基于角度信息與肌電信號反饋控制的電刺激康復裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于角度信息與肌電信號反饋控制的電刺激康復裝置，該裝置包括：多組電刺激通道，每組電刺激通道包括置于相同的肌肉上的多個電極片；肌電信號處理模塊，提取電極片采集得到的肌電信號的特征值；角度傳輸模塊，檢測下肢運動角度值；控制器，依據(jù)下肢運動角度值確定下一步肌肉刺激部位和刺激參數(shù)，根據(jù)肌電信號特征值修正刺激參數(shù)，產(chǎn)生電刺激脈沖；電刺激輸出模塊，將電刺激脈沖輸出至對應的電極片。本發(fā)明同時還公開了一種基于角度信息與肌電信號反饋控制的電刺激方法。本發(fā)明不僅實現(xiàn)了電刺激的閉環(huán)控制，而且充分考慮刺激對肌肉的作用是否有效，使刺激效果始終處于最佳狀態(tài)，有效減少肌肉疲勞，延長電刺激康復訓練時間。
【專利說明】基于角度信息與肌電信號反饋控制的電刺激康復裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及醫(yī)療器械【技術領域】，尤其涉及一種基于角度信息與肌電信號反饋控制的電刺激康復裝置及方法。
【背景技術】
[0002]中樞神經(jīng)系統(tǒng)包括腦和脊髓，它支配并控制人的全部行為，包括肢體運動。正常人肌肉收縮時，動作電位信號由中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生，傳送到末梢神經(jīng)，再通過突觸傳到要引起收縮的肌肉上。對于腦中風和脊髓損傷患者而言，由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)通路的中斷，信號無法傳導到相應肌群，因而無法實現(xiàn)正常的運動功能。功能性電刺激(Functional ElectricalStimulation, FES)是利用低頻電流脈沖來刺激失去神經(jīng)控制的肌肉，引起肌肉收縮，促進神經(jīng)再生和傳導功能的恢復。功能性電刺激療法的研究與應用已涉及臨床醫(yī)療的各個領域。踏車訓練作為傳統(tǒng)的運動療法，對于延緩肌肉萎縮，重建運動功能有著很大的幫助。目前在康復領域提出的功能電刺激輔助踏車訓練方法，不但能夠恢復肌力，而且可以促進脊髓損傷的局部組織修復。
[0003]國內(nèi)對于電刺激作為康復手段的研究一直在進行，于2010年6月16日公開的中國發(fā)明專利CN 101732796A，公開了一種肌電信號控制的主從式無線功能性電刺激康復系統(tǒng)，于2011年5月11日公開的中國發(fā)明專利CN 102049095A，公開了一種肌電反饋式電刺激儀，于2011年8月3日公開的中國發(fā)明專利CN 102139139A，公開了一種肌電反饋控制的電刺激裝置及其控制方法，這些發(fā)明中均提出了肌電信號作為反饋，觸發(fā)電刺激或調(diào)整刺激參數(shù)。但這些裝置中存儲的刺激模式也只是有限的幾種形式，而人體的關節(jié)運動是由肌群協(xié)調(diào)收縮完成的，電刺激產(chǎn)生的動作電位信號為了能達到模擬正常運動，提高康復效果，運動過程中就要實時改變肌肉的刺激部位和刺激參數(shù)，且對于不同的肌肉神經(jīng)采用異步的方式進行刺激，可防止肌肉因為刺激強度變化率太小而產(chǎn)生適應性，對減少疲勞有很大的前景，而現(xiàn)有技術并未考慮到這一點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述現(xiàn)有技術中存在的問題，提高電刺激的康復效果，本發(fā)明提供了一種基于角度信息與肌電信號反饋控制的電刺激康復裝置及方法，其不局限于某幾種刺激模式，而是通過反饋到控制器的角度值與肌電信號值，實時調(diào)整刺激部位和刺激參數(shù)，不僅實現(xiàn)了電刺激的閉環(huán)控制，而且充分考慮刺激對肌肉的作用是否有效，使刺激效果始終處于最佳狀態(tài)。該裝置可與踏車、外骨骼等康復裝置配合使用。
[0005]為了達到上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提出一種基于角度信息與肌電信號反饋控制的電刺激康復裝置，該裝置包括:多組電刺激通道，肌電信號處理模塊，角度傳輸模塊，控制器和電刺激輸出模塊，其中:
[0006]每組電刺激通道包括置于相同的肌肉上的多個電極片，用于進行電刺激輸出和肌電信號米集；
[0007]所述肌電信號處理模塊用于提取所述多個電極片采集得到的肌電信號的特征值A _，并將其傳輸給控制器以供其對電刺激參數(shù)進行調(diào)整；
[0008]所述角度傳輸模塊置于康復設備上，以檢測下肢運動的角度值，并將下肢運動的角度值實時地傳輸給所述控制器；
[0009]所述控制器采用有限狀態(tài)機方法將下肢運動過程分解為有限個狀態(tài)，所述有限狀態(tài)機依據(jù)接收到的下肢運動的角度值推斷下肢所處的運動狀態(tài)以及下一運動狀態(tài)，確定下一步肌肉的刺激部位和刺激參數(shù)，并根據(jù)所述肌電信號特征值修正刺激參數(shù)，產(chǎn)生電刺激脈沖；
[0010]所述電刺激輸出模塊用于將所述控制器產(chǎn)生的電刺激脈沖輸出至對應的電極片，以對患者進行刺激治療。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出一種基于角度信息與肌電信號反饋控制的電刺激方法，該方法包括以下步驟:
[0012]步驟1，將多個電極片安放在患者肌肉的肌腹部位，與肌纖維平行，輸出電刺激并米集機電信號；
[0013]步驟2，檢測下肢運動的角度值，并將下肢運動的角度信息有線或無線傳輸?shù)娇刂破鲀?nèi)部的有限狀態(tài)機中，同時檢測是否到達定時時間，如果是，執(zhí)行步驟7，如果否，執(zhí)行步驟3;
[0014]步驟3，有限狀態(tài)機依據(jù)接收到的角度信息推斷下肢所處的運動狀態(tài)以及下一運動狀態(tài)，確定下一步肌肉的刺激部位和最小刺激強度；
[0015]步驟4，將電極片采集到的肌電信號進行預處理，得到肌電信號特征值；
[0016]步驟5，使用所述肌電信號特征值進一步修正刺激強度，產(chǎn)生電刺激信號；
[0017]步驟6，將得到的電刺激信號輸出至電極片，對患者進行電刺激治療；
[0018]步驟7，使用電極片采集到的肌電信號進行疲勞度分析，根據(jù)疲勞度分析結果控制電刺激的產(chǎn)生。
[0019]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明取得的有益效果是:通過獲取下肢運動過程中的角度變
化信息，可以實時調(diào)整肌肉的刺激部位和刺激參數(shù)，模擬正常人運動時的肌肉收縮時序，肌
電信號又充分體現(xiàn)了患者個體差異，進一步修正刺激參數(shù)，實現(xiàn)對患者個體更好的治療，使
病人的康復效果更為理想。本發(fā)明不需使用PC機，造價低廉，實用性高，具有良好的經(jīng)濟收.、
Mo
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是根據(jù)本發(fā)明一實施例的電刺激康復裝置的結構示意圖；
[0021]圖2是根據(jù)本發(fā)明一實施例的電刺激方法的流程圖；
[0022]圖3是根據(jù)本發(fā)明一實施例的電刺激使用的非對稱平衡雙相脈沖波形圖。
【具體實施方式】
[0023]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。[0024]圖1是根據(jù)本發(fā)明一實施例的電刺激康復裝置的結構示意圖，如圖1所示，所述電刺激康復裝置包括多組電刺激通道，肌電信號處理模塊，角度傳輸模塊，控制器和電刺激輸出模塊；其中:
[0025]每組電刺激通道包括多個，比如三個電極片，用于進行電刺激輸出和肌電信號采集，組成一組電刺激通道的多個電極片置于相同的肌肉上，所述電極片分別置于左右腿部的臀大肌、股四頭肌、股二頭肌、腓腸肌肌群的肌腹部位；
[0026]所述肌電信號處理模塊用于提取所述多個電極片采集得到的肌電信號的特征值入，并將其傳輸給控制器以供其對電刺激參數(shù)進行調(diào)整，所述肌電信號處理模塊包括依次連接的放大器、濾波器、A/D轉換器和數(shù)字信號處理器DSP，其中，所述放大器具有高輸入阻抗、高共模抑制比、寬頻帶、低噪聲等特點；所述濾波器一般截取20Hz至150Hz的有用信號頻率，并濾除50Hz的工頻干擾；
[0027]在本發(fā)明一實施例中，所述特征值入㈣為肌電信號的積分絕對值(IAV)，所述積分絕對值(IAV)通常利用滑動窗求均值的方法來獲得，其數(shù)學表達式可寫成:

I i+N—\
[0028]=T7 S Ix; Ij
[0029]其中，X i表不不同滑動窗內(nèi)的肌電信號特征值X emg, Xj表不肌電信號的第j個時間點的幅值，N表示滑動窗的長度。
[0030]所述角度傳輸模塊置于康復設備上，比如踏車的曲柄、外骨骼等部件上，以檢測下肢運動的角度值，并將下肢運動的角度值實時地通過有線或無線傳輸給所述控制器；
[0031]所述控制器采用有限狀態(tài)機方法將下肢運動過程分解為有限個狀態(tài)，所述有限狀態(tài)機依據(jù)接收到的下肢運動的角度值推斷下肢所處的運動狀態(tài)以及下一運動狀態(tài)，確定下一步肌肉的刺激部位和脈沖幅度、脈沖`寬度等刺激參數(shù)，其中，每個運動狀態(tài)的初始脈沖幅度固定地設置為基礎電流強度Ibase,即能夠引起肌肉反應的最小刺激強度，之后加入患者的個體差異，即使用所述肌電信號的特征值X ^進一步修正所述基礎電流強度Ibase，為方便起見，可采用線性關系進行調(diào)整。以調(diào)整脈沖幅度為例:r =Ibase(l+a xMg)，其中，I'是調(diào)整后的脈沖幅度，a是比例系數(shù)，a>0。
[0032]接下來以本發(fā)明電刺激康復裝置在行走訓練中的使用情況，對所述有限狀態(tài)機做進一步說明。所述有限狀態(tài)機將人的行走過程大致分解為如下幾個狀態(tài):①左腳在前，雙腿站立；②右腳在前，雙腿站立；③左腳支撐，開始邁右步；④左腳支撐，邁右步結束；⑤右腳支撐，開始邁左步；⑥右腳支撐，邁左步結束。同理，電刺激康復裝置在踏車訓練中使用時，也可以根據(jù)肌肉的用力情況將運動劃分為周期循環(huán)的幾個狀態(tài)。所述有限狀態(tài)機能夠依據(jù)所接收到的下肢運動的角度值來推斷出下肢所處的運動狀態(tài)以及下一運動狀態(tài)，從而調(diào)整下一步肌肉的刺激部位和刺激參數(shù)，以模擬正常人運動時的肌肉收縮時序。
[0033]所述控制器采用ARM單片機實現(xiàn)，并附有USB接口，允許將患者康復訓練過程中的各項參數(shù)拷貝出來進行分析，以觀察康復情況。
[0034]所述電刺激輸出模塊用于將所述控制器產(chǎn)生的電刺激脈沖輸出至對應的電極片，以對患者進行刺激治療。
[0035]進一步地，所述肌電信號處理模塊還采用復協(xié)方差函數(shù)估計方法來定時檢測患者肌肉的疲勞程度，并根據(jù)疲勞程度控制電刺激的產(chǎn)生:[0036]當電極片采集得到的肌電信號能量譜的平均頻率favg低于設定值時，需要減小電刺激脈沖強度，以緩解出現(xiàn)的肌肉疲勞。為方便起見，可采用線性關系進行調(diào)整，以調(diào)整脈沖頻率為例:fV =fe-^其中，f；是只考慮下肢運動的角度值與肌電信號特征值的電刺激脈沖頻率，fV是加入疲勞度信息后脈沖頻率的調(diào)整值，P是比例系數(shù)，@>0;[0037]當電極片采集得到的肌電信號能量譜的平均頻率favg低于設定值f2時，通知所述控制器停止電刺激輸出，休息一段時間后再啟動控制器繼續(xù)工作，其中，f\>f2。
[0038]圖2是根據(jù)本發(fā)明一實施例的電刺激方法的流程圖，如圖2所示，所述方法包括以下步驟:
[0039]步驟1，將多個電極片安放在患者肌肉的肌腹部位，與肌纖維平行，輸出電刺激并米集機電信號；
[0040]其中，所述電極片分別置于左右腿部的臀大肌、股四頭肌、股二頭肌、腓腸肌肌群的肌腹部位。
[0041]步驟2，檢測下肢運動的角度值，并將下肢運動的角度信息有線或無線傳輸?shù)娇刂破鲀?nèi)部的有限狀態(tài)機中，同時檢測是否到達定時時間，如果是，執(zhí)行步驟7，如果否，執(zhí)行步驟3;
[0042]步驟3，有限狀態(tài)機依據(jù)接收到的角度信息推斷下肢所處的運動狀態(tài)以及下一運動狀態(tài)，確定下一步肌肉的刺激部位和最小刺激強度；
[0043]步驟4，將電極片采集到的肌電信號進行預處理，得到肌電信號特征值；
[0044]在本發(fā)明一實施例中，所述特征值為肌電信號的積分絕對值。
[0045]步驟5，使用所述肌電信號特征值進一步修正刺激強度，產(chǎn)生電刺激信號；
[0046]步驟6，將得到的電刺激信號輸出至電極片，對患者進行電刺激治療；
[0047]步驟7，使用電極片采集到的肌電信號進行疲勞度分析，根據(jù)疲勞度分析結果控制電刺激的產(chǎn)生。
[0048]所述步驟7具體為:如果肌電信號能量譜的平均頻率favg低于設定值時，則減小電刺激脈沖強度，以緩解出現(xiàn)的肌肉疲勞；如果肌電信號能量譜的平均頻率favg低于設定值f2時，則停止電刺激輸出，休息一段時間后再啟動工作，其中，f\>f2 ;如果不屬于上述兩種情況，則不做處理，返回所述步驟2。
[0049]本發(fā)明中的電刺激信號采用非對稱平衡雙相脈沖，如圖3所示，其中，正相脈沖起電刺激作用，負相脈沖起平衡作用，以保證肌肉收縮只發(fā)生在放置陽極的肌肉上，使得電刺激不易誘發(fā)疼痛或不適，延緩肌肉疲勞。所述正相脈沖為電流型矩形脈沖，脈沖幅值為0-150mA，脈沖寬度為0-700us，脈沖頻率為O-1OOHz。
[0050]另外，考慮到肌肉從開始接受外部電刺激到產(chǎn)生最大肌肉力需要經(jīng)過電信號在肌肉中傳輸?shù)难舆t以及肌肉的反應時間T，因此需將施加電刺激的時間相對提前T，T可取
0.1s0
[0051]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種基于角度信息與肌電信號反饋控制的電刺激康復裝置，其特征在于，該裝置包括:多組電刺激通道，肌電信號處理模塊，角度傳輸模塊，控制器和電刺激輸出模塊，其中: 每組電刺激通道包括置于相同的肌肉上的多個電極片，用于進行電刺激輸出和肌電信號采集； 所述肌電信號處理模塊用于提取所述多個電極片采集得到的肌電信號的特征值\ efflg,并將其傳輸給控制器以供其對電刺激參數(shù)進行調(diào)整； 所述角度傳輸模塊置于康復設備上，以檢測下肢運動的角度值，并將下肢運動的角度值實時地傳輸給所述控制器； 所述控制器采用有限狀態(tài)機方法將下肢運動過程分解為有限個狀態(tài)，所述有限狀態(tài)機依據(jù)接收到的下肢運動的角度值推斷下肢所處的運動狀態(tài)以及下一運動狀態(tài)，確定下一步肌肉的刺激部位和刺激參數(shù)，并根據(jù)所述肌電信號特征值修正刺激參數(shù)，產(chǎn)生電刺激脈沖； 所述電刺激輸出模塊用于將所述控制器產(chǎn)生的電刺激脈沖輸出至對應的電極片，以對患者進行刺激治療。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述電極片分別置于左右腿部的臀大肌、股四頭肌、股二頭肌、腓腸肌肌群的肌腹部位。
3.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述肌電信號處理模塊包括依次連接的放大器、濾波器、A/D轉換器和數(shù)字信號處理器DSP。
4.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述特征值\efflg為肌電信號的積分絕對值。
5.根據(jù)權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述積分絕對值利用滑動窗求均值的方法來獲得:
6.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述刺激參數(shù)包括脈沖幅度和/或脈沖寬度。
7.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，每個運動狀態(tài)的初始脈沖幅度設為能夠引起肌肉反應的最小刺激強度，即基礎電流強度Ibase，之后考慮患者的個體差異，使用所述肌電信號的特征值入emg修正所述基礎電流強度Ibase。
8.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述肌電信號處理模塊采用復協(xié)方差函數(shù)估計方法來定時檢測患者肌肉的疲勞程度，并根據(jù)疲勞程度控制電刺激的產(chǎn)生。
9.一種基于角度信息與肌電信號反饋控制的電刺激方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟1，將多個電極片安放在患者肌肉的肌腹部位，與肌纖維平行，用于輸出電刺激并采集肌電信號； 步驟2，檢測下肢運動的角度值，并將下肢運動的角度信息有線或無線傳輸?shù)娇刂破鲀?nèi)部的有限狀態(tài)機中，同時檢測是否到達定時時間，如果是，執(zhí)行步驟7，如果否，執(zhí)行步驟3 ；步驟3，有限狀態(tài)機依據(jù)接收到的角度信息推斷下肢所處的運動狀態(tài)以及下一運動狀態(tài)，確定下一步肌肉的刺激部位和最小刺激強度； 步驟4，將電極片采集到的肌電信號進行預處理，得到肌電信號特征值； 步驟5，使用所述肌電信號特征值進一步修正刺激強度，產(chǎn)生電刺激信號； 步驟6，將得到的電刺激信號輸出至電極片，對患者進行電刺激治療； 步驟7，使用電極片采集到的肌電信號進行疲勞度分析，根據(jù)疲勞度分析結果控制電刺激的產(chǎn)生。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于，所述步驟7具體為:如果肌電信號能量譜的平均頻率favg低于設定值時，則減小電刺激脈沖強度，以緩解出現(xiàn)的肌肉疲勞；如果肌電信號能量譜的平均頻率favg低于設定值4時，則停止電刺激輸出，休息一段時間后再啟動工作，其中，f!>f2 ;如果不屬于上述兩種情況，則不做處理，返回所述步驟2。
【文檔編號】A61B5/0488GK103691059SQ201310741779
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權日:2013年12月27日
【發(fā)明者】侯增廣, 彭龍, 陳翼雄, 李鵬峰, 譚民, 程龍, 邊桂彬, 謝曉亮, 胡進, 彭亮 申請人:中國科學院自動化研究所