CN108720842A - 基于肌电信号反馈的可穿戴下肢康复系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于肌电信号反馈的可穿戴下肢康复系统，包括：依次连接的传感模块、控制模块和反馈模块、与控制模块相连的云存储模块以及分别与云存储模块相连的康复矫正模块和辅助检查模块，本发明通过柔性便携可穿戴的织物模块，将表面肌电传感器以及加速度传感器，还有相应的电极附着在上面，然后利用下位机控制模块通过无线网络将数据传到云端服务器，在云端服务器对传感数据进行分析，对患者来说，可以得出患者患病的可能性，给出辅助检查分析报告。对康复过程中的人来说，可以通过获取其动作信号，得到其与标准训练流程相差的参数值，进而通过肌电信号刺激来使得其完成指定的动作(如关节弯曲角度等)，实现辅助矫正功能。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种康复器械领域的技术，具体是一种基于肌电信号反馈的可穿戴下肢 康复系统。
背景技术
人体康复过程是一个动态的、不断变化的过程。无论是理疗师还是康复机器人，治疗过 程的本质都是纠正患者在运动过程中的异常行为姿态以达到预期的效果。因此，康复过程中对 患者生理状况的实时跟踪以及科学分析非常必要。
发明内容
本发明针对现有技术只停留在采集肌电信号层面，未进一步利用肌电信号且无法完全的 描述人体运动信息的同时缺乏肌电信号的输入反馈等缺陷，提出一种基于肌电信号反馈的可穿 戴下肢康复系统，通过柔性便携可穿戴的织物模块，将表面肌电传感器以及加速度传感器，还 有相应的电极附着在上面，然后利用下位机控制模块通过无线网络将数据传到云端服务器，在 云端服务器对传感数据进行分析，对患者来说，可以得出患者患病的可能性，给出辅助检查分 析报告。对康复过程中的人来说，可以通过获取其动作信号，得到其与标准训练流程相差的参 数值，进而通过肌电信号刺激来使得其完成指定的动作(如关节弯曲角度等)，实现辅助矫正功 能。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：依次连接的传感模块、控制模块和反馈模块、与控制模块相连的云存储模 块以及分别与云存储模块相连的康复矫正模块和辅助检查模块，其中：传感模块与控制模块相 连并传输原始的人体惯性运动参数以及表面肌电信号信息，控制模块与云存储模块，反馈模块 相连并传输初步滤波后的人体惯性运动参数以及表面肌电信号信息，并下发所需反馈电流，反 馈模块与控制模块以及输出电极相连并传输用于刺激的电流参数信息，云存储模块与康复矫正 模块以及辅助检查模块相连并传输人体关节活动度以及表面肌电特征等信息，康复矫正模块与 云存储模块，控制模块相连并传输所需的反馈电流的控制信号信息，辅助检查模块与前端界面 相连并传输下肢运动机能监测参数信息。
技术效果
与现有技术相比，本发明采用导电纤维制作的柔性电极贴，并且附着在可穿戴的织物上， 实现与人体的无缝贴合，增强舒适感；本发明本发明通过九轴加速度信号辅助进行下肢动作识 别，获取的动作参数(如膝关节弯曲角度)与训练课程中的动作要求信息对比，对不满足要求的 动作，通过电信号刺激人体对应部位肌肉，使人体完成对应动作，进而完成肌电反馈的闭环； 云端平台进行数据实时处理与分析，增强实时性，方便远程操作。
附图说明
图1为本发明系统示意图；
图2为人体下肢传感模块与控制模块，反馈模块分布图；
图3为主要穿戴部分示意图(外侧)；
图4为主要穿戴部分示意图(内侧)；
图中：传感模块1、控制模块2、反馈模块3、云存储模块4、康复矫正模块5、辅助检查模块6、反馈控制微处理器7、髋关节加速度计8、大腿处加速度计9、小腿处加速度计10、足部加速度计11、臀中肌肌电传感器12、股薄肌肌电传感器13、股四头肌肌电传感器14、股二头肌肌电传感器15、腓肠肌肌电传感器16、胫前肌肌电传感器17、按扣表面电极18、肌电处理电路板及其固定载具19、加速度信号处理电路板及其固定载具20、柔性织物电极21。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种基于肌电信号反馈的可穿戴下肢康复系统，其中包 含：依次通过总线相连的传感模块1、控制模块2、带有反馈控制微处理器7的反馈模块3、与 控制模块2相连的云存储模块4以及分别与云存储模块4相连的康复矫正模块5和辅助检查模 块6。
所述的柔性可穿戴载具包括：弹性绑腿、设置于弹性绑腿内的柔性织物电极和传感器固 定支座，其中：柔性织物电极通过使用银纤维导电线缝制到弹性绑腿中，使表面电流能通过电 极传导；该银纤维导电线进一步通过按扣连接柔性织物电极，从而通过导线将获得的表面肌电 信号传输至对应的表面肌电传感器。
所述的柔性织物电极由内而外依次包括聚酯纤维层、电镀金属镍层、铜层以及电镀镍金 属层，从而具有极佳的导电性以及良好的电磁屏蔽效果。
所述的弹性绑腿两侧的连接处设有魔术贴结构，该魔术贴结构具体为一侧柔软纤维层和 另一侧带钩刺毛层，通过两侧相接触可实现活动固定，比起传统的紧身智能服饰，更易穿脱， 且方便适应不同的关节粗细。
所述的系统中进一步设有电源模块，该电源模块为用于分别向表面肌电传感器、加速度 传感器、单片机以及肌电刺激模块供电的5V锂电池。
所述的传感模块包括：与控制模块相连的表面肌电传感器和九轴加速度传感器，根据下 肢动作与对应下肢肌肉活动表，左右侧各6个表面肌电信号关节自由度，左右腿各3个惯性参 数关节自由度，髋关节1个惯性参数关节自由度。具体如下表
下肢动作与对应下肢肌肉活动表
所述的传感模块中的表面肌电传感器在每个肌肉的测量位置均采用三个电极位置，两个 同向的电极表示测量对应肌肉中间和末尾的电信号，侧面的电极表示参考电极。这是因为人体 体表本身就有一定的电势，需要一个基准电压，也就是参考电压来抵消人体电势产生的影响。 并且应注意参考电极需摆在不参加测试运动的肌肉的肌腱处。
所述的表面肌电传感器的个数为12个，分别对应左右侧髋关节的外展和内收，膝关节 的屈和伸，踝关节的背屈和跖屈，
所述的传感模块中的九轴加速度传感器(IMU)包括：三轴加速度计，三轴陀螺仪，三轴 磁力计。
本实施例中九轴加速度传感器用于辅助肌电信号测量，，主要作用为通过人体下肢运动 学建模，将七个IMU传感器测得的加速度与角速度信息输入模型中，经过滤波，校准等过程后 得到关节旋转四元数，进而代入人体模型，推导出关节转角，与系统中的理论关节转角进行对 比，得到转角差值，输入差值与刺激电流的映射公式，用于辅助肌电信号反馈刺激康复矫正的 功能。
所述的九轴加速度传感器的个数为7个，分别对应：左腿和右腿的大腿中部、小腿中部、 足部各一个、髋部根节点一个。
所述的控制模块包括：单片机单元、总线单元以及无线传输单元，其中：单片机单元与 总线单元相连并传输传感器采集的信号；总线单元与单片机模块相连接，接收单片机单元的轮 询信号以及对反馈模块的控制信号；无线传输单元与外部云存储模块相连接收并传输单片机处 理过的数据给云端的服务器。
所述的控制模块通过STM32单片机实现，一方面处理传感器上传的肌电幅值信号以及 九轴加速度计信号，一方面将信号传输给云端的服务器，同时接收云端下发的肌电反馈信号信 息，该信号反映的是下肢关节要求运动角度与实际运动角度的偏差，进而控制模块产生输入肌 电信号，发给反馈模块，使关节运动到对应角度。
所述的九轴加速度传感器与控制模块之间应采用IIC总线通讯。
所述的云端存储模块包括：控制模块接口单元、数据库单元、康复矫正接口单元以及辅 助检查接口单元，其中：控制模块接口单元与控制模块相连并传输初步滤波后的人体惯性运动 参数以及表面肌电信号信息，数据库单元与控制模块接口单元、康复矫正接口单元以及辅助检 查接口单元相连并传输存储在云端的数据信息，康复矫正接口单元与康复矫正模块相连并传输 所需的反馈电流的控制信号信息，辅助检查接口单元与辅助检查模块相连并传输人体关节活动 度以及表面肌电特征等信息。
所述的辅助检查模块包括：特征信号提取单元、特征参数比较单元、神经网络分类单元， 评价单元其中：特征信号提取单元与特征参数比较单元相连并传输关节角度信息以及肌电信号 的时域特征信息，特征参数比较单元与神经网络分类单元相连并传输参数比较信息，神经网络 分类单元与评价单元相连并传输分类结果与参数比较信息，评价单元输出使用者某部分关节无 法正常工作，进而给出可能的异常原因。
所述的特征信号提取单元从控制模块上传的惯性运动参数以及表面肌电信号中提取出 时域特征，经过步态时相分割，将信号离散为可分析的量化数据，处理发送给特征参数比较单 元。
所述的时域特征包括：均方根值为幅值均值绝对值为 积分绝对值为过零率为 其中：N代表一段时间范围内d(i)代表表面肌电信号与一段 时间范围内平均肌电信号的差值，sEMG(t)或者sEMG(ti)代表时间t或ti时的表面肌电信号值。
所述的特征参数比较单元通过判断肌电信号在一定范围内的幅值均值可以判断肌肉的 活性。通过对左右腿对应肌肉的特征参数的比较，可以判定左右腿的肌肉工作平衡度进而对肌 肉正常与否工作进行判断。
所述的神经网络分类单元通过LSTM神经网络进行分类，利用肌肉的工作状态预测人体 健康状态。
所述的评价单元综合神经网络分类信息与特征参数的比较信息，通过给予不同的权重进 行数据耦合，给出建议的矫正信息
所述的康复矫正模块通过对实际关节活动与与预设关节活动度阈值比较，然后通过功能 性电刺激刺激肌肉运动的方法来实现，该康复矫正模块包括：数据比较单元，数据映射单元， 指令下发单元，其中：数据比较单元与云端存储模块相连获取惯性运动参数，得到与预制角度 阈值的差值，数据映射单元与数据比较相连获得差值信息，把相差的关节角度映射成用于刺激 的肌电信号的相关参数，指令下发单元接收用于刺激的肌电信号的相关参数，将其转化为控制 模块使用的信号。
九轴加速度传感器信号可以返回髋关节外展内收，膝关节屈伸以及踝关节跖屈与背屈的 角度，通过该角度与训练课程中预置角度的对比，得出关节应补充旋转的角度。进而通过建立 关节活动度到肌电信号之间的映射，得出相应的肌电信号参数，通过单片机控制反馈模块输出 相应参数的电流波形、幅值、脉宽、占空比等，使关节活动达到可能的最大范围，优化康复效 果。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式 对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围 内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (10)
1.一种基于肌电信号反馈的可穿戴下肢康复系统，其特征在于，包括：依次连接的传感模块、控制模块和反馈模块、与控制模块相连的云存储模块以及分别与云存储模块相连的康复矫正模块和辅助检查模块，其中：传感模块与控制模块相连并传输原始的人体惯性运动参数以及表面肌电信号信息，控制模块与云存储模块，反馈模块相连并传输初步滤波后的人体惯性运动参数以及表面肌电信号信息，并下发所需反馈电流，反馈模块与控制模块以及输出电极相连并传输用于刺激的电流参数信息，云存储模块与康复矫正模块以及辅助检查模块相连并传输人体关节活动度以及表面肌电特征等信息，康复矫正模块与云存储模块，控制模块相连并传输所需的反馈电流的控制信号信息，辅助检查模块与前端界面相连并传输下肢运动机能监测参数信息。
2.根据权利要求1所述的基于肌电信号反馈的可穿戴下肢康复系统，其特征是，所述的传感模块包括：与控制模块相连的表面肌电传感器和九轴加速度传感器。
3.根据权利要求2所述的基于肌电信号反馈的可穿戴下肢康复系统，其特征是，所述的传感模块中的表面肌电传感器在每个肌肉的测量位置均采用三个电极位置，其中：两个同向的电极表示测量对应肌肉中间和末尾的电信号，侧面的电极表示参考电极。
4.根据权利要求2所述的基于肌电信号反馈的可穿戴下肢康复系统，其特征是，所述的九轴加速度传感器包括：三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计。
5.根据权利要求1所述的基于肌电信号反馈的可穿戴下肢康复系统，其特征是，所述的控制模块包括：单片机单元、总线单元以及无线传输单元，其中：单片机单元与总线单元相连并传输传感器采集的信号；总线单元与单片机模块相连接，接收单片机单元的轮询信号以及对反馈模块的控制信号；无线传输单元与外部云存储模块相连接收并传输单片机处理过的数据给云端的服务器。
6.根据权利要求1所述的基于肌电信号反馈的可穿戴下肢康复系统，其特征是，所述的云端存储模块包括：控制模块接口单元、数据库单元、康复矫正接口单元以及辅助检查接口单元，其中：控制模块接口单元与控制模块相连并传输初步滤波后的人体惯性运动参数以及表面肌电信号信息，数据库单元与控制模块接口单元、康复矫正接口单元以及辅助检查接口单元相连并传输存储在云端的数据信息，康复矫正接口单元与康复矫正模块相连并传输所需的反馈电流的控制信号信息，辅助检查接口单元与辅助检查模块相连并传输人体关节活动度以及表面肌电特征等信息。
7.根据权利要求1所述的基于肌电信号反馈的可穿戴下肢康复系统，其特征是，所述的辅助检查模块包括：特征信号提取单元、特征参数比较单元、神经网络分类单元，评价单元其中：特征信号提取单元与特征参数比较单元相连并传输关节角度信息以及肌电信号的时域特征信息，特征参数比较单元与神经网络分类单元相连并传输参数比较信息，神经网络分类单元与评价单元相连并传输分类结果与参数比较信息，评价单元输出使用者某部分关节无法正常工作，进而给出可能的异常原因。
8.根据权利要求7所述的基于肌电信号反馈的可穿戴下肢康复系统，其特征是，所述的特征信号提取单元从控制模块上传的惯性运动参数以及表面肌电信号中提取出时域特征，经过步态时相分割，将信号离散为可分析的量化数据，处理发送给特征参数比较单元。
9.根据权利要求8所述的基于肌电信号反馈的可穿戴下肢康复系统，其特征是，所述的时域特征包括：均方根值为幅值均值绝对值为积分绝对值为过零率为其中：N代表一段时间范围内d(i)代表表面肌电信号与一段时间范围内平均肌电信号的差值，sEMG(t)或者sEMG(ti)代表时间t或ti时的表面肌电信号值。
10.根据权利要求1所述的基于肌电信号反馈的可穿戴下肢康复系统，其特征是，所述的康复矫正模块包括：数据比较单元，数据映射单元，指令下发单元，其中：数据比较单元与云端存储模块相连获取惯性运动参数，得到与预制角度阈值的差值，数据映射单元与数据比较相连获得差值信息，把相差的关节角度映射成用于刺激的肌电信号的相关参数，指令下发单元接收用于刺激的肌电信号的相关参数，将其转化为控制模块使用的信号。
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