[发明专利]功能性电刺激FES助行人工神经假体装置

说明书

技术领域

本发明属于医疗、康复器械，具体讲是涉及功能性电刺激FES助行人工神经假体装置。

背景技术

2007年，有关部门估计美国脊髓损伤的患者为25万多人，每年还有大约1.2万的新增病例。据不完全统计，中国大陆各类脊髓损伤患者已达100万人，而且正以每年10万以上的速度增长。脊髓损伤后，神经传输受阻，损伤平面以下的感觉及运动功能将会衰减甚至消失极易引起瘫痪。对数量庞大的瘫痪患者，其身体活动不便，生活难以自理，对家庭和社会带来了莫大的负担，可以说，瘫痪患者已经成为生活在我们身边的一个亟需关注和照顾的特殊社会群体。

人工神经假体(Neuroprosthesis)是一类帮助神经损伤后恢复功能的电子装置。它通常以功能性电刺激(Functional Electrical Stimulation，缩写为FES)技术为基础，构造假体和矫形器，代替大脑发出神经冲动，从而达到控制肢体肌肉活动的目的。在瘫痪患者功能康复方面，普遍认为FES是一种有效的临床辅助装置。另外，很多证据显示利用FES在改善截瘫患者体质和促进健康方面也有很好的效果，比如心肺功能的改善、骨密度的影响及新陈代谢的健全等。用电刺激辅助瘫痪病人步行是FES神经假体应用的一个重要方面。其原因是瘫痪病人瘫痪后，在相当长的时间里，腓神经及其支配的肌肉仍然可以发挥正常功能，如果在举步时用电刺激神经有可能恢复患者失去的功能。

发明内容

为克服现有技术的不足，提供一种功能性电刺激FES助行人工神经假体装置，帮助具备一定条件的脊髓损伤和下肢瘫痪病人实现短距离自主行走或进行康复训练。

本发明采用的技术方案是，一种功能性电刺激FES助行人工神经假体装置，包括依次相连的单片机、D/A转换器、恒流源、波形翻转单元、刺激电极，还包括与单片机相连的功能键、显示单元，所述单片机连接到波形翻转单元，所述恒流源连接为其供电的电源模块。

D/A转换器为4片8位分辨率D/A转换集成芯片，单片机通过一片74系列译码器连接到4片D/A芯片，4片D/A芯片分别输出到各自连接的恒流源、波形翻转单元、刺激电极，形成4个分别对应左大腿、右大腿、左小腿、右小腿的独立通道。

恒流源采用一个有高电压匹配的恒流源作为刺激级，还采用威尔森Wilson恒流源进行二级恒流，输出电流与输入电压的关系为：

I_O＝V_I/R_S，其中R_S为采样电阻，V_I为经过D/A转换器转换得到的电压。

波形翻转单元包括：控制端连接到单片机的可控硅光耦，可控硅光耦两个输出端间是串联连接的一个耐压为630V的铝电解电容和一个电阻，连接电容的输出端接刺激电极，另一个输出端接恒流源。

单片机包括：

用于初始化、等待中断的主模块；

用于选择刺激通道并输出刺激强度、周期、脉宽的定时中断模块；

用于判断按键增加或减少相应通道刺激等级、显示刺激强度等级的外部中断模块；

用于根据按键的输入信号给予相应通道刺激等级增1或减1的外部中断响应子模块；

用于根据刺激等级与电流大小的对应关系控制D/A转换器的子模块；

通过输出高、低电平，用于控制波形翻转单元的子模块；

用于控制显示单元的子模块。

本发明可带来下列技术效果：

采用单片机调制和控制波形的功能性电刺激助行人工神经假体装置，输出改进可调的Lilly刺激波序列，实现帮助瘫痪病人自主行走的目的；

操作简单，可控性好，控制的精度和灵敏度高，并且带有液晶屏，显示4个独立通道的刺激强度，使非专业人士也可以很方便的操作，极大的减轻了病人和家属的负担；

对刺激小腿的效果进行了测试，主要包括：第一，给出了最小迈步阈值，最佳迈步阈值及迈步电流变化值的大小；第二，利用基本运动学参数(步长、迈步时间)对刺激效果进行了评价；最后测定了最佳迈步阈值时和正常状态时的膝关节角度曲线和角速度曲线，结果显示该运动神经假体系统能达到较好的效果；

可以为将来更好的实现下肢运动神经重建提供帮助，并获得可观的经济效益。

附图说明

图1是系统整体框架图。

图2是Lilly波形示意图。

图3是一路波形翻转单元的电路图。

图4是一路翻转单元的输出。

图5是系统软件流程图，其中(a)为主程序流程图，(b)为外部中断程序流程图，(c)为定时中断流程图。

图6是功能键的软件流程图。