CN103691059A - 基于角度信息与肌电信号反馈控制的电刺激康复装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于角度信息与肌电信号反馈控制的电刺激康复装置，该装置包括：多组电刺激通道，每组电刺激通道包括置于相同的肌肉上的多个电极片；肌电信号处理模块，提取电极片采集得到的肌电信号的特征值；角度传输模块，检测下肢运动角度值；控制器，依据下肢运动角度值确定下一步肌肉刺激部位和刺激参数，根据肌电信号特征值修正刺激参数，产生电刺激脉冲；电刺激输出模块，将电刺激脉冲输出至对应的电极片。本发明同时还公开了一种基于角度信息与肌电信号反馈控制的电刺激方法。本发明不仅实现了电刺激的闭环控制，而且充分考虑刺激对肌肉的作用是否有效，使刺激效果始终处于最佳状态，有效减少肌肉疲劳，延长电刺激康复训练时间。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种基于角度信息与肌电信号反馈控制的电刺激康复装置及方法。
背景技术
中枢神经系统包括脑和脊髓，它支配并控制人的全部行为，包括肢体运动。正常人肌肉收缩时，动作电位信号由中枢神经系统产生，传送到末梢神经，再通过突触传到要引起收缩的肌肉上。对于脑中风和脊髓损伤患者而言，由于中枢神经系统通路的中断，信号无法传导到相应肌群，因而无法实现正常的运动功能。功能性电刺激（Functional Electrical Stimulation，FES）是利用低频电流脉冲来刺激失去神经控制的肌肉，引起肌肉收缩，促进神经再生和传导功能的恢复。功能性电刺激疗法的研究与应用已涉及临床医疗的各个领域。踏车训练作为传统的运动疗法，对于延缓肌肉萎缩，重建运动功能有着很大的帮助。目前在康复领域提出的功能电刺激辅助踏车训练方法，不但能够恢复肌力，而且可以促进脊髓损伤的局部组织修复。
国内对于电刺激作为康复手段的研究一直在进行，于2010年6月16日公开的中国发明专利CN 101732796A，公开了一种肌电信号控制的主从式无线功能性电刺激康复系统，于2011年5月11日公开的中国发明专利CN 102049095A，公开了一种肌电反馈式电刺激仪，于2011年8月3日公开的中国发明专利CN 102139139A，公开了一种肌电反馈控制的电刺激装置及其控制方法，这些发明中均提出了肌电信号作为反馈，触发电刺激或调整刺激参数。但这些装置中存储的刺激模式也只是有限的几种形式，而人体的关节运动是由肌群协调收缩完成的，电刺激产生的动作电位信号为了能达到模拟正常运动，提高康复效果，运动过程中就要实时改变肌肉的刺激部位和刺激参数，且对于不同的肌肉神经采用异步的方式进行刺激，可防止肌肉因为刺激强度变化率太小而产生适应性，对减少疲劳有很大的前景，而现有技术并未考虑到这一点。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，提高电刺激的康复效果，本发明提供了一种基于角度信息与肌电信号反馈控制的电刺激康复装置及方法，其不局限于某几种刺激模式，而是通过反馈到控制器的角度值与肌电信号值，实时调整刺激部位和刺激参数，不仅实现了电刺激的闭环控制，而且充分考虑刺激对肌肉的作用是否有效，使刺激效果始终处于最佳状态。该装置可与踏车、外骨骼等康复装置配合使用。
为了达到上述目的，根据本发明的一方面，提出一种基于角度信息与肌电信号反馈控制的电刺激康复装置，该装置包括：多组电刺激通道，肌电信号处理模块，角度传输模块，控制器和电刺激输出模块，其中：
每组电刺激通道包括置于相同的肌肉上的多个电极片，用于进行电刺激输出和肌电信号采集；
所述肌电信号处理模块用于提取所述多个电极片采集得到的肌电信号的特征值λemg，并将其传输给控制器以供其对电刺激参数进行调整；
所述角度传输模块置于康复设备上，以检测下肢运动的角度值，并将下肢运动的角度值实时地传输给所述控制器；
所述控制器采用有限状态机方法将下肢运动过程分解为有限个状态，所述有限状态机依据接收到的下肢运动的角度值推断下肢所处的运动状态以及下一运动状态，确定下一步肌肉的刺激部位和刺激参数，并根据所述肌电信号特征值修正刺激参数，产生电刺激脉冲；
所述电刺激输出模块用于将所述控制器产生的电刺激脉冲输出至对应的电极片，以对患者进行刺激治疗。
根据本发明的另一方面，提出一种基于角度信息与肌电信号反馈控制的电刺激方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，将多个电极片安放在患者肌肉的肌腹部位，与肌纤维平行，输出电刺激并采集机电信号；
步骤2，检测下肢运动的角度值，并将下肢运动的角度信息有线或无线传输到控制器内部的有限状态机中，同时检测是否到达定时时间，如果是，执行步骤7，如果否，执行步骤3；
步骤3，有限状态机依据接收到的角度信息推断下肢所处的运动状态以及下一运动状态，确定下一步肌肉的刺激部位和最小刺激强度；
步骤4，将电极片采集到的肌电信号进行预处理，得到肌电信号特征值；
步骤5，使用所述肌电信号特征值进一步修正刺激强度，产生电刺激信号；
步骤6，将得到的电刺激信号输出至电极片，对患者进行电刺激治疗；
步骤7，使用电极片采集到的肌电信号进行疲劳度分析，根据疲劳度分析结果控制电刺激的产生。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：通过获取下肢运动过程中的角度变化信息，可以实时调整肌肉的刺激部位和刺激参数，模拟正常人运动时的肌肉收缩时序，肌电信号又充分体现了患者个体差异，进一步修正刺激参数，实现对患者个体更好的治疗，使病人的康复效果更为理想。本发明不需使用PC机，造价低廉，实用性高，具有良好的经济收益。
附图说明
图1是根据本发明一实施例的电刺激康复装置的结构示意图；
图2是根据本发明一实施例的电刺激方法的流程图；
图3是根据本发明一实施例的电刺激使用的非对称平衡双相脉冲波形图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1是根据本发明一实施例的电刺激康复装置的结构示意图，如图1所示，所述电刺激康复装置包括多组电刺激通道，肌电信号处理模块，角度传输模块，控制器和电刺激输出模块；其中：
每组电刺激通道包括多个，比如三个电极片，用于进行电刺激输出和肌电信号采集，组成一组电刺激通道的多个电极片置于相同的肌肉上，所述电极片分别置于左右腿部的臀大肌、股四头肌、股二头肌、腓肠肌肌群的肌腹部位；
所述肌电信号处理模块用于提取所述多个电极片采集得到的肌电信号的特征值λemg，并将其传输给控制器以供其对电刺激参数进行调整，所述肌电信号处理模块包括依次连接的放大器、滤波器、A/D转换器和数字信号处理器DSP，其中，所述放大器具有高输入阻抗、高共模抑制比、宽频带、低噪声等特点；所述滤波器一般截取20Hz至150Hz的有用信号频率，并滤除50Hz的工频干扰；
在本发明一实施例中，所述特征值λemg为肌电信号的积分绝对值（IAV），所述积分绝对值（IAV）通常利用滑动窗求均值的方法来获得，其数学表达式可写成：
其中，λi表示不同滑动窗内的肌电信号特征值λemg，xj表示肌电信号的第j个时间点的幅值，N表示滑动窗的长度。
所述角度传输模块置于康复设备上，比如踏车的曲柄、外骨骼等部件上，以检测下肢运动的角度值，并将下肢运动的角度值实时地通过有线或无线传输给所述控制器；
所述控制器采用有限状态机方法将下肢运动过程分解为有限个状态，所述有限状态机依据接收到的下肢运动的角度值推断下肢所处的运动状态以及下一运动状态，确定下一步肌肉的刺激部位和脉冲幅度、脉冲宽度等刺激参数，其中，每个运动状态的初始脉冲幅度固定地设置为基础电流强度Ibase，即能够引起肌肉反应的最小刺激强度，之后加入患者的个体差异，即使用所述肌电信号的特征值λemg进一步修正所述基础电流强度Ibase，为方便起见，可采用线性关系进行调整。以调整脉冲幅度为例：I′=Ibase(1+αλemg)，其中，I′是调整后的脉冲幅度，α是比例系数，α>0。
接下来以本发明电刺激康复装置在行走训练中的使用情况，对所述有限状态机做进一步说明。所述有限状态机将人的行走过程大致分解为如下几个状态：①左脚在前，双腿站立；②右脚在前，双腿站立；③左脚支撑，开始迈右步；④左脚支撑，迈右步结束；⑤右脚支撑，开始迈左步；⑥右脚支撑，迈左步结束。同理，电刺激康复装置在踏车训练中使用时，也可以根据肌肉的用力情况将运动划分为周期循环的几个状态。所述有限状态机能够依据所接收到的下肢运动的角度值来推断出下肢所处的运动状态以及下一运动状态，从而调整下一步肌肉的刺激部位和刺激参数，以模拟正常人运动时的肌肉收缩时序。
所述控制器采用ARM单片机实现，并附有USB接口，允许将患者康复训练过程中的各项参数拷贝出来进行分析，以观察康复情况。
所述电刺激输出模块用于将所述控制器产生的电刺激脉冲输出至对应的电极片，以对患者进行刺激治疗。
进一步地，所述肌电信号处理模块还采用复协方差函数估计方法来定时检测患者肌肉的疲劳程度，并根据疲劳程度控制电刺激的产生：
当电极片采集得到的肌电信号能量谱的平均频率favg低于设定值f1时，需要减小电刺激脉冲强度，以缓解出现的肌肉疲劳。为方便起见，可采用线性关系进行调整，以调整脉冲频率为例：fe′=fe-β(f1-favg)，其中，fe是只考虑下肢运动的角度值与肌电信号特征值的电刺激脉冲频率，fe′是加入疲劳度信息后脉冲频率的调整值，β是比例系数，β>0；
当电极片采集得到的肌电信号能量谱的平均频率favg低于设定值f2时，通知所述控制器停止电刺激输出，休息一段时间后再启动控制器继续工作，其中，f1>f2。
图2是根据本发明一实施例的电刺激方法的流程图，如图2所示，所述方法包括以下步骤：
步骤1，将多个电极片安放在患者肌肉的肌腹部位，与肌纤维平行，输出电刺激并采集机电信号；
其中，所述电极片分别置于左右腿部的臀大肌、股四头肌、股二头肌、腓肠肌肌群的肌腹部位。
步骤2，检测下肢运动的角度值，并将下肢运动的角度信息有线或无线传输到控制器内部的有限状态机中，同时检测是否到达定时时间，如果是，执行步骤7，如果否，执行步骤3；
步骤3，有限状态机依据接收到的角度信息推断下肢所处的运动状态以及下一运动状态，确定下一步肌肉的刺激部位和最小刺激强度；
步骤4，将电极片采集到的肌电信号进行预处理，得到肌电信号特征值；
在本发明一实施例中，所述特征值为肌电信号的积分绝对值。
步骤5，使用所述肌电信号特征值进一步修正刺激强度，产生电刺激信号；
步骤6，将得到的电刺激信号输出至电极片，对患者进行电刺激治疗；
步骤7，使用电极片采集到的肌电信号进行疲劳度分析，根据疲劳度分析结果控制电刺激的产生。
所述步骤7具体为：如果肌电信号能量谱的平均频率favg低于设定值f1时，则减小电刺激脉冲强度，以缓解出现的肌肉疲劳；如果肌电信号能量谱的平均频率favg低于设定值f2时，则停止电刺激输出，休息一段时间后再启动工作，其中，f1>f2；如果不属于上述两种情况，则不做处理，返回所述步骤2。
本发明中的电刺激信号采用非对称平衡双相脉冲，如图3所示，其中，正相脉冲起电刺激作用，负相脉冲起平衡作用，以保证肌肉收缩只发生在放置阳极的肌肉上，使得电刺激不易诱发疼痛或不适，延缓肌肉疲劳。所述正相脉冲为电流型矩形脉冲，脉冲幅值为0-150mA，脉冲宽度为0-700us，脉冲频率为0-100Hz。
另外，考虑到肌肉从开始接受外部电刺激到产生最大肌肉力需要经过电信号在肌肉中传输的延迟以及肌肉的反应时间T，因此需将施加电刺激的时间相对提前T，T可取0.1s。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于角度信息与肌电信号反馈控制的电刺激康复装置，其特征在于，该装置包括：多组电刺激通道，肌电信号处理模块，角度传输模块，控制器和电刺激输出模块，其中：
每组电刺激通道包括置于相同的肌肉上的多个电极片，用于进行电刺激输出和肌电信号采集；
所述肌电信号处理模块用于提取所述多个电极片采集得到的肌电信号的特征值λemg，并将其传输给控制器以供其对电刺激参数进行调整；
所述角度传输模块置于康复设备上，以检测下肢运动的角度值，并将下肢运动的角度值实时地传输给所述控制器；
所述控制器采用有限状态机方法将下肢运动过程分解为有限个状态，所述有限状态机依据接收到的下肢运动的角度值推断下肢所处的运动状态以及下一运动状态，确定下一步肌肉的刺激部位和刺激参数，并根据所述肌电信号特征值修正刺激参数，产生电刺激脉冲；
所述电刺激输出模块用于将所述控制器产生的电刺激脉冲输出至对应的电极片，以对患者进行刺激治疗。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电极片分别置于左右腿部的臀大肌、股四头肌、股二头肌、腓肠肌肌群的肌腹部位。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述肌电信号处理模块包括依次连接的放大器、滤波器、A/D转换器和数字信号处理器DSP。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述特征值λemg为肌电信号的积分绝对值。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述积分绝对值利用滑动窗求均值的方法来获得：
其中，λi表示不同滑动窗内的肌电信号特征值λemg，xj表示肌电信号的第j个时间点的幅值，N表示滑动窗的长度。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述刺激参数包括脉冲幅度和/或脉冲宽度。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个运动状态的初始脉冲幅度设为能够引起肌肉反应的最小刺激强度，即基础电流强度Ibase，之后考虑患者的个体差异，使用所述肌电信号的特征值λemg修正所述基础电流强度Ibase。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述肌电信号处理模块采用复协方差函数估计方法来定时检测患者肌肉的疲劳程度，并根据疲劳程度控制电刺激的产生。
9.一种基于角度信息与肌电信号反馈控制的电刺激方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1，将多个电极片安放在患者肌肉的肌腹部位，与肌纤维平行，用于输出电刺激并采集肌电信号；
步骤2，检测下肢运动的角度值，并将下肢运动的角度信息有线或无线传输到控制器内部的有限状态机中，同时检测是否到达定时时间，如果是，执行步骤7，如果否，执行步骤3；
步骤3，有限状态机依据接收到的角度信息推断下肢所处的运动状态以及下一运动状态，确定下一步肌肉的刺激部位和最小刺激强度；
步骤4，将电极片采集到的肌电信号进行预处理，得到肌电信号特征值；
步骤5，使用所述肌电信号特征值进一步修正刺激强度，产生电刺激信号；
步骤6，将得到的电刺激信号输出至电极片，对患者进行电刺激治疗；
步骤7，使用电极片采集到的肌电信号进行疲劳度分析，根据疲劳度分析结果控制电刺激的产生。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤7具体为：如果肌电信号能量谱的平均频率favg低于设定值f1时，则减小电刺激脉冲强度，以缓解出现的肌肉疲劳；如果肌电信号能量谱的平均频率favg低于设定值f2时，则停止电刺激输出，休息一段时间后再启动工作，其中，f1>f2；如果不属于上述两种情况，则不做处理，返回所述步骤2。
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