CN109846582B - 一种基于多模态感知反馈的电刺激*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多模态感知反馈的电刺激***，涉及医疗康复器械技术领域，包括传感器模块、数字信号处理模块、串口传输模块和电刺激模块；传感器模块被设置在假肢手上，数字信号处理模块和传感器模块相连，接收采集来的各类传感器信号并通过基于多模态感知反馈的经皮电刺激编码方式产生不同的电刺激波形编码，然后经由串口传输模块传递给电刺激模块，以对截肢者诱发指感区或替代感觉区进行实时经皮电刺激，形成触碰、按压、嗡鸣、震动、麻木、疼痛六种不同的感觉。本发明结合了电刺激与诱发指感区域的应用，能够给予使用者真实的自然感觉，可以应用于假肢手的操控上，还建立了痛觉的感觉反馈，结合温度与湿度的侦测，能避免假肢手的损坏。

Description

一种基于多模态感知反馈的电刺激***

技术领域

本发明涉及医疗康复器械技术领域，尤其涉及一种基于多模态感知反馈的电刺激***。

背景技术

假肢手的发展已经有许多年的历史，但是假肢手的装配率始终无法得到有效的提升。目前穿戴假肢手的截肢者多是以美观用途的装饰性假肢手，对于要提升实用型的假肢手使用率，科学界与商业界一直投注很大的心力于下一代的假肢发展上，希望能够改善传统假肢手的缺点，增加实用性，提升截肢者对于假肢手的接受度。

公开号为CN105640677的专利(发明专利名称：一种用于假肢手感知反馈的电刺激感知反馈***，发明人：蓝宁，刘小旋)提出的解决方案是，通过经皮电刺激可以在截肢者的残肢末端产生出各种的皮肤感觉，建立了单一感觉输入的诱发性触觉；并建立了一套供截肢者使用，通过压力传感器反馈单一感觉的实时电刺激***。

然而，现有技术方案的缺点在于：

(1)现有的非侵入式的感知反馈无法达到不同比例程度的感觉反馈，只能达到有或无的判断，无法判断感觉的强弱。

(2)现有的非侵入式的感知反馈只能接收压力信号，反馈模式单一，没有其他种类信号输入的端口与多模态信号处理的方式。

(3)现有的假肢手没有痛觉或者是警示的反馈，无法做到基于皮肤痛觉所建立的人体保护机制。

(4)现有的***没有考虑到诱发指感区不全的截肢者，他们在截肢残端没有或者只有部分的5个手指的诱发指感区。

(5)现有的感知反馈电刺激***，从***设计上无法实现多通道的实时信号转化，实时可变电刺激输出。

(6)现有的温湿度传感器检测方法，检测变化温度的效率较低，例如温度传感器变化率为1～2摄氏度，不能满足仿生感知反馈的要求。如从环境温度10～40摄氏度变化为80摄氏度，检测需要的时间远大于人体对异常温度的反应时间。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于多模态感知反馈的电刺激***，通过可以区分出来的六种电刺激感觉模式，并改善***的架构与效能，结合多种传感器对应的多模态感觉，建立一套可以给予截肢者使用的多模态非侵入式感知反馈***。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题包括以下几方面：

(1)如何建立出接近自然感觉的感知反馈，建立出多模态的感觉模式，同时使其有强弱等级之分。

(2)如何利用感知反馈***提醒配戴者提高抓握力避免物体滑落，避免由于过于潮湿或者是温度过高而造成假肢手的损坏，如何在截肢者接触到危险环境时给予轻微的痛觉警示。

(3)针对诱指感区不全或者缺失诱指感区的截肢者，如何利用经皮电刺激产生的多种感觉模式，使得不同位置的经皮电刺激对应于对不同手指的感觉，不同感觉模式对应假肢手不同强弱的感觉模态，产生指对指替代感觉。

(4)如何实现多个独立控制的感知反馈通道。

(5)采用怎样的判断危险温度/湿度的方法，并以此在感知反馈中进行编码，达到1s内假肢手离开危险温湿度环境。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于多模态感知反馈的电刺激***，包括传感器模块、数字信号处理模块、串口传输模块和电刺激模块；所述传感器模块被设置在假肢手上，所述数字信号处理模块和所述传感器模块相连，接收采集来的各类传感器信号并通过基于多模态感知反馈的经皮电刺激编码方式产生不同的电刺激波形编码，然后经由所述串口传输模块将对应的电刺激信号传递给所述电刺激模块，以对截肢者诱发指感区或替代感觉区进行实时经皮电刺激，形成触碰、按压、嗡鸣、震动、麻木、疼痛六种不同的感觉。

进一步地，所述传感器模块包括压力传感器、剪切滑移传感器、温度传感器和湿度传感器。

进一步地，所述压力传感器采集的压力信号通过所述数字信号处理模块的信号处理后，根据所述压力信号的大小产生相对应的触碰感觉或按压感觉电刺激波形编码信号。

进一步地，所述剪切滑移传感器采集的剪切滑移信号通过所述数字信号处理模块的信号处理后，根据所述剪切滑移信号的大小产生相对应的嗡鸣感觉或震动感觉电刺激波形编码信号。

进一步地，所述湿度传感器和所述温度传感器采集的温度、湿度信号通过所述数字信号处理模块的信号处理后，根据所述温度、湿度信号的大小产生相对应的麻木感觉或疼痛感觉电刺激波形编码信号。

进一步地，所述电刺激模块的数量为6个，分别被设置在与截肢者的大拇指、食指、中指、无名指、小指对应的诱发指感区和任意皮肤位置。

进一步地，所述电刺激模块包括电刺激器和表面式贴片电极。

进一步地，所述数字处理模块包括DSP数字处理器。

进一步地，所述串口传输模块包括五个手指信号传输通道和一个任意位置信号传输通道；所述五个手指信号传输通道分别与五个手指所对应的诱发指感区上设置的所述电刺激模块相连，传递代表不同感觉的所述电刺激波形编码信号；所述任意位置信号传输通道与设置在任意皮肤的位置上的所述电刺激模块相连，传递代表不同感觉的所述电刺激波形编码信号。

进一步地，所述基于多模态感知反馈的经皮电刺激编码方式的具体内容包括，对于电刺激脉宽较不敏感的截肢者，通过电流的强度来建立不同的感觉区间，固定电流输出频率与脉宽在其皮肤耐受下，给予等比的电流大小调整，在1mA至20mA的电流强度下寻找触碰、按压、嗡鸣、震动、麻木、疼痛对应的6种不同的感觉区间；对于电刺激电流强度较不敏感的截肢者，通过电刺激脉宽的大小来建立不同的感觉区间，固定电流输出频率与电流强度在其皮肤耐受下，给予等比的电刺激脉宽大小的调整，在50uS至500uS电刺激脉宽下寻找触碰、按压、嗡鸣、震动、麻木、疼痛对应的6种不同的感觉区间。

与现有技术方案相比，本发明的有益技术效果在于：

(1)本发明是一种基于截肢患者诱发指感区域所设计的多模态感知反馈电刺激***，结合了电刺激与诱发指感区域的应用，能够给予使用者真实的自然感觉，大大减少了使用替代感觉的训练过程，提高了指对指的感觉识别率。

(2)通过诱指感区上所辨识出的触碰、按压、嗡鸣、震动、麻木、疼痛六种感觉，可以应用于假肢手的操控上，给予压力与剪切滑移的感觉反馈，这对于未来假肢手的操控上提供更多元便捷的选择。

(3)使用仿生人体皮肤的概念，建立痛觉的感觉反馈，结合温度与湿度的侦测，当使用假肢触碰到高温或者潮湿环境时能紧急给予反馈，避免假肢手的损坏。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的***组成示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的应用示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的信号处理流程图；

图4是本发明的一个较佳实施例的多模态输入对应传感器关系图。

其中，1-传感器模块，2-数字信号处理模块，3-串口传输模块，4-电刺激模块，101-压力传感器，102-剪切滑移传感器，103-温度传感器，104-湿度传感器，301-手指信号传输通道，302-任意位置信号传输通道，401-电刺激器，402-表面式贴片电极。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，本发明提出的一种基于多模态感知反馈的电刺激***包括传感器模块1、数字信号处理模块2、串口传输模块3和电刺激模块4。其中，传感器模块1包括压力传感器101、剪切滑移传感器102、温度传感器103和湿度传感器104。数字处理模块2包括DSP数字处理器。串口传输模块3包括五个手指信号传输通道301和一个任意位置信号传输通道302。电刺激模块4包括电刺激器401和表面式贴片电极402。

传感器模块1被设置在假肢手上，所述数字信号处理模块2和所述传感器模块1通过连接导线相连，接收采集来的各类传感器信号并通过基于多模态感知反馈的经皮电刺激编码方式产生不同的电刺激波形编码，然后经由所述串口传输模块3将对应的电刺激信号传递给所述电刺激模块4，以对截肢者诱发指感区或替代感觉区进行实时经皮电刺激，形成触碰、按压、嗡鸣、震动、麻木、疼痛六种不同的感觉。

压力传感器101采集的压力信号通过所述数字信号处理模块2的信号处理后，根据所述压力信号的大小产生相对应的触碰感觉或按压感觉电刺激波形编码信号。

剪切滑移传感器102采集的剪切滑移信号通过所述数字信号处理模块2的信号处理后，根据所述剪切滑移信号的大小产生相对应的嗡鸣感觉或震动感觉电刺激波形编码信号。

湿度传感器103和温度传感器104采集的温度、湿度信号通过所述数字信号处理模块2的信号处理后，根据所述温度、湿度信号的大小产生相对应的麻木感觉或疼痛感觉电刺激波形编码信号。

电刺激模块4包括电刺激器401和表面式贴片电极402。电刺激模块4的数量为6个，分别被设置在与截肢者的大拇指、食指、中指、无名指、小指对应的诱发指感区和任意皮肤位置。每个电刺激器401通过电极导线与2片电极贴片表面式贴片电极402相连，表面式贴片电极402固定于截肢者残肢末端上的诱发指感区或替代感觉区。

串口传输模块3包括五个手指信号传输通道301和一个任意位置信号传输通道302；所述五个手指信号传输通道301分别与五个手指所对应的诱发指感区上设置的所述电刺激模块4相连，传递代表不同感觉的所述电刺激波形编码信号；所述任意位置信号传输通道302与设置在任意皮肤的位置上的所述电刺激模块4相连，传递代表不同感觉的所述电刺激波形编码信号。

基于多模态感知反馈的经皮电刺激编码方式的具体内容包括，对于电刺激脉宽较不敏感的截肢者，通过电流的强度来建立不同的感觉区间，固定电流输出频率与脉宽在其皮肤耐受下，给予等比的电流大小调整，在1mA至20mA的电流强度下寻找触碰、按压、嗡鸣、震动、麻木、疼痛对应的6种不同的感觉区间；对于电刺激电流强度较不敏感的截肢者，通过电刺激脉宽的大小来建立不同的感觉区间，固定电流输出频率与电流强度在其皮肤耐受下，给予等比的电刺激脉宽大小的调整，在50uS至500uS电刺激脉宽下寻找触碰、按压、嗡鸣、震动、麻木、疼痛对应的6种不同的感觉区间。

在实施例中，***反馈时间不超过100ms，电刺激器在***运作时通过表面式贴片电极提供实时电刺激发放输出。

在使用时，将电刺激器对应的贴片电极分别贴在相应的截肢者的诱发指感区或替代感觉区，通过DSP数字信号处理器内建的模数转换器将传感器所采集到的信号采集接收并分析处理，当生成电刺激器相应的刺激模式后将电刺激器控制指令传送到可编程电刺激器，最后电刺激器在数字信号处理器的命令控制下通过贴片电极对截肢者相应的诱发指感区或替代感觉区进行实时反馈刺激，透过内建的模式切换与编码切换可以输出不同的感觉来达到触碰、按压、嗡鸣、震动、麻木、疼痛的感觉，以实现多模态的感知反馈建立。

如图2所示，本发明通过结合截肢者所配戴常见假肢手，安装在假肢手指尖上各类型传感器包含了压力、剪切滑移、温度、湿度传感器，通过数字信号处理器将各类型传感器转换为感知反馈信号，将其感知反馈信号转换为电刺激信号传输到电刺激模块，电刺激模块将感知反馈信号经由皮肤上的表面式贴片电极输入至残枝末端上的诱指感区，通过诱指感区上可以重建回截肢者原本手指的各类型感觉。当患者的诱发指区域不明确时，可以应用任意位置信号传输通道建立痛感来达到预警的效果。如患者的诱发指感区域明显的话则不需要应用任意位置信号传输通道。通过感知反馈的重建可以帮助截肢者达到更佳的假肢控制，而不是单纯只是通过视觉来操控假肢手。

如图3所示，为本发明的信号处理流程。通过假肢手上的传感器将信号通过前置处理后，传输到DSP数字信号处理器上，在DSP数字信号处理器内做模数转化以及信号的主换编码后转换成电刺激波形编码信号，然后再通过串口传输模块控制各个对应的电刺激模块。串口传输模块中的5个手指信号传输通道分别与五个手指所对应的诱发指感区上设置的5个电刺激模块相连，传递代表不同感觉的电刺激波形编码信号。另外一个任意位置信号传输通道与设置在任意皮肤的位置上的第6个电刺激模块相连，作为紧急的痛觉感知通道，反馈痛感。

如图4所示，为本发明的多模态输入对应传感器关系图。基于多模态感知反馈的编码方式主要为将每一个配戴者的六种经皮电刺激感知阶段区分出来，从触碰开始分别为触碰、按压、嗡鸣、震动、麻木、疼痛六个阶段。诱发指感区可通过输入能量大小由小到大地从配戴者的皮肤上建立出从触碰开始到疼痛六个阶段的诱发指感。使用触碰与按压做为压力输入的生成对应关系，而震动作为剪切滑移的输入对应关系，最后将温度作为疼痛的输入对应关系，将三种对应关系设定优先权，温度最高，其次是剪切滑移输入，最后为压力输入。本发明所提技术方案可接收多种传感器作为诱发指感的建立依据，优先判断温湿度是否超过安全范围，如果温湿度超过一定范围，则输出刺痛感让配戴者缩手离开危险区域；其次输出剪切滑移，当剪切滑移产生时代表物品滑落的滑移，此时输入震动与嗡鸣感，提醒配戴者物品滑落；最后没有产生温湿度与剪切滑移的警示信号后，才依照压力输入的大小提供等比的压力诱发指感。

综上所述，相较于现有技术，本发明具有多方面优势。本发明通过经皮电刺激诱发指感区的技术，根据截肢者不同的诱发指感区情况，建立出接近自然感觉的感知反馈，通过给予不同的电刺激输入，可以建立出多模态的感觉模式，同时有强弱等级之分。本发明建立了多模态的信息输入，垂直压力与剪切滑移的输入可以提供配戴者压力与滑移的感觉建立，可以让配戴者得知所抓握的物体是否抓紧，如果物体抓不紧会产生下滑的剪切滑移，当接收到剪切滑移时，需要利用感知反馈***提醒配戴者提高抓握力才能避免物体滑落，这对于使用假肢的控制是非常重要的触觉反馈机制。还可通过温湿度传感器的判断，侦测出是否过于潮湿或者是温度过高而造成假肢手的损坏，并通过感知反馈的痛觉建立，让截肢者接触到危险环境时可以给予轻微的痛觉警示，建立出因为痛而缩手的仿生机制。本发明针对诱指感区不全或者缺失诱指感区的截肢者，利用经皮电刺激产生的多种感觉模式。对截肢者进行感觉训练，使得不同位置的经皮电刺激对应于对不同手指的感觉，不同感觉模式对应假肢手不同强弱的感觉模态，产生指对指替代感觉。本发明还将温湿度传感器的变化曲线作为判断危险温度/湿度的方法，以此在感知反馈中进行编码，达到1s内假肢手离开危险温湿度环境。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于多模态感知反馈的电刺激***，其特征在于，包括传感器模块、数字信号处理模块、串口传输模块和电刺激模块；所述传感器模块被设置在假肢手上，所述数字信号处理模块和所述传感器模块相连，接收采集来的各类传感器信号并通过基于多模态感知反馈的经皮电刺激编码方式产生不同的电刺激波形编码，然后经由所述串口传输模块将对应的电刺激信号传递给所述电刺激模块，以对截肢者诱发指感区或替代感觉区进行实时经皮电刺激，形成触碰、按压、嗡鸣、震动、麻木、疼痛六种不同的感觉；

所述传感器模块包括压力传感器、剪切滑移传感器、温度传感器和湿度传感器；

所述压力传感器采集的压力信号通过所述数字信号处理模块的信号处理后，根据所述压力信号的大小产生相对应的触碰感觉或按压感觉电刺激波形编码信号；

所述剪切滑移传感器被配置为测量当佩戴者没有抓紧物体而导致物体下滑时所产生的剪切滑移信号，所述剪切滑移传感器采集的所述剪切滑移信号通过所述数字信号处理模块的信号处理后，根据所述剪切滑移信号的大小产生相对应的嗡鸣感觉或震动感觉电刺激波形编码信号；

所述湿度传感器和所述温度传感器采集的温度、湿度信号通过所述数字信号处理模块的信号处理后，根据所述温度、湿度信号的大小产生相对应的麻木感觉或疼痛感觉电刺激波形编码信号；

所述电刺激模块的数量为6个，分别被设置在与截肢者的大拇指、食指、中指、无名指、小指对应的诱发指感区和任意皮肤位置；

所述串口传输模块包括五个手指信号传输通道和一个任意位置信号传输通道；所述五个手指信号传输通道分别与五个手指所对应的诱发指感区上设置的所述电刺激模块相连，传递代表不同感觉的所述电刺激波形编码信号；所述任意位置信号传输通道被配置为紧急痛觉感知通道，反馈痛感；所述任意位置信号传输通道与设置在任意皮肤的位置上的所述电刺激模块相连，传递代表不同感觉的所述电刺激波形编码信号。

2.如权利要求1所述的基于多模态感知反馈的电刺激***，其特征在于，所述电刺激模块包括电刺激器和表面式贴片电极。

3.如权利要求1所述的基于多模态感知反馈的电刺激***，其特征在于，所述数字信号处理模块包括DSP数字处理器。

4.如权利要求1所述的基于多模态感知反馈的电刺激***，其特征在于，所述基于多模态感知反馈的经皮电刺激编码方式的具体内容包括，对于电刺激脉宽较不敏感的截肢者，通过电流的强度来建立不同的感觉区间，固定电流输出频率与脉宽在其皮肤耐受下，给予等比的电流大小调整，在1mA至20mA的电流强度下寻找触碰、按压、嗡鸣、震动、麻木、疼痛对应的6种不同的感觉区间；对于电刺激电流强度较不敏感的截肢者，通过电刺激脉宽的大小来建立不同的感觉区间，固定电流输出频率与电流强度在其皮肤耐受下，给予等比的电刺激脉宽大小的调整，在50uS至500uS电刺激脉宽下寻找触碰、按压、嗡鸣、震动、麻木、疼痛对应的6种不同的感觉区间。

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