一种融合功能性电刺激与下肢外骨骼的协同康复系统及方法

1.本发明涉及康复设备技术领域，具体涉及一种融合功能性电刺激与下肢外骨骼的协同康复系统及方法。


背景技术：

2.截止2017年，中国带病生存的脑卒中患者高达1300万。其中80％～90％的卒中患者病后存在行走障碍的后遗症，严重影响患者生活质量，给患者家庭及社会带来沉重经济负担。传统康复方法通常是临床医生配合器械，指导患者进行被动重复功能性动作训练，使其经长期康复训练后恢复部分或全部运动功能。然而，仅约有40％～50％的患者可在这种强化治疗中获益，仅有少数偏瘫患者能恢复到正常步行程度。
3.功能性电刺激(functional electrical stimulation,fes)通过对人体肌肉施加刺激电流，激活肌肉收缩，从而使患者能够自主完成相应动作。fes在实现功能性运动辅助的同时，可以增强肌力以及促进神经可塑性，从而提高运动康复效果。虽然fes对患者运动功能康复已有实际应用及商业化产品，但仍存在明显的局限性，如：电刺激驱动肌肉的力矩有限，肌肉作为非线性元件难以精准控制，同时长时间连续电刺激易引发肌肉疲劳等，这些问题严重限制了基于fes的运动康复系统的实际临床应用。
4.近年来，研究者们提出了融合fes与下肢康复机器人的混合控制方法：一方面利用外骨骼机器人的高效力矩驱动优势，弥补fes对患者肌肉驱动不足的缺陷，同时有效延缓电刺激引发肌肉疲劳的发生；另一方面，通过fes激活肌肉自主收缩，可以实现患者最大程度的主动康复训练。
5.公告号为cn213552679u的专利说明书中公开了一种载有功能性电刺激装置的足踝矫形器，其包括足踝矫形器(afo)和功能性电刺激装置(fes)两个部分，其足踝矫形器(afo)不能提供主动辅助力矩，控制系统也仅针对功能性电刺激。
6.公告号为cn103655122b的专利说明书中公开了一种融合功能性电刺激的膝关节外骨骼系统，直流伺服电机驱动器与膝关节外骨骼相连接，控制器与直流伺服电机驱动器和多通道功能性电刺激器相连接；控制器通过直流伺服电机驱动器控制膝关节外骨骼，控制多通道功能性电刺激器，膝关节外骨骼与多通道功能性电刺激器协同工作，并通过控制器控制两者的同步性。该方案装置仅仅是功能性电刺激与膝关节外骨骼在功能性上的简单叠加，并未实现二者在控制系统当中的融合互补，其次，该装置仅针对单关节，且患者需躺在康复椅上开展治疗，不能模拟正常的步态，难以实现对患者的整体肌肉协同康复治疗。


技术实现要素：

7.本发明的一个目的在于提供一种融合功能性电刺激与下肢外骨骼的协同康复系统，通过功能性电刺激fes与下肢外骨骼配合exo，予目标肌肉科学地、有规律性的功能电刺激，能使得患者更多得参与进主动康复的进程中来。
8.一种融合功能性电刺激与下肢外骨骼的协同康复系统，包括：
9.多通道功能性电刺激发生器，所述多通道功能性电刺激发生器用于对患者对应肌肉进行有周期规律的功能性电刺激；
10.下肢外骨骼，所述下肢外骨骼的单侧包括依次连接的髋关节连杆、为患者髋关节伸展与屈曲提供助力的髋关节电机、大腿连杆、为小腿步态运动提供助力的膝关节电机、小腿连杆、机械踝关节以及脚板；
11.姿态传感器，所述姿态传感器用于将检测到的髋关节屈曲/伸展角度θ和角速度ω值输入至上位机；
12.上位机，所述上位机用于负责人机交互指令处理、步态轨迹生成以及通过接收所述姿态传感器的数据进行功能性电刺激与外骨骼融合力矩的分配。
13.作为优选，所述下肢外骨骼还包括融合控制背仓以及用于将所述融合控制背仓固定于患者腰部的固定组件，所述髋关节连杆分别固定于所述固定组件的两侧，所述上位机置于所述融合控制背仓内。
14.作为优选，所述多通道功能性电刺激发生器包含对患者股四头肌、腓肠肌、比目鱼肌以及胫骨前肌进行有周期规律的功能性电刺激的股四头肌功能性电刺激通道、腓肠肌功能电刺激通道、比目鱼肌功能性电刺激通道以及胫骨前肌功能性电刺激通道。
15.本方案中，每单侧腿配置8通道功能性电刺激器，依据控制器信号，对患者股四头肌、腓肠肌、比目鱼肌以及胫骨前肌进行有周期规律的功能性电刺激，其具体工作流程为，在站立阶段，电刺激股四头肌以稳定膝关节，在摆动期电刺激腓肠肌、比目鱼肌驱动踝关节趾屈，随后电刺激胫骨前肌帮助踝关节屈曲完成迈步动作，如此进行周期循环，以达到对患者完成肌肉主动康复的目标。
16.本发明的另一目的在于提供一种融合功能性电刺激与下肢外骨骼的协同康复方法，具体包括下肢外骨骼助力矩的生成步骤以及下肢外骨骼与功能性电刺激的协同步骤；
17.所述下肢外骨骼助力矩的生成步骤包括下肢外骨骼助力矩曲线参数化以及助力矩曲线的离线优化；
18.所述下肢外骨骼与功能性电刺激的协同步骤具体为：
19.向上位机输入由人体大腿处的姿态传感器检测到的髋关节屈曲/伸展角度θ和角速度ω值，借助相角振荡器实现步态相位生成，如下所示：
[0020][0021]
其中，为步态相位；
[0022]
在每个步态周期内，步行所需髋关节力矩为：
[0023][0024]
分别为：
[0025][0026]
且满足：
[0027]
f(if)＝k
·
g(ie)
[0028]
其中，if为输入至多通道功能性电刺激发生器的电流值，ie为输入至下肢外骨骼电
机的电流；为每个步态周期内功能性电刺激与下肢外骨骼助力分配因子，为步态相位的函数；kf，ke分别为功能性电刺激与下肢外骨骼的力矩等效系数；k为功能性电刺激与下肢外骨骼的助力权重比，代表当前助力康复策略下，两者所占比例。
[0029]
作为优选，所述助力矩曲线参数化是根据助力曲线在某些步态相位提供的助力矩值来平滑连接形成曲线。
[0030]
作为优选，所述助力矩曲线的离线优化是通过反馈的生理信号借助算法对所述助力矩曲线进行离线优化。
[0031]
进一步优选，所述生理信号为患者的肌电信号。
[0032]
进一步优选，所述算法为贝叶斯优化算法。
[0033]
本发明的有益效果：
[0034]
(1)fes与主动式下肢康复外骨骼协同为患者提供康复辅助力矩，通常情况下，主动式康复外骨骼能为助力关节提供60-100nm的助力力矩，足够满足康复过程中的力矩需求。
[0035]
(2)fes与外骨骼配合，共同为患者提供辅助力矩，因此，在康复辅助过程中，可适当降低fes的电流刺激强度，其次结合力矩融合分配控制模型可提供符合康复进程的规律性间歇电刺激，即当即将到达所设定的肌肉疲劳的阈值时，可暂时停止对目标肌肉的电刺激，规定时间的“休息”后，再重新对目标肌肉施加功能性电刺激，尽可能地避免长时间的连续电刺激使患者肌肉过度疲劳，一定程度上有益于患者的康复治疗进程。
[0036]
(3)通过力矩融合分配模型，结合临床诊疗方案，设定针对患者的个性化参数，给予目标肌肉科学地、有规律性的功能电刺激，使得患者更多得参与进主动康复的进程中来，让患者待康复肢体得到更加积极有效的康复治疗。
附图说明
[0037]
图1为患者佩带肢外骨骼及多通道功能性电刺激发生器的示意图；
[0038]
图2为多通道功能性电刺激发生器与上位机的连接示意图；
[0039]
图3为系统的控制框图；
具体实施方式
[0040]
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
如图1和2所示，一种融合功能性电刺激与下肢外骨骼的协同康复系统，包括下肢外骨骼1、多通道功能性电刺激发生器2、姿态传感器和上位机3。
[0042]
下肢外骨骼1包括融合控制背仓11、用于将融合控制背仓11固定于患者腰部的固定组件以及设置于固定组件两侧且依次连接的髋关节连杆12、髋关节电机13、大腿连杆14、膝关节电机15、小腿连杆16、机械踝关节17以及脚板18；佩带时，髋关节连杆12、大腿连杆1、小腿连杆16、机械踝关节17以及脚板18分别对应患者的髋关节、大腿、小腿、踝关节和脚底板；髋关节电机13用于为患者髋关节伸展与屈曲提供助力，膝关节电机15用于为患者小腿
步态运动提供助力。
[0043]
多通道功能性电刺激发生器2具体采用8通道功能性电刺激发生器，8通道分别为左腿腓肠肌功能性电刺激通道21、左腿比目鱼肌功能性电刺激通道22、左腿胫骨前肌功能性电刺激通道23、左腿股四头肌功能性电刺激通道24、右腿腓肠肌功能性电刺激通道25、右腿比目鱼肌功能性电刺激通道26、右腿胫骨前肌功能性电刺激通道27和右腿股四头肌功能性电刺激通道28，分别对患者左腿腓肠肌、左腿比目鱼肌、左腿胫骨前肌左腿股四头肌、右腿腓肠肌、右腿比目鱼肌、右腿胫骨前肌和右腿股四头肌进行有周期规律的功能性电刺激，具体工作流程为，在站立阶段，电刺激股四头肌以稳定膝关节，在摆动期电刺激腓肠肌、比目鱼肌驱动踝关节趾屈，随后电刺激胫骨前肌帮助踝关节屈曲完成迈步动作，如此进行周期循环，以达到对患者完成肌肉主动康复的目标。
[0044]
姿态传感器具体设置于患者大腿处，用于检测患者髋关节屈曲/伸展角度θ和角速度ω值；上位机3置于融合控制背仓11内，通过接收姿态传感器输入的患者髋关节屈曲/伸展角度θ和角速度ω值进行功能性电刺激与外骨骼融合力矩分配。
[0045]
一种融合功能性电刺激与下肢外骨骼的协同康复方法，包括下肢外骨骼助力矩的生成步骤以及下肢外骨骼与功能性电刺激的协同步骤。
[0046]
下肢外骨骼助力矩的生成步骤：
[0047]
首先设计能协同fes的下肢外骨骼助力矩曲线，在满足康复所需力矩的基本要求下，主要使患者能够开展间歇规律性电刺激方案，在提升治疗效果的同时，尽可能避免患者肌肉产生疲劳。
[0048]
下肢外骨骼的助力矩曲线需不断根据患者肌肉状态进行优化调整。首先，需实现助力矩曲线参数化，以实现通过参数调整来实现最柔顺的助力矩规划及协同fes的助力，助力矩曲线参数化需根据助力曲线在某些步态相位(即一个步行周期或者搬运周期内各个时间阶段占整个周期时间百分比)提供的助力矩值来平滑连接形成曲线，如助力矩曲线峰值对应的步态相位、曲线上升步态相位间隔、助力矩峰值等。其次，需通过反馈的生理信号进行助力矩曲线离线优化，上述助力矩曲线参数化后，实现了通过一组参数对助力矩曲线的调节，而这组参数的优化则是通过生理信号反馈借助贝叶斯优化算法进行迭代优化得到。
[0049]
在康复进程中，通过粘贴在股直肌、股内侧肌以及股外侧肌的表面肌电信号传感器，可获取肌肉的微弱电信号表征人体肌肉发力大小，将该信号传输至上位机pc，进行肌电信号预处理和激活度表征计算，当肌肉发力数值逐步达到所规定的电刺激肌肉疲劳阈值后(持续功能性电刺激下，随着患者肌肉疲劳，同等强度的电刺激强度下，其使肌肉收缩程度变小，产生的力也逐渐变小)借助贝叶斯优化算法对助力矩曲线参数进行优化，使得外骨骼所提供的力矩相应变大，以弥补fes使肌肉疲劳带来的力矩缺失，同理，当患者肌肉得到一段时间“休息”后，根据反馈的生理数据逐步降低外骨骼力矩，适当提升电刺激强度，如此策略对外骨骼助力曲线不断进行调整优化，以实现达到辅助力矩的基本需求，同时尽可能避免功能性电刺激带来的肌肉疲劳问题。
[0050]
下肢外骨骼与功能性电刺激的协同步骤：
[0051]
向上位机输入由人体大腿处的姿态传感器检测到的髋关节屈曲/伸展角度θ和角速度ω值，借助相角振荡器实现步态相位生成，如下所示：
[0052][0053]
其中，为步态相位；
[0054]
在每个步态周期内，步行所需髋关节力矩为：
[0055][0056]
分别为：
[0057][0058]
且满足：
[0059]
f(if)＝k
·
g(ie)
[0060]
其中，if为输入至多通道功能性电刺激发生器的电流值，ie为输入至下肢外骨骼电机的电流；为每个步态周期内功能性电刺激fes与下肢外骨骼exo助力分配因子，为步态相位的函数；kf，ke分别为功能性电刺激fes与下肢外骨骼fes与exo的力矩等效系数(由电流计算到关节力矩的比例系数)；k为功能性电刺激fes与下肢外骨骼exo的助力权重比，代表当前助力康复策略下，两者所占比例。控制框图如图1所示。
[0061]
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种融合功能性电刺激与下肢外骨骼的协同康复系统，其特征在于，包括：多通道功能性电刺激发生器，所述多通道功能性电刺激发生器用于对患者对应肌肉进行有周期规律的功能性电刺激；下肢外骨骼，所述下肢外骨骼的单侧包括依次连接的髋关节连杆、为患者髋关节伸展与屈曲提供助力的髋关节电机、大腿连杆、为小腿步态运动提供助力的膝关节电机、小腿连杆、机械踝关节以及脚板；姿态传感器，所述姿态传感器用于将检测到的髋关节屈曲/伸展角度θ和角速度ω值输入至上位机；上位机，所述上位机用于负责人机交互指令处理、步态轨迹生成以及通过接收所述姿态传感器的数据进行功能性电刺激与外骨骼融合力矩的分配。2.根据权利要求1所述的协同康复系统，其特征在于，所述下肢外骨骼还包括融合控制背仓以及用于将所述融合控制背仓固定于患者腰部的固定组件，所述髋关节连杆分别固定于所述固定组件的两侧，所述上位机置于所述融合控制背仓内。3.根据权利要求1所述的协同康复系统，其特征在于，所述多通道功能性电刺激发生器包含对患者股四头肌、腓肠肌、比目鱼肌以及胫骨前肌进行有周期规律的功能性电刺激的股四头肌功能性电刺激通道、腓肠肌功能电刺激通道、比目鱼肌功能性电刺激通道以及胫骨前肌功能性电刺激通道。4.一种融合功能性电刺激与下肢外骨骼的协同康复方法，其特征在于，包括下肢外骨骼助力矩的生成步骤以及下肢外骨骼与功能性电刺激的协同步骤；所述下肢外骨骼助力矩的生成步骤包括下肢外骨骼助力矩曲线参数化以及助力矩曲线的离线优化；所述下肢外骨骼与功能性电刺激的协同步骤具体为：向上位机输入由人体大腿处的姿态传感器检测到的髋关节屈曲/伸展角度θ和角速度ω值，借助相角振荡器实现步态相位生成，如下所示：其中，为步态相位；在每个步态周期内，步行所需髋关节力矩为：分别为：且满足：f(i
f
)＝k
·
g(i
e
)其中，i
f
为输入至多通道功能性电刺激发生器的电流值，i
e
为输入至下肢外骨骼电机的电流；为每个步态周期内功能性电刺激与下肢外骨骼助力分配因子，为步态相位的函数；k
f
，k
e
分别为功能性电刺激与下肢外骨骼的力矩等效系数；k为功能性电刺激与下肢外骨骼的助力权重比。
5.根据权利要求4所述的协同康复方法，其特征在于，所述助力矩曲线参数化是根据助力曲线在某些步态相位提供的助力矩值来平滑连接形成曲线。6.根据权利要求4所述的协同康复方法，其特征在于，所述助力矩曲线的离线优化是通过反馈的生理信号借助算法对所述助力矩曲线进行离线优化。7.根据权利要求6所述的协同康复方法，其特征在于，所述生理信号为患者的肌电信号。8.根据权利要求6所述的协同康复方法，其特征在于，所述算法为贝叶斯优化算法。

技术总结
本发明公开了一种融合功能性电刺激与下肢外骨骼的协同康复系统，包括：多通道功能性电刺激发生器，用于对患者对应肌肉进行有周期规律的功能性电刺激；下肢外骨骼，单侧包括依次连接的髋关节连杆、髋关节电机、大腿连杆、膝关节电机、小腿连杆、机械踝关节以及脚板；姿态传感器，用于将检测到的髋关节屈曲/伸展角度θ和角速度ω值输入至上位机；上位机，用于负责人机交互指令处理、步态轨迹生成以及通过接收所述姿态传感器的数据进行功能性电刺激与外骨骼融合力矩的分配；本发明公开了一种协同康复方法。本发明通过功能性电刺激FES与下肢外骨骼配合EXO，予目标肌肉科学地、有规律性的功能电刺激，能使得患者更多得参与进主动康复的进程中来。的进程中来。的进程中来。


技术研发人员：杨巍 曹巧欢 桂梁鸿 颜泽皓 冯陆颖 杨灿军 刘晓健
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.02.28
技术公布日：2023/8/1