CN114176854B - 一种用于骨整合的多传感采集及控制*** - Google Patents

一种用于骨整合的多传感采集及控制*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于骨整合的多传感采集及控制***，包括：生理信号采集***与放大滤波***连接，将采集大腿截肢患者的相关肌肉信号进行放大滤波处理；放大滤波***与陀螺仪***均与采集模块连接；采集模块、控制器、驱动模块和假体电机顺序连接；采集模块将放大滤波处理后的相关肌肉信号及陀螺仪***采集的残腿运动角度数据转换为数字信号并传输给控制器；控制器根据接收的数字信号与预设数字信号比较，控制驱动模块驱动假体电机进行相应的运动。为外接神经义肢提供上下双向电生理信号传导通路，设计了多传感采集***，实现对植入式假肢的主动控制，实现腿部运动；其中的放大滤波***集成度高、可对微弱信号进行放大滤波。

Description

一种用于骨整合的多传感采集及控制***
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，特别涉及一种用于骨整合的多传感采集及控制***。
背景技术
现代战争中高能武器损伤导致的截肢约占所有创伤的30％。截肢后遗留的肢体功能缺失，不仅给个体的身体和心理带来巨大创伤，给家庭，军队和社会带来巨大负担，大批有丰富实战经验的指战员或军官的提前退役也给军队战斗力带来了巨大损失。随着人工内植物材料及手术技术的进步，智能化假肢的不断发展，给高功能假肢的研发及实际应用带来了希望。近年来，来源于种植牙技术，即通过在截肢残端剩余骨内植入金属假体及相关组件，经皮肤直接与外界假肢相连接，已在少数国外医疗机构取得成功，又称为骨整合假肢，解决了传统的假肢接受腔固定困难，负重能力有限及皮肤磨损破溃等问题。
市面上或现有专利文献中对下肢针对性的假肢采集和控制***较少，大多只使用了肌电采集，都没有解决在大腿切除后对所安装假体的控制。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种用于骨整合的多传感采集及控制***，用以解决现有植入式假肢采集***不完善不具体的问题，尤其是针对在大腿切除后对所安装假体控制的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
本发明实施例提供一种用于骨整合的多传感采集及控制***，包括：
生理信号采集***、放大滤波***、陀螺仪***、采集模块、控制器、驱动模块和假体电机；
所述生理信号采集***与所述放大滤波***连接，将采集大腿截肢患者的相关肌肉信号进行放大滤波处理；
所述放大滤波***和陀螺仪***均与所述采集模块连接；
所述采集模块、控制器、驱动模块和假体电机顺序连接；
所述采集模块将放大滤波处理后的相关肌肉信号及陀螺仪***采集的残腿运动角度数据转换为数字信号并传输给所述控制器；所述控制器根据接收的数字信号与预设数字信号比较，控制驱动模块驱动所述假体电机进行相应的运动。
进一步地，所述生理信号采集***包括多组采集组件；每一组采集组件均包括：植入式微丝电极和导线；
多组所述采集组件的植入式微丝电极分别用于对应采集大腿截肢患者的伤腿坐骨神经信号、伤腿肌肉信号、对侧大腿肌肉信号和对侧小腿肌肉信号，并通过各自对应的导线传输到所述放大滤波***。
进一步地，所述植入式微丝电极包括：
三根独立的软微丝和分别与其对应的三个卡夫电极；所述卡夫电极用于采集神经束不同位置的电平，经转换成神经信号。
进一步地，所述陀螺仪***采用MPU6050陀螺仪模块。
进一步地，所述放大滤波***包括多路放大滤波电路；所述放大滤波电路的数量与所述采集组件的数量相同；
每一路放大滤波***均包括顺序连接的差分采样电路、采样滤波电路、双T陷波电路和二级放大电路；
其中，差分采样电路与对应的所述采集组件中的导线连接。
进一步地，所述差分采样电路包括第一运算放大器和第二运算放大器、以及连接在第一运算放大器与第二运算放大器之间的若干电容电阻器件；
其中，第一运算放大器的-IN端和+IN端分别与对应采集组件的两根导线连接，第二运算放大器的OUT端与对应采集组件的第三根导线连接；
所述第一运算放大器的OUTPUT端连接所述采样滤波电路。
进一步地，所述采样滤波电路包括：第三运算放大器以及若干电容电阻器件；
输入端连接一个电阻的一端、所述电阻的另一端通过一个RC电路到节点2-2，同时通过一个电容连接到节点2-3；
所述节点2-2连接到第三运算放大器的正极；所述节点2-3连接到第三运算放大器的负极；第三运算放大器的输出端具有节点2-4；
所述节点2-4连接节点2-3，同时通过一个电阻后作为采样滤波电路的输出端。
进一步地，所述双T陷波电路包括：第四运算放大器以及若干电容电阻器件；
输入端通过两个电阻连接到节点3-3，同时通过两个电容连接到节点3-3，所述两个电阻与两个电容并联；在所述两个电阻中间的节点3-1通过一个电容接地；所述节点3-3连接所述第四运算放大器的正极；
在所述两个电容中间为节点3-2，通过一个电阻连接到节点3-4；所述节点3-4一端连接所述第四运算放大器的负极，另一端连接在所述双T陷波电路的输出端；所述第四运算放大器的输出端作为所述双T陷波电路的输出端。
进一步地，所述二级放大电路包括第五运算放大器及若干电容电阻器件；
输入端连接在所述第五运算放大器的正极，所述第五运算放大器的负极作为节点4通过一个电阻接地，并通过一个电阻连接在输出端；所述输出端连接在所述第五运算放大器的输出端。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明实施例提供的一种用于骨整合的多传感采集及控制***，包括：生理信号采集***、放大滤波***、陀螺仪***、采集模块、控制器、驱动模块和假体电机；采集模块将放大滤波处理后的相关肌肉信号及陀螺仪***采集的残腿运动角度数据转换为数字信号并传输给所述控制器；所述控制器根据接收的数字信号与预设数字信号比较，控制驱动模块驱动所述假体电机进行相应的运动。为外接神经义肢提供上下双向电生理信号传导通路，设计多传感采集***，实现对植入式假肢的主动控制，实现腿部运动；其中的放大滤波***集成度高、可对微弱信号进行放大滤波。
附图说明
图1为本发明实施例提供的用于骨整合的多传感采集及控制***的总体框架图。
图2为本发明实施例提供用于骨整合的多传感采集及控制***的使用场景原理图。
图3为本发明实施例提供的放大滤波***结构框图。
图4为本发明实施例提供的差分采样电路结构图。
图5为本发明实施例提供的采样滤波电路结构图。
图6为本发明实施例提供的双T陷波电路结构图。
图7为本发明实施例提供的二级放大电路结构图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1所示，本发明实施例提供一种用于骨整合的多传感采集及控制***，包括：
生理信号采集***、放大滤波***、陀螺仪***、采集模块、控制器、驱动模块和假体电机；生理信号采集***与放大滤波***连接，将采集大腿截肢患者的相关肌肉信号进行放大滤波处理；放大滤波***与陀螺仪***均与采集模块连接；采集模块、控制器、驱动模块和假体电机顺序连接；
采集模块将放大滤波处理后的相关肌肉信号及陀螺仪***采集的残腿运动角度数据转换为数字信号并传输给控制器；控制器根据接收的数字信号与预设数字信号比较，控制驱动模块驱动假体电机进行相应的运动。本发明对控制器的具体计算过程不做限定。
本实施例中，该用于骨整合的多传感采集及控制***，为外接神经义肢提供上下双向电生理信号传导通路，设计了多传感采集***，实现对植入式假肢的主动控制，实现腿部运动；其中的放大滤波***集成度高、可对微弱信号进行放大滤波。
下面分别对上述各个的组成部分进行详细说明。
1、生理信号采集***包括多组采集组件；每一组采集组件均包括：植入式微丝电极和导线；在具体实施例中，比如可由四组采集组件构成。如图2所示，第一组负责采集大腿截肢患者的伤腿坐骨神经信号；第二组负责采集伤腿肌肉信号；第三组负责采集对侧大腿肌肉信号；第四组负责采集对侧小腿肌肉信号。
其中，植入式微丝电极嵌入在相应位置的肌肉内，实现肌电采集。
每个肌肉信号各有一组采集组件，每组中的植入式微丝电极包括三根没有物理连接的软微丝和分别与其对应的三个电极。比如在具体实施时，采集肌肉信号的三根中两根放置在同一块肌肉的纵向纹理中，另一根放置在相对较远的肌肉中。采集神经信号的电极采用卡夫电极，卡夫电极是一种管型电极，在管内壁嵌有金属丝导线，可以嵌在神经束中采集神经束不同位置的电平，经转换成神经信号。
2、在陀螺仪***中，直接使用陀螺仪模块(例如MPU6050)，陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。通过现有的陀螺仪模块可以实现多轴角度的采集，如图2所示，安装在假肢上端，具体用于采集残腿运动时的角度。
3、放大滤波***包括多路放大滤波电路；该放大滤波电路的数量与采集组件的数量相同；如图1所示，每一组采集组件都有对应的一路放大滤波电路。即：每路生理信号对应一路放大滤波电路。
而每路放大滤波***具体包括顺序连接的差分采样电路、采样滤波电路、双T陷波电路和二级放大电路，信号连接方式如图3所示。该差分采样电路与对应的采集组件的中的导线连接，接收采集的生理信号。
放大滤波***由多个放大器，若干电容电阻器件组成。
其中，差分采样电路如图4所示，包括第一运算放大器和第二运算放大器、以及连接在第一运算放大器与第二运算放大器之间的若干电容电阻器件。从电极采集来的微弱生理信号连接在第一个运算放大器(例如AD620)器件的输入引脚-IN端和+IN端，对应图4中输入1-1和输入1-2，放大后输出引脚为图4中输出1-1，即第一运算放大器的OUTPUT端连接采样滤波电路。为了保持被测者基准电位与采集板的电位平衡，节点1-1通过一组电阻电路连接节点1-5和节点1-6，输出1-2连接到被测者的放置在相对较远的肌肉中的电极丝，即：第二运算放大器的OUT端与对应采集组件的第三根导线连接，全部电路使用±5V供电。
其中，第二运算放大器比如采用OP1177运算放大器，其V+端作为节点1-7接入+5V，其V-端作为节点1-8接入-5V电压；
采样滤波电路如图5所示，包括：第三运算放大器以及若干电容电阻器件。输入2连接到一个10千欧姆的电阻后到节点2-1，再通过一个RC电路到节点2-2，同时通过一个100pF的电路到节点2-3，节点2-2连接第三运算放大器的正极输入，节点2-3连接第三运算放大器的负极输入，节点2-4为第三运算放大器输出端，连接节点2-3，同时通过一个0欧姆的电阻后作为输出2，本滤波部分带宽5kHz，用于过滤高频干扰信号。
双T陷波电路如图6所示，包括：第四运算放大器以及若干电容电阻器件。输入3通过两个47千欧姆的电阻连接到节点3-3，同时通过两个68nF的电容连接到节点3-3，两个电阻和两个电容为并联关系，在两个电阻中间为节点3-1，通过一个100nF的电容接地，在两个电容中间为节点3-2，通过一个24千欧姆的电阻接到节点3-4，节点3-4一端接在第四运算放大器负极输入端，另一端接在输出3，节点3-3接在第四运算放大器正极输入端。本陷波部分带宽50Hz，用于过滤市电干扰。
二级放大电路如图7所示，包括第五运算放大器及若干电容电阻器件；二级放大电路的输入4来自图6中的输出3，输入4接在第五运算放大器正极输入上，第五运算放大器负极作为节点4，通过一个10千欧姆的电阻接地，并通过一个30千欧姆的电阻接在输出4，输出4接在第五运算放大器的输出端。二级放大电路的作用是3倍放大。
4、采集模块是采集放大滤波***和陀螺仪***的电信号，转为SPI数字信号，经过数字信号可以避免信号在传输过程的干扰。每组0-5V的一般电信号通过时序传输标签和信息。
5、在控制器中，不仅存储了上一次接收的数字信号，还包括新接收的信号，根据和目标电极角度的预设值数字信号的比较，在反馈算法迭代控制结果，接着控制电机，使新接收信号情况趋近预设值的信号情况，从而实现骨整合电机的合适运动。本实施例中，对控制器的反馈算法不做限定，可采用现有技术中的相关算法。
6、驱动模块和假体电机是发明的执行部分，嵌入到膝关节中，实现使用者的辅助主动运动。
本发明的优点包括：
(1)全面采集残腿大腿肌肉、残腿坐骨神经、好腿大腿肌肉、好腿小腿肌肉、残腿陀螺仪数据，使用多传感融合的方法，结合前一时刻的传感数据来处理新数据，进而控制假体电机，实现腿部运动。
(2)生物中的微弱信号使用了放大滤波，采用如图4-图7的电容、电阻参数可以使20mV的肌肉信号放大到2V，放大***集成度高、滤波效果好。
本发明可以用在腿部假肢安装的外科手术中，当患者需要截肢大腿时，在大腿的残骨内安装机械接口和带有电机的假肢。同时在手术中把生理信号采集***所对应的肌肉电极、神经电极和用生物材料包裹的陀螺仪模块植入残肢或好腿内部，采集多路信号，在控制器内部做多传感融合，最后主动控制假肢的电机，实现协同患者运动。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种用于骨整合的多传感采集及控制***，其特征在于，包括：生理信号采集***、放大滤波***、陀螺仪***、采集模块、控制器、驱动模块和假体电机；
所述生理信号采集***与所述放大滤波***连接，将采集大腿截肢患者的相关肌肉信号进行放大滤波处理；
所述生理信号采集***包括多组采集组件；每一组采集组件均包括：植入式微丝电极和导线；
多组所述采集组件的植入式微丝电极分别用于对应采集大腿截肢患者的伤腿坐骨神经信号、伤腿肌肉信号、对侧大腿肌肉信号和对侧小腿肌肉信号，并通过各自对应的导线传输到所述放大滤波***；
所述放大滤波***和陀螺仪***均与所述采集模块连接；
所述采集模块、控制器、驱动模块和假体电机顺序连接；
所述采集模块将放大滤波处理后的相关肌肉信号及陀螺仪***采集的残腿运动角度数据转换为数字信号，并传输给所述控制器；在控制器中，不仅存储了上一次接收的数字信号，还包括新接收的信号，根据和目标电极角度的预设值数字信号的比较，在反馈算法迭代控制结果，接着控制电机，使新接收信号情况趋近预设值的信号情况，从而实现骨整合电机的合适运动；
所述放大滤波***包括多路放大滤波电路；所述放大滤波电路的数量与所述采集组件的数量相同；
每一路放大滤波***均包括顺序连接的差分采样电路、采样滤波电路、双T陷波电路和二级放大电路；
其中，差分采样电路与对应的所述采集组件中的导线连接；
所述采样滤波电路包括：第三运算放大器以及若干电容电阻器件；本滤波部分带宽5kHz；
输入端连接一个电阻的一端、所述电阻的另一端通过一个RC电路到节点2-2，同时通过一个电容连接到节点2-3；
所述节点2-2连接到第三运算放大器的正极；所述节点2-3连接到第三运算放大器的负极；第三运算放大器的输出端具有节点2-4；
所述节点2-4连接节点2-3，同时通过一个电阻后作为采样滤波电路的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种用于骨整合的多传感采集及控制***，其特征在于，所述植入式微丝电极包括：
三根独立的软微丝和分别与其对应的三个卡夫电极；所述卡夫电极用于采集神经束不同位置的电平，经转换成神经信号。
3.如权利要求1所述的一种用于骨整合的多传感采集及控制***，其特征在于，所述陀螺仪***采用MPU6050陀螺仪模块。
4.如权利要求1所述的一种用于骨整合的多传感采集及控制***，其特征在于，所述差分采样电路包括第一运算放大器和第二运算放大器、以及连接在第一运算放大器与第二运算放大器之间的若干电容电阻器件；
其中，第一运算放大器的-IN端和+IN端分别与对应采集组件的两根导线连接，第二运算放大器的OUT端与对应采集组件的第三根导线连接；
所述第一运算放大器的OUTPUT端连接所述采样滤波电路。
5.如权利要求1所述的一种用于骨整合的多传感采集及控制***，其特征在于，所述双T陷波电路包括：第四运算放大器以及若干电容电阻器件；
输入端通过两个电阻连接到节点3-3，同时通过两个电容连接到节点3-3，所述两个电阻与两个电容并联；在所述两个电阻中间的节点3-1通过一个电容接地；所述节点3-3连接所述第四运算放大器的正极；
在所述两个电容中间为节点3-2，通过一个电阻连接到节点3-4；所述节点3-4一端连接所述第四运算放大器的负极，另一端连接在所述双T陷波电路的输出端；所述第四运算放大器的输出端作为所述双T陷波电路的输出端。
6.如权利要求1所述的一种用于骨整合的多传感采集及控制***，其特征在于，所述二级放大电路包括第五运算放大器及若干电容电阻器件；
输入端连接在所述第五运算放大器的正极，所述第五运算放大器的负极作为节点4通过一个电阻接地，并通过一个电阻连接在输出端；所述输出端连接在所述第五运算放大器的输出端。
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