CN109011142A - 一种基于1/f波动理论的便携式电刺激仪 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种基于1/f波动理论的便携式电刺激仪。主要采用“1/f波动”理论方法对装置功能模块进行控制,同时带有过流保护以及肌电信号反馈功能,实现反馈式治疗。主要包含升压模块、***控制模块、脉冲信号调理电路、反馈模块、无线传输模块、电极片。本发明目的在于提高在对人体的生物电刺激过程中呈现出一种自然感(“1/f波动”规律,以此来最大提高电刺激的疗效性,同时不断检测治疗部位肌肉的电位信息状态,根据反馈的信息不断调整输出的脉冲信号,避免治疗过程中的疲劳感。最终能够通过无线传输模块将相关的数据传至智能终端设备,以便用户操作简单直观。
Description
技术领域
本发明属于一种对人体部分慢性疾病具有治疗作用的装置。尤其涉及到一种采用“1/f波动”理论对装置功能进行控制。
背景技术
人体组织是由大量的水分,无机盐以及带电生物胶体组成的电解质导体,人们研究发现当给人体通一微量适当的电流时,就会导致组织中的离子定向运动,细胞膜极化状态消除,离子浓度分布发生显著变化,影响人体组织功能,从而达到治疗一些疾病的目的。经临床实践证明:电刺激能够促进血液循环,使肌肉有节律的舒缩,以及对人体具有镇痛等作用。因而电刺激疗法是一种有极大价值的绿色环保治疗方式。近年来,随着智能可穿戴设备的日益发展,医疗领域也开始逐渐重视其设备的智能化与便携化,医疗健康与可穿戴技术相结合已成为趋势。目前市场上出现了大量电刺激仪理疗设备,更多的是应用在一些医院中,机械性相对来说比较强。对于一些便携式智能产品却很少,通过对目前出现的部分电刺激仪分析,存在(1)电刺激参数设计不合理;不同的人群对刺激具有不同的“耐受度”,目前绝大部分产品未考虑。(2)便携性弱;大部分治疗仪体积大,使用时易受限制。(3)***安全性不高;用户总体体验感不强,易产生适应性等。传统的电刺激仪设计时,基本上将一直流电间断性的作用于人体,此类单调的刺激,易使机体产生适应性,失去激活组织细胞功能的动力作用。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。本发明提供一种基于“1/f波动”理论的便携式电刺激仪,通过采用“1/f波动”理论方法对其进行控制,使其作用于人体的脉冲强度符合“1/f波动”变化规律。同时利用肌电信号检测模块对作用部位肌肉进行信息提取分析,不断调整脉冲强度,以其避免在治疗过程中被作用肌肉疲劳性,以此提高电刺激的疗效性。同时结合目前的智能设备对其此电刺激仪进行无线控制,达到便携式,智能化。
本发明的技术方案如下:
一种基于1/f波动理论的便携式电刺激仪,其包括:电源管理模块、升压模块、主控***、脉冲信号调理电路、反馈模块、无线传输模块及电极片,其中,主控***包括:1/f波动数据产生模块、电刺激信号控制模块以及反馈参数计算分析模块,反馈模块包括过流保护模块和肌电信号采集模块;其中,电源管理模块,为整个***中不同的模块提供不同需求的电压;
升压模块,用于将电池电压升压到所需的脉冲电压;
1/f波动数据产生模块,用于产生随机白噪声,再由随机白噪声经过63阶极点滤波器变换生成1/f波动数据;具体的变换公式如下:
其中a0=1,w(n)为零均值白噪过程。
电刺激信号控制模块,用于根据1/f波动数据产生相应的电刺激控制信号。控制脉冲信号调理电路的通断状态。
反馈参数计算模块,用于对肌电信号采集模块采集到的信号进行计算分析,主要计算分析四个特征参数:反馈电流值与标准值比较,计算肌肉在单位时间内的收缩特性、计算RMS值以及计算MPE值;
脉冲信号调理电路,用于根据电刺激信号控制模块产生的电刺激信号,产生不同的治疗类波形;
过流保护模块,用于当反馈电流值超过人体的最大承受能力时会中断整个***工作。肌电信号采集模块,用于对肌肉的电信号进行采集,并将采集到的信号送至主控***中反馈参数计算模块进行计算分析。
无线通信模块,用于实现智能终端设备与电刺激仪之间的通信,通过手机控制电刺激仪,电刺激仪各项参数显示于智能终端设备。
进一步的,所述升压模块将电池电压升压到所需的脉冲电压是指:最大幅值为100V的脉冲电压,并且最小幅值不能低于60V。
进一步的,所述治疗类波形包括矩形波(单相、不对称双相)、尖峰波(单相、不对称双相)以及锯齿波,以及各种类型的波簇(疏波、密波、疏密波)。
进一步的,1/f波动理论是:作用于人体的脉冲强度变化规律符合“1/f波动”曲线,“1/f波动”特征和人体的感觉神经***具有一定的联系,大脑感知***对“1/f波动”特征能够快速响应与高效编码。
进一步的,所述根据相应的参数范围生成随机白噪x(t),再将白噪通过63阶极点滤波器变换生成相应的“1/f波动”数据。
进一步的,所述反馈参数计算模块具体实现过程如下:
(1)对反馈电流与人体最大承受电流进行比较;
(2)计算肌肉在单位时间内的收缩特性,计算公式如下:
其中x(i)为肌电信号采样值,N为采样点数。随着电刺激治疗的进行,当iEMG有明显的下降现象时,表明作用肌肉已经开始出现疲劳状态;
(3)计算RMS值,RMS体现肌电信号幅度的变化特征和反应神经肌肉放电的有效值;
其中,EMG(t)是肌电曲线的时间变化函数;x(i)为EMG(t)的采样值;N为采样点数;T为测试时间长度;
(4)计算MPE值,MPE能反映肌疲劳程度的细节变化,随着疲劳程度的
增加而降低,MPE的计算公式如下:
其中为肌电功率谱,f为采样频率,x(i)为肌电信号采样值,N为采样点数
本发明的优点及有益效果如下:
本发明1、本发明主要从在电刺激治疗中人体容易产生疲劳感和“适应性”出发,研制出最大可能提供治疗的有效性便携式设备。由于大脑神经信号活动本身具有“1/f波动”特征,当电刺激强度符合“1/f波动”特征时,人体就会呈现出一种自然感、舒适感。
2、可以根据反馈的肌电信号实时做出脉冲强度调整,避免在治疗过程中产生被作用肌肉的疲劳感,影响治疗效果。同时解决了不同个体对电刺激耐受性问题,使得用户体验感更佳。
3、能够与智能终端通信,通过智能终端即可操纵此设备,使得设备更加简单易控,解决了设备便携式问题。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例的***框架图;
图2是本发明脉冲强度与脉宽的关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是:
如图1所示,一种基于“1/f波动”理论的便携式电刺激仪研制,主要包括电源管理1,升压模块2,主控***3,脉冲信号调理电路4,反馈模块5,无线传输模块6。
其中,主控***3包括:“1/f波动”数据产生模块31、电刺激信号控制模块32以及反馈参数计算分析模块33,反馈模块5包括过流保护51和肌电信号采集模块52。
各个模块功能如下:
电源管理模块1,为整个***中不同的模块提供不同需求的电压。
升压模块2,根据图2所示,电流强度与脉宽的关系,刺激人体的电流值必须在一定范围内,不能超过人体的承载能力。另一方面刺激的脉冲电压必须在60V以上,才能引起神经的动作电位变化。因此需将电池电压最大效率的升压到所需的脉冲电压。优选的,所述的升压模块采用boost升压电路,能够在极短时间内将电源电压升到所需的脉冲电压值,并且带负载能力强。
“1/f波动”数据产生模块31,根据用户设定的模式以及图2所示的电流与脉宽的关系确定所需的电流和脉宽值。
脉冲信号调理电路4,根据电刺激控制模块32产生的信号对其脉冲信号调理电路4进行控制,产生对应病症的波形。
所述脉冲信号调理电路采用H-Bridge式电路,在输出端需接22uf电容。
进一步,所述肌电信号检测模块包含了差分放大,低通滤波,50Hz陷波器,高通滤波,二级放大。
进一步,无线传输模块采用的是蓝牙无线技术,整个***与智能终端设备实现双向通信。
进一步,电极片采用的是硅胶自贴式电极片,柔软,粘附强,可反复使用。
反馈模块5,其中,过流保护,根据图2所示,作用于人体的电流不能超过80mA,当反馈模块5检测到电流值大于最大承受能力时,关闭整个***。肌电信号采集模块52完成当脉冲信号作用于机体时肌肉信息的采集。
反馈参数计算模块33,对肌电信号采集模块采集到的信号进行计算分析。主要计算分析四个特征参数:反馈电流值与标准值比较,计算肌肉在单位时间内的收缩特性、计算RMS值以及计算MPE值。
其中,当反馈电流值超过人体的最大承受能力时会中断整个***工作。当被作用于肌肉呈现疲劳状态时,反馈参数计算模块33把疲劳信号交由“1/f波动”数据产生模块31处理,重新调整“1/f波动”数据产生。
无线通信模块6,实现智能终端设备与电刺激仪之间的通信,通过手机控制电刺激仪,电刺激仪各项参数显示于智能终端设备。
“1/f波动”数据生成具体过程如下:
(1)根据图2所示关系图在给定的电流范围内随机产生白噪x(t)。
(2)根据“1/f波动”数据特征,白噪x(t)通过全极点滤波器生成符合要求的“1/f波动”数据。
(3)根据总电流与脉冲电压幅度、脉宽、波频的关系,计算出所需的脉宽值或者波频值。
其中u(t)为在t时刻电极片两端的电压,Z(t)为电极片之间人体组织阻抗(人体阻抗随流过的电流大小而变化),t2i-1-t2i表示一个脉冲作用于人体的时间,n等于波频。
反馈参数计算模块33具体实现过程如下:
(1)对反馈电流与人体最大承受电流进行比较。
(2)计算肌肉在单位时间内的收缩特性,计算公式如下:
其中x(i)为肌电信号采样值,N为采样点数。随着电刺激治疗的进行,当iEMG有明显的下降想象时,表明作用肌肉已经开始出现疲劳状态。
(3)计算RMS值,RMS体现肌电信号幅度的变化特征和反应神经肌肉放
电的有效值。
其中,EMG(t)是肌电曲线的时间变化函数;x(i)为EMG(t)的采样值;N为采样点数;T为测试时间长度。但是,RMS随着电刺激时间的延长和疲劳程度加深而增加。
(4)计算MPE值,MPE能反映肌疲劳程度的细节变化,随着疲劳程度的
增加而降低。MPE的计算公式如下:
其中为肌电功率谱,f为采样频率,x(i)为肌电信号采样值,N为采样点数。
本发明还提供了一种基于“1/f波动”理论的便携式电刺激实现方法。具体包括以下步骤:
S1:根据脉冲强度与脉宽的关系,生成白噪x(t),白噪x(t)通过全极点滤波器生成符合要求的“1/f波动”数据。
S2:肌电信号采集模块实时检测电刺激部位肌肉的信号,并将采集到的信号传送至主控***进行处理。
S3:主控***根据肌电信号计算肌电积分值、协同收缩率和平均功率频率特征参数。以此判断电刺激部位肌肉的肌力和疲劳程度。
S4:根据S3中计算出的特征参数调整“1/f波动”数据生成,与脉冲强度进行匹配。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后,技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (7)
1.一种基于1/f波动理论的便携式电刺激仪,其特征在于,包括:电源管理(1)、升压模块(2)、主控***(3)、脉冲信号调理电路(4)、反馈模块(5)、无线传输模块(6)及电极片(7),其中,主控***(3)包括:1/f波动数据产生模块(31)、电刺激信号控制模块(32)以及反馈参数计算分析模块(33),反馈模块(5)包括过流保护模块(51)和肌电信号采集模块(52);其中,电源管理模块(1),为整个***中不同的模块提供不同需求的电压;
升压模块(2),用于将电池电压升压到所需的脉冲电压;
1/f波动数据产生模块(31),用于产生随机白噪声,再由随机白噪声经过63阶极点滤波器变换生成的1/f波动数据;
电刺激信号控制模块(32),用于根据1/f波动数据产生相应的电刺激控制信号,控制脉冲信号调理电路的通断状态;
反馈参数计算模块(33),用于对肌电信号采集模块采集到的信号进行计算分析,主要计算分析四个特征参数:反馈电流值与标准值比较,计算肌肉在单位时间内的收缩特性、计算RMS值以及计算MPE值;
脉冲信号调理电路(4),用于根据电刺激信号控制模块(32)产生的电刺激信号,产生不同的治疗类波形;
过流保护模块(51),用于当反馈电流值超过人体的最大承受能力时会中断整个***工作,肌电信号采集模块(52),用于对肌肉的电信号进行采集,并将采集的信号送至主控***进行计算分析,主要计算肌电积分值,协同收缩率,和平均功率频率,当测出作用于肌肉呈现疲劳状态时,反馈参数计算模块(33)把疲劳信号交由1/f波动数据产生模块(31)处理,重新调整1/f波动数据产生;
无线通信模块(6),用于实现智能终端设备与电刺激仪之间的通信,通过手机控制电刺激仪,电刺激仪各项参数显示于智能终端设备。
2.根据权利要求1所述的一种基于1/f波动理论的便携式电刺激仪,其特征在于,所述升压模块(2)将电池电压升压到所需的脉冲电压是指:最大幅值为100V的脉冲电压,并且最小幅值不能低于60V。
3.根据权利要求1所述的一种基于1/f波动理论的便携式电刺激仪,其特征在于,所述治疗类波形包括矩形波(单相、不对称双相)、尖峰波(单相、不对称双相)以及锯齿波,以及各种类型的波簇(疏波、密波、疏密波)。
4.根据权利要求1所述的一种基于1/f波动理论的便携式电刺激仪,其特征在于,1/f波动理论是:作用于人体的脉冲强度变化规律符合“1/f波动”曲线,“1/f波动”特征和人体的感觉神经***具有一定的联系,大脑感知***对“1/f波动”特征能够快速响应与高效编码。
5.根据权利要求1所述的一种基于1/f波动理论的便携式电刺激仪,其特征在于,所述根据相应的参数范围生成随机白噪x(t),再将白噪通过63阶极点滤波器变换生成相应的“1/f波动”数据。
6.根据权利要求1所述的一种基于1/f波动理论的便携式电刺激仪,其特征在于,所述反馈参数计算模块(33)具体实现过程如下:
(1)对反馈电流与人体最大承受电流进行比较;
(2)计算肌肉在单位时间内的收缩特性,计算公式如下:
其中x(i)为肌电信号采样值,N为采样点数。随着电刺激治疗的进行,当iEMG有明显的下降现象时,表明作用肌肉已经开始出现疲劳状态;
(3)计算RMS值,RMS体现肌电信号幅度的变化特征和反应神经肌肉放电的有效值;
其中,EMG(t)是肌电曲线的时间变化函数;x(i)为EMG(t)的采样值;N为采样点数;T为测试时间长度;
(4)计算MPE值,MPE能反映肌疲劳程度的细节变化,随着疲劳程度的
增加而降低,MPE的计算公式如下:
其中为肌电功率谱,f为采样频率,x(i)为肌电信号采样值,N为采样点数。
7.根据权利要求1所述的一种基于1/f波动理论的便携式电刺激仪,其特征在于,所述的升压模块采用boost升压电路,所述脉冲信号调理电路采用H-Bridge式电路,在输出端需接22uf电容。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20181218 |