基于用户行为反馈的面部自适应刺激系统及方法与流程

本发明涉及图像处理技术领域，具体地，涉及一种基于用户行为反馈的面部自适应刺激系统及方法。

背景技术：

经皮神经电刺激(Transcuataneous electrical nerve stimulation，TENS)是指在不破坏面部皮肤的情况下对面部神经施以电刺激，是通过皮肤将特定的低频脉冲电流输入人体以治疗疼痛的电疗方法，并且电刺激已经被证明是安全的。

目前的电刺激波形主要有：(1)对称的双向方波；(2)单向方波调制的中或高频电流；(3)对称的双向脉冲；(4)单向方波；(5)不对称的双向脉冲。电刺激波的特点是：频率高、脉冲宽且强度适宜。

临床方面经皮神经电刺激技术可以诱发面瘫病人的特定面部肌肉运动，因此通过调节其强度和波形，能够在一定程度上恢复面瘫病人的面部肌肉运动，进而达到面瘫患者的康复。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于用户行为反馈的面部自适应刺激系统及方法。

根据本发明提供的基于用户行为反馈的面部自适应刺激系统，包括检测模块、放大模块、等级控制模块以及树莓派，放大模块将树莓派输出的脉宽调制波进行电压幅度放大后输出到刺激电极，通过刺激电极电刺激面部神经；树莓派用于获得检测模块得到的用户行为的图像处理结果并转化为等级控制电路的控制信号；所述等级控制电路根据树莓派输出的控制信号调节放大模块输出到刺激电极的电流刺激大小。

优选地，所述检测模块所使用的用户行为图像采集器为可穿戴的前置眼部监控摄像头。

优选地，所述放大模块为电阻、NPN型小功率三极管9013、PNP型小功率三极管8550以及小型变压器所组成的放大电路。

优选地，所述等级控制模块主要由芯片CD4066BE以及用户控制旋钮组成。

根据本发明提供的基于用户行为反馈的面部自适应刺激方法，包括如下步骤：

预刺激步骤：用户首次使用时，通过检测模块获得用户眼部产生闭眼反应的最佳刺激强度，并保存该刺激强度的值；

模式切换步骤：通过监测环境亮度或者用户眼部反应，改变不同的工作模式，所述工作模式包括：白天模式、夜晚模式以及睡眠模式；

疼痛控制步骤：监测用户是否产生痛感，根据监测结果自动调节刺激强度。

优选地，所述预刺激步骤包括：用户首次使用基于用户行为反馈的面部自适应刺激系统时，通过检测模块中的可穿戴的前置眼部监控摄像头来采集用户眼部图像，根据卷积神经网络算法分析眼睛的睁闭状态，若病人在电刺激之后患侧面部眼睛没有出现闭眼的反应，则将逐步增大刺激强度，直至刺激强度使用户出现闭眼反应，该刺激强度值作为最佳刺激强度。

优选地，当检测到环境亮度高于或等于设定的阈值T1，则认定为白天，切换至白天模式处理用户的眼部图像，根据眼部图像的处理结果得到用户患侧、健康侧两侧眼睛睁闭眼状态的行为反馈，调节刺激强度，使得用户患侧、健康侧两侧眼睛能够同时睁闭；

当检测到环境亮度低于设定的阈值T1，则认定为夜晚，切换至夜晚模式，开启红外灯，以夜晚模式处理用户眼部图像，根据眼部图像的处理结果得到用户患侧、健康侧两侧眼睛睁闭眼状态的行为反馈，调节刺激强度，使得用户患侧、健康侧两侧眼睛能够同时睁闭；

当检测到用户健康侧眼睛处于闭合状态，且闭合的时间超过设定的阈值t，则开启睡眠模式，以用户在非睡眠状态时的平均刺激频率对用户患侧眼睛进行刺激。

优选地，所述疼痛控制步骤：根据用户眼部图像处理结果判断用户是否产生痛感，当用户产生痛感时，则降低刺激强度。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明中的刺激系统能够有效放大树莓派(卡片式电脑)输出的电信号，并通过控制模块调节输出电压的大小，灵活提供不同患者所需的电刺激强度。

2、本发明中的刺激方法能够根据周围环境的变化切换不同的工作模式，尤其在刺激用户眼部时，能够根据外界环境的光照强度调整工作模式，对用户进行逐级刺激，调整并记录用户使用的最佳刺激强度，从而获得良好的治疗效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的基于用户行为反馈的面部自适应刺激系统的电路原理图；

图2为面部神经解剖图；

图3为刺激强度的变化图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供的基于用户行为反馈的面部自适应刺激系统，通过电刺激对面瘫患者的作用以及对面瘫患者的观察，具体地，通过系统中树莓派(卡片式电脑)的图像处理和刺激算法以及外部刺激电路来实现对患者有规律的电刺激，使得他们脸部肌肉能够对称运动，进而避免面瘫带来的各种病发症。

基于用户行为反馈的面部自适应刺激系统，包括检测模块、放大模块、等级控制模块以及树莓派，放大模块将树莓派输出的脉宽调制波电压幅度放大输出到刺激电极，用以电刺激面部神经；树莓派则将检测模块得到的用户行为的图像处理结果，转化为等级控制电路的控制信号，而等级控制电路根据树莓派输出的控制信号用以调节放大模块输出到刺激电极的电流刺激大小强度。

所述基于用户行为反馈的面部自适应刺激系统包括：放大模块、等级控制模块以及树莓派(卡片式电脑、单片机等)，放大模块将树莓派输出的脉宽调制波的幅度放大；等级控制模块根据树莓派的输出信号，利用芯片CD4066BE实现了16种不同的输出刺激的强度等级的控制，此外还包括一个用户旋钮，所述用户旋钮用来微调脉冲强度。

放大模块的输入端输入由树莓派产生的幅度为3.3V的脉宽调制波以及来自锂电池的7.4的电压，它将在刺激电极两端产生电压幅度为100～200V的脉冲。等级控制模块接受通用输入输出(General Purpose Input Output，GPIO)的信号和用户旋钮的输入来控制输出的电刺激等级。

具体地，所述放大模块包含了三个双极结型晶体管(BJT)，一个变压器和几个电阻来放大从树莓派输出的PWM波，电源是一个7.4V的锂电池组。双极结型晶体管的型号为9013NPN型，是一种NPN低功耗二极管，主要应用于音频放大和射频推挽输出。PNP BJT的类型是8550，其特征为小信号、低压以及高电流，并且常用于开关和射频放大。变压器将3.3V的PWM波放大至约200V。刺激电极的材料为导电药膏，它可以吸附在皮肤上且具有良好的导电性，电极间距根据实验结果和临床测试选为3.3cm以保证有效的刺激。导电药膏可以定期更换以保持卫生和它的导电性。

所述等级控制模块主要由四双向模拟开关芯片CD4066BE和一个滑动变阻器组成。四双向模拟开关芯片根据通用输入输出(General Purpose Input Output，GPIO)信号改变接入电路的阻值的大小，进而改变输出的电压等级。在本系统中，实现了16种输出的刺激等级。同时也使用了用户旋钮(滑动变阻器)使得病人能够手动的微调输出电压强度。

由于刺激中存在着不可预测的因素比如温度、湿度以及皮肤形状，皮肤的导电性不仅因人，而且因时因地而异。准确的把刺激强度设置到一个固定值是不可能的，因此需要一个自适应的算法能够为任何用户调节合适的刺激强度。

根据本发明提供的基于眼部图像处理的自适应刺激方法，包括如下步骤：

步骤A：启动模式，用户首次使用该基于用户行为反馈的面部自适应刺激系统时，检测模块中的可穿戴的前置眼部监控摄像头来采集用户眼部图像，根据卷积神经网络算法分析眼睛的睁闭状态，若病人在电刺激之后患侧面部眼睛没有出现闭眼的反应，则将逐步增大刺激强度，直至刺激强度使用户出现闭眼反应，该刺激强度值将作为最佳刺激强度。

步骤B：白天模式，当检测到光照强度良好时，这个模式将启动。根据眼部图像的处理结果得到用户患侧、健康侧两侧眼睛睁闭眼状态的行为反馈，调节刺激强度，使得用户患侧、健康侧两侧眼睛能够同时睁闭；

步骤C：夜晚模式，当检测到照度低于一定阈值，这个模式将启动，并开启红外灯，图像将用夜间的模型进行处理。根据眼部图像的处理结果得到用户患侧、健康侧两侧眼睛睁闭眼状态的行为反馈，调节刺激强度，使得用户患侧、健康侧两侧眼睛能够同时睁闭；

步骤D：疼痛控制模式，这种模式与白天或夜晚模式同时运行，一旦图像处理结果显示病人产生痛感，能够自动调节刺激强度到一个有效但强度较低的值；

步骤E：睡眠模式，当检测到用户健康侧眼睛处于闭合状态，且闭合的时间超过设定的阈值t，则开启睡眠模式。以非睡眠模式的平均刺激频率对患侧眼进行刺激，并且有类似疼痛控制模式的安全措施。

下面结合具体实施例对本发明做更详细的说明。

实施例一：

让测试对象经历所有的测试情景，并且通过测量刺激电极的输出电压来记录刺激等级的变化，图3是测试对象的刺激强度变化图。

从0时刻到12时刻是启动阶段，刺激等级根据图像处理的反馈持续上升，当它达到能使眼睛闭合则停止增加刺激等级，电压达到稳定。13时刻到18时刻是第一个疼痛控制阶段(手动)，这时病人感到轻微疼痛，通过微调旋钮调节刺激强度，但是这种调节不会改变刺激等级。50时刻开始了第二个疼痛控制阶段，由于这时病人感受到比较强的痛感并且闭起了健侧眼，这样开始逐级降低刺激等级，直到刺激恰好不能使眼睛闭合，这时会再把刺激等级调高一级。在100时刻之后，用户进入睡眠，系统检测到健侧眼长时间闭合开启了睡眠保护，系统在一定时间间隔内会尝试下降刺激等级，如果不能够导致闭眼则调高一个等级，这样睡眠时刺激等级一直维持在一个较低的水平。

实施例二：

使用7.4V的锂电池给刺激电路供电，让电路不间断运行以衡量电池寿命，运行期间系统在不同场景下工作，通过自适应刺激算法来达到节能。经测试7.4V的锂电池能够供刺激电路正常工作48小时以上，足够一个病人每天的使用电量。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。