阅读说明：本技术 一种用于假肢手运动姿态感觉反馈的穿戴式电刺激系统 (Wearable electrical stimulation system for artificial hand motion posture sensory feedback ) 是由 黄河清 吴小鹰 侯文生 赵云 赵威 于 2020-04-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于假肢手运动姿态感觉反馈的穿戴式电刺激系统,属于假肢电刺激系统技术领域,包括臂环本体、电刺激器；臂环本体上设有对应各个电刺激位点的孔位；电刺激器设置在臂环本体上,包括：微控制器、电源电路、H桥电路、恒流源电路、电极；微控制器读取假肢手手指的实时运动姿态信息,并根据此运动姿态信息发送对应的电刺激控制命令给H桥电路和恒流源电路；电源电路为微控制器、H桥电路和恒流源电路提供工作电压；电极为自粘电极片,负极置于前臂的拇短伸肌、小指伸肌、指伸肌、拇长屈肌、指浅屈肌,正极置于臂环内侧,沿手臂一周排布。本发明安全可靠,工作稳定,能实时将假肢手手指的运动姿态信息以电刺激的方式反馈给用户。(The invention relates to a wearable electrical stimulation system for sensory feedback of the movement posture of an artificial hand, belonging to the technical field of artificial limb electrical stimulation systems, and comprising an arm ring body and an electrical stimulator; hole sites corresponding to the electric stimulation sites are arranged on the arm ring body; the electro stimulator is arranged on the arm ring body and comprises: the device comprises a microcontroller, a power supply circuit, an H-bridge circuit, a constant current source circuit and electrodes; the microcontroller reads the real-time motion attitude information of the artificial limb fingers and sends corresponding electrical stimulation control commands to the H-bridge circuit and the constant current source circuit according to the motion attitude information; the power supply circuit provides working voltage for the microcontroller, the H-bridge circuit and the constant current source circuit; the electrodes are self-adhesive electrode plates, the negative electrode is arranged on extensor hallucis brevis, extensor digitorum minutissima, extensor digitorum longus and flexor digitorum superficialis of the forearm, and the positive electrode is arranged on the inner side of the arm ring and distributed along the circumference of the arm. The invention is safe and reliable, works stably, and can feed back the motion posture information of the artificial hand and the finger to the user in an electric stimulation mode in real time.)

一种用于假肢手运动姿态感觉反馈的穿戴式电刺激系统

技术领域

本发明属于假肢电刺激系统技术领域，涉及一种用于假肢手运动姿态感觉反馈的穿戴式电刺激系统。

背景技术

上肢残疾给患者带来了许多不便，学习、工作和生活都受到了极大的影响。研究假肢能改善肢体残疾患者的日常生活品质。早期智能假肢的控制主要是依靠采集使用者残肢肌肉表面的肌电信号，经处理后用于驱动假肢来完成特定动作的。由于没有引入反馈信息，这种开环控制方式对于使用者来说比较费劲，主要依靠人自身的视觉反馈来感知假肢手的运动姿态。假肢手佩戴者需要注意力高度集中地持续注视假肢手的运动过程。并且，视觉信息的输入到假肢手控制信号的输出有一定的延时。

在假肢控制中引入传感反馈以形成控制闭环，可以大幅度提高假肢的可控性和灵活性，使假肢能更好地辅助截肢者完成日常活动。现阶段所研制的假肢感觉反馈系统中，多是对假肢手手指的触觉反馈，用于给人体传递抓握的接触信息。采集指尖的压力信息和滑动信息，以电刺激或者振动刺激的形式作用到人体，使用户感受到假肢手的抓握情况，从而更精确地控制假肢手。

中国专利CN108733198A提出一种用于产生人工触觉的电刺激系统，将刺激电极板固定在需要产生人工触觉的皮肤表面，根据微控制器电路接收来自上位机的触觉强度二维分布信息和触觉种类信息，根据触觉种类信息，调节恒流输出调节电路的电流输出强度，通过选择性激活皮肤表面的各电极位点在不同时刻输出电流或回收电流，与人体皮下触觉感受器形成回路，刺激相应神经元产生动作电位，从而产生人工触觉。

在华中科技大学2016年赖秋霞的硕士毕业论文基于振动反馈的智能假肢抓握系统设计与研究中，在假肢手指尖装上触觉传感器来获取抓握物体时的压力，通过贴在手背皮肤表面的微型振动马达的振动强弱来反映假肢手抓握时受到的压力大小，压力越大马达振动强度越大，以此辅助用户更好地进行抓握。

但假肢手端的信息除了接触物体的信息以外，还有运动的状态信息，如手部的抓握手势、手指的弯曲动作等。现有的假肢手感觉反馈策略缺乏对于假肢手运动姿态信息的反馈。如果在假肢手的闭环反馈中加入假肢手的运动姿态信息，用户与假肢手的交互性将进一步增强，以此提高用户对假肢手的本体感觉。

手指运动感知主要来源于手指运动的肌肉收缩诱发的肌梭感受器神经传入，手指运动状态(运动快慢、屈伸姿态)将直接影响肌梭感受器输出模式，但现有假肢感觉反馈未能充分利用假肢手指运动状态影响肌梭感受器输出。本发明的技术思路是利用表面电极提供刺激电流引起手指对应的前臂肌肉及其功能分区肌纤维收缩，肌梭感受器形成感觉神经冲动，电刺激信号的目标肌肉位置由参与运动的假肢手指(手势动作方式)决定，电刺激信号输出模式(开始-结束时间、电刺激信号的频率、强弱等)由对应假肢手指的运动时相、姿态控制。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于假肢手运动姿态感觉反馈的穿戴式电刺激系统，该系统用以实现假肢手手指的运动姿态感觉反馈并以电刺激反馈的方式刺激用户手臂相应肌肉产生实时的手指运动感觉反馈。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于假肢手运动姿态感觉反馈的穿戴式电刺激系统，包括臂环本体、电刺激器；

所述臂环本体用于佩戴在前臂，其上设有对应各个电刺激位点的孔位；

所述电刺激器设置在臂环本体上，包括：微控制器、电源电路、H桥电路、恒流源电路、电极；

所述微控制器读取假肢手手指的实时运动姿态信息，并根据此运动姿态信息发送对应的电刺激控制命令给H桥电路和恒流源电路；

所述电源电路用于将输入电压转换为微控制器、H桥电路和恒流源电路对应的工作电压；

所述H桥电路用于刺激波形的极性翻转；

所述恒流源电路用于保证输出电流和刺激效果不受人体阻抗变化的影响；

所述电极为自粘电极片，其负极为刺激电极，正极为参考电极，所述负极分别置于前臂的拇短伸肌、小指伸肌、指伸肌、拇长屈肌、指浅屈肌，所述正极置于臂环内侧，沿手臂一周排布。

进一步，将电极置于对应位置，刺激不同的前臂肌群及其多腱肌的功能分区，刺激电流诱发对应肌肉收缩，因肌纤维收缩、肌梭感受器兴奋形成相应的手指的屈、伸运动感觉；刺激拇长伸肌诱发拇指伸展的运动感觉；刺激食指伸肌诱发食指伸展的运动感觉；刺激小指伸肌诱发小指伸展的运动感觉；刺激指伸肌的中指区和环指区分别诱发中指和环指做伸展运动的感觉；刺激拇长屈肌诱发拇指屈曲的运动感觉；刺激指浅屈肌的食指区、中指区、环指区、小指区分别诱发食指、中指、环指、小指做屈曲运动的感觉。

利用表面电极提供刺激电流引起手指对应的前臂肌肉及其功能分区肌纤维收缩，肌梭感受器形成感觉神经冲动，电刺激信号的目标肌肉位置由参与运动的假肢手指(手势动作方式)决定，电刺激信号输出模式(开始-结束时间、电刺激信号的频率、强弱等)由对应假肢手指的运动时相、姿态控制。

进一步，所述的电刺激器的输出波形为双相方波；输出频率范围为10-100Hz，精度为1Hz；输出幅值范围为0-15mA，精度为0.1mA；输出脉宽固定为100-800μs，精度为10μs；电刺激输出的通道数为8通道，各通道参数独立调节。

进一步，所述微控制器根据假肢手手指内部电机的编码器读取假肢手手指实时运动姿态信息。

进一步，所述假肢手手指当前的运动姿态信息包括假肢手手指的运动方向、运动速度、当前位置。

进一步，所述微控制器根据假肢手手指实时运动姿态信息选择相应的电刺激模式并发送相应的控制命令实现电刺激输出的动态调控。

进一步，所述电刺激模式包括：电刺激频率的选择、电刺激强度的选择、电刺激通道的选择。

进一步，所述电刺激输出的动态调控包括：

根据手指掌指关节的角度定义手指的位置，将手指位置分为三个区域，0°～30°为1区，30°～60°为2区，60°～90°为3区；手指处于不同位置时肌肉收缩程度不同，肌肉收缩时肌电中的高频信号占比增多、低频信号占比变少，故通过改变电刺激输出波形的频率来体现手指所处的位置，肌肉收缩越强电刺激频率越高；手指做伸展运动的时候，伸肌收缩，则1区对应频率较低的模式一，2区对应频率中等的模式二，3区对应频率比较高的模式三；手指做屈曲运动的时候，屈肌收缩，则1区对应频率为模式三，2区对应频率为模式二，3区对应频率为模式一；

将手指运动角速度分为四个等级，角速度为零时设定为0级，较慢的速度设定为1级，中等速度设定为2级，较快的速度设定为3级；手指运动速度的增加会导致运动皮层的神经活动随之增强，故通过改变电刺激输出的幅值来体现手指运动的角速度，角速度越快电刺激幅值越高；0级对应幅值为0mA，1级对应幅度为较低幅值，2级对应幅度为中等幅值，3级对应幅度为较高幅值；

根据手指运动方向选择性激活相应肌肉的电极通道；

每相隔10ms读取一次假肢手的运动姿态信息，若当前的运动姿态信息与上一次所读取到的运动姿态信息不同，则重新对电刺激模式进行编码。

进一步，所述H桥电路通过单片机输出的PWM信号来控制内部通道的选择，以实现电刺激波形极性的翻转。

进一步，所述恒流源电路的信号输入端与微控制器中DAC模块的输出端DAC out连接，根据电路内部电阻的阻值和DAC out的电压值获得与负载无关的恒定电流。

本发明的有益效果在于：本发明的电刺激系统安全可靠，工作稳定；本发明能实时将假肢手手指的运动姿态信息以电刺激的方式反馈给用户；本发明轻便易携，以臂环的形式佩戴于前臂。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到启发。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明所述用于假肢手运动姿态感觉反馈的穿戴式电刺激系统原理图；

图2为本发明所述用于假肢手运动姿态感觉反馈的穿戴式电刺激系统的应用示意图；

图3为本发明所述用于假肢手运动姿态感觉反馈的穿戴式电刺激系统的使用流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供一种用于假肢手运动姿态感觉反馈的穿戴式电刺激系统，包括臂环本体以及设置在臂环本体上的电刺激器；臂环为弹性材质，佩戴于前臂，根据臂围调整臂环长度使其固定于前臂，臂环上预留孔位，孔位对应各个电刺激位点；电刺激器包括微控制器、电源电路、H桥电路、恒流源电路、电极；微控制器读取假肢手手指的实时运动姿态信息，并根据此运动姿态信息实时发送对应的电刺激控制命令，微控制器内部DAC根据电刺激控制命令输出相应的电压信号，经过压控恒流源电路后得到不受负载电阻影响的恒定电流电刺激信号，经H桥对波形进行翻转后，得到相应频率、脉宽的双相刺激波形；其中H桥电路通过单片机输出的PWM信号来控制内部通道的选择，以实现电刺激波形极性的翻转。恒流源电路的信号输入端与DAC模块的的输出端DAC out连接，根据电路内部电阻的阻值和DAC out的电压值获得与负载无关的恒定电流。电源电路用于将+9V直流输入电压转换成+3.3V、+15V、-15V和80V的直流输出电压，并提供给微控制器、H桥电路和恒流源电路作为工作电源；各模块通过PCB内部走线连接；所述电极为自粘电极片，负极(刺激电极)分别置于前臂的拇短伸肌、小指伸肌、指伸肌、拇长屈肌、指浅屈肌，正极(参考电极)置于臂环内侧，沿手臂一周排布，各电极位点分别对应五指的屈、伸；通过选取相应的电极通道、刺激参数，刺激相应肌肉，使人体产生相应的手指运动感觉。

如图1所示，神经信号将大脑产生的人体主动运动意图转换为具体的肌肉收缩来实现肢体动作，身体健全的人的手指运动感知主要来源于手指运动的肌肉收缩诱发的肌梭感受器神经传入，手指运动状态(快慢、屈伸姿态)将直接影响肌梭感受器输出模式。但肢体残疾的人无法感知假肢手的运动状态。利用表面电极提供刺激电流引起手指对应的前臂肌肉及其功能分区肌纤维收缩，肌梭感受器形成感觉神经冲动，电刺激信号的目标肌肉位置由参与运动的假肢手指(手势动作方式)决定，电刺激信号输出模式(开始-结束时间、强弱等)由对应假肢手指的运动时相、姿态控制，即可实现神经-肌肉-假肢手的感知反馈通路。

刺激不同的前臂肌群及其多腱肌的功能分区，使得刺激电流诱发对应肌肉收缩，因肌纤维收缩、肌梭感受器兴奋形成相应的手指的屈、伸运动感觉；刺激拇长伸肌可以诱发拇指伸展的运动感觉；刺激食指伸肌可以诱发食指伸展的运动感觉；刺激小指伸肌可以诱发小指伸展的运动感觉；刺激指伸肌的中指区和环指区可以分别诱发中指和环指做伸展运动的感觉；刺激拇长屈肌可以诱发拇指屈曲的运动感觉；刺激指浅屈肌的食指区、中指区、环指区、小指区可以分别诱发食指、中指、环指、小指做屈曲运动的感觉。

利用表面电极提供刺激电流引起手指对应的前臂肌肉及其功能分区肌纤维收缩，肌梭感受器形成感觉神经冲动，电刺激信号的目标肌肉位置由参与运动的假肢手指(手势动作方式)决定，电刺激信号输出模式(开始-结束时间、电刺激信号的频率、强弱等)由对应假肢手指的运动时相、姿态控制。

如图2左边所示，A为指伸肌，起于肱骨下段的外上髁处，下行至前臂后端，最后分成四条肌腱，每条肌腱指向一指，分别控制第2至5指的掌指关节和指间关节做伸运动；B为小指伸肌，起于肱骨外上髁，附着于小指第一指骨背侧扩大部，用于控制小指伸展；C为拇短伸肌，起自桡、尺骨背面和骨间膜，止于拇指第1节指骨底，其功能为伸拇指；D为拇长屈肌，起自桡、尺骨上端的前面和骨间膜，止于拇指末节指骨底，其功能为屈拇指；E为指浅屈肌，起自肱骨内上髁、桡骨上半部前面，止于第2至5指中节指骨底两侧，用于控制第2至5指掌指关节及近侧指间关节做屈运动。肌肉上的各标记位点为电刺激的负极(刺激电极)所放置的位置。

该系统的实际应用图如图2右边所示。将臂环佩戴于前臂，根据臂围调整臂环长度使其固定于前臂，臂环上预留孔位，孔位对应各个电刺激位点。前臂后面A1处对应指伸肌的食指区，控制食指伸展；前臂后面A2处对应指伸肌的中指和环指区，控制中指和环指伸展；前臂后面B处对应小指伸肌，控制小指伸展；前臂后面C处对应拇短伸肌，控制拇指伸展；前臂前面E1处对应指浅屈肌的食指区，控制食指屈曲；前臂前面E2处对应指浅屈肌的中指区，控制中指屈曲；前臂前面E3处对应指浅屈肌的环指和小指区，控制环指和小指屈曲；前臂前面D处对应拇长屈肌，控制拇指屈曲。G处为8个通道的正极(参考电极)，沿手臂一周排布。按位置粘贴好电极。臂环上F处为电刺激器。

电刺激器的输出波形为双相方波；输出频率范围为:10-100Hz，精度为1Hz；输出幅值范围为：0-15mA，精度为0.1mA；输出脉宽固定为：100-800μs，精度为10μs；电刺激输出的通道数为8通道，各通道参数可独立调节。

微控制器根据假肢手手指内部电机的编码器读取假肢手手指实时运动姿态信息，假肢手手指当前的运动姿态信息包括假肢手手指的运动方向、运动速度、当前位置。

微控制器根据假肢手手指实时运动姿态信息选择相应的电刺激模式并发送相应的控制命令实现电刺激输出的动态调控(包括电刺激频率的选择、电刺激强度的选择、电刺激通道的选择)。电刺激输出的动态调控包括：

根据手指掌指关节的角度定义手指的位置，将手指位置分为三个区域，0°～30°为1区，30°～60°为2区，60°～90°为3区；手指处于不同位置时肌肉收缩程度不同，肌肉收缩时肌电中的高频信号占比增多、低频信号占比变少，故通过改变电刺激输出波形的频率来体现手指所处的位置，肌肉收缩越强电刺激频率越高；手指做伸展运动的时候，伸肌收缩，则1区对应频率较低的模式一，2区对应频率中等的模式二，3区对应频率比较高的模式三；手指做屈曲运动的时候，屈肌收缩，则1区对应频率为模式三，2区对应频率为模式二，3区对应频率为模式一；

将手指运动角速度分为四个等级，角速度为零时设定为0级，较慢的速度设定为1级，中等速度设定为2级，较快的速度设定为3级；手指运动速度的增加会导致运动皮层的神经活动随之增强，故通过改变电刺激输出的幅值来体现手指运动的角速度，角速度越快电刺激幅值越高；0级对应幅值为0mA，1级对应幅度为较低幅值，2级对应幅度为中等幅值，3级对应幅度为较高幅值；

根据手指运动方向选择性激活相应肌肉的电极通道；

每相隔10ms读取一次假肢手的运动姿态信息，若当前的运动姿态信息与上一次所读取到的运动姿态信息不同，则重新对电刺激模式进行编码。

图3为穿戴式电刺激系统的使用流程图。首先，肌电信号控制假肢手运动。肌电假肢手的编码器接线与微控制器IO口相连，通过将该IO口设置为计数器模式检测假肢手手指电机的转动角度，据此得到假肢手手指当前的运动姿态信息，即假肢手手指的运动方向、运动速度、当前位置。微控制器据此运动姿态信息对电刺激模式进行编码。根据手指掌指关节的角度定义手指的位置，将手指位置分为三个区域，0°～30°为1区，30°～60°为2区，60°～90°为3区；手指处于不同位置时肌肉收缩程度不同，肌肉收缩时肌电中的高频信号占比增多、低频信号占比变少，通过改变电刺激输出波形的频率来体现手指所处的位置，肌肉收缩越强电刺激频率越高；手指做伸展运动的时候，伸肌收缩，则1区对应频率较低的模式一，2区对应频率中等的模式二，3区对应频率比较高的模式三；手指做屈曲运动的时候，屈肌收缩，则1区对应频率为模式三，2区对应频率为模式二，3区对应频率为模式一。将手指运动角速度分为四个等级，角速度为零时设定为0级，较慢的速度设定为1级，中等速度设定为2级，较快的速度设定为3级；手指运动速度的增加会导致运动皮层的神经活动随之增强，通过改变电刺激输出的幅值来体现手指运动的角速度，角速度越快电刺激幅值越高；0级对应幅值为0mA，1级对应幅度为较低幅值，2级对应幅度为中等幅值，3级对应幅度为较高幅值。根据手指运动方向选择性激活相应肌肉的电极通道。微控制器输出相应模式的电刺激命令，经过H桥电路和恒流源电路后，对人体进行电刺激，以实现假肢手的运动姿态感觉反馈功能。每相隔10ms读取一次假肢手的运动姿态信息，若当前的运动姿态信息与上一次所读取到的运动姿态信息不同，则重新对电刺激模式进行编码。

诱发单指屈/伸运动感觉的刺激方式：微控制器读取到假肢手单指做屈/伸运动，得到相应的电刺激控制命令；根据该手指的运动速度调节电刺激信号输出的幅度；根据该手指的当前位置调节电刺激信号输出的频率；选择与该手指对应的屈/伸肌的电极通道输出电刺激信号。

诱发握拳运动感觉的刺激方式：微控制器读取到假肢手手指做握拳运动，得到相应的电刺激控制命令；根据各手指的运动速度调节电刺激信号输出的幅度；根据各手指的当前位置调节电刺激信号输出的频率；选择与五指屈曲动作相对应的E1、E2、E3、D电极通道输出电刺激信号。

诱发三指对捏运动感觉的刺激方式：微控制器读取到假肢手拇指、食指、中指做三指对捏运动，得到相应的电刺激控制命令；根据各手指的运动速度调节电刺激信号输出的幅度；根据各手指的当前位置调节电刺激信号输出的频率；选择拇指、食指、中指屈曲所对应的E1、E2、D电极通道输出电刺激信号。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。