專利名稱：一種功能性電刺激表面肌電信號(hào)的濾波方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于康復(fù)工程與智能控制領(lǐng)域，特別涉及一種功能性電刺激表面肌電信號(hào)的濾波方法。
背景技術(shù)：
近年來，脊髓損傷以及中風(fēng)等腦血管病導(dǎo)致癱瘓的發(fā)病率呈顯著上升趨勢(shì)，不但給個(gè)人和家庭都帶來較大的負(fù)擔(dān)，也成為日益沉重的社會(huì)問題。2011年我國(guó)召開的國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議指出，力爭(zhēng)到2015年，使我國(guó)殘疾人生活總體達(dá)到小康，參與和發(fā)展?fàn)顩r顯著改善，初步實(shí)現(xiàn)殘疾人“人人享有康復(fù)服務(wù)”目標(biāo)。肢體功能重建是對(duì)截癱患者進(jìn)行康復(fù)治療時(shí)關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)與難點(diǎn)，這關(guān)系到日常生活活動(dòng)能力和生活質(zhì)量的提高問題。目前在截癱患者行走能力恢復(fù)方面，F(xiàn)ES (Functional Electrical Stimulation,功能性電刺激)被普遍認(rèn)為是一種比較有效的臨床工具。FES是利用某種特定的電流(或電壓)信號(hào)刺激易興奮的肌肉、組織或器官，以改善其肌肉性能、恢復(fù)或重建由神經(jīng)損傷而喪失的肢體活動(dòng)功能的技術(shù)。20世紀(jì)60年代，Liberson首次成功地利用電刺激腓神經(jīng)矯正了偏癱患者足下垂的步態(tài)，開創(chuàng)了功能性電刺激用于運(yùn)動(dòng)和感覺功能康復(fù)治療的新途徑。在FES中，利用神經(jīng)細(xì)胞對(duì)電刺激的響應(yīng)來傳遞外加的人工控制信號(hào)，通過外電流的作用，神經(jīng)細(xì)胞能產(chǎn)生一個(gè)與自然激發(fā)引起的動(dòng)作電位相似的神經(jīng)沖動(dòng)，使其支配的肌肉纖維產(chǎn)生收縮，從而獲得運(yùn)動(dòng)的效果。盡管隨著了解的不斷深入，F(xiàn)ES已被應(yīng)用于康復(fù)的許多領(lǐng)域，但是與其廣闊的應(yīng)用前景相比，很多新的FES技術(shù)還只局限于實(shí)驗(yàn)室階段，臨床應(yīng)用的FES刺激模式以及達(dá)到的效果都非常有限，其原因之一就是對(duì)于FES作用的機(jī)理方面的研究還有所欠缺。細(xì)胞水平的解釋只能說明FES刺激肌肉收縮產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的原因，卻不能在宏觀上說明在FES刺激下目標(biāo)肌肉的功能活動(dòng)和狀態(tài)。而骨骼肌的收縮和舒張活動(dòng)和狀態(tài)是人體各種運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，肢體運(yùn)動(dòng)主要是由骨骼肌產(chǎn)生舒張和長(zhǎng)度縮短的機(jī)械性反應(yīng)即動(dòng)力來完成的，骨骼肌的結(jié)構(gòu)是功能活動(dòng)的首要決定因素。所以，要想利用FES達(dá)成骨骼肌功能重建以完成特定動(dòng)作甚至運(yùn)動(dòng)的目的，并使其得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，就必然需要對(duì)FES作用下骨骼肌的結(jié)構(gòu)及其功能活動(dòng)與狀態(tài)的機(jī)理進(jìn)行更深入的探究。sEMG(surface electromyography,表面肌電信號(hào))是反應(yīng)肌肉活動(dòng)的電生理參數(shù)，是當(dāng)前用來評(píng)價(jià)肌肉活動(dòng)信息的最常用方法，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于假肢的開關(guān)控制，sEMG具有簡(jiǎn)單、無損和實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)明人在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在以下的缺點(diǎn)和不足當(dāng)刺激作用肌肉和誘發(fā)肌電同時(shí)發(fā)生并且刺激電極和記錄電極的位置相近時(shí)，sEMG混有刺激干擾，影響了純凈肌電信號(hào)的采集；FES的幅值是mV范圍，比sEMG的幅值大許多倍；FES信號(hào)的輸出會(huì)感染敏感的肌電采集系統(tǒng)，造成閉環(huán)神經(jīng)假體控制的刺激干擾問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種功能性電刺激表面肌電信號(hào)的濾波方法，本方法實(shí)現(xiàn)了在采集肌肉的神經(jīng)電生理活動(dòng)時(shí)減弱或抑制FES干擾，獲取比較純凈的表面肌電信號(hào)，詳見下文描述一種功能性電刺激表面肌電信號(hào)的濾波方法，所述方法包括以下步驟(I)通過無線肌電系統(tǒng)采集伸膝過程中功能性電刺激下目標(biāo)肌肉的第一表面肌電信號(hào)，同時(shí)采集一組自主伸膝過程中目標(biāo)肌肉的第二表面肌電信號(hào)S(n)；⑵通過所述第一表面肌電信號(hào)構(gòu)建FES模板信號(hào)r(n)；(3)通過所述第二表面肌電信號(hào)S (n)，所述FES模板信號(hào)r(n)和濾波器權(quán)重獲取
噪聲信號(hào)V (n)的估計(jì)值& n): (4)通過所述噪聲信號(hào)v(n)的估計(jì)值獲取濾波器的估計(jì)誤差e(n)，對(duì)濾波器權(quán)重進(jìn)行更新；(5)判斷所述估計(jì)誤差e (n)是否滿足預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，如果是，停止迭代，執(zhí)行步驟(7)；如果否，執(zhí)行步驟(6)；(6)n — n+1，重復(fù)步驟(4)和步驟(5)，直至達(dá)到設(shè)定的迭代次數(shù)，執(zhí)行步驟(7)；(7)對(duì)濾波器的收斂參數(shù)U、階數(shù)M和加權(quán)初值Wm(O)進(jìn)行染色體編碼，分別獲取編碼后收斂參數(shù)U、階數(shù)M和加權(quán)初值Wm(O)的初始值；(8)根據(jù)所述估計(jì)誤差e(n)，估計(jì)偏差的變化率和所述第二表面肌電信號(hào)S (n)構(gòu)建最優(yōu)指標(biāo)J，通過所述最優(yōu)指標(biāo)J獲取適度函數(shù)F ；(9)通過遺傳算法對(duì)所述編碼后收斂參數(shù)U、階數(shù)M和加權(quán)初值Wm(O)的初始值進(jìn)行尋優(yōu)，輸出多個(gè)適度函數(shù)F，通過所述多個(gè)適度函數(shù)F繪制適度函數(shù)曲線；(10)判斷所述適度函數(shù)曲線是否平穩(wěn)，如果是，執(zhí)行步驟(11);如果否，執(zhí)行步驟
(12)；(11)輸出收斂參數(shù)U、階數(shù)M和加權(quán)初值Wm (0)的最終值，流程結(jié)束；(12)重新執(zhí)行步驟(7)，直到達(dá)到迭代次數(shù)，流程結(jié)束。所述估計(jì)值O(H)具體為
AMV( ,) = ￡W0 (w) '(w)+ W1 ( )/-(; -I) + ... + (n)r(n-M)
m-0初值為Wni (0)，M表示濾波器的階！Wni (n)表示濾波器的權(quán)重；r (n_m)由r (n)延時(shí)獲得。所述對(duì)濾波器的收斂參數(shù)U、階數(shù)M和加權(quán)初值Wm(O)進(jìn)行染色體編碼具體為將濾波器的收斂參數(shù)U、階數(shù)M和加權(quán)初值Wni(0)的初始值分別用任意8位的二進(jìn)制碼表示。所述通過遺傳算法對(duì)所述編碼后收斂參數(shù)U、階數(shù)M和加權(quán)初值Wm(O)的初始值進(jìn)行尋優(yōu)，輸出多個(gè)適度函數(shù)F，通過所述多個(gè)適度函數(shù)F繪制適度函數(shù)曲線具體為對(duì)所述收斂參數(shù)U、階數(shù)M和加權(quán)初值Wm(O)的初始值進(jìn)行染色體編碼、基因選擇交叉、變異操作和染色體解碼獲取更新后的收斂參數(shù)U、階數(shù)M和加權(quán)初值Wm(0)，將每次所述更新后的收斂參數(shù)U、階數(shù)M和加權(quán)初值Wm(O)輸入到濾波器中，通過濾波器的濾波處理后，得到所述估計(jì)誤差e(n)，通過所述估計(jì)誤差e(n)，所述估計(jì)偏差的變化率和所述第二表面肌電信號(hào)S (n)構(gòu)建所述最優(yōu)指標(biāo)J，通過所述最優(yōu)指標(biāo)J得到多個(gè)適度函數(shù)F，通過所述多個(gè)適度函數(shù)F繪制所述適度函數(shù)曲線。本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是本發(fā)明提供了一種功能性電刺激表面肌電信號(hào)的濾波方法，本發(fā)明構(gòu)造濾波器的FES模板信號(hào)r(n)，通過遺傳算法優(yōu)化自適應(yīng)匹配濾波的系數(shù)，最終輸出濾波器關(guān)鍵參數(shù)，繼而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波的同時(shí)，能夠智能優(yōu)化參數(shù)，使用整定后的濾波器，進(jìn)行肌電濾噪處理，得到了比較純凈的表面肌電信號(hào)，從而為截癱等癱瘓患者的功能性電刺激下肌肉的狀態(tài)研究提供一定的指導(dǎo)和控制；該項(xiàng)發(fā)明可有效地提高FES下肌電濾噪效果，并獲得可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。


圖I為本發(fā)明提供的一種自適應(yīng)匹配濾波器原理框圖；圖2為本發(fā)明提供的一種功能性電刺激表面肌電信號(hào)的濾波方法的流程圖；圖3a為本發(fā)明提供的5000點(diǎn)時(shí)混合信號(hào)的示意圖；圖3b為本發(fā)明提供的5000點(diǎn)時(shí)原始肌電信號(hào)的示意圖；圖3c為本發(fā)明提供的5000點(diǎn)時(shí)濾波后的電信號(hào)的示意圖；圖3d為本發(fā)明提供的5000點(diǎn)時(shí)經(jīng)過低通濾波的信號(hào)的示意圖；圖4a為本發(fā)明提供的1500點(diǎn)時(shí)混合信號(hào)的示意圖；圖4b為本發(fā)明提供的1500點(diǎn)時(shí)原始肌電信號(hào)的示意圖；圖4c為本發(fā)明提供的1500點(diǎn)時(shí)濾波后的電信號(hào)的示意圖；圖4d為本發(fā)明提供的1500點(diǎn)時(shí)經(jīng)過低通濾波的信號(hào)的示意圖；圖5為本發(fā)明提供的1500點(diǎn)時(shí)濾波處理后的信噪比。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。為了實(shí)現(xiàn)在采集肌肉的神經(jīng)電生理活動(dòng)時(shí)減弱或抑制FES干擾，獲取比較純凈的表面肌電信號(hào)，參見圖I和圖2，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種功能性電刺激表面肌電信號(hào)的濾波方法，詳見下文描述101 :通過無線肌電系統(tǒng)采集伸膝過程中功能性電刺激下目標(biāo)肌肉的第一表面肌電信號(hào)，同時(shí)采集一組自主伸膝過程中目標(biāo)肌肉的第二表面肌電信號(hào)S (n)；其中，利用無線肌電系統(tǒng)對(duì)下肢相關(guān)肌群進(jìn)行刺激，要求受試者身體健康，無下肢肌肉、骨骼疾患，無神經(jīng)疾患及嚴(yán)重心肺疾患。實(shí)驗(yàn)裝置采用美國(guó)SIGMEDICS公司生產(chǎn)的Parastep功能性電刺激系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含微處理器和刺激脈沖發(fā)生電路，含六條刺激通道，電池供電。實(shí)驗(yàn)時(shí)受試者安坐于測(cè)試臺(tái)上，將刺激電極固定于股四頭肌的兩端位置。未施加電刺激時(shí)小腿放松、保持垂直懸空狀態(tài)。電刺激脈沖序列采用經(jīng)典的Lilly波形，脈沖頻率為25Hz、脈寬150，脈沖電流在0 120m范圍內(nèi)可調(diào)。實(shí)驗(yàn)中可通過改變脈沖電流大小來調(diào)整刺激強(qiáng)度以改變由刺激產(chǎn)生的膝關(guān)節(jié)角度。FES作用下，從第I級(jí)開始作用，逐級(jí)增力口，每級(jí)持續(xù)作用3s，直到小腿伸直的級(jí)數(shù)，記為初始最高級(jí)數(shù)。再按相同時(shí)間依次遞減級(jí)數(shù)，直到第I級(jí)，為I個(gè)周期。此周期過程連續(xù)進(jìn)行，期間每次的最高級(jí)數(shù)保持初始最高級(jí)數(shù)不變。同時(shí)，采集自主狀態(tài)下伸膝過程的肌電，為之后濾波仿真做準(zhǔn)備。其中，自適應(yīng)濾波就是利用前一次迭代獲得的濾波結(jié)果，自動(dòng)調(diào)節(jié)當(dāng)前迭代的濾波器參數(shù)，以適應(yīng)信號(hào)和噪聲未知的或隨時(shí)間變化的統(tǒng)計(jì)特性，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)濾波。自適應(yīng)濾波器實(shí)質(zhì)上就是一種能調(diào)節(jié)自身傳輸特性以達(dá)到最優(yōu)的維納濾波器。自適應(yīng)濾波器不需要輸入信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)，計(jì)算量小，特別適用于實(shí)時(shí)處理。自適應(yīng)濾波器的特性變化是由自適應(yīng)算法通過調(diào)整濾波器系數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。一般而言，自適應(yīng)濾波器由兩部分組成，一是濾波器結(jié)構(gòu)，二是調(diào)整濾波器系數(shù)的自適應(yīng)算法。基于維納理論的自適應(yīng)噪聲抵消需要無限加權(quán)濾波器，以極小化輸出誤差。為了實(shí)現(xiàn)維納濾波方案，必須使用有限加權(quán)濾波器。換句話說，自適應(yīng)濾波器必須假定維納濾波器是一個(gè)有限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器。而自適應(yīng)匹配濾波器，是在同信號(hào)匹配的前提下，滿足均方根誤差最小準(zhǔn)則的最佳濾波器，它可以通過調(diào)整自身的權(quán)系數(shù)來達(dá)到最優(yōu)化的目的，如圖I所示是基于維納濾波器的自適應(yīng)匹配濾波器原理方框圖。102 :通過第一表面肌電信號(hào)構(gòu)建FES模板信號(hào)r (n)；其中，取FES刺激下的第一表面肌電信號(hào)，由于第一表面肌電信號(hào)的周期性為
0.08s，第一表面肌電信號(hào)具有隨機(jī)性，所以可以利用疊加平均的方法，取FES下同一等級(jí)的第一表面肌電信號(hào)，每0. 08s的信號(hào)相加再做平均，將得到的平均信號(hào)近似看做一個(gè)FES模板，再將此FES模板順次排列成FES模板信號(hào)r (n)。103 :通過第二表面肌電信號(hào)S (n) ,FES模板信號(hào)r(n)和濾波器權(quán)重獲取噪聲信號(hào)v(n)的估計(jì)值v(n);參見圖1，混合信號(hào)x(n)由第二表面肌電信號(hào)S(n)和噪聲信號(hào)v(n)構(gòu)成，其中S(n)和v(n)不相關(guān)。由于FES模板信號(hào)r(n)相對(duì)于第二表面肌電信號(hào)S (n)和噪聲信號(hào)v(n)幅值很大,所以噪聲信號(hào)V (n)可以近似認(rèn)為以FES模板信號(hào)r(n)為主，由于FES模板
信號(hào)r(n)和噪聲信號(hào)v(n)相關(guān)，^n)是噪聲信號(hào)v (n)的最佳估計(jì)。則濾波器將在輸出端去除其相關(guān)性，具體方法是從混合信號(hào)x(n)中減去估計(jì)值0(n)，那么濾波器的輸出就是第
二表面肌電信號(hào)S(n)的估計(jì)s(n)。
權(quán)利要求
1.一種功能性電刺激表面肌電信號(hào)的濾波方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟 (1)通過無線肌電系統(tǒng)采集伸膝過程中功能性電刺激下目標(biāo)肌肉的第一表面肌電信號(hào)，同時(shí)采集一組自主伸膝過程中目標(biāo)肌肉的第二表面肌電信號(hào)S (n)； (2)通過所述第一表面肌電信號(hào)構(gòu)建FES模板信號(hào)r(n)； (3)通過所述第二表面肌電信號(hào)S(n)，所述FES模板信號(hào)r (n)和濾波器權(quán)重獲取噪聲信號(hào)V(H)的估計(jì)值 丨； (4)通過所述噪聲信號(hào)v(n)的估計(jì)值獲取濾波器的估計(jì)誤差e(n)，對(duì)濾波器權(quán)重進(jìn)行更新； (5)判斷所述估計(jì)誤差e(n)是否滿足預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，如果是，停止迭代，執(zhí)行步驟(7);如果否，執(zhí)行步驟(6)； (6)n— n+1，重復(fù)步驟(4)和步驟(5)，直至達(dá)到設(shè)定的迭代次數(shù)，執(zhí)行步驟(7)； (7)對(duì)濾波器的收斂參數(shù)U、階數(shù)M和加權(quán)初值Wm(O)進(jìn)行染色體編碼，分別獲取編碼后收斂參數(shù)U、階數(shù)M和加權(quán)初值Wm(O)的初始值； (8)根據(jù)所述估計(jì)誤差e(n)，估計(jì)偏差的變化率和所述第二表面肌電信號(hào)S(n)構(gòu)建最優(yōu)指標(biāo)J，通過所述最優(yōu)指標(biāo)J獲取適度函數(shù)F ； (9)通過遺傳算法對(duì)所述編碼后收斂參數(shù)U、階數(shù)M和加權(quán)初值Wm(O)的初始值進(jìn)行尋優(yōu)，輸出多個(gè)適度函數(shù)F，通過所述多個(gè)適度函數(shù)F繪制適度函數(shù)曲線； (10)判斷所述適度函數(shù)曲線是否平穩(wěn)，如果是，執(zhí)行步驟(11);如果否，執(zhí)行步驟(12)； (11)輸出收斂參數(shù)U、階數(shù)M和加權(quán)初值Wm(O)的最終值，流程結(jié)束； (12)重新執(zhí)行步驟(7)，直到達(dá)到迭代次數(shù)，流程結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種功能性電刺激表面肌電信號(hào)的濾波方法，其特征在于，所述估計(jì)值；(n)具體為
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種功能性電刺激表面肌電信號(hào)的濾波方法，其特征在于，所述對(duì)濾波器的收斂參數(shù)U、階數(shù)M和加權(quán)初值Wm(O)進(jìn)行染色體編碼具體為 將所述濾波器的收斂參數(shù)U、階數(shù)M和加權(quán)初值Wm(O)的初始值分別用任意8位的二進(jìn)制碼表示。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種功能性電刺激表面肌電信號(hào)的濾波方法，其特征在于，所述通過遺傳算法對(duì)所述編碼后收斂參數(shù)U、階數(shù)M和加權(quán)初值Wm(O)的初始值進(jìn)行尋優(yōu)，輸出多個(gè)適度函數(shù)F，通過所述多個(gè)適度函數(shù)F繪制適度函數(shù)曲線具體為 對(duì)所述收斂參數(shù)U、階數(shù)M和加權(quán)初值Wm(O)的初始值進(jìn)行染色體編碼、基因選擇交叉、變異操作和染色體解碼獲取更新后的收斂參數(shù)U、階數(shù)M和加權(quán)初值Wm(0)，將每次所述更新后的收斂參數(shù)U、階數(shù)M和加權(quán)初值Wm(O)輸入到濾波器中，通過濾波器的濾波處理后，得到所述估計(jì)誤差e(n)，通過所述估計(jì)誤差e(n)，所述估計(jì)偏差的變化率和所述第二表面肌電信號(hào)S (n)構(gòu)建所述最優(yōu)指標(biāo)J，通過所述最優(yōu)指標(biāo)J得到多個(gè)適度函數(shù)F，通過 所述多個(gè)適度函數(shù)F繪制所述適度函數(shù)曲線。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種功能性電刺激表面肌電信號(hào)的濾波方法，屬于利用電脈沖刺激幫助殘疾人康復(fù)的器械技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明構(gòu)造濾波器的FES模板信號(hào)r(n)，通過遺傳算法優(yōu)化自適應(yīng)匹配濾波的系數(shù)，最終輸出濾波器關(guān)鍵參數(shù)，繼而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波的同時(shí)，能夠智能優(yōu)化參數(shù)，使用整定后的濾波器，進(jìn)行肌電濾噪處理，得到了比較純凈的肌電信息，從而為截癱等癱瘓患者的功能性電刺激下肌肉的狀態(tài)研究提供一定的指導(dǎo)和控制；該項(xiàng)發(fā)明可有效地提高FES下肌電濾噪效果，可為截癱等癱瘓患者的功能性電刺激下肌肉的狀態(tài)研究提供一定的指導(dǎo)和控制，并獲得可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)A61B5/0488GK102697496SQ20121018715
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月7日
發(fā)明者萬(wàn)柏坤, 張希, 徐瑞, 明東, 王璐, 綦宏志, 邱爽 申請(qǐng)人:天津大學(xué)