RU2644295C1 - Method for motion activity recovery of upper and lower human limbs - Google Patents

Method for motion activity recovery of upper and lower human limbs Download PDF

Info

Publication number
RU2644295C1
RU2644295C1 RU2017114180A RU2017114180A RU2644295C1 RU 2644295 C1 RU2644295 C1 RU 2644295C1 RU 2017114180 A RU2017114180 A RU 2017114180A RU 2017114180 A RU2017114180 A RU 2017114180A RU 2644295 C1 RU2644295 C1 RU 2644295C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
muscle
power
pwrr
background
Prior art date
Application number
RU2017114180A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Александрович Буланов
Original Assignee
Общество с ограниченно ответственностью "Открытые решения"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченно ответственностью "Открытые решения" filed Critical Общество с ограниченно ответственностью "Открытые решения"
Priority to RU2017114180A priority Critical patent/RU2644295C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2644295C1 publication Critical patent/RU2644295C1/en

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H3/00—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B24/00—Electric or electronic controls for exercising apparatus of preceding groups; Controlling or monitoring of exercises, sportive games, training or athletic performances
    • A63B24/0087—Electric or electronic controls for exercising apparatus of groups A63B21/00 - A63B23/00, e.g. controlling load

Landscapes

  • Prostheses (AREA)
  • Rehabilitation Tools (AREA)

Abstract

FIELD: medical equipment.
SUBSTANCE: invention relates to medical equipment, namely to controlling means of rehabilitation mechanomachines. Method for motion activity recovery of upper and lower human limbs consists in fixing a limb in a mechanomachine, measurement of the electromyographic signal on the surface of the limb with a relaxed muscle or a group of muscles for flexion / extension of limbs and with a tight muscle or group of muscles for flexing extension of limbs, amplification and transformation of the analog signal in digital, and the formation of the control commands of mechanomachine for the start, stop or speed change of movement of the patient's limb. In this case, before the formation of the control commands for the mechanomachine in the registered electromyographic signals, a 4th order Butterworth filter is filtered out with noise, remove the frequency band from 48 Hz to 52 Hz, remove the frequency bands below 35 Hz and above 45 Hz , identify the frequency band necessary for the analysis and the background electromyographic signal for the relaxed muscle, calculate the power of the background filtered electromyographic signal PWRr of the detected for a time Tr = 10 seconds for each relaxed muscle, then fix the obtained value PWRr of the background EMG signal for a certain relaxed muscle ,calculate the power of the EMG signal recorded for a time Tt = ~ 1 sec, each tense muscle, and form control commands for mechanomachine for the start, stop or speed change of movement of the patient's limb, taking into account the relation current power of the electromyographic signal to the background power of the electromyographic signal (PWRt / PWRr) for the given time interval Tt and a specific muscle.
EFFECT: use of the invention makes it possible to increase the degree of correlation between the conceived motion and the generated signal directed to the source of movement of the mechanomachine.
1 cl

Description

Способ восстановления двигательной активности верхней и нижней конечностей человека относится к реабилитационной технике, а именно к управлению реабилитационными механотренажерами, и может быть использован для активации предназначенных для сгибания и разгибания конечностей приводов механотренажера путем формирования управляющих команд на основе биологической обратной связи (далее - БОС).The method for restoring the motor activity of the upper and lower extremities of a person relates to rehabilitation equipment, namely, to controlling rehabilitation mechanical simulators, and can be used to activate the mechanical simulator drives intended for flexion and extension of limbs by forming control commands based on biological feedback (hereinafter referred to as biofeedback).

Реабилитация на основе БОС является нефармакологическим способом, с использованием специальной аппаратуры для регистрации, усиления и демонстрации пациенту физиологической информации. БОС обеспечивают путем подачи звуковых или зрительных сигналов продолжительную текущую информацию о физиологических реакциях и параметрах, например: ЧСС, мышечном напряжении, положении конечности в пространстве, биоэлектрической активности головного мозга и тому подобное по «петле обратной связи», которая участвует в регуляции многих функций человеческого организма, начиная от изменения скорости протекания самых элементарных биохимических реакций до крайне сложных видов деятельности человека. Наличие на определенном уровне информации о результате того или иного события необходимо для того, чтобы изменить его любым, но неслучайным образом.Rehabilitation based on biofeedback is a non-pharmacological method, using special equipment for recording, enhancing and demonstrating physiological information to a patient. Biofeedback provide by supplying sound or visual signals continuous current information about physiological reactions and parameters, for example: heart rate, muscle tension, position of a limb in space, bioelectrical activity of the brain, and the like, through a “feedback loop” that is involved in the regulation of many human functions organism, ranging from changing the rate of the most elementary biochemical reactions to extremely complex human activities. The presence at a certain level of information about the result of an event is necessary in order to change it in any, but nonrandom manner.

Известен способ восстановления мышечной и двигательной активности больных с поражениями центральной нервной системы по патенту RU 2179009 от 06.02.1998, опубликовано: 10.02.2002 МПК А61Н 1/00 (2000.01) А61Н 23/00 (2000.01) «Способ и устройство для реабилитации нервной, мышечной и двигательной координации больных с нарушениями центральной нервной системы», при котором осуществляют воздействие на напряженные мышцы вибрацией, вызывающей сокращение и растяжение мышечных волокон выбранной группы мышц в направлении их естественного растяжения и сокращения, при этом определяют начальное положение выбранной конечности, в котором пациент может развить максимальное мышечное усилие в статическом состоянии, выбирают направление приложения вибрации, противоположное тому, в котором пациент может осуществить максимальное противодействие приложенному воздействию, прикладывают вибрацию к суставам или костям конечности, на которую оказывают воздействие, и при непрерывном контакте вибратора с выбранным местом воздействия смещают конечность в выбранном направлении, при этом смещение конечности осуществляют принудительно.A known method of restoring muscle and motor activity of patients with lesions of the central nervous system according to patent RU 2179009 of 02/06/1998, published: 02/10/2002 IPC A61H 1/00 (2000.01) A61H 23/00 (2000.01) "Method and device for the rehabilitation of the nervous, muscle and motor coordination of patients with disorders of the central nervous system ”, in which they exert influence on tense muscles by vibration, causing contraction and stretching of muscle fibers of a selected muscle group in the direction of their natural stretching and contraction, while allocate the initial position of the selected limb in which the patient can develop maximum muscle effort in a static state, choose the direction of application of vibration, the opposite of that in which the patient can maximize the opposition to the applied effect, apply vibration to the joints or bones of the limb that is affected, and with continuous contact of the vibrator with the selected place of impact, the limb is shifted in the selected direction, while the limb is shifted t forced.

При данном способе смещение конечности осуществляют принудительно, без регистрации изменения электрической активности соответствующей мышцы или группы мышц, биоэлектрических потенциалов, возникающих в мышцах скелета при возбуждении нервных волокон, то есть электромиографического сигнала (далее ЭМГ-сигнал).With this method, limb displacement is carried out forcibly, without recording changes in the electrical activity of the corresponding muscle or muscle group, bioelectric potentials that arise in the muscles of the skeleton upon excitation of nerve fibers, that is, an electromyographic signal (hereinafter EMG signal).

Известен «Способ реабилитационного лечения обездвиженного больного» по патенту RU 2435560 от 11.01.2010, опубликовано: 10.12.2011, МПК А61Н 1/00 (2006.01), заключающийся в том, что возбуждают клетки нервной ткани путем импульсного адекватного, в физиологических параметрах, воздействия на афферентные и эфферентные волокна за счет пассивного растяжения и сжатия мышечной ткани, сгибания и разгибания конечностей и туловища в суставах путем многократно повторяемого циклического движения, по крайней мере, спины, туловища, верхних и нижних конечностей, а также всего тела, с помощью функциональной реанимационно-реабилитационной кровати с подвижными секциями спины, туловища, нижних и верхних конечностей, а также всего тела, механизмами их регулирования и блоком управления кровати, выполненной с возможностью подъема на заданный угол выбранного сегмента кровати, сохранения положения сегмента на заданное время и возращения его в исходное положение за заданный интервал времени; последовательность изменения положений сегментов тела человека, значение углов и скорости подъема, экспозицию времени между изменениями положения сегментов тела человека устанавливают в зависимости от имеющейся патологии у пациента и варьируют в ходе проведения реабилитационных мероприятий в зависимости от клинических проявлений течения заболевания, а воздействие проводят круглосуточно до восстановления функций внутренних органов и систем, восстановления самостоятельной двигательной активности.The well-known "Method of rehabilitation treatment of an immobilized patient" according to the patent RU 2435560 dated 01/11/2010, published: 12/10/2011, IPC A61H 1/00 (2006.01), which consists in the fact that cells of the nervous tissue are excited by an adequate pulse in physiological parameters to afferent and efferent fibers due to passive extension and compression of muscle tissue, flexion and extension of the limbs and trunk in the joints by repeatedly repeating cyclic movement of at least the back, trunk, upper and lower extremities, as well as all about the body, with the help of a functional resuscitation and rehabilitation bed with moving sections of the back, trunk, lower and upper limbs, as well as the whole body, the mechanisms for their regulation and the bed control unit, made with the possibility of lifting to a given angle of the selected segment of the bed, maintaining the position of the segment on a predetermined time and returning it to its original position for a given time interval; the sequence of changes in the position of segments of the human body, the value of the angles and speed of rise, the exposure time between changes in the position of segments of the human body is set depending on the pathology of the patient and varies during the course of rehabilitation measures depending on the clinical manifestations of the disease, and the exposure is carried out around the clock until recovery functions of internal organs and systems, restoration of independent motor activity.

При данном способе параметры и последовательность моделирования пассивных движений больного устанавливают в зависимости от имеющейся патологии у пациента и варьируют в ходе проведения реабилитационных мероприятий в зависимости от клинических проявлений течения заболевания, без регистрации изменения электрической активности соответствующей мышцы или группы мышц, биоэлектрических потенциалов, возникающих в мышцах скелета при возбуждении нервных волокон, то есть ЭМГ-сигнала.With this method, the parameters and sequence of modeling the patient’s passive movements are set depending on the patient’s pathology and vary during the course of rehabilitation measures depending on the clinical manifestations of the disease, without registering changes in the electrical activity of the corresponding muscle or muscle group, bioelectric potentials that occur in the muscles skeleton upon excitation of nerve fibers, that is, an EMG signal.

Известно использование электромиографического сигнала для реабилитации по патенту RU 2152769 от 10.11.1999 опубликовано: 20.07.2000, МПК А61Н 1/00 (2000.01) «Способ лечения плоскостопия», при котором при проведении сеансов тренировки глубоких мышц голени за счет сгибания стопы с разгибанием колена перед каждым сеансом регистрируют электромиографическую активность внутренней головки икроножной мышцы при сгибании стопы с максимальным усилием и устанавливают заранее пороги, равные верхний - 75%, а нижний - 50% от максимума амплитуды огибающей электромиографической активности, затем во время сеанса продолжают регистрацию электромиографической активности внутренней головки икроножной мышцы и проводят изометрическую тренировку глубоких мышц голени с помощью биологической обратной связи с графикой компьютерной игры, причем игру останавливают при выходе огибающей электромиографической активности за верхний или нижний пороги.It is known to use the electromyographic signal for rehabilitation according to the patent RU 2152769 of 11/10/1999 published: 07/20/2000, IPC А61Н 1/00 (2000.01) “A method for treating flat feet,” in which during sessions of training deep muscles of the lower leg due to flexion of the foot with extension of the knee before each session, the electromyographic activity of the inner head of the calf muscle is recorded during flexion of the foot with maximum effort and thresholds are set in advance equal to the upper - 75%, and the lower - 50% of the maximum amplitude of the envelope of the electromyographic activity, then during the session they continue to record the electromyographic activity of the inner head of the calf muscle and conduct isometric training of the deep muscles of the lower leg using biological feedback with the graphics of the computer game, and the game is stopped when the envelope of electromyographic activity exceeds the upper or lower thresholds.

Но данный способ не позволяет применять его у пациентов со спастическими парезами и плегиями. Кроме того, применение предлагаемого способа не позволяет устанавливать пороги электромиографической активности мышц от 0% до 100% амплитуды огибающей электромиографической активности, в том числе и непосредственно в ходе выполнения упражнения.But this method does not allow its use in patients with spastic paresis and plegia. In addition, the application of the proposed method does not allow to set the thresholds of electromyographic activity of muscles from 0% to 100% of the amplitude of the envelope of electromyographic activity, including directly during the exercise.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому, которое было выбрано в качестве прототипа, является способ содействия двигательной активности, по патенту RU 2364385 «Носимое вспомогательное устройство, содействующее двигательной активности, и управляющая программа» от 22.11.2005 Конвенционный приоритет: 26.01.2005 JP 2005-018295, публикации заявки: 10.03.2009, опубликовано 20.08.2009, МПК А61Н 3/00 (2006.01), при котором регистрирует биологический сигнал (миоэлектричество на поверхности), которым сопровождается мышечное усилие, созданное в соответствии с сигналом из мозга, и управляют источником приведения в движение электродвигателя на основании зарегистрированного биологического сигнала. Способ позволяет осуществлять управление источником приведения в движение конечностей пациента, закрепленных в механотренажере, на основании уравнения движения, в которое произведена подстановка определенных таким образом параметров.The closest technical solution to the claimed one, which was selected as a prototype, is a method of promoting motor activity, according to patent RU 2364385 "Wearable auxiliary device that promotes motor activity, and the control program" from 11/22/2005 Conventional priority: 01/26/2005 JP 2005- 018295, publication of the application: March 10, 2009, published on August 20, 2009, IPC A61H 3/00 (2006.01), in which a biological signal (myoelectricity on the surface) is recorded, which accompanies the muscular effort created in accordance with the signal from brain, and control the source of propulsion of the electric motor based on the recorded biological signal. The method allows controlling the source of movement of the patient's limbs, fixed in a mechanical simulator, based on the equation of motion, into which the parameters determined in this way are substituted.

Но при данном способе регистрируют относительное усилие, зависящее от соотношения между силами, с одной стороны, созданной источником приведения в движение, с другой стороны мышечным усилием, созданным пользователем, носящим вспомогательное устройство, при этом сравнивают зарегистрированные данные о миоэлектричестве (электромиограмму, ЭМГ (EMG)) и значение мышечного усилия (F), полученное путем оценки, с заранее заданным устанавливаемым значением усиления (Gs) из блока хранения данных, без сравнения электромиограмм ненапряженной мышцы и напряженной мышцы, что приводит к низкой корреляции между задуманным движением, и выработанным сигналом, направляемым к источнику приведения в движение вспомогательного устройства.But with this method, a relative force is recorded, depending on the relationship between the forces, on the one hand, created by the source of propulsion, on the other hand, by the muscular effort created by the user wearing the auxiliary device, while comparing the recorded data on myoelectricity (electromyogram, EMG (EMG )) and the value of muscle effort (F) obtained by evaluation, with a predetermined set gain value (Gs) from the data storage unit, without comparing the electromyograms of an unstressed muscle and the stiff muscle, which leads to a low correlation between the intended movement and the generated signal directed to the source of driving the auxiliary device.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности реабилитации при заболеваниях, приводящих к двигательному дефициту верхней и нижней конечностей человека.The objective of the proposed technical solution is to increase the effectiveness of rehabilitation in diseases that lead to motor deficiency of the upper and lower extremities of a person.

Задача решена за счет способа восстановления двигательной активности верхней и нижней конечностей человека, путем закрепления конечности в механотренажере, измерения электромиографического сигнала на поверхности конечности при ненапряженной мышце или группе мышц для сгибания/разгибания конечностей и при напряженной мышце или группе мышц для сгибания/разгибания конечностей, усиления и преобразования аналогового сигнала в цифровой, и формирования для механотренажера управляющих команд начала, остановки или изменения скорости движения конечности пациента, при этом, до формирования управляющих команд для механотренажера в зарегистрированных электромиографических сигналах отфильтровывают фильтром Баттерворта 4-го порядка шумы, при этом удаляют полосу частот от 48 Гц до 52 Гц, удаляют полосы частот ниже 35 Гц и выше 45 Гц, выделяют необходимую для анализа полосу частот и показатель фонового электромиографического сигнала для ненапряженной мышцы, вычисляют мощность фонового фильтрованного электромиографического сигнала PWRr зарегистрированного в течение времени Тr=~ 10 сек для каждой ненапряженной мышцы по формуле:The problem is solved by the method of restoring the motor activity of the upper and lower extremities of a person, by fixing the limb in a mechanical simulator, measuring the electromyographic signal on the surface of the limb with an unstressed muscle or muscle group for flexion / extension of the limbs and with a tense muscle or muscle group for flexion / extension of the limbs, amplification and conversion of an analogue signal into a digital one, and forming for the exercise machine control commands to start, stop, or change the speed of movement the patient’s limbs, in this case, before the formation of control commands for the trainer in the recorded electromyographic signals, the noise filter is filtered out with a Butterworth filter of the 4th order, while the frequency band from 48 Hz to 52 Hz is removed, the frequency bands below 35 Hz and above 45 Hz are removed, the the frequency band necessary for the analysis and the background electromyographic signal indicator for an unstressed muscle, the power of the background filtered electromyographic signal PWRr recorded during the time Tr = ~ 10 sec is calculated k for each loose muscle according to the formula:

PWRr=(Amp(1)^2+ … +Amp(n)^2) / n,PWRr = (Amp (1) ^ 2 + ... + Amp (n) ^ 2) / n,

где PWRr - значение мощности фонового ЭМГ – сигнала;where PWRr is the value of the power of the background EMG signal;

n - количество значений амплитуд (семплов) в сигнале, n=Tr * SR,n is the number of amplitudes (samples) in the signal, n = Tr * SR,

где SR - частота дискретизации ЭМГ - сигнала сенсорного управленияwhere SR is the sampling frequency of EMG - sensor control signal

Amp(i) - значение амплитуды сигнала в точке i, где i=1…n; затем фиксируют полученное значение PWRr показателя фонового ЭМГ-сигнала для определенной ненапряженной мышцы; вычисляют мощность ЭМГ-сигнала, зарегистрированного в течение времени Tt=~ 1 сек, каждой напряженной мышцы по формуле:Amp (i) - the value of the signal amplitude at point i, where i = 1 ... n; then fix the obtained PWRr value of the indicator of the background EMG signal for a certain loose muscle; calculate the power of the EMG signal recorded during the time Tt = ~ 1 sec, of each strained muscle according to the formula:

PWRt=(Amp(1)^2+...+Amp(n)^2) / n,PWRt = (Amp (1) ^ 2 + ... + Amp (n) ^ 2) / n,

где PWRt - значение мощности ЭМГ–сигнала;where PWRt is the value of the power of the EMG signal;

n - количество значений амплитуд (семплов) в ЭМГ - сигнале, n=Tt * SR, где SR - частота дискретизации ЭМГ-сигнала сенсорного управления Amp(i) - значение амплитуды сигнала в точке i, где i=1…n затем фиксируют полученное значение PWRt мощности ЭМГ - сигнала для определенной напряженной мышцы; по результатам соотношения текущей мощности сигнала к фоновой мощности:n is the number of amplitudes (samples) in the EMG signal, n = Tt * SR, where SR is the sampling frequency of the EMG signal of touch control Amp (i) is the signal amplitude at point i, where i = 1 ... n then fix the received the value of PWRt of the power of the EMG signal for a specific tensed muscle; according to the results of the ratio of the current signal power to background power:

PWRt / PWRr для данного отрезка времени Tt,PWRt / PWRr for a given time interval Tt,

где PWRr - значение мощности фонового ЭМГ-сигнала;where PWRr is the value of the power of the background EMG signal;

PWRt мощности ЭМГ-сигнала для определенной напряженной мышцы и формируют для механотренажера управляющие команды начала, остановки или изменения скорости движения конечности пациента с учетом соотношения текущей мощности электромиографического сигнала к фоновой мощности электромиографического сигнала (PWRt / PWRr) для данного отрезка времени Tt и определенной мышцы.PWRt of the EMG signal power for a specific tensed muscle and form control commands for the trainer to start, stop, or change the speed of the limb of the patient, taking into account the ratio of the current power of the electromyographic signal to the background power of the electromyographic signal (PWRt / PWRr) for a given time interval Tt and a specific muscle.

Дополнительная обработка зарегистрированных ЭМГ-сигналов для формировании управляющих команд, до подачи на механотренажер, при котором вычисляют и фиксируют уровень максимальной мощности ЭМГ-сигнала и мощность фонового фильтрованного полезного ЭМГ-сигнала для ненапряженной или напряженной мышц, позволяет по результатам соотношения, для заданного отрезка времени, текущей мощности сигнала к фоновой мощности, формировать управляющую команду с высокой степенью корреляции между задуманным движением, и выработанной командой начала, остановки или изменения скорости движения, направляемой к источнику приведения в движение, задаваемого механотренажеру, с размещенной в нем конечностью пациента, приводящая к возникновению устойчивой и релевантной биологической обратной связи, способствующей возникновению новых нейронных связей в обход пораженных участков и, таким образом, ускоренной реабилитации, что повышает эффективность реабилитации при заболеваниях, приводящих к двигательному дефициту верхней и нижней конечностей человека.Additional processing of the registered EMG signals to generate control commands, before applying to the machine simulator, at which the maximum power level of the EMG signal and the power of the background filtered useful EMG signal for unstressed or strained muscles are calculated and fixed, allows the results of the ratio for a given period of time , the current signal power to the background power, form a control command with a high degree of correlation between the conceived movement and the generated start command, new or changes in the speed of movement directed to the source of propulsion set by the mechanical trainer with the patient’s limb placed in it, leading to the emergence of stable and relevant biological feedback, contributing to the emergence of new neural connections bypassing the affected areas and, thus, accelerated rehabilitation, which increases the effectiveness of rehabilitation in diseases leading to motor deficiency of the upper and lower extremities of a person.

Способ восстановления двигательной активности верхней и нижней конечностей человека осуществляют следующим образом.A method of restoring motor activity of the upper and lower extremities of a person is as follows.

В процессе реабилитации путем закрепления конечности в механотренажере и формирования для механотренажера управляющих команд начала, остановки или изменения скорости движения конечности пациента при выполнении сгибания/разгибания/ приведения/отведения конечности с использованием механотренажера, при напряжении пациентом мышц конечностей в соответствии с сигналом из мозга, и в состоянии покоя, регистрируют изменение электрической активности соответствующей мышцы или группы мышц, биоэлектрические потенциалы, возникающие в мышцах человека, при возбуждении нервных волокон, то есть ЭМГ-сигнал.In the process of rehabilitation by fixing a limb in a mechanical simulator and forming control commands for a mechanical simulator to start, stop, or change the speed of a patient’s limb when performing flexion / extension / reduction / abduction of a limb using a mechanical simulator, when a patient tensiones limb muscles in accordance with a signal from the brain, and at rest, a change in the electrical activity of the corresponding muscle or muscle group is recorded, bioelectric potentials arising in the muscles of the h man, with the excitation of nerve fibers, that is, an EMG signal.

Таким образом, у пациента, который пытается, например, согнуть руку в локтевом суставе, возникнет определенное изменение электрической активности в области бицепса, а соответственно и миоэлектричества на поверхности, которым сопровождается мышечное усилие, созданное соответствующей мышцей или группой мышц для сгибания/разгибания конечностей, в соответствии с сигналом из мозга, который регистрируют.Thus, in a patient who is trying, for example, to bend his arm in the elbow joint, there will be a certain change in electrical activity in the biceps region, and accordingly, myoelectricity on the surface, which is accompanied by the muscle effort created by the corresponding muscle or muscle group for flexion / extension of the limbs, in accordance with the signal from the brain, which is recorded.

Зарегистрированную электрическую активность в области бицепса управляющей программой анализируют, для этого аналоговый электрический сигнал усиливают дифференциальным усилителем, преобразуют в цифровой вид и формируют управляющие команды, начала, остановки или изменения скорости движения механотренажера, задаваемого для определенной мышцы или группы мышц, размещенной в механотренажере конечности.The registered electrical activity in the biceps area is analyzed by the control program, for this the analog electrical signal is amplified by a differential amplifier, converted into a digital form and control commands are generated, the beginnings, stops or changes in the speed of the exercise machine specified for a specific muscle or muscle group located in the exercise machine of the limb.

Для повышения степени корреляции между задуманным движением и выработанным сигналом, направляемым к источнику приведения в движение механотренажера, до подачи на механотренажер, при формировании управляющих команд, начала, остановки или изменения скорости движения, задаваемого размещенной в механотренажере конечности пациента, зарегистрированный ЭМГ-сигнал дополнительно обрабатывают управляющей программой следующим образом.To increase the degree of correlation between the intended movement and the generated signal directed to the source of driving the exercise machine, before applying to the exercise machine, when forming control commands, starting, stopping or changing the speed of movement set by the patient’s limb located in the exercise machine, the registered EMG signal is additionally processed control program as follows.

Отфильтровывают шумы фильтром Баттерворта 4-го порядка, удаляя полосу частот от 48 Гц до 52 Гц.The noise is filtered out with a 4th order Butterworth filter, removing the frequency band from 48 Hz to 52 Hz.

Выделяют необходимую для анализа полосу частот, удаляя полосы частоты ниже 35 Гц и выше 45 Гц и получают показатель фонового ЭМГ-сигнала для данной ненапряженной мышцы;.Allocate the frequency band necessary for analysis by removing frequency bands below 35 Hz and above 45 Hz and obtain an indicator of the background EMG signal for this unstressed muscle;

Вычисляют мощность фонового фильтрованного ЭМГ-сигнала PWRr, зарегистрированного в течение времени Tr=~ 10 сек, для каждой ненапряженной мышцы по формуле:The power of the background filtered EMG signal PWRr, recorded during the time Tr = ~ 10 sec, is calculated for each loose muscle according to the formula:

PWRr=(Amp(1)^2+ … +Amp(n)^2) / n,PWRr = (Amp (1) ^ 2 + ... + Amp (n) ^ 2) / n,

где PWRr - значение мощности фонового ЭМГ-сигналаwhere PWRr is the value of the power of the background EMG signal

n - количество значений амплитуд (семплов) в сигнале, n=Tr * SR,n is the number of amplitudes (samples) in the signal, n = Tr * SR,

где SR - частота дискретизации ЭМГ-сигнала сенсорного управления;where SR is the sampling frequency of the EMG signal of touch control;

Amp(i) - значение амплитуды сигнала в точке i, где i=1…n.Amp (i) is the value of the signal amplitude at point i, where i = 1 ... n.

Затем фиксируют полученное значение PWRr показателя фонового ЭМГ-сигнала для определенной ненапряженной мышцы.Then, the obtained PWRr value of the background EMG signal index for a certain unstressed muscle is fixed.

Вычисляют мощность ЭМГ - сигнала, зарегистрированного в течение времени Tt=~ 1 сек, каждой напряженной мышцы по формуле:The power of the EMG signal, recorded during the time Tt = ~ 1 sec, of each tensed muscle is calculated by the formula:

PWRt=(Amp(1)^2+ … +Amp(n)^2) / n,PWRt = (Amp (1) ^ 2 + ... + Amp (n) ^ 2) / n,

где PWRt - значение мощности ЭМГ – сигнала;where PWRt is the value of the power of the EMG signal;

n - количество значений амплитуд (семплов) в ЭМГ-сигнале, n=Tt * SR,n is the number of amplitude values (samples) in the EMG signal, n = Tt * SR,

где SR - частота дискретизации с ЭМГ - сигнала сенсорного управления;where SR is the sampling frequency with EMG - sensor control signal;

Amp(i) - значение амплитуды сигнала в точке i, где i=1…n.Amp (i) is the value of the signal amplitude at point i, where i = 1 ... n.

Затем фиксируют полученное значение PWRt мощности ЭМГ-сигнала для определенной напряженной мышцы.Then, the obtained PWRt value of the EMG signal power for a certain tense muscle is fixed.

По результатам соотношения текущей мощности сигнала к фоновой мощности PWRt / PWRr для данного отрезка времени Tt, формируют управляющие команды начала, остановки или изменения скорости движения, задаваемого размещенной в механотренажере конечности пациента.Based on the results of the ratio of the current signal power to the background power PWRt / PWRr for a given time interval Tt, control commands for starting, stopping, or changing the speed of movement defined by the patient’s limb located in the machine are generated.

Вычисляется отношение текущей активной мощности сигнала к фоновой мощности DIFF:The ratio of the current active signal power to the background power DIFF is calculated:

DIFF=PWRt / PWRr, DIFF = PWRt / PWRr,

где PWRt - значение мощности ЭМГ-сигнала для определенной напряженной мышцы;where PWRt is the value of the power of the EMG signal for a specific tensed muscle;

PWRr - значение мощности фонового ЭМГ-сигнала для каждой ненапряженной мышцы.PWRr is the value of the background EMG signal power for each unstressed muscle.

Сравнивают значения DIFF и DIFFtrigger (пороговое значение, ранее установленное в настройках ПО сенсорного управления).Compare the DIFF and DIFFtrigger values (the threshold value previously set in the touch control software settings).

Если значение DIFF превышает значение DIFFtrigger, управляющий сигнал поступает в ПО для начала движения соответствующего привода, в соответствии с выполняемым упражнением.If the DIFF value exceeds the DIFFtrigger value, the control signal is supplied to the software to start the movement of the corresponding drive, in accordance with the exercise.

Механотренажер получает команду на совершение, например, сгибательного движения в проекции локтевого сустава и, соответственно, рука пациента согнется.The mechanical trainer receives a command to perform, for example, a flexion movement in the projection of the elbow joint and, accordingly, the patient’s arm will be bent.

Если значение DIFF не превышает значение DIFFtrigger, сравнение значений DIFF и DIFFtrigger продолжает в течение следующего отрезка времени Tt.If the DIFF value does not exceed the DIFFtrigger value, the comparison of the DIFF and DIFFtrigger values continues for the next time interval Tt.

Техническим результатом является повышение степени корреляции между задуманным движением, и сформированной для механотренажера управляющей команды начала, остановки или изменения скорости движения конечности пациента с учетом соотношения текущей мощности электромиографического сигнала к фоновой мощности электромиографического сигнала (PWRt / PWRr) для данного отрезка времени Tt и определенной мышцы.The technical result is to increase the degree of correlation between the intended movement and the control command formed for the trainer to start, stop, or change the speed of the limb of the patient, taking into account the ratio of the current power of the electromyographic signal to the background power of the electromyographic signal (PWRt / PWRr) for a given time interval Tt and a specific muscle .

Claims (14)

Способ восстановления двигательной активности верхней и нижней конечностей человека путем закрепления конечности в механотренажере, измерения электромиографического сигнала на поверхности конечности при ненапряженной мышце или группе мышц для сгибания/разгибания конечностей и при напряженной мышце или группе мышц для сгибания/разгибания конечностей, усиления и преобразования аналогового сигнала в цифровой, и формирования для механотренажера управляющих команд начала, остановки или изменения скорости движения конечности пациента, отличающийся тем, что до формирования управляющих команд для механотренажера в зарегистрированных электромиографических сигналах отфильтровывают фильтром Баттерворта 4-го порядка шумы, при этом удаляют полосу частот от 48 Гц до 52 Гц, удаляют полосы частот ниже 35 Гц и выше 45 Гц, выделяют необходимую для анализа полосу частот и показатель фонового электромиографического сигнала для ненапряженной мышцы, вычисляют мощность фонового фильтрованного электромиографического сигнала PWRr, зарегистрированного в течение времени Тг=~ 10 сек для каждой ненапряженной мышцы по формуле: A method of restoring the motor activity of the upper and lower extremities of a person by fixing a limb in a mechanical simulator, measuring an electromyographic signal on the surface of a limb with an unstressed muscle or muscle group for flexion / extension of the limbs and with a tense muscle or muscle group for flexion / extension of the limbs, amplification and conversion of the analog signal in digital, and forming for the exercise machine control commands to start, stop, or change the speed of the limb, the patient characterized in that until the formation of control commands for the simulator in the registered electromyographic signals, the noise filter is filtered out with a Butterworth filter of the 4th order, while the frequency band from 48 Hz to 52 Hz is removed, the frequency bands below 35 Hz and above 45 Hz are removed, the necessary analyzing the frequency band and the background electromyographic signal indicator for an unstressed muscle, calculate the power of the background filtered electromyographic signal PWRr recorded during the time Tg = ~ 10 sec for each Oh unstressed muscle according to the formula: PWRr=(Amp(1)^2+…+Amp(n)^2) / n,PWRr = (Amp (1) ^ 2 + ... + Amp (n) ^ 2) / n, где PWRr - значение мощности фонового ЭМГ-сигнала;where PWRr is the value of the power of the background EMG signal; n - количество значений амплитуд (семплов) в сигнале, n=Tr * SR,n is the number of amplitudes (samples) in the signal, n = Tr * SR, где SR - частота дискретизации ЭМГ-сигнала сенсорного управления.where SR is the sampling frequency of the EMG sensor control signal. Amp(i) - значение амплитуды сигнала в точке i, где i=1…n;Amp (i) - the value of the signal amplitude at point i, where i = 1 ... n; затем фиксируют полученное значение PWRr показателя фонового ЭМГ-сигнала для определенной ненапряженной мышцы; вычисляют мощность ЭМГ-сигнала, зарегистрированного в течение времени Tt=~ 1 сек, каждой напряженной мышцы по формуле:then fix the obtained PWRr value of the indicator of the background EMG signal for a certain loose muscle; calculate the power of the EMG signal recorded during the time Tt = ~ 1 sec, of each strained muscle according to the formula: PWRt=(Amp(1)^2+ … +Amp(n)^2) / n,PWRt = (Amp (1) ^ 2 + ... + Amp (n) ^ 2) / n, где PWRt - значение мощности ЭМГ – сигнала;where PWRt is the value of the power of the EMG signal; n - количество значений амплитуд (семплов) в ЭМГ - сигнале, n=Tt * SR, где SR - частота дискретизации ЭМГ- сигнала сенсорного управления.n is the number of amplitude values (samples) in the EMG signal, n = Tt * SR, where SR is the sampling frequency of the EMG sensor control signal. Amp(i) - значение амплитуды сигнала в точке i, где i=1…n затем фиксируют полученное значение PWRt мощности ЭМГ-сигнала для определенной напряженной мышцы; по результатам соотношения текущей мощности сигнала к фоновой мощности:Amp (i) is the value of the signal amplitude at point i, where i = 1 ... n then fix the obtained value PWRt of the power of the EMG signal for a specific tensed muscle; according to the results of the ratio of the current signal power to background power: PWRt / PWRr для данного отрезка времени Tt,PWRt / PWRr for a given time interval Tt, где PWRr - значение мощности фонового ЭМГ-сигнала.where PWRr is the value of the power of the background EMG signal. PWRt мощности ЭМГ-сигнала для определенной напряженной мышцы и формируют для механотренажера управляющие команды начала, остановки или изменения скорости движения конечности пациента с учетом соотношения текущей мощности электромиографического сигнала к фоновой мощности электромиографического сигнала (PWRt / PWRr) для данного отрезка времени Tt и определенной мышцы.PWRt of the EMG signal power for a specific tensed muscle and form control commands for the trainer to start, stop, or change the speed of the limb of the patient, taking into account the ratio of the current power of the electromyographic signal to the background power of the electromyographic signal (PWRt / PWRr) for a given time interval Tt and a specific muscle.
RU2017114180A 2017-04-24 2017-04-24 Method for motion activity recovery of upper and lower human limbs RU2644295C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017114180A RU2644295C1 (en) 2017-04-24 2017-04-24 Method for motion activity recovery of upper and lower human limbs

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017114180A RU2644295C1 (en) 2017-04-24 2017-04-24 Method for motion activity recovery of upper and lower human limbs

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2644295C1 true RU2644295C1 (en) 2018-02-08

Family

ID=61173813

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017114180A RU2644295C1 (en) 2017-04-24 2017-04-24 Method for motion activity recovery of upper and lower human limbs

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2644295C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2703838C1 (en) * 2019-06-18 2019-10-22 Виталий Юрьевич Цыганков Method for recovering motor function of limb

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2010100671A (en) * 2010-01-11 2011-07-20 Общество с ограниченной ответственностью "Медицинский Реабилитационный Центр" (RU) METHOD FOR REHABILITATION TREATMENT OF REDUCED PATIENT
US20150150747A1 (en) * 2005-01-26 2015-06-04 University Of Tsukuba Wearable action-assist device and control program
US20160354606A1 (en) * 2007-12-05 2016-12-08 Gearbox, Llc Method and system for blocking nerve conduction
US20170061817A1 (en) * 2015-08-28 2017-03-02 Icuemotion, Llc System for movement skill analysis and skill augmentation and cueing
US20170095670A1 (en) * 2015-10-05 2017-04-06 Mc10 Method and system for neuromodulation and stimulation

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150150747A1 (en) * 2005-01-26 2015-06-04 University Of Tsukuba Wearable action-assist device and control program
US20160354606A1 (en) * 2007-12-05 2016-12-08 Gearbox, Llc Method and system for blocking nerve conduction
RU2010100671A (en) * 2010-01-11 2011-07-20 Общество с ограниченной ответственностью "Медицинский Реабилитационный Центр" (RU) METHOD FOR REHABILITATION TREATMENT OF REDUCED PATIENT
US20170061817A1 (en) * 2015-08-28 2017-03-02 Icuemotion, Llc System for movement skill analysis and skill augmentation and cueing
US20170095670A1 (en) * 2015-10-05 2017-04-06 Mc10 Method and system for neuromodulation and stimulation

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2703838C1 (en) * 2019-06-18 2019-10-22 Виталий Юрьевич Цыганков Method for recovering motor function of limb

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Calabrò et al. The role of virtual reality in improving motor performance as revealed by EEG: a randomized clinical trial
US8938289B2 (en) Motor training with brain plasticity
Niazi et al. Peripheral electrical stimulation triggered by self-paced detection of motor intention enhances motor evoked potentials
Tacchino et al. EEG analysis during active and assisted repetitive movements: evidence for differences in neural engagement
KR101566788B1 (en) Brain computer interface based functional electrical stimulator
Bellumori et al. Age-related decline in the rate of force development scaling factor
Geiger et al. EMG muscle activation pattern of four lower extremity muscles during stair climbing, motor imagery, and robot-assisted stepping: a cross-sectional study in healthy individuals
EP4000578A1 (en) Neurorehabilitation system and method for neurorehabilitation
Kotov-Smolenskiy et al. Surface EMG: applicability in the motion analysis and opportunities for practical rehabilitation
JP2004081676A (en) Biofeedback apparatus and method
RU2644295C1 (en) Method for motion activity recovery of upper and lower human limbs
RU2673151C1 (en) Method of bionic control of technical devices
Blanc et al. History of the study of skeletal muscle function with emphasis on kinesiological electromyography
Vojinovic et al. Effects of focal vibration and robotic assistive therapy on upper limb spasticity in incomplete spinal cord injury
JP6304626B2 (en) Rehabilitation equipment
Koyas et al. Detection of intention level in response to task difficulty from EEG signals
RU2366470C1 (en) Therapy of infantile children's cerebral palsy in form of spastic diplegia
RU2703838C1 (en) Method for recovering motor function of limb
Subramaniam Dance-based exergaming to improve physical function in aging and stroke
Mulder The learning of motor control following brain damage: experimental and clinical studies
JP6749777B2 (en) Rehabilitation equipment
Gaebler-Spira et al. Rehabilitation technologies for cerebral palsy
Costa et al. Studying cognitive attention mechanisms during walking from EEG signals
Larina et al. Rehabilitation possibilities for children with cerebral palsy through the use of robotic devices and biofeedback
Rodrigues et al. Physiological Self-regulation Using Biofeedback Training: From Concept to Clinical Applicability

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20200602