專利名稱：牙齒控制的假肢裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
發(fā)明屬于人機交互領(lǐng)域，特別涉及醫(yī)療康復領(lǐng)域，具體是指一種使用牙齒動作產(chǎn)生的腦肌電信號，進行實時控制的假肢裝置及方法。
背景技術(shù)：
據(jù)國家統(tǒng)計局報告指出，因先天性(發(fā)育畸形、近親遺傳、妊期疾病等)、外傷(工傷、交通事故、戰(zhàn)傷及其他外傷)以及疾病(血管性疾病、小兒麻痹、化膿性感染等)造成的肢體殘疾的人已經(jīng)達到2412萬，其中2008年僅因汶川大地震中，就有多達2萬多人失去肢體。隨著生活節(jié)奏的加快，很多殘疾人在生活自理、學習交流以及工作上存在嚴重的缺陷，因此，研究如何幫助殘疾人重新回歸社會，正常生活，減輕社會不必要的負擔，已經(jīng)成為社會日益關(guān)注的焦點，具有極大的商業(yè)價值和潛力。但是，由于現(xiàn)在醫(yī)學還尚未達到幫助截肢者恢復肢體的技術(shù)，假肢是截肢者最好的選擇。其目的就是為截肢者彌補已失肢體和補償其部分功能而制造裝配的?，F(xiàn)代科學技術(shù)迅速發(fā)展，社會對殘疾人事業(yè)的日益關(guān)注，使假肢從傳統(tǒng)的手工藝轉(zhuǎn)換為多工程學科(機械、電子、計算機技術(shù)、控制、生物力學、高分子材料學等)、醫(yī)學技術(shù)相結(jié)合的學科。目前多個國家包括美國、德國、日本、加拿大、意大利及中國等國家對智能假肢正展開了深入研究，使假肢能夠根據(jù)外界條件和工作要求，自動調(diào)整假肢系統(tǒng)的參數(shù)，從而達到工作可靠、運動自如，具有更好的仿生性。公知的，智能假肢采用的控制手段包括手工(含手腳動作)、肌電信號控制、意念交互控制方式。手工交互控制方式是主流，應用廣泛而且成熟；肌電信號交互控制方式，也在不斷發(fā)展完善；意念交互控制方式，還處于實驗研究向?qū)嵱棉D(zhuǎn)變的初級階段。目前，截肢者使用的大多數(shù)是功能假肢，這類假肢多用鋁板、木材、皮革、塑料等材料制作而成，并通過截肢殘端的肌力作為力源(配以相應的如彈簧、液壓、氣壓等運動輔助裝置)來控制功能假肢的運動。這類假肢雖然功能簡單，制造容易，成本低廉，但是重量大，操作不方便，維護困難，通過手工控制對于一些殘疾人來說都是生理和心理上的挑戰(zhàn)。對于通過肌電信號(截肢殘端肌電信號)控制的方式而言，其控制的假肢裝置屬于智能假肢，相比于傳統(tǒng)假肢而言，它具有更好的靈活度、穩(wěn)定性以及自適應能力。但是，通過肌電信號產(chǎn)生的輸入信號單一，無法滿足多自由度假肢的控制，在實際生活中無法表達出殘疾人行動目的。將意念解碼作為假肢的一個控制源是近來學者研究的熱點，但該技術(shù)還處于非常初級的研究階段。目前，意念交互控制手段，或者識別動作狀態(tài)單一、準確度不高(比如運動想象)，或者準確度高、識別時間較長(比如P300，即視覺刺激下300毫秒后腦電波信號加強)，而且，意念時不能專注前方物體或?qū)ο?比如P300時，用戶視線必須全神專注工作界面)而分散注意力。公知的，對意念控制方式的認識，具體請參閱以下文獻:
Gerwin Schalk (美)、Jurgen.Mellinger(美)著，胡三清譯，《BCI2000與腦機接口》，國防工業(yè)出版社2011年6月。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺點，提供一種方便、簡單、舒適、直接、實時、準確、抗干擾、多任務、無損無創(chuàng)、不分散注意力、多數(shù)人適合的牙齒控制的智能假肢裝置及方法。為肢體截肢的殘疾人提供性能優(yōu)越的智能假肢，幫助他們提高自主行動自由度，從而提高他們的生活質(zhì)量，減輕社會壓力。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
該牙齒控制的假肢裝置，包括采集模塊、傳輸模塊、動作模塊、顯示模塊，其特點是，所述的裝置中還包括牙齒動作狀態(tài)的腦肌電信號的傳感模塊、牙齒動作狀態(tài)的腦肌電信號的控制模塊，所述的傳感模塊的輸出端與采集模塊的輸入端連接，所述的控制模塊的輸入端與傳輸模塊的輸出端連接，所述的控制模塊的輸出端與動作模塊、顯示模塊的輸入端連接。該裝置的傳感模塊包括參考電極、C3和C4電極，控制模塊包括控制動作模塊(6)和控制顯示模塊(7)。該裝置的控制動作模塊包括啟 動假肢、關(guān)閉假肢、腕部彎曲、腕部伸展、腕部外旋、腕部內(nèi)旋、肘部彎曲、肘部伸展、手部張開、手部閉合、加速、減速、伸出特定的手指、手部抓握。通過這些基本動作的組合可以得到更多的復雜的動作。該裝置的控制顯示模塊包括啟動顯示、關(guān)閉顯示、操作人機界面。該對上述的假肢裝置進行控制的方法，其主要特點是，所述的方法包括以下步驟:
步驟(I)采集咬牙動作產(chǎn)生的腦肌電信號?？刹捎脦讉€相關(guān)的信號強度明顯的采集電極(比如，根據(jù)國際10-20標準電極分布系統(tǒng)，咬牙采用3個電極:參考電極、C3和C4)的采集設(shè)備，從而降低數(shù)據(jù)處理量，提高數(shù)據(jù)實時處理算法的效率。步驟(2)咬牙動作的信號分析。具體步驟如下:
a.首先對于采集的數(shù)據(jù)進行帶通濾波處理，去除信號基線漂移；
b.定位時序信號中牙齒動作產(chǎn)生信號的位置，并提取該信號；
c.量化提取的信號，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡進行適當分類，將咬牙動作區(qū)分為左邊咬牙、右邊咬牙、左右兩邊同時咬牙三種狀態(tài)；
d.分析時域信號持續(xù)時間以及咬牙狀態(tài)和次數(shù)，若時長不超過I秒，則利用可變窗口方法，初始化窗口數(shù)量N計為1，逐漸調(diào)整窗口長度，若窗口長度大于閾值T，則N自動加I ;遍歷整個咬牙時序信號后，若N是為I，則表示咬I次，若N是2，則表示咬了 2次，若N是3，則表示咬了 3次。若時長持續(xù)超過I秒，則表示長咬狀態(tài)。步驟(3)整合上述步驟c和d的分類結(jié)果，可以區(qū)分出不同的咬牙動作狀態(tài)。咬牙動作具體可分為:左咬一次(sOl)、左咬兩次(s02)、左咬三次(803)、左長咬(804)、右咬一次(s05)、右咬兩次(s06)、右咬三次(s07)、右長咬(s8)、左右同時咬一次(s9)、左右同時咬兩次(SlO)、左右同時咬三次(sll)、左右同時長咬(sl2)。另外，為了開機和關(guān)機特產(chǎn)生如下一種咬牙狀態(tài)，即左右同時長咬持續(xù)超過2秒，記為sl3。順序完成步驟⑴、步驟⑵、步驟(3)即可實現(xiàn)咬牙動作產(chǎn)生的腦肌電信號的多達13種狀態(tài)的識別。步驟(4)設(shè)計啟動或關(guān)閉假肢的控制指令以及12種實時控制假肢的控制指令。由于不同部位的假肢其對應的功能是不同的，在此將以機械手臂為例進行控制功能說明。第一次sl3對應于啟動假肢；第二次sl3對應于關(guān)閉假肢；手部張開(sOl);肘部彎曲(s02);手部抓握(s03);加速(s04);手部閉合(s05);肘部伸展(s06);伸出特定手指(s07);減速(s08);腕部內(nèi)旋(s09);腕部外旋(slO);腕部彎曲(sll);腕部伸展(sl2)。上述各種控制指令針對假肢的運動控制。如下步驟可讓用戶完成更多的任務。步驟(5)對上述假肢運動進行組合可以得到更豐富和復雜的運動方式，提高假肢實際應用能力。此處以抓取一個物體為例，第一次sl3啟動機械假肢后，sOl進行手部張開，如果伸展速度過慢可以通過s04進行加速張開。s02伸展肘部以達到靠近物體，在該過程中也可以利用s04或s08進行加減速，利用sll或者sl2來微調(diào)手部與物體的距離，最后利用s03實現(xiàn)物體的抓取。當然，運動方式的組合并不局限于上面介紹的方式，通過組合方式可以更高效、準確的完成對應的任務。采用本發(fā)明的牙控智能假肢集方便、簡單、舒適、直接、實時、準確、抗干擾、多任務、無損無創(chuàng)、不分散注意力、多數(shù)人適合等眾多特點于一身，為肢體截肢的殘疾人提供實用且功能健全的智能假肢。在此說明書中，本發(fā)明已參照其特定的實施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出各種修改、變換、替代、組合、簡化而不背離本發(fā)明的精神和范圍，都在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，說明書和附圖應被認為是說明性的而非限制性的。


圖1本發(fā)明方法中流程示意圖
圖2咬牙動作信號分析處理流程3左咬一次波形4左咬兩次波形5左咬三次波形6左長咬波 形7右咬一次咬波形8右咬兩次波形9右咬三次波形10右長咬波形11左右同時咬一次波形12左右同時咬兩次波形13左右同時咬三次波形14左右同時長咬波形圖。
權(quán)利要求
1.牙齒控制的假肢裝置，包括采集模塊(I)、傳輸模塊(2)、動作模塊(3)、顯示模塊(4)，其特征在于，所述的裝置中還包括牙齒動作狀態(tài)的腦肌電信號的傳感模塊(5)、牙齒動作狀態(tài)的腦肌電信號的控制模塊出)，所述的傳感模塊的輸出端與采集模塊的輸入端連接，所述的控制模塊的輸入端與傳輸模塊的輸出端連接，所述的控制模塊的輸出端與動作模塊、顯示模塊的輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙齒控制的假肢裝置，其特征在于，所述的傳感模塊包括參考電極、C3和C4電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙齒控制的假肢裝置，其特征在于，所述的控制模塊包括控制動作模塊(6)和控制顯示模塊(7)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的牙齒控制的假肢裝置，其特征在于，所述的控制動作模塊包括啟動假肢、關(guān)閉假肢、腕部彎曲、腕部伸展、腕部外旋、腕部內(nèi)旋、肘部彎曲、肘部伸展、手部張開、手部閉合、加速、減速、伸出特定的手指、手部抓握；通過這些基本動作的組合可以得到更多的復雜的動作。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的牙齒控制的假肢裝置，其特征在于，所述的控制顯示模塊包括啟動顯示、關(guān)閉顯示、操作人機界面。
6.一種對權(quán)利要求1所述的牙齒控制的假肢裝置進行檢測控制的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步驟: (1)采集牙齒動作狀態(tài)產(chǎn)生的腦肌電信號； (2)將采集信號進行處理轉(zhuǎn)換為控制命令。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的牙齒控制的假肢裝置進行檢測控制的方法，其特征在于，所述的采集牙齒動作狀態(tài)產(chǎn)生的腦肌電信號，包括以下步驟: (1)牙齒動作狀態(tài)分為牙齒上下運動、水平運動和組合運動； 牙齒上下運動，簡稱為咬牙；牙齒水平運動，簡稱為磨牙；牙齒組合運動，簡稱為咬磨牙； (2)咬牙按位置分為左邊、右邊、中間；磨牙按位置分為左邊、右邊、中邊；咬牙、磨牙、咬磨牙的混合使用為組合狀態(tài)； (3)安裝腦肌電信號采集電極，腦電極的安裝位置采用國際10-20標準電極系統(tǒng)分布圖； (4)根據(jù)信號強度特征，選取相關(guān)采集電極，減少電極數(shù)目，最大程度地對系統(tǒng)進行簡化； (5)咬牙動作狀態(tài)的相關(guān)腦電極為參考電極、C3和C4電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的牙齒控制的假肢裝置進行檢測控制的方法，其特征在于，所述的將采集信號進行處理轉(zhuǎn)換為控制命令，包括以下步驟: (1)采用帶通濾波保留4(T100Hz頻段的信號，去除基線漂移； (2)分別利用神經(jīng)網(wǎng)絡和可變窗口方法來識別牙齒動作的不同狀態(tài)及次數(shù)為控制命令。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種牙齒控制的假肢裝置及方法。包括牙齒動作狀態(tài)的腦肌電信號的傳感模塊、控制模塊。本發(fā)明采集牙齒動作狀態(tài)產(chǎn)生的腦肌電信號，將采集信號進行數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換為控制命令。由于本發(fā)明的牙齒控制方便、簡單、舒適、安靜、實時、準確、抗干擾、多任務、無損無創(chuàng)、不分散注意力、多數(shù)人適合等，為因交通事故、疾病、工傷等意外傷害而造成的肢體殘缺者在生活或者工作等方面提供幫助，有效提高其生活自理能力。
文檔編號A61F2/72GK103156713SQ201310070669
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月6日
發(fā)明者胡三清, 池劍峰, 趙化賓 申請人:胡三清, 池劍峰, 趙化賓