[发明专利]一种基于电极阵列的便携式手部功能康复系统

权利要求书

1.一种基于电极阵列的便携式手部功能康复系统，其特征在于，所述系统包括上位机控制软件、控制器、多通道刺激器、电极阵列以及手部关节运动信息捕捉模块，其中所述上位机控制软件包括人机交互界面、最大电压测试算法、电极阵列自动匹配算法、动作识别算法以及康复运动闭环控制优化算法，控制软件由MATLAB实现，部署在控制器之上运行；其中所述控制器由树莓派实现，通过无线模块与上位机连接；其中所述多通道刺激器包括24路独立刺激通道，通过无线模块与控制器连接，接收控制器的控制指令，控制24路刺激通道的开关；其中所述电极阵列使用柔性电路制成，包括6行4列共24个独立电极和1个参考电极，电极阵列被穿戴在前臂外侧，实现对多个手指伸肌的刺激；其中所述手部关节运动捕捉模块由Kinect深度相机完成，用Kinect深度相机记录下施加功能性电刺激时手部关节运动的角度数据，运动控制优化算法使用迭代学习控制方法来对输入信号进行控制，康复训练过程中记录患者每一次手部运动的关节角度数据，通过计算目标角度和实际角度之间的误差来估计第k次康复训练时跟踪轨迹的正确程度，在k+1次重复运动时，使用第k次的角度误差e_k(t)和功能性电刺激的输入信号序列u_k(t)来更新第k+1次的输入信号序列u_k+1(t)。

2.根据权利要求1所述的一种基于电极阵列的便携式手部功能康复系统，其特征在于，上位机控制软件由MATLAB实现，包含人机交互界面，以及最大电压测试算法、电极阵列自动匹配算法、动作识别算法和康复动作闭环控制优化算法，其中所述人机交互界面包含康复系统参数设置、功能选择、状态监控等功能。

3.根据权利要求2所述的一种基于电极阵列的便携式手部功能康复系统，其特征在于，考虑到不同患者对电刺激的敏感程度不同，通过该算法从24个电极中选择2个作为测试电极，使用三角波刺激测试患者所能承受的最大刺激电压，以免过大的电压对患者的康复训练造成影响。

4.根据权利要求2所述的一种基于电极阵列的便携式手部功能康复系统，其特征在于，电极阵列被穿戴在前臂外侧，依次对每个电极施加三角波刺激，记录手部运动信息，建立电极和手部关节的映射矩阵，实现电极阵列和关节运动的自动匹配，无需满足常规功能性电刺激康复系统对电极与肌肉精确匹配的要求，提高系统的易用性。

5.根据权利要求2所述的一种基于电极阵列的便携式手部功能康复系统，其特征在于，目标康复动作可自由设定，在康复动作设定阶段，可做出任意手势，由Kinect深度相机捕捉该手势的关节角度，并将之设定为康复动作。

6.根据权利要求2所述的一种基于电极阵列的便携式手部功能康复系统，其特征在于，使用迭代学习控制算法对康复运动进行闭环控制优化，通过历史运动数据，逐步提高康复运动执行精度，改善康复治疗效果。

7.根据权利要求1所述的一种基于电极阵列的便携式手部功能康复系统，其特征在于，控制器由树莓派实现，可通过无线模块与上位机连接，控制软件部署在树莓派上运行，接收人机交互界面传递的手部关节运动数据，生成控制指令，并将控制指令发送到刺激器。

8.根据权利要求1所述的一种基于电极阵列的便携式手部功能康复系统，其特征在于，多通道刺激器包括无线模块、电源管理模块和多通道刺激模块，其中无线模块通过路由器连接控制器，接收控制指令；电源管理模块包括低压模块和高压模块，低压模块提供5V电压，为逻辑运算电路供电，高压模块提供90V电压，为刺激通道提供能源；多通道刺激模块包括24个独立通道，实现每个通道的独立控制。

9.根据权利要求1所述的一种基于电极阵列的便携式手部功能康复系统，其特征在于，电极阵列为使用柔性制版技术加工的可穿戴刺激电路，包括6行4列共24个刺激电极和1个参考电极，电极之上附着导电水凝胶，增加导电性和与皮肤的贴合度，电极阵列通过排线与刺激器连接，使用绑带固定于前臂外侧，实现对多个手指伸肌的独立刺激。

10.根据权利要求1所述的一种基于电极阵列的便携式手部功能康复系统，其特征在于，手部关节运动信息捕捉模块由Kinect深度相机实现手部关节角度和位置数据的非接触测量，手部运动捕捉模型独立运行，提供手势显示界面，并通过Socket将测量数据发送给上位机控制程序，所测量的结果与期望结果的误差用于计算各个刺激通道的控制量，实现康复运动的闭环优化控制，手部关节运动信息捕捉模块无需在手指上安装传感器，便于使用，有利于提高手指运动的灵活。