CN114145889B - 一种假肢感知反馈智能调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种假肢感知反馈智能调节系统，包括依次连接的：传感器模块、信号采集模块、信号处理模块和信号反馈模块；传感器模块包括压力传感器、力敏传感器、温度传感器、湿度传感器和速度传感器，压力传感器安装在足底，力敏传感器安装在足部周围，速度传感器安装在足面，温度传感器和湿度传感器安装在假肢周围或足面；信号采集模块用于接收传感器模块采集的信号；信号处理模块用于根据各个传感器的信号和路面信息数据库对比，判断路面类型，并给出不同强度的反馈信号；信号反馈模块用于根据不同路面类型将不同强度的反馈信号反馈给患者，使患者感受到不同刺激进而自主判断出路面状况，使患者有更真实的路感和行走体验。

Description

一种假肢感知反馈智能调节系统

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，更具体的说是涉及一种假肢感知反馈智能调节系统。

背景技术

全世界每年因为各种事故、伤病、战争等因素，造成大量的人员不得不进行截肢以保全生命，截肢给这些人员的工作和日常生活带来严重的影响，也为其心理、家庭及社会带来巨大负担。此外，还有许多热爱锻炼甚至极限运动的人员，因为截肢而不得不放弃这些运动。

为了使这些人员能够重新融入社会群体，回归正常生活，甚至可以进行锻炼和极限运动，患者常需佩戴假肢重建行走功能，患者在日常行走时，在不同的环境、路面上，精神集中程度是不一样的，因此路面给予患者的反馈强度也不同，而要实现极限运动等则需要假肢给予患者非常精确且强烈的反馈。

现有的智能假肢技术中，反馈系统更多的是与肌肉神经连接，但是现有假肢反馈给患者神经和肌肉的信号只能使患者感受到路面的存在而无法区分具体路面的状况。且主要目的是为了给智能假肢提供稳定的电生理学信号使其稳定工作而忽略了患者在使用假肢时的路感体验(即正常行走时路面给予人体的反馈，使人体感受到路面的形状、湿度等的体验)的问题。

因此，如何提供一种假肢感知反馈智能调节系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种假肢感知反馈智能调节系统，可以根据不同路面给予患者不同强度的反馈，使患者有更真实的路感和行走体验。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种假肢感知反馈智能调节系统，包括依次连接的：传感器模块、信号采集模块、信号处理模块和信号反馈模块；

所述传感器模块用于采集路面信息；包括压力传感器、力敏传感器、温度传感器、湿度传感器和速度传感器，所述压力传感器安装在足底，所述力敏传感器安装在足部周围，所述速度传感器安装在足面，所述温度传感器和所述湿度传感器安装在假肢周围或足面；

所述信号采集模块用于接收传感器模块采集的信号；

所述信号处理模块用于根据各个传感器的信号和路面信息数据库对比，判断与路面信息数据库中预存的路面数据的相似程度，从而判断路面类型，并给出不同强度的反馈信号；

所述信号反馈模块用于根据不同路面类型将不同强度的反馈信号反馈给患者，使患者感受到不同刺激进而自主判断出路面状况。

优选的，所述信号处理模块判断路面类型的具体原则为：

当接收到所述压力传感器采集的压力信号为主导信号时，判断为正常路面；

当接收到所述压力传感器、所述力敏传感器以及湿度传感器采集的信号为主导信号时，判断为泥泞道路；

当接收到所述湿度传感器和所述温度传感器采集的信号为主导信号时，判断为积水道路；

当接收到所述力敏传感器和所述压力传感器采集的信号为主导信号时，判断为在进行极限运动。

优选的，所述信号处理模块判断出路面类型后，给出不同强度的反馈信号的具体原则为：

正常路面时，当采集到速度传感器信号时，其余传感器的信号才被接收，所述压力传感器信号的频率和幅值稳定，此时反馈信号强度减弱；

泥泞道路时，当所述压力传感器的信号不稳定，同时所述力敏传感器有连续无规则的信号，此时反馈信号强度增加；

积水道路时，根据所述湿度传感器信号的幅值以及所述力敏传感器的信号强度增强反馈信号强度；

极限运动时，根据所述压力传感器的幅值和频率将反馈信号调节到最大。

优选的，所述信号反馈模块包括电极丝，所述电极丝植入患者假肢的神经末梢，用于传输反馈信号。

优选的，所述电极丝直接为10μm-15μm，材质为银或铂。

优选的，所述传感器模块还包括光敏传感器，所述光敏传感器与所述力敏传感器间隔设置。

优选的，所述信号处理模块包括依次设置的滤波器、采样保持器、A/D转换器和单片机；

所述滤波器用于滤除各个传感器采集的无用信号；

所述采样保持器用于将各个传感器采集的信号进行放大；

所述A/D转换器用于将模拟信号转换为数字信号；

所述单片机用于进行路面类型的判断。

优选的，所述信号处理模块还包括D/A转换器和放大电路，所述单片机、所述D/A转换器和所述放大电路依次连接；所述放大电路调节反馈强度的大小。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种假肢感知反馈智能调节系统，构建了一个集信号采集、处理、调节反馈于一体的信号反馈调节系统，通过采集假肢末端传感器(力敏、压力、温度、湿度等传感器)的信号进行处理分析，根据传感器传输的信息与各种路面状况下相应的模型做对比，再基于对比结果判断患者行走路面的状况，而后基于路面状况调节反馈信号的强度，通过植入神经微电极和肌内电极刺激患者的神经，刺激程度的不同使患者能够感受不同的路面状况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的一种假肢感知反馈智能调节系统示意图。

图2附图为本发明提供的压力传感器分布图。

图3附图为本发明系统工作流程图。

图4附图为本发明放大电路具体电路图。

具体实施方式

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。

本发明实施例公开了一种假肢感知反馈智能调节系统，如图1所示，包括依次连接的：传感器模块、信号采集模块、信号处理模块和信号反馈模块；

传感器模块用于采集路面信息；包括压力传感器、力敏传感器、温度传感器、湿度传感器和速度传感器，压力传感器安装在足底，力敏传感器安装在足部周围，速度传感器安装在足面，温度传感器和湿度传感器安装在假肢周围；

信号采集模块用于接收传感器模块采集的信号；

信号处理模块用于根据各个传感器的信号和路面信息数据库对比，判断与路面信息数据库中预存的路面数据的相似程度，从而判断路面类型，并给出不同强度的反馈信号；

信号反馈模块用于根据不同路面类型将不同强度的反馈信号反馈给患者，使患者感受到不同刺激进而自主判断出路面状况。

在本实施例中，传感器模块具体为：

当假肢为下肢时在足底安装压力传感器，在足部周围安装力敏传感器，在足面安装速度传感器，在假肢周围或足面安装温度传感器、湿度传感器。在正常路面上行走时由足底压力传感器发出信号主导反馈调节强度；在泥泞道路行走时，由足底压力传感器、足部周围力敏传感器以及假肢周围湿度传感器共同工作发出信号经处理调节反馈强度；在积水道路中主要由湿度传感器和温度传感器发出信号经处理调节反馈强度；在进行极限运动，例如攀岩的运动时，主要由力敏传感器和压力传感器传递信号主导调节工作。需要说明的是，在各种环境中各个传感器均进行采集工作。

在本实施例中，信号采集模块具体为：

通过采集接口实现对传感器信号采集，使用PCI9052接口芯片完成对数据的采集和后续信号处理，采样频率在60Hz左右，使用EMI8142MUTAG或者WCM4532F2SF型号的滤波器减小干扰信号对系统的影响。并加入信号保持器和A/D转换器用于减小信号的失真程度和信号转换，A/D转换器采用ICL7135、ICL7109等具有较高精度的双积分式转换器。而后通过连线传输至单片机，单片机型号为AM3517AZCN。

在本实施例中，信号处理模块使用整套系统采集各种路面的信息而后整合形成路面信息数据库，当单片机接收到信号后处理方式即为将各个传感器的信号和路面信息数据库做对比，进而判断与路面信息数据库中的哪种路面数据最接近，从而判断路面类型。信号处理模块判断路面类型的具体原则为：

当接收到压力传感器采集的压力信号为主导信号时，判断为正常路面；

当接收到压力传感器、力敏传感器以及湿度传感器采集的信号为主导信号时，判断为泥泞道路；

当接收到湿度传感器和温度传感器采集的信号为主导信号时，判断为积水道路；

当接收到力敏传感器和压力传感器采集的信号为主导信号时，判断为在进行极限运动。

确定路面类型后，对应输出的信号有不同的处理方式：在正常路面行走时，当采集到速度传感器时信号时，其他传感器的信号才能被接收，此时采集到的压力传感器信号的频率和幅值比较稳定，此时给予肌肉反馈信号的强度可以适当减弱；当行走在泥泞路路面时，压力传感器的信号不稳定，同时力敏传感器会有连续的无规则的信号，此时给予肌肉的反馈信号的强度要加强；在积水路面时根据湿度传感器信号的幅值以及力敏传感器的信号强度增强反馈信号的强度；在极限运动时根据压力传感器的幅值和频率给予肌肉信号的反馈强度调节到最大。

在本实施例中，为了使泥泞道路判断更为精确，可以增加光敏传感器，光敏传感器与力敏传感器间隔设置，泥泞道路行走时可能会在足部周围沾上淤泥，此时光敏传感器起作用，即当接收到压力传感器、力敏传感器、湿度传感器、光敏传感器采集的信号为主导信号时，判断为泥泞道路。

在本实施例中，信号反馈模块具体包括传输反馈信号的电极丝，植入患者假肢的神经末梢每根电极丝直径为10-15um，材料可为银或者铂。不同强度的反馈信号通过电极丝传导使患者感受到不同程度刺激进而判断路面状况，使患者体验更真实，效果更好。

在本实施例中，信号处理模块还包括D/A转换器和放大电路，放大电路输出电压Vout＝Vi*(R1+R2)/R2，在现有智能假肢技术基础上在其信号反馈流程中，在反馈电路中加入一个放大电路，根据信号处理情况调节信号大小。此信号调节系统可以对在假肢的足部周围安装的力敏传感器反馈、在足面安装的速度传感器、足面或者假肢上安装的温度、湿度传感器以及足底安装的压力传感器的信息进行处理分析，从而反馈给肌肉一个合适的信号强度。使患者的行走体验更贴近现实，拥有良好的触感。此外，该系统可以在一定程度上帮助患者能够更快适应假肢：在患者佩戴假肢初期手动调节成较小的反馈信号强度，而后随着患者的逐渐适应，通过调节放大电路的放大倍数来调节反馈强度的大小，逐渐加大反馈强度，直至到标准值。标准值即为正常人行走时路面给予腿部肌肉的反馈，佩戴假肢的患者可对比佩戴假肢一侧与正常的一侧的反馈体验。本系统相比于直接佩戴假肢而不进行任何反馈信号调节工作会使患者的适应过程体验更高，更舒适。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种假肢感知反馈智能调节系统，其特征在于，包括依次连接的：传感器模块、信号采集模块、信号处理模块和信号反馈模块；

所述传感器模块用于采集路面信息；包括压力传感器、力敏传感器、温度传感器、湿度传感器和速度传感器，所述压力传感器安装在足底，所述力敏传感器安装在足部周围，所述速度传感器安装在足面，所述温度传感器和所述湿度传感器安装在假肢周围或足面；

所述信号采集模块用于接收所述传感器模块采集的信号；

所述信号处理模块用于根据各个传感器的信号和路面信息数据库对比，判断与路面信息数据库中预存的路面数据的相似程度，从而判断路面类型，并给出不同强度的反馈信号；

所述信号反馈模块用于根据不同路面类型将不同强度的反馈信号反馈给患者，使患者感受到不同刺激进而自主判断出路面状况；

所述信号处理模块判断路面类型的具体原则为：

当接收到所述压力传感器采集的压力信号为主导信号时，判断为正常路面；

当接收到所述压力传感器、所述力敏传感器以及湿度传感器采集的信号为主导信号时，判断为泥泞道路；

当接收到所述湿度传感器和所述温度传感器采集的信号为主导信号时，判断为积水道路；

当接收到所述力敏传感器和所述压力传感器采集的信号为主导信号时，判断为在进行极限运动。

2.根据权利要求1所述的一种假肢感知反馈智能调节系统，其特征在于，所述信号处理模块判断出路面类型后，给出不同强度的反馈信号的具体原则为：

正常路面时，当采集到速度传感器信号时，其余传感器的信号才被接收，所述压力传感器信号的频率和幅值稳定，此时反馈信号强度减弱；

泥泞道路时，当所述压力传感器的信号不稳定，同时所述力敏传感器有连续无规则的信号，此时反馈信号强度增加；

积水道路时，根据所述湿度传感器信号的幅值以及所述力敏传感器的信号强度增强反馈信号强度；

极限运动时，根据所述压力传感器的幅值和频率将反馈信号调节到最大。

3.根据权利要求1所述的一种假肢感知反馈智能调节系统，其特征在于，所述信号反馈模块包括电极丝，所述电极丝植入与患者假肢组配的残肢的神经末梢，用于传输反馈信号。

4.根据权利要求3所述的一种假肢感知反馈智能调节系统，其特征在于，所述电极丝直径为10μm-15μm，材质为银或铂。

5.根据权利要求1所述的一种假肢感知反馈智能调节系统，其特征在于，所述传感器模块还包括光敏传感器，所述光敏传感器与所述力敏传感器间隔设置。

6.根据权利要求1所述的一种假肢感知反馈智能调节系统，其特征在于，所述信号处理模块包括依次设置的滤波器、采样保持器、A/D转换器和单片机；

所述滤波器用于滤除各个传感器采集的无用信号；

所述采样保持器用于将各个传感器采集的信号进行放大；

所述A/D转换器用于将模拟信号转换为数字信号；

所述单片机用于进行路面类型的判断。

7.根据权利要求6所述的一种假肢感知反馈智能调节系统，其特征在于，所述信号处理模块还包括D/A转换器和放大电路，所述单片机、所述D/A转换器和所述放大电路依次连接；所述放大电路调节反馈强度的大小。

Images