CN106983633A - 一种用于中风的嵌入式康复装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于中风的嵌入式康复装置。本发明包括脑电信号处理装置和康复装置，脑电信号处理装置设置在康复装置内部；其中脑电信号处理装置包括无线蓝牙接收器、嵌入式单板计算机；康复装置包括壳体和内部结构，具体包括踏板、固定带、踏板支架、滚珠丝杆、直线导轨、底座、直流无刷电机、霍尔传感器、角度传感器；所述的脑电信号处理装置是用于对脑电信号进行特征提取与分类处理；康复装置用于支撑患者肢体的运动机构。本发明将嵌入式脑机交互技术运用到中风康复器械中，改善传统器械中体积大，使用不方便，难以升级优化的缺点，特别适合用于行动不便意识清醒的中风病人的长期康复训练。

Description

一种用于中风的嵌入式康复装置
技术领域
本发明属于医疗康复领域，具体涉及一种应用在中风病人康复期使用的嵌入式康复装置。
背景技术
在中风的康复治疗中，除了必要的药物介入和手术外，辅以一定的康复训练将极大的提高疗效。传统型康复器械由于只是被动的运动治疗，缺乏对患者的主动参与性的刺激。而脑机接口技术的出现，为主动式康复器械研究注入了新的活力。
近年来，国内外一些科研单位开始进行脑机接口康复机器人的研究，例如：清华大学高小榕团队利用稳态视觉诱发电位构造了脑机接口的方法，利用这种方法实现了对假肢的控制。新加坡国立大学的Brice Rebsamen利用P300信号选择目的地，并配合预定义路径以及引导策略实现了第一个可在特定办公室环境下使用的脑机交互轮椅***原型。东南大学徐保国等研制了一种基于运动想象上肢康复训练机器人，该***通过想象不同肢体的运动来控制器械的模式。这些基于脑机接口的辅助康复***达到了主动式康复目的，有着传统康复器械不可比拟的优势。但是由于这些***通常使用PC机进行控制和运算，成本较高且不方便携带，实用性不佳。因此，设计了一种嵌入式脑机康复装置，该装置具有开发周期短、易升级、运行稳定等特点，达到了临床应用目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用脑机接口技术实现的用于中风的嵌入式康复装置。
本发明包括脑电信号处理装置和康复装置，脑电信号处理装置设置在康复装置内部；其中脑电信号处理装置包括无线蓝牙接收器、嵌入式单板计算机；康复装置包括壳体和内部结构，具体包括踏板、固定带、踏板支架、滚珠丝杆、直线导轨、底座、直流无刷电机、霍尔传感器、角度传感器；
所述的脑电信号处理装置是用于对脑电信号进行特征提取与分类处理；康复装置用于支撑患者肢体的运动机构；
壳体采用ABS注塑加工而成，留有LCD显示屏预留开口、USB预留开口、V电源插孔、船型翘板开关预留开口，且在壳体的相对的两个长条形侧面开有条形滑动槽，与踏板支架相连接的其中的两个第一支撑架的另一端分别设置在两个侧面的滑动槽内，且两个第一支撑架能够沿着滑动槽来回滑动，从而带动踏板支架前后滑动；与踏板支架相连接的另外两个第二支撑架与底座相连接，且该第二支撑架与底座活动连接，能够在踏板支架的带动下与底座相对转动；
踏板支架设置在壳体外部，其上设置有角度传感器、固定带和踏板，踏板设置在踏板支架的第三支撑杆上，固定带设置在踏板支架的第四支撑杆上；角度传感器设置在第四支撑杆、第三支撑杆和第一支撑杆的连接杆上，且第四支撑杆、第三支撑杆之间固定连接，两个支撑杆角度不变；第三支撑杆和第一支撑杆之间可相对转动；
康复装置的内部结构还设置有电路板、滚珠丝杆、直线导轨、直流无刷电机、霍尔传感器；电路板安装在LCD显示屏背面；滚珠丝杆的两端分别固定在壳体内部底座上，且壳体内部底座上对应设置有两个霍尔传感器，用于检测踏板的运动，防止踏板超越行程；直流无刷电机的输出轴与滚珠丝杆的一端相连接，用于驱动滚珠丝杆转动，从而带动整个踏板运动；
电路板上设置有开关电源电路、无刷电机驱动电路和电平转换电路；开关电源电路为直流无刷电机、无线蓝牙接收器、嵌入式单板计算机、无刷电机驱动电路和电平转换电路供电；无刷电机驱动电路用于驱动直流无刷电机；电平转换电路设置在嵌入式单板计算机与无刷电机驱动电路之间，用于两者的通信电平的转换；
具体的：无刷电机驱动电路发出控制信号，传递给直流无刷电机使其正常工作，直流无刷电机的运转带动滚珠丝杆的转动；主轴拖板安装在滚珠丝杆上，另外两端安装在与直线导轨相连接的支撑架上；当滚珠丝杆转动时，主轴拖板会沿着直线导轨运行，并通过支撑架带动踏板支架运行；滚珠丝杆的两端旁设有霍尔传感器，可感知主轴拖板运行到滚珠丝杆两端的位置，并将位置信息传递给无刷电机驱动电路，无刷电机驱动电路根据位置信息对直流无刷电机运行进行调整，使得主轴拖板在运行中不会超越行程。
所述的脑电信号处理装置中的无线蓝牙接收器用于接收采集到的脑电信号，其型号为EPOC USB。
所述的嵌入式单板计算机型号为Raspberry Pi B+，其内部设置有运动控制模块、脑电信号处理模块和显示模块；所述的运动控制模块用于控制康复装置中直流无刷电机的转动，具体的通过控制发送控制指令给无刷电机驱动电路，间接控制直流无刷电机的转动；所述的显示模块与LCD显示屏相连接，用于显示当前脑电信息和当前康复装置的运动状态；所述的脑电信号处理模块用于处理无线蓝牙接收器发送过来的脑电信号。
所述的脑电信号处理模块运用了头戴式传感器作为信号采集器来提取用户的脑电信号，用户先戴上头戴式传感器，戴式传感器将其电极上提取到的信号经过放大、滤波、采样处理后，通过无线蓝牙接收器以数据帧包的形式传输到嵌入式单板计算机上，嵌入式单板计算机中的脑电信号处理模块对数据帧包中患者的脑电数据进行解析，通过一系列的信号处理方法进行特征提取、分类，从而达到理解患者的运动意图的目的，并将脑电信号处理模块处理的结果以控制信号的形式通过串口输入到无刷电机驱动电路中，无刷电机驱动电路根据指令驱动直流无刷电机，从而使用户进行伸腿和屈腿的动作。
本发明具有以下技术效果：
1.实现了中风康复治疗的主动化：运用脑机交互技术，患者可以先通过自己的大脑发出指令，然后再通过蓝牙将指令传输给康复***，康复***根据患者大脑的指令作相应的工作，如此实现了患者主动参与康复治疗的效果.
2.实现了页面更新的高效化：在信号处理时，使用多线程信号处理方法，让页面线程和信号处理线程分开，不会造成页面刷新卡顿，解决了在页面更新时效率低的问题；
3.保证了***控制的精准性和安全性：使用闭环***进行电机控制，给定转速和反馈转速的差值，经过PI调节后对PWM进行控制。控制环提供了对速度的比例和积分控制，使用定时器来选通一个完整的电周期，来测量实际速度。解决了常规的电机驱动***在控制和传动上无法保证精度的问题。
4.采用模块化的设计，并且进行嵌入式一体化的组装，方便***的升级，也提高***的稳定性。直接解决了使用PC带来的不便性，达到了实用化的目的。
附图说明
图1为本发明中康复装置的正面结构示意图；
图2为本发明中康复装置的侧面结构示意图；
图3为本发明中康复装置内部结构示意图；
图4为本发明中康复***框图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，一种用于中风的嵌入式康复装置，包括脑电信号处理装置和康复装置，脑电信号处理装置设置在康复装置内部；其中脑电信号处理装置包括无线蓝牙接收器、嵌入式单板计算机；康复装置包括壳体、内部结构和外部结构，具体包括踏板15、固定带6、踏板支架4、滚珠丝杆8、直线导轨11、底座3、直流无刷电机9、霍尔传感器7、角度传感器1；
所述的脑电信号处理装置是用于对脑电信号进行特征提取与分类处理；康复装置用于支撑患者肢体的运动机构。
如图1和图2所示，壳体采用ABS注塑加工而成，留有LCD显示屏2预留开口、USB预留开口、220V电源插孔5、船型翘板开关预留开口，且在壳体的相对的两个长条形侧面开有条形滑动槽14，与踏板支架4相连接的其中的两个支撑架4-1的另一端分别设置在两个侧面的滑动槽14内，且两个支撑架4-1能够沿着滑动槽14来回滑动，从而带动踏板支架4前后滑动；与踏板支架4相连接的另外两个支撑架4-2与底座3相连接，且该支撑架4-2与底座活动连接，能够在踏板支架4的带动下与底座相对转动。
踏板支架4设置在壳体外部，属于外部结构，其上设置有角度传感器1、固定带6和踏板15，踏板15设置在踏板支架4的支撑杆4-3上，固定带6设置在踏板支架4的支撑杆4-4上；角度传感器1设置在支撑杆4-4、4-3和4-1的连接杆上，且支撑杆4-4和4-3之间固定连接，两个支撑杆角度不变；支撑杆4-3和4-1之间可相对转动；
康复装置的内部结构还设置有电路板10、滚珠丝杆8、直线导轨11、直流无刷电机9、霍尔传感器7；电路板10安装在LCD显示屏2背面；滚珠丝杆8的两端分别固定在壳体内部底座上，且壳体内部底座上对应设置有两个霍尔传感器7，用于检测踏板的运动，防止踏板超越行程；直流无刷电机9的输出轴与滚珠丝杆8的一端相连接，用于驱动滚珠丝杆8转动，从而带动整个踏板运动；
电路板10上设置有开关电源电路、无刷电机驱动电路和电平转换电路；开关电源电路为直流无刷电机9、无线蓝牙接收器、嵌入式单板计算机、无刷电机驱动电路和电平转换电路供电；无刷电机驱动电路用于驱动直流无刷电机9；电平转换电路设置在嵌入式单板计算机与无刷电机驱动电路之间，用于两者的通信电平的转换；
具体的：无刷电机驱动电路发出控制信号，传递给直流无刷电机使其正常工作，直流无刷电机的运转带动滚珠丝杆的转动。主轴拖板16安装在滚珠丝杆8上，另外两端安装在与直线导轨11相连接的支撑架4-1上；当滚珠丝杆转动时，主轴拖板16会沿着直线导轨11运行，并通过支撑架4-1带动踏板支架4运行；滚珠丝杆的两端旁设有霍尔传感器7，可感知主轴拖板运行到滚珠丝杆两端的位置，并将位置信息传递给无刷电机驱动电路，无刷电机驱动电路根据位置信息对直流无刷电机运行进行调整，使得主轴拖板在运行中不会超越行程。
220V交流市电输出端与直流电压开关相连接，将220V交流电经过开关电源电路转换为24V直流电供给直流电机，同时直流电压开关还与开关型降压调节器相连接，将24V直流电转换为5V直流电，5V直流电输出端还与电平转换电路相连接将5V电压转换为3.3V，再与嵌入式单板计算机连接，使嵌入式单板计算机正常工作
所述的脑电信号处理装置中的无线蓝牙接收器用于接收采集到的脑电信号，其型号为EPOC USB。
所述的嵌入式单板计算机型号为Raspberry Pi 3B+，其内部设置有运动控制模块、脑电信号处理模块和显示模块；所述的运动控制模块用于控制康复装置中直流无刷电机9的转动，具体的通过控制发送控制指令给无刷电机驱动电路，间接控制直流无刷电机9的转动；所述的显示模块与LCD显示屏2相连接，用于显示当前脑电信息和当前康复装置的运动状态；所述的脑电信号处理模块用于处理无线蓝牙接收器发送过来的脑电信号，具体的对脑电信号的处理过程如下：
脑电信号采集处理的过程是运用了头戴式传感器作为信号采集器来提取用户的脑电信号，用户先戴上头戴式传感器Emotiv，戴式传感器其电极上提取到的信号经过放大、滤波、采样等步骤，通过无线蓝牙接收器以数据帧包的形式传输到嵌入式单板计算机上，嵌入式单板计算机中的脑电信号处理模块对数据帧包中患者的脑电数据进行解析，通过一系列的信号处理方法进行特征提取、分类，从而达到理解患者的运动意图的目的，并将脑电信号处理模块处理的结果以控制信号的形式通过串口输入到无刷电机驱动电路中，无刷电机驱动电路根据指令驱动直流无刷电机，从而使用户进行伸腿和屈腿的动作，用户通过视觉反馈，可以实时获知康复效果。
霍尔传感器可采用TELESKY公司的由Risym OH137霍尔元件TO-92UA封装的霍尔传感器。除上述传感器外，不排除选择其他公司、型号的传感器。传感器与控制芯片U1的连接为成熟的技术，本领域的技术人员根据实际需要，通过编程等方式即可通过各传感器采集各种位置数据。
便携式脑电采集器使用Emotiv System公司开发的Emotiv传感器。
本发明的原理是通过对患者脑电信号的采集、处理、分析，理解患者的运动意图，使器械可以根据患者想象的运动方向进行屈腿和伸腿的辅助康复治疗，从而有足够的主动参与性和良好的体验效果，进而提高患在进行康复治疗时，锻炼瘫痪肌肉运动能力，同时也促进受损中枢神经***的重建与康复的目的增强患者的主动参与性，达到提升患者进行运动康复时的治疗效果。
本发明将嵌入式脑机交互技术运用到中风康复器械中，改善传统器械中体积大，使用不方便，难以升级优化的缺点，特别适合用于行动不便意识清醒的中风病人的长期康复训练。

Claims (4)

1.一种用于中风的嵌入式康复装置，其特征在于包括脑电信号处理装置和康复装置，脑电信号处理装置设置在康复装置内部；其中脑电信号处理装置包括无线蓝牙接收器、嵌入式单板计算机；康复装置包括壳体、内部结构和外部结构，具体包括踏板(15)、固定带(6)、踏板支架(4)、滚珠丝杆(8)、直线导轨(11)、底座(3)、直流无刷电机(9)、霍尔传感器(7)、角度传感器(1)；
所述的脑电信号处理装置是用于对脑电信号进行特征提取与分类处理；康复装置用于支撑患者肢体的运动机构；
壳体采用ABS注塑加工而成，留有LCD显示屏(2)预留开口、USB预留开口、220V电源插孔(5)、船型翘板开关预留开口，且在壳体的相对的两个长条形侧面开有条形滑动槽(14)，与踏板支架(4)相连接的其中的两个支撑架(4-1)的另一端分别设置在两个侧面的滑动槽(14)内，且两个支撑架(4-1)能够沿着滑动槽(14)来回滑动，从而带动踏板支架(4)前后滑动；与踏板支架(4)相连接的另外两个支撑架(4-2)与底座(3)相连接，且该支撑架(4-2)与底座活动连接，能够在踏板支架(4)的带动下与底座相对转动；
踏板支架(4)设置在壳体外部，属于外部结构，踏板支架(4)上设置有角度传感器(1)、固定带(6)和踏板(15)，踏板(15)设置在踏板支架(4)的支撑杆(4-3)上，固定带(6)设置在踏板支架(4)的支撑杆(4-4)上；角度传感器(1)设置在支撑杆(4-4)、(4-3)和(4-1)的连接杆上，且支撑杆(4-4)和(4-3)之间固定连接，两个支撑杆角度不变；支撑杆(4-3)和(4-1)之间可相对转动；
康复装置的内部结构还设置有电路板(10)、滚珠丝杆(8)、直线导轨(11)、直流无刷电机(9)、霍尔传感器(7)；电路板(10)安装在LCD显示屏(2)背面；滚珠丝杆(8)的两端分别固定在壳体内部底座上，且壳体内部底座上对应设置有两个霍尔传感器(7)，用于检测踏板的运动，防止踏板超越行程；直流无刷电机(9)的输出轴与滚珠丝杆(8)的一端相连接，用于驱动滚珠丝杆(8)转动，从而带动整个踏板运动；
电路板(10)上设置有开关电源电路、无刷电机驱动电路和电平转换电路；开关电源电路为直流无刷电机(9)、无线蓝牙接收器、嵌入式单板计算机、无刷电机驱动电路和电平转换电路供电；无刷电机驱动电路用于驱动直流无刷电机(9)；电平转换电路设置在嵌入式单板计算机与无刷电机驱动电路之间，用于两者的通信电平的转换；
具体的：无刷电机驱动电路发出控制信号，传递给直流无刷电机使其正常工作，直流无刷电机的运转带动滚珠丝杆的转动；主轴拖板(16)安装在滚珠丝杆(8)上，另外两端安装在与直线导轨(11)相连接的支撑架(4-1)上；当滚珠丝杆转动时，主轴拖板(16)会沿着直线导轨(11)运行，并通过支撑架(4-1)带动踏板支架(4)运行；滚珠丝杆的两端旁设有霍尔传感器7，可感知主轴拖板运行到滚珠丝杆两端的位置，并将位置信息传递给无刷电机驱动电路，无刷电机驱动电路根据位置信息对直流无刷电机运行进行调整，使得主轴拖板在运行中不会超越行程。
2.根据权利要求1所述的一种用于中风的嵌入式康复装置，其特征在于所述的脑电信号处理装置中的无线蓝牙接收器用于接收采集到的脑电信号，其型号为EPOC USB。
3.根据权利要求1所述的一种用于中风的嵌入式康复装置，其特征在于所述的嵌入式单板计算机型号为Raspberry Pi 3B+，其内部设置有运动控制模块、脑电信号处理模块和显示模块；所述的运动控制模块用于控制康复装置中直流无刷电机(9)的转动，具体的通过控制发送控制指令给无刷电机驱动电路，间接控制直流无刷电机(9)的转动；所述的显示模块与LCD显示屏(2)相连接，用于显示当前脑电信息和当前康复装置的运动状态；所述的脑电信号处理模块用于处理无线蓝牙接收器发送过来的脑电信号。
4.根据权利要求3所述的一种用于中风的嵌入式康复装置，其特征在于所述的脑电信号处理模块运用了头戴式传感器作为信号采集器来提取用户的脑电信号，用户先戴上头戴式传感器，戴式传感器将其电极上提取到的信号经过放大、滤波、采样处理后，通过无线蓝牙接收器以数据帧包的形式传输到嵌入式单板计算机上，嵌入式单板计算机中的脑电信号处理模块对数据帧包中患者的脑电数据进行解析，通过一系列的信号处理方法进行特征提取、分类，从而达到理解患者的运动意图的目的，并将脑电信号处理模块处理的结果以控制信号的形式通过串口输入到无刷电机驱动电路中，无刷电机驱动电路根据指令驱动直流无刷电机，从而使用户进行伸腿和屈腿的动作。
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