本發(fā)明屬于醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用在中風(fēng)病人康復(fù)期使用的嵌入式康復(fù)裝置。

背景技術(shù)：

在中風(fēng)的康復(fù)治療中，除了必要的藥物介入和手術(shù)外，輔以一定的康復(fù)訓(xùn)練將極大的提高療效。傳統(tǒng)型康復(fù)器械由于只是被動(dòng)的運(yùn)動(dòng)治療，缺乏對(duì)患者的主動(dòng)參與性的刺激。而腦機(jī)接口技術(shù)的出現(xiàn)，為主動(dòng)式康復(fù)器械研究注入了新的活力。

近年來，國內(nèi)外一些科研單位開始進(jìn)行腦機(jī)接口康復(fù)機(jī)器人的研究，例如：清華大學(xué)高小榕團(tuán)隊(duì)利用穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位構(gòu)造了腦機(jī)接口的方法，利用這種方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)假肢的控制。新加坡國立大學(xué)的bricerebsamen利用p300信號(hào)選擇目的地，并配合預(yù)定義路徑以及引導(dǎo)策略實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)可在特定辦公室環(huán)境下使用的腦機(jī)交互輪椅系統(tǒng)原型。東南大學(xué)徐保國等研制了一種基于運(yùn)動(dòng)想象上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，該系統(tǒng)通過想象不同肢體的運(yùn)動(dòng)來控制器械的模式。這些基于腦機(jī)接口的輔助康復(fù)系統(tǒng)達(dá)到了主動(dòng)式康復(fù)目的，有著傳統(tǒng)康復(fù)器械不可比擬的優(yōu)勢(shì)。但是由于這些系統(tǒng)通常使用pc機(jī)進(jìn)行控制和運(yùn)算，成本較高且不方便攜帶，實(shí)用性不佳。因此，設(shè)計(jì)了一種嵌入式腦機(jī)康復(fù)裝置，該裝置具有開發(fā)周期短、易升級(jí)、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，達(dá)到了臨床應(yīng)用目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種利用腦機(jī)接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)的用于中風(fēng)的嵌入式康復(fù)裝置。

本發(fā)明包括腦電信號(hào)處理裝置和康復(fù)裝置，腦電信號(hào)處理裝置設(shè)置在康復(fù)裝置內(nèi)部；其中腦電信號(hào)處理裝置包括無線藍(lán)牙接收器、嵌入式單板計(jì)算機(jī)；康復(fù)裝置包括殼體和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，具體包括踏板、固定帶、踏板支架、滾珠絲桿、直線導(dǎo)軌、底座、直流無刷電機(jī)、霍爾傳感器、角度傳感器；

所述的腦電信號(hào)處理裝置是用于對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行特征提取與分類處理；康復(fù)裝置用于支撐患者肢體的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；

殼體采用abs注塑加工而成，留有l(wèi)cd顯示屏預(yù)留開口、usb預(yù)留開口、v電源插孔、船型翹板開關(guān)預(yù)留開口，且在殼體的相對(duì)的兩個(gè)長(zhǎng)條形側(cè)面開有條形滑動(dòng)槽，與踏板支架相連接的其中的兩個(gè)第一支撐架的另一端分別設(shè)置在兩個(gè)側(cè)面的滑動(dòng)槽內(nèi)，且兩個(gè)第一支撐架能夠沿著滑動(dòng)槽來回滑動(dòng)，從而帶動(dòng)踏板支架前后滑動(dòng)；與踏板支架相連接的另外兩個(gè)第二支撐架與底座相連接，且該第二支撐架與底座活動(dòng)連接，能夠在踏板支架的帶動(dòng)下與底座相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；

踏板支架設(shè)置在殼體外部，其上設(shè)置有角度傳感器、固定帶和踏板，踏板設(shè)置在踏板支架的第三支撐桿上，固定帶設(shè)置在踏板支架的第四支撐桿上；角度傳感器設(shè)置在第四支撐桿、第三支撐桿和第一支撐桿的連接桿上，且第四支撐桿、第三支撐桿之間固定連接，兩個(gè)支撐桿角度不變；第三支撐桿和第一支撐桿之間可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；

康復(fù)裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)還設(shè)置有電路板、滾珠絲桿、直線導(dǎo)軌、直流無刷電機(jī)、霍爾傳感器；電路板安裝在lcd顯示屏背面；滾珠絲桿的兩端分別固定在殼體內(nèi)部底座上，且殼體內(nèi)部底座上對(duì)應(yīng)設(shè)置有兩個(gè)霍爾傳感器，用于檢測(cè)踏板的運(yùn)動(dòng)，防止踏板超越行程；直流無刷電機(jī)的輸出軸與滾珠絲桿的一端相連接，用于驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)整個(gè)踏板運(yùn)動(dòng)；

電路板上設(shè)置有開關(guān)電源電路、無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和電平轉(zhuǎn)換電路；開關(guān)電源電路為直流無刷電機(jī)、無線藍(lán)牙接收器、嵌入式單板計(jì)算機(jī)、無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和電平轉(zhuǎn)換電路供電；無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)；電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)置在嵌入式單板計(jì)算機(jī)與無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路之間，用于兩者的通信電平的轉(zhuǎn)換；

具體的：無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制信號(hào)，傳遞給直流無刷電機(jī)使其正常工作，直流無刷電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)；主軸拖板安裝在滾珠絲桿上，另外兩端安裝在與直線導(dǎo)軌相連接的支撐架上；當(dāng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，主軸拖板會(huì)沿著直線導(dǎo)軌運(yùn)行，并通過支撐架帶動(dòng)踏板支架運(yùn)行；滾珠絲桿的兩端旁設(shè)有霍爾傳感器，可感知主軸拖板運(yùn)行到滾珠絲桿兩端的位置，并將位置信息傳遞給無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)位置信息對(duì)直流無刷電機(jī)運(yùn)行進(jìn)行調(diào)整，使得主軸拖板在運(yùn)行中不會(huì)超越行程。

所述的腦電信號(hào)處理裝置中的無線藍(lán)牙接收器用于接收采集到的腦電信號(hào)，其型號(hào)為epocusb。

所述的嵌入式單板計(jì)算機(jī)型號(hào)為raspberrypib+，其內(nèi)部設(shè)置有運(yùn)動(dòng)控制模塊、腦電信號(hào)處理模塊和顯示模塊；所述的運(yùn)動(dòng)控制模塊用于控制康復(fù)裝置中直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，具體的通過控制發(fā)送控制指令給無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，間接控制直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)；所述的顯示模塊與lcd顯示屏相連接，用于顯示當(dāng)前腦電信息和當(dāng)前康復(fù)裝置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；所述的腦電信號(hào)處理模塊用于處理無線藍(lán)牙接收器發(fā)送過來的腦電信號(hào)。

所述的腦電信號(hào)處理模塊運(yùn)用了頭戴式傳感器作為信號(hào)采集器來提取用戶的腦電信號(hào)，用戶先戴上頭戴式傳感器，戴式傳感器將其電極上提取到的信號(hào)經(jīng)過放大、濾波、采樣處理后，通過無線藍(lán)牙接收器以數(shù)據(jù)幀包的形式傳輸?shù)角度胧絾伟逵?jì)算機(jī)上，嵌入式單板計(jì)算機(jī)中的腦電信號(hào)處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)幀包中患者的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，通過一系列的信號(hào)處理方法進(jìn)行特征提取、分類，從而達(dá)到理解患者的運(yùn)動(dòng)意圖的目的，并將腦電信號(hào)處理模塊處理的結(jié)果以控制信號(hào)的形式通過串口輸入到無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)指令驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)，從而使用戶進(jìn)行伸腿和屈腿的動(dòng)作。

本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：

1.實(shí)現(xiàn)了中風(fēng)康復(fù)治療的主動(dòng)化：運(yùn)用腦機(jī)交互技術(shù)，患者可以先通過自己的大腦發(fā)出指令，然后再通過藍(lán)牙將指令傳輸給康復(fù)系統(tǒng)，康復(fù)系統(tǒng)根據(jù)患者大腦的指令作相應(yīng)的工作，如此實(shí)現(xiàn)了患者主動(dòng)參與康復(fù)治療的效果.

2.實(shí)現(xiàn)了頁面更新的高效化：在信號(hào)處理時(shí)，使用多線程信號(hào)處理方法，讓頁面線程和信號(hào)處理線程分開，不會(huì)造成頁面刷新卡頓，解決了在頁面更新時(shí)效率低的問題；

3.保證了系統(tǒng)控制的精準(zhǔn)性和安全性：使用閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行電機(jī)控制，給定轉(zhuǎn)速和反饋轉(zhuǎn)速的差值，經(jīng)過pi調(diào)節(jié)后對(duì)pwm進(jìn)行控制?？刂骗h(huán)提供了對(duì)速度的比例和積分控制，使用定時(shí)器來選通一個(gè)完整的電周期，來測(cè)量實(shí)際速度。解決了常規(guī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在控制和傳動(dòng)上無法保證精度的問題。

4.采用模塊化的設(shè)計(jì)，并且進(jìn)行嵌入式一體化的組裝，方便系統(tǒng)的升級(jí)，也提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。直接解決了使用pc帶來的不便性，達(dá)到了實(shí)用化的目的。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中康復(fù)裝置的正面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中康復(fù)裝置的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明中康復(fù)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明中康復(fù)系統(tǒng)框圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1和圖2所示，一種用于中風(fēng)的嵌入式康復(fù)裝置，包括腦電信號(hào)處理裝置和康復(fù)裝置，腦電信號(hào)處理裝置設(shè)置在康復(fù)裝置內(nèi)部；其中腦電信號(hào)處理裝置包括無線藍(lán)牙接收器、嵌入式單板計(jì)算機(jī)；康復(fù)裝置包括殼體、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)，具體包括踏板15、固定帶6、踏板支架4、滾珠絲桿8、直線導(dǎo)軌11、底座3、直流無刷電機(jī)9、霍爾傳感器7、角度傳感器1；

所述的腦電信號(hào)處理裝置是用于對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行特征提取與分類處理；康復(fù)裝置用于支撐患者肢體的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

如圖1和圖2所示，殼體采用abs注塑加工而成，留有l(wèi)cd顯示屏2預(yù)留開口、usb預(yù)留開口、220v電源插孔5、船型翹板開關(guān)預(yù)留開口，且在殼體的相對(duì)的兩個(gè)長(zhǎng)條形側(cè)面開有條形滑動(dòng)槽14，與踏板支架4相連接的其中的兩個(gè)支撐架4-1的另一端分別設(shè)置在兩個(gè)側(cè)面的滑動(dòng)槽14內(nèi)，且兩個(gè)支撐架4-1能夠沿著滑動(dòng)槽14來回滑動(dòng)，從而帶動(dòng)踏板支架4前后滑動(dòng)；與踏板支架4相連接的另外兩個(gè)支撐架4-2與底座3相連接，且該支撐架4-2與底座活動(dòng)連接，能夠在踏板支架4的帶動(dòng)下與底座相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

踏板支架4設(shè)置在殼體外部，屬于外部結(jié)構(gòu)，其上設(shè)置有角度傳感器1、固定帶6和踏板15，踏板15設(shè)置在踏板支架4的支撐桿4-3上，固定帶6設(shè)置在踏板支架4的支撐桿4-4上；角度傳感器1設(shè)置在支撐桿4-4、4-3和4-1的連接桿上，且支撐桿4-4和4-3之間固定連接，兩個(gè)支撐桿角度不變；支撐桿4-3和4-1之間可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；

康復(fù)裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)還設(shè)置有電路板10、滾珠絲桿8、直線導(dǎo)軌11、直流無刷電機(jī)9、霍爾傳感器7；電路板10安裝在lcd顯示屏2背面；滾珠絲桿8的兩端分別固定在殼體內(nèi)部底座上，且殼體內(nèi)部底座上對(duì)應(yīng)設(shè)置有兩個(gè)霍爾傳感器7，用于檢測(cè)踏板的運(yùn)動(dòng)，防止踏板超越行程；直流無刷電機(jī)9的輸出軸與滾珠絲桿8的一端相連接，用于驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿8轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)整個(gè)踏板運(yùn)動(dòng)；

電路板10上設(shè)置有開關(guān)電源電路、無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和電平轉(zhuǎn)換電路；開關(guān)電源電路為直流無刷電機(jī)9、無線藍(lán)牙接收器、嵌入式單板計(jì)算機(jī)、無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和電平轉(zhuǎn)換電路供電；無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)9；電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)置在嵌入式單板計(jì)算機(jī)與無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路之間，用于兩者的通信電平的轉(zhuǎn)換；

具體的：無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制信號(hào)，傳遞給直流無刷電機(jī)使其正常工作，直流無刷電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)。主軸拖板16安裝在滾珠絲桿8上，另外兩端安裝在與直線導(dǎo)軌11相連接的支撐架4-1上；當(dāng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，主軸拖板16會(huì)沿著直線導(dǎo)軌11運(yùn)行，并通過支撐架4-1帶動(dòng)踏板支架4運(yùn)行；滾珠絲桿的兩端旁設(shè)有霍爾傳感器7，可感知主軸拖板運(yùn)行到滾珠絲桿兩端的位置，并將位置信息傳遞給無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)位置信息對(duì)直流無刷電機(jī)運(yùn)行進(jìn)行調(diào)整，使得主軸拖板在運(yùn)行中不會(huì)超越行程。

220v交流市電輸出端與直流電壓開關(guān)相連接，將220v交流電經(jīng)過開關(guān)電源電路轉(zhuǎn)換為24v直流電供給直流電機(jī)，同時(shí)直流電壓開關(guān)還與開關(guān)型降壓調(diào)節(jié)器相連接，將24v直流電轉(zhuǎn)換為5v直流電，5v直流電輸出端還與電平轉(zhuǎn)換電路相連接將5v電壓轉(zhuǎn)換為3.3v，再與嵌入式單板計(jì)算機(jī)連接，使嵌入式單板計(jì)算機(jī)正常工作

所述的腦電信號(hào)處理裝置中的無線藍(lán)牙接收器用于接收采集到的腦電信號(hào)，其型號(hào)為epocusb。

所述的嵌入式單板計(jì)算機(jī)型號(hào)為raspberrypi3b+，其內(nèi)部設(shè)置有運(yùn)動(dòng)控制模塊、腦電信號(hào)處理模塊和顯示模塊；所述的運(yùn)動(dòng)控制模塊用于控制康復(fù)裝置中直流無刷電機(jī)9的轉(zhuǎn)動(dòng)，具體的通過控制發(fā)送控制指令給無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，間接控制直流無刷電機(jī)9的轉(zhuǎn)動(dòng)；所述的顯示模塊與lcd顯示屏2相連接，用于顯示當(dāng)前腦電信息和當(dāng)前康復(fù)裝置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；所述的腦電信號(hào)處理模塊用于處理無線藍(lán)牙接收器發(fā)送過來的腦電信號(hào)，具體的對(duì)腦電信號(hào)的處理過程如下：

腦電信號(hào)采集處理的過程是運(yùn)用了頭戴式傳感器作為信號(hào)采集器來提取用戶的腦電信號(hào)，用戶先戴上頭戴式傳感器emotiv，戴式傳感器其電極上提取到的信號(hào)經(jīng)過放大、濾波、采樣等步驟，通過無線藍(lán)牙接收器以數(shù)據(jù)幀包的形式傳輸?shù)角度胧絾伟逵?jì)算機(jī)上，嵌入式單板計(jì)算機(jī)中的腦電信號(hào)處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)幀包中患者的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，通過一系列的信號(hào)處理方法進(jìn)行特征提取、分類，從而達(dá)到理解患者的運(yùn)動(dòng)意圖的目的，并將腦電信號(hào)處理模塊處理的結(jié)果以控制信號(hào)的形式通過串口輸入到無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)指令驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)，從而使用戶進(jìn)行伸腿和屈腿的動(dòng)作，用戶通過視覺反饋，可以實(shí)時(shí)獲知康復(fù)效果。

霍爾傳感器可采用telesky公司的由risymoh137霍爾元件to-92ua封裝的霍爾傳感器。除上述傳感器外，不排除選擇其他公司、型號(hào)的傳感器。傳感器與控制芯片u1的連接為成熟的技術(shù)，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際需要，通過編程等方式即可通過各傳感器采集各種位置數(shù)據(jù)。

便攜式腦電采集器使用emotivsystem公司開發(fā)的emotiv傳感器。

本發(fā)明的原理是通過對(duì)患者腦電信號(hào)的采集、處理、分析，理解患者的運(yùn)動(dòng)意圖，使器械可以根據(jù)患者想象的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行屈腿和伸腿的輔助康復(fù)治療，從而有足夠的主動(dòng)參與性和良好的體驗(yàn)效果，進(jìn)而提高患在進(jìn)行康復(fù)治療時(shí)，鍛煉癱瘓肌肉運(yùn)動(dòng)能力，同時(shí)也促進(jìn)受損中樞神經(jīng)系統(tǒng)的重建與康復(fù)的目的增強(qiáng)患者的主動(dòng)參與性，達(dá)到提升患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)康復(fù)時(shí)的治療效果。

本發(fā)明將嵌入式腦機(jī)交互技術(shù)運(yùn)用到中風(fēng)康復(fù)器械中，改善傳統(tǒng)器械中體積大，使用不方便，難以升級(jí)優(yōu)化的缺點(diǎn)，特別適合用于行動(dòng)不便意識(shí)清醒的中風(fēng)病人的長(zhǎng)期康復(fù)訓(xùn)練。