一种在线监测神经肌肉电刺激响应的闭环控制方法与系统技术方案

本发明专利技术涉及一种在线监测神经肌肉电刺激响应的闭环控制方法与系统，属于神经肌肉电刺激领域。该方法包括以下步骤：

【技术实现步骤摘要】
一种在线监测神经肌肉电刺激响应的闭环控制方法与系统


[0001]本专利技术属于神经肌肉电刺激领域，涉及一种在线监测神经肌肉电刺激响应的闭环控制方法与系统。

技术介绍

[0002]神经肌肉电刺激技术是一种用于运动康复训练的有效方法，其原理是通过一定的低频电流作用于丧失功能的肢体诱发肌肉收缩，使肢体产生运动，能够有效增强肌力，防止肌肉萎缩，增强大脑的感觉反馈，促进运动再学习。但是单纯的神经肌肉电刺激有时候并不能达到最佳的康复治疗效果，且容易使肌肉产生疲劳，若能通过传感器感知电刺激效能并进行实时反馈，则可以提高刺激效率。神经肌肉电刺激的生理效应体现在电刺激后所诱发的肌肉收缩，而肌肉收缩水平正是反映电刺激效能的重要特征指标，因此通常在电刺激中加入与肌肉收缩相关的信号进行反馈。
[0003]电子科技大学李展专利技术了一种肌电反馈的功能性电刺激闭环控制系统及方法(专利公开号：CN105031812A)，该系统采集电刺激肌肉时产生的原始表面肌电信号并进行预处理，通过对肌肉缩张模型进行在线实时预测，计算出最优的电刺激脉冲宽度控制量并反馈到电刺激器，实现了实时的自适应控制，但是该方法采用肌电信号作为控制信号，因此不可避免的会受到电刺激信号的干扰，同时也将增加信号的处理复杂度。
[0004]重庆大学郭宇峰专利技术了一种用于稳定肌电假肢手力量输出的电刺激诱发肌电反馈控制方法及装置(专利公开号：CN104398326A)，该方法通过实时检测假肢手使用者残肢肌肉的表面肌电信号进行分析，在使用过程中由于注意力分散以及疲劳等因素引起肌电活动水平下降时通过增大电刺激强度使得目标肌肉电活动达到初始状态水平，但是该方法在电刺激过程中使用肌电信号同样会受到干扰，并且在调整肌肉收缩活动水平时通过查表法的方式，但在实际中肌肉收缩水平与电刺激强度的对应关系并不是固定不变的，因此在调整电刺激参数时肌肉的收缩水平可能并不能达到预期效果。
[0005]中国科学院自动化研究所专利技术了一种基于角度于肌电信号反馈控制的电刺激康复装置及方法(专利公开号：CN103691059A)，该装置通过当前下肢运动角度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电刺激参数，在实现电刺激闭环控制的同时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。但无法满足无关节运动的神经肌肉电刺激康复过程控制。
[0006]Woods等人(Woods B,Subramanian M,Shafti A,et al.Mechanomyography based closed
‑
loop Functional Electrical Stimulation cycling system[C]//2018 7th IEEE International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics(Biorob).IEEE,2018:179
‑
184.)设计了一种基于肌音信号的闭环功能性电刺激闭环控制系统，该系统提出了一种基于腿部肌音信号与自行车踏板力调整电刺激参数使得自行车的速度达到并维持在设定速度，该系统通过电刺激腿部肌肉蹬动自行车，此时自行车运动具有一定速度，根据腿部的肌音信号与踏板上的力调整电刺激参数从而控制自行车的速度，
但是该系统由于存在测试误差所以目前还未加入肌音信号与踏板力作为反馈变量，而是通过自行车的速度调整电刺激参数使自行车速度维持在设定水平。
[0007]在上述的专利研究中可以看出，目前主流的电刺激反馈控制信号为肌电信号，但由于肌电信号的采集容易受电刺激信号的干扰，滤除肌电信号中的电刺激干扰成分增加了信号的处理难度，所以肌电采集与电刺激使用不同步的采集方法，而这一方法将导致所采集到的肌电信号与电刺激之间存在延时，这时的肌电信号并不能反映电刺激的实时肌肉活动变化，这也限制了肌电信号的进一步发展，因此有必要研究将不受电刺激干扰、能够实时监测电刺激生理响应的信号用于电刺激反馈控制中，而肌音信号正好满足了这一特点，肌音信号是生物肢体在执行动作指令时由肌肉的收缩和舒张导致肌纤维横向振动而产生的声音信号。其本质是一种低频机械振动信号，因此不会电刺激的干扰，且蕴含了丰富的神经肌肉活动信息，可以用于电刺激的反馈控制中。

技术实现思路

[0008]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种在线监测神经肌肉电刺激响应的闭环控制方法与系统。该系统与方法通过肌音信号的相关特征参数表征肌肉的收缩水平，利用神经肌肉电刺激诱发肌肉收缩所产生的肌音信号动态调整电刺激强度，使神经肌肉电刺激诱发的肌肉响应维持在预设水平，增强了神经肌肉电刺激生理响应的有效性。
[0009]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0010]一种在线监测神经肌肉电刺激响应的闭环控制方法，该方法包括以下步骤：
[0011]步骤一：设置肌音信号的预设水平，初始化电刺激参数，通过电刺激器施加刺激电流作用于前臂肌肉；
[0012]步骤二：通过肌音信号传感器检测神经肌肉电刺激诱发肌肉收缩时所产生的肌音信号；
[0013]步骤三：对步骤二测得的肌音信号进行调理分析，提取与肌肉收缩水平相关的肌音信号特征参数；
[0014]步骤四：根据步骤三所得特征参数判断当前刺激电流诱发的肌肉收缩是否达到预设水平；如未满足要求，根据电刺激强度的控制算法持续调整电刺激强度，动态检测肌音信号并分析其特征参数直至电刺激诱发肌肉收缩水平达到预设水平，从而确保神经肌肉电刺激生理效应的有效性。
[0015]一种在线监测神经肌肉电刺激响应的闭环控制系统，所述系统包括电刺激控制单元、肌音信号传感器、刺激电极单元；其中电刺激控制单元包括肌音信号调理电路，微控制器，电刺激器及I/O接口电路；其中刺激电极单元包括正电极和负电极；
[0016]所述肌音信号传感器用于采集前臂肌肉收缩时所产生的肌音信号；
[0017]所述的肌音信号调理电路用于对肌音信号传感器采集到的肌音信号进行调理，包括滤波以及阻抗变换等；
[0018]所述微控制器用于对调理后的肌音信号进行实时采集与缓存，同时计算缓存肌音信号的特征参数，将其与预设水平作比较得出下一步电刺激参数，最后通过I/O接口电路发送给电刺激器并清空缓存；
[0019]所述电刺激器用于接收微控制器通过I/O接口发送的电刺激参数，并输出刺激电
流；
[0020]所述刺激电极单元用于将电刺激器输出的刺激电流传导耦合到皮下肌肉或神经组织诱发肌肉收缩。
[0021]可选的，所述刺激电极单元和肌音信号传感器同时固定于被刺激肌肉的皮肤表面，刺激电流经刺激电极单元传导耦合到皮下肌肉或神经组织诱发肌肉收缩，肌肉收缩引起的肌肉振动经肌音信号传感器拾取。
[0022]可选的，所述肌音信号的特征参数包括肌音信号均方根和平均值的时域特征，以及平均功率频率或中值频率的频域特征。
[0023]可选的，所述调整电刺激本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在线监测神经肌肉电刺激响应的闭环控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤一：设置肌音信号的预设水平，初始化电刺激参数，通过电刺激器施加刺激电流作用于前臂肌肉；步骤二：通过肌音信号传感器检测神经肌肉电刺激诱发肌肉收缩时所产生的肌音信号；步骤三：对步骤二测得的肌音信号进行调理分析，提取与肌肉收缩水平相关的肌音信号特征参数；步骤四：根据步骤三所得特征参数判断当前刺激电流诱发的肌肉收缩是否达到预设水平；如未满足要求，根据电刺激强度的控制算法持续调整电刺激强度，动态检测肌音信号并分析其特征参数直至电刺激诱发肌肉收缩水平达到预设水平，从而确保神经肌肉电刺激生理效应的有效性。2.一种在线监测神经肌肉电刺激响应的闭环控制系统，其特征在于：所述系统包括电刺激控制单元、肌音信号传感器、刺激电极单元；其中电刺激控制单元包括肌音信号调理电路，微控制器，电刺激器及I/O接口电路；其中刺激电极单元包括正电极和负电极；所述肌音信号传感器用于采集前臂肌肉收缩时所产生的肌音信号；所述的肌音信号调理电路用于对肌音信号传感器采集到的肌音信号进行调理，包括滤波以及阻抗变换等；所述微控制器用于对调理后的肌音信号进行实时采集与缓存，同时计算缓存肌音信号的特征参数，将其与...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓苹，陈厚鋆，刘立梦，崔欣怡，侯文生，吴小鹰，王星，陈琳，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：