角度傳感器，在手的自由度方向可檢測手部的運動位置，為患者神經-肌肉功能狀態的評 價以及分級助力或阻力反饋控制提供依據。壓力傳感器采用壓阻式傳感器FSR(R)rCe Sensing Resistor)，薄片式，尺寸小 (長38. Imm,傳感器有效測試部分直徑7. 6mm)，靈敏度較高，線性度好，如圖4所示電阻在壓 力大于IOOg時基本呈線性關系，壓力測試范圍為0-10Kg。將傳感器封裝在指套內，指套固 定于康復機械手上，保證了傳感器與手指的良好接觸與測試的準確性。壓力傳感器所受壓 力與輸出的關系如圖5所示。利用角度傳感器測量指關節角度變化來判斷手部運動情況。角度傳感器采用芬蘭 VTI公司SCA61T-FA1H1G芯片的單軸角度傳感器，0-5v模擬信號接口，測量量程為士90°， 電壓輸出工作方式。壓力傳感器尺寸為10. 48mm*ll. 31mm*5. 08mm。如圖6所示安裝位置與傳感器電壓輸出關系當傳感器水平時輸出電壓為2. 5V，傾 角發生變化輸出電壓會產生相應線性變化。本系統將角度傳感器合理固定于手功能康復訓 練設備上，根據輸出電壓值確定指關節角度變化進而判斷手部運動情況。當手部握緊或握 力不足時，手部停止運動，壓力傳感器輸出電壓值保持不變，以此鑒定手功能康復情況。通過實驗，根據被測試者的手部抓握比較，并結合自我測評。確定靜態抓握時手掌 受影響最大的5個區域。這5個區域集中在中指淺屈肌、拇短屈肌、拇收肌、小指短屈肌等 幾個部位。根據實驗結果，5個區域中1點、2點和3點區域壓力最為明顯，5點區域壓力次 之，而4點區域壓力最低。手背有三個區域力受影響最大，如圖7所示。選取這8個區域作為測試點，利用傳感器提取壓力值，通過計算得到壓力的電壓 輸出信號，以此反映靜態抓握時的手部握力大小。握力大小與肌力信號有著密切關系，當握 力增大時，肌力的電信號幅度與頻率均會增加。傳感器的實物位置排布如圖8所示。將壓力傳感器封裝貼合在柔性手套中，各傳感器的位置對應于上面的8個區域集 中點，手套可采用彈性可伸縮運動手套，材質主要為聚酯纖維、尼龍、萊卡，手套設計為雙 層，將傳感器封裝固定在夾層中間，外層使用聚酯纖維防磨、耐用，內層為尼龍、萊卡，與手 接觸柔軟、彈性好并且透氣，實驗被測人員帶上測量手套，并將手套固定于放入康復訓練機 械裝置的橫梁上，實驗提取手部壓力電信號以及前臂肌力信號，判定手部康復情況。1.4腦電信號提取模塊如圖10是腦電采集系統的總體結構圖。由于3導腦電就能提取與治療相關的信息，所以該采集系統有三個通路，分別用 于放大3導的腦電信號。采集系統在構成上分為模擬和數字兩個部分。(1)模擬部分主要 實現腦電信號的放大以及阻抗檢測；(2)數字部分主要實現信號的AD轉換，信號的預處理 并傳給上位PC機。由于腦電是十分微弱的信號(uV級別)，因而對外界的干擾十分敏感； 而數字部分因為其頻率高，會產生很多干擾。為了去除這個干擾，有必要將數字和模擬電路 部分隔離。隔離分為兩個部分，一是電源的隔離(即數字和模擬部分是不共地的)，通過隔 離電源模塊實現；二是信號的隔離，通過光電耦合實現。由于腦電的幅值在IO-IOOuV之間，所以要顯示腦電波形，需要將其放大1萬倍左 右。這么大的放大倍數顯然不可能一次實現，因此采用逐次放大的方式。該系統中我們采 用三級放大，設計的放大倍數是1萬倍。其中前置放大為25倍左右，二級放大為40倍左右，三級放大為10倍左右。由于電極極化電壓、運放失調電壓以及其他一些直流因素的影 響，進行大倍數放大時會使運放飽和，信號在進入DSP中時腰經過保護電路，最后放大后的 腦電通過光電隔離電路送至DSP進行A/D轉換，其采樣率為128Hz，采樣精度為12位。整個系統采用USB供電，因而方便安全。USB能夠提供5V電壓和500mA的電流，總 功率為2. 5W，完全能夠滿足系統的功耗要求。實現腦電放大的主要困難在于高增益放大的同時去除各種干擾，即保證良好的信 噪比；而前置級放大是實現這個目的的核心部分。1. 5多路信號處理模塊信號處理模塊是由TI公司的基于TMS320C2XX內核的定點數字信號處理器 TMS320F2812DSP及其外圍電路實現。模擬信號雖然在進入數字處理模塊前經過了模擬濾波 處理，去除了工頻干擾，但是通過放大器10000倍的放大，由A/D采集進來的信號還有存在 一些干擾并存在一些生理偽差(例如心電、眼電、肌電等等)。為了減少在反饋過程中出 現錯誤判斷，需要對采集的信號進行預處理。在DSP內部，我們對信號進行了 0-30HZ的低 通濾波，進一步去除了工頻和其他信號的干擾。經過處理的信號通過AR模型方法進行分類 處理，可獲得人主動運動的意愿，作為康復訓練儀的啟動信號。在獲得啟動信號后，采集機械手上的力與位移傳感器的信號，可判斷手部力和運 動信息，根據需要提供所需助力或阻力。軟件構成基于運動想象腦電的手功能康復訓練設備的軟件主要實現了腦電的采集和處理、 腦電的動態顯示、特征值提取、Fisher線性分類、肌力的動態顯示以及肌力反饋康復訓練模 塊，具體流程見圖11。DSP上電后，與上位機通過串口通信，獲得用戶的各種信息，設置康復 模式，初始化完畢后，AD開始工作，采集腦電信，做預處理后，傳給上位機，在上位機做任務 分類后，如獲得啟動信號，則進入預設的康復模式，然后AD采集傳感器陣列的值，處理后作 為反饋，自適應地控制氣動回路的氣壓，從而控制外界助力的大小。同時將各種數據傳輸給 上位機，知道此次運動到終點，開始洗一次循環，判斷腦電，做分類。2. IDSP中的軟件部分在DSP中主要實現通信功能，數據采集處理功能和反饋控制功能三大塊的內容。2. 1. 1串口(SCI)數據通信模塊通過與上位機的通信完成用戶特征及參數的傳輸，訓練模式的選擇，以及腦電和 壓力傳感器信號的傳輸，以便在上位機建立用戶數據庫。數據的傳輸主要由M812的SCI 模塊完成，其將ADC采樣模塊采集的壓力傳感器數據上傳給PC機顯示，以供醫生實時監測 患者康復狀況，同時對手部康復狀態進行微量化檢測。M812與PC機的數據傳輸依靠RS-232接口，這是由電子工業協會(Electronic Industries Association, EIA)所制定的異步傳輸標準接口。通常RS-232接口以9個引 腳(DB-9)或是25個引腳(DB-25)的型態出現，一般個人計算機上會有兩組RS-232接口， 分別稱為COMl禾口 COM2。串口通信采用的波特率為9600，無校驗位，8位數據位，1位停止位，與DSP SCI模 塊設置的數據格式相同。接收區數據為DSP傳輸來的6個ADC通道的采樣值。其中第一個 通道(ADCINA0)接入2Hz的正弦波，第二個通道(ADCINA1)接地，剩余通道懸空，采樣值隨機。2. 1. 2數據采集和D/A電壓輸出模塊腦電和壓力傳感器數值的采樣工作主要由ADC采樣模塊完成。腦電信號的數據采 集模塊主要是由數據采集子線程完成，采樣頻率是128Hz，腦電信號實時預處理模塊對采集 到上位機的數字信號做進一步的預處理處理，消除在傳輸過程中所產生的干擾。傳感器設定每0. 1秒采樣一次，即采樣率設為10Hz。M812有3個CPU定時器，可 以用來方便地實現定時采樣。F2812的AD采樣模塊具有12位的精度，也就是說誤差應該可以減小到0. 1%，但 實際上其AD的采樣值與理論值具有較大的誤差，最大可達9%。這顯然不能滿足精確測量 的要求，但通過添加校準電路及在采樣程序上進行改進，可以控制轉換結果誤差在0. 左 右，從而滿足設計要求。2. 1. 3自適應地分級助力的提供D/A是負責將數字信號轉化成模擬信號，外接電器比例閥。實時采集手部MEMS柔 性傳感器信號，判斷手部的力與位移特征信息，自適應的提供是人手能夠運動的最小助力 和最大阻力。如圖12所示，為助力康復模式和阻力康復模式下的子程序流程圖。在助力康復模 式下，首先初始化，傳感器調零，讀取角度傳感器的值，做均值處理，如果發現Is內，傳感器 的值未變化，即手部靜止，則自動按照設定級數增大D/A輸出電壓△ V，從而輸出氣壓增大 Δ P，助力增大△ F，接著循環進入下一次的傳感器值的判斷，進入下一次循環，直到能夠產 生手部動作，運動到終點，循環結束。阻力模式正好相反，讀取角度傳感器的值，做均值處理，如果發現Is內，傳感器 的值未變化，即手部靜止，則自動按照設定級數減小D/A輸出電壓△ V，從而輸出氣壓減小 Δ P，阻力減小Δ F，接著循環進入下一次的傳感器值的判斷，進入下一次循環，直到能夠產 生手部動作，運動到終點，循環結束。此種方式，沒有統一的手部能運動力的標準，因為人手能運動需要的力是因人而 異的，此種方法始終在尋找，手部剛好能運動的那個點，讓患者始終能夠盡自己最大的努 力，達到最大的康復訓練效果。2. 2上位機中的軟件部分2.2. 1開發平臺和開發工具操作系統WindowsXP開發平臺=MicrosoftVisual Studio. NET 2008開發語言C#數據庫 Microsoft SQL Server 2005如圖13，軟件登陸界面，包括數據庫管理，特征值提取與處理等，登陸模塊用于保 證用戶數據的安全性。上位機中的軟件部分主要由以下模塊構成2. 2. 2腦電信號特征提取與分類模塊對腦電信號的特征提取使用基于burg算法的自回歸模型，簡稱 AR(auto-regressive)模型。
不論x(n)是確定性信號還是隨機信號，輸入u(η)和輸出χ(η)總有如下的關系
權利要求
1.一種智能化腦損傷患者手功能康復訓練設備，其特征在于包括腦電信號采集處理 模塊、手部力信號實時檢測裝置和康復機械手模塊；所述的腦電信號采集處理模塊提取患者主動運動意念，實時、在體、在線采集腦損傷患 者的腦電波，提取運動想象的特征信息，作為康復訓練的控制信號輸入至下位機DSP中，用 自發腦電信號中的運動意識信息控制康復機械手模塊的運動；所述的手部力信號實時檢測裝置是在手部布置傳感器陣列，檢測手部的運動和力的信 息輸入至下位機DSP，實現自適應方式、分級地為患者手功能訓練提供外部補償助力；所述的康復機械手模塊包括上端帶有滑槽(7)的主體機械框架(1)，在該主體機械框 架(1)的滑槽(7)內固定有手腕支架板(8)，在主機機械框架(1)的下端兩側對稱固定有帶 有導向槽⑶的安裝板(9)，在安裝板(9)的導向槽(3)內安裝有橫梁O)，橫梁(2)的兩 端分別與彈簧( 相連，彈簧( 的另一端固定在主體機械框架(1)的滑槽(7)內，與下位 機DSP相連的汽缸(4)的輸出端與橫梁(2)相連。
2.根據權利要求1所述的智能化腦損傷患者手功能康復訓練設備，其特征在于所述 的腦電信號采集處理模塊包括電極帽、前置腦電放大采集板和下位機DSP信號處理部分組 成，三道腦電采集帽提取頭部C3、C4和Cz區域的腦電信號，經前置腦電放大采集板將uV級 別的腦電信號，經過腦電采集板放大一萬倍，送入下位機DSP，DSP采樣頻率為128Hz，在下 位機中腦電信號去噪后，做任務意識分類得到人的主動運動意念，此時手功能康復訓練設 備得到運動啟動信號。
3.根據權利要求2所述的智能化腦損傷患者手功能康復訓練設備，其特征在于所述 的腦電采集板采用逐次放大的方式，其中前置放大為25倍，二級放大為40倍，三級放大為 10倍，放大后的腦電通過光電隔離電路送至下位機DSP進行A/D轉換，其采樣率為128Hz， 采樣精度為12位。
4.根據權利要求1所述的智能化腦損傷患者手功能康復訓練設備，其特征在于所述 的手部力信號實時檢測裝置采用手套式結構，且在手套內安裝有五個檢測手指壓力信號的 薄片式壓力傳感器和三個檢測手部的運動位置的芬蘭VTI公司SCA61T-FA1H1G芯片的單軸 角度傳感器，薄片式壓力傳感器安裝在中指淺屈肌(標號1)、拇短屈肌(標號2、3)、拇收肌 (標號幻、小指短屈肌(標號4)，單軸角度傳感器安裝在橫梁背面正中間的位置，九個傳感 器經A/D采樣模塊將信號通通過串口傳入上位機。
5.根據權利要求1所述的智能化腦損傷患者手功能康復訓練設備，其特征在于所述 的手部力信號實時檢測裝置手套的手指連接在康復機械手模塊的橫梁階梯孔上。
6.根據權利要求1所述的智能化腦損傷患者手功能康復訓練設備，其特征在于所述 的康復機械手模塊的汽缸(4)采用醫用靜音空壓機作為氣壓源，提供0-0. SMpa的氣壓，在 氣缸(4)與氣壓源之間的管路上安裝有單向閥、儲氣罐、過濾器、空氣干燥潤滑器、電氣比 例閥和三位五通閥，其中電氣比例閥與下位機DSP相連。
7.根據權利要求1所述的智能化腦損傷患者手功能康復訓練設備，其特征在于所述 的下位機DSP還與外設的上位機相連，將下位機傳輸來的腦電及傳感器信號處理后，向醫 生和患者實時、動態地顯示定量肌力信息、監測訓練結果，由用戶自行設定訓練時機械手所 提供的力量等級，使其在下位機DSP的控制下自動調節外部助力或阻力的強度大小。
全文摘要
一種基于自發的運動想象腦電的手功能康復訓練設備，該儀器的硬件是腦電信號采集、處理模塊，手部力信號實時檢測傳感器陣列，基于多源信息融合的控制模塊，康復機械手模塊組成，計算機內設置有用于支持手部功能主動康復訓練的軟件。本發明采用腦損傷患者的運動想象腦電作為啟動信號，以手部肌力作為反饋信號，依據患者肌無力狀態、以自適應方式、分級地提供外部補償助力或阻力，輔助運動功能障礙患者進行被動、助動及主動模式的康復訓練，并向醫生和患者顯示手部運動功能狀態信息及所提供的外部力量信息，為臨床康復診療提供客觀、量化的評定方法及指標。儀器使用簡單，同時界面友好，易于醫生和患者接受。系統不要求使用者具有編程經驗，不提供復雜的操作環境。
文檔編號A63B24/00GK102138860SQ20111000370
公開日2011年8月3日 申請日期2011年1月10日 優先權日2011年1月10日
發明者徐進, 李津, 王伊卿, 王玨, 趙玉龍, 高琳 申請人:西安交通大學