CN102824691A - 基于肌电信号通信机理的瘫痪肢体功能重建方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于肌电信号通信机理的瘫痪肢体功能重建方法及其装置。该重建装置包括探测电极阵列、信号处理电路、通信信道、激励生成电路和刺激电极阵列。所述的探测电极阵列采用多个探测电极和一个共用参考电极的单端形式，或采用两两配对的差动形式。本发明具有电路简单、器件体积小、功耗低、成本低、有利于推广应用的特点，可用于任何需要动作功能重建的场合，包括脊髓损伤的瘫痪病人动作功能重建，中风导致的偏瘫病人动作功能重建，健康人的动作训练等等。

Description

基于肌电信号通信机理的瘫痪肢体功能重建方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种基于肌电信号通信机理的瘫痪肢体功能重建方法及其装置，属于康复医学和电子科学的交叉领域。

背景技术

瘫痪病人肢体动作功能的丧失给他们自身及家庭乃至社会带来巨大的痛苦和负担。瘫痪肢体动作功能的重建，一直是康复医学重点研究的目标。多年以来，国内外的科学家们为瘫痪病人设计了众多控制肢体动作的功能电刺激装置，主要分为植入式的和非植入式两大类。植入式无可避免地为患者带来手术的困扰，而非植入式的功能电刺激由于通道数目少，无法达到精确的控制。重要的是，无论是植入式的还是非植入式的刺激系统，由于对各种动作的神经及肌电编码的认知缺失，只能通过构想的人工脉冲编码作为控制信号产生简单重复的肢体动作，这些动作和正常人肢体动作的自由度和和谐度相去甚远。由于健康肢体肌电信号真实反映着实时的肌肉活动方式，利用健康肢体动作时产生的肌电信号作为参照生成多通道的刺激信号，就弥补了现有功能电刺激系统的缺陷。

除上述针对瘫痪病人康复医学的应用，在体育运动员的训练，钢琴等乐器的练习和各种器械的操作训练等过程中，动作的准确复制和重建也有着重大的意义。设想一下，如果能够摆脱难以理解的口头传授的动作要领，精确的做出教练和老师要求的标准技术动作，无疑节省了大量的训练时间，更快地培养出优秀的运动员、演奏家、技术人员和熟练工人。

在ZL 200510135541.6的发明专利中，提出了“微电子系统辅助神经信道功能恢复方法及其装置”，用于受损脊髓神经的信道桥接、信号再生和功能重建。这一专利要处理的是动作和感觉的神经电位脉冲序列（编码）。该发明专利的特征是：1）应用目标是同体受损的脊髓神经，2）采用近距离有线的生物神经-电子接口，3）装置需要手术植入。

发明内容

本发明提出了一种基于肌电信号通信机理的瘫痪肢体功能重建方法及其装置，将采集到的健康肢体动作时产生的多通道肌电信号，经过信号处理，以有线或无线的通信方式传送至瘫痪肢体上的功能电激励系统，利用刺激波形生成算法生成多通道的刺激电信号，施加于穿戴在瘫痪肢体上的刺激电极阵列，产生与肌电信号采集肢体相似的和谐动作，达到瘫痪肢体动作功能重建的目的。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种基于肌电信号通信机理的瘫痪肢体功能重建装置，由探测电极阵列、信号处理电路、通信信道、激励生成电路和刺激电极阵列顺序连接而成，其中所述的探测电极阵列包括探测电极和参考电极；所述的信号处理电路由缓冲隔离器、滤波器、放大器和 A/D转换电路顺序连接而成，所述的通信信道由信号调制电路、无线发射电路、无线接收电路和信号解调电路顺序连接而成，所述的激励生成电路由基于微处理器的控制电路、D/A转换电路、信号隔离电路、极间耦合滤波网络和激励输出电路顺序连接而成，所述的刺激电极阵列包括正向激励输出端子和负向激励输出端子；探测电极阵列中的探测电极与信号处理电路中的缓冲隔离器的正输入端连接，参考电极与信号处理电路的缓冲隔离器的负输入端相连，信号处理电路中的A/D转换电路与通信信道的信号调制电路连接或者信号处理电路中的A/D转换电路与激励生成电路的控制电路连接，激励生成电路中的激励输出电路的正、负输出端分别与刺激电极阵列中的正向激励输出端子和负向激励输出端子连接。

所述的探测电极阵列采用多个探测电极和一个共用参考电极的单端形式，或采用两两配对的差动形式。

所述的探测电极阵列采用单端对地时，各通道共用一个参考电极，此时参考电极应放置在关节等无肌电信号位点附近，激励用多通道体表刺激电极的各正向和负向输出电极点中心距离不超过5cm，电极导体与皮肤接触面积小于1cm²，沿特定肌肉走向设置，正向输出电极位点的中心位于某一肌肉刺激敏感处，该敏感处的具体位置根据被刺激对象的实际情况通过激励实验方法确定，当某些特定肌肉需要的刺激强度较高时，将多个通道的输出电极置于同一肌肉上并同时输出相同刺激信号以提高刺激强度。

所述的滤波器包括RC低通滤波网络和高通滤波网络，RC低通滤波网络滤除高频信号的干扰，高通滤波网络抑制由电极接触和呼吸等因素产生的低频干扰。

本发明的有益效果如下：

1）目前用于动作功能重建的功能性电激励方法都采用人工编制的脉冲序列进行刺激。这种控制方式是根据动作解剖学的知识通过人们构想的动作方式生成相对规则的刺激脉冲序列刺激多块肌肉来实现的。实际动作过程中的肌肉组合，不仅有时序关系，还有强弱关系，只靠简单的脉冲组合刺激产生的动作和正常人肢体动作的自由度与和谐度相去较远。而本发明则从另一个方面为刺激波形的生成提供了参考，因为肌电信号是诱发其生成的神经信号的一种直接映射，是反映肌肉活化程度的一个重要参考，以其作为参考的刺激波形不仅包含了时序关系，空间关系，也包含了活化程度的强弱关系，以此为基础的多通道功能电刺激在实现肢体动作的自由度和和谐度方面比现有人工编码技术大有提高。

2）目前，用于动作功能重建的功能性电激励方法都采用人工编制的脉冲序列进行刺激，这种刺激脉冲的频率和占空比单一，而实际的肌肉在动作中可通过调节动作电位爆发频率和序列密度来调整肌肉的力量并减少肌肉疲劳。使用现有的单一频率和占空比的刺激脉冲，使得所有肌肉按照相同的刺激强度来活化，效率较低且肌肉易产生疲劳，不适合长时间使用。而本发明采用的刺激波形根据探测到的肌电信号来产生，刺激能量密度可根据动作中肌电信号强弱变化进行调整，从原理上来说，这种刺激波形相比于原来较为单一的刺激波形能够更接近实际情况使肌肉活化同时降低肌肉的动作疲劳，使系统的持续使用时间得到提高。

3）目前，用于临床的动作功能重建的功能性电激励系统使用的电极都为体积较大的体表干电极，其选择性较差，激励时导致多块肌肉同时活化，故动作无法精细控制。本装置中采用的多通道体表刺激电极阵列各正向和负向输出电极点中心距离不超过5cm，电极导体与皮肤接触面积小于1cm²，沿特定肌肉走向设置，正向输出电极位点的中心位于某一肌肉刺激敏感处，该敏感处的具体位置根据被刺激对象的实际情况而定。当某些特定肌肉需要的刺激强度较高时，可将多个通道的输出电极置于同一肌肉上并同时输出相同刺激信号以提高刺激强度。在提高刺激效率的同时，由于每一通道的电极接触点较小，肌肉选择性将明显增强。

4）由于本发明的肢体运动功能再生方法实现的基本上是主动肢体脉冲式动作电位到被动肢体一一对应的脉冲式动作电位的探测、处理、传递和激励的过程，不涉及激励脉冲的人工生成和参数调整等硬件和软件，具有电路简单、器件体积小、功耗低、成本低、有利于推广应用的特点。

5) 本发明可用于任何需要动作功能重建的场合，包括脊髓损伤的瘫痪病人动作功能重建，中风导致的偏瘫病人动作功能重建，健康人的动作训练等等。本发明采用有线或无线的方式传输刺激波形信号，相比于ZL200510135541.6的发明专利中神经信号仅仅是跨过受损的脊髓实现功能的重建与再生，使得动作控制的距离大大增加。同时与ZL200510135541.6的发明专利及ZL201020135844.4的实用新型专利比较，前两种专利所述系统不管是探测电极还是激励电极都需要手术进行植入，而本发明只需表面电极就可实现动功能的重建，大大降低了系统使用复杂性，可更快地投入到临床用途当中。

6) 本发明具有广泛的应用领域：在医疗康复领域，可以将该装置应用于一个健康人（如医护人员）和多个瘫痪病人之间，实现瘫痪病人在医护人员引导下的康复性动作。同时也可以将该装置的采集端置于偏瘫病人的健侧肢体，激励端置于病人的患肢，实现健侧肢体控制患侧肢体动作达到自我康复动作的目的；在运动员训练及其他器械操作领域，教练或老师可通过采集其进行标准技术动作时产生的肌电信号控制受训人员产生相同的动作，从而达到训练的目的；在军事领域，本专利思想可应用于生物机器人的研究，实现老鼠、狗、等动物在人远程模拟动作控制下侦察和排爆等军事任务。

附图说明

图1是本发明方法的示意图。

图2是本装置的结构框图，其中21为探测电极；22为参考电极；31为缓冲隔离器；32为滤波器；33为放大器；34为AD转换电路；41为信号调制电路；42为无线发射电路；43为无线接收电路；44为信号解调电路；51为基于微处理器的控制电路；52为D/A转换电路；53为信号隔离电路；54为极间耦合滤波网络；55为激励输出电路；61为正向激励输出端子；62为负向激励输出端子。

图3是信号处理电路中的缓冲隔离器、滤波器、放大器的一种实现方式。

图4是激励信号生成电路中的信号隔离电路，级间耦合滤波网络和激励电路的一种实现方式。

图5是健康人屈肘时，肱二头肌上探测到的肌电信号，以及依据此信号生成的刺激波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。

参看图1，利用穿戴在健康肢体上的体表探测电极阵列从健康肢体采集动作产生的多通道关键肌电信号并送入信号处理电路。信号处理电路将采集到的多通道体表肌电信号经过放大、滤波、A/D转换后通过有线或无线的通信数据方式经由通信信道将信号传输给激励信号生成电路。激励信号生成电路通过刺激波形生成算法生成多通道的刺激信号，并将功率放大后的刺激波形施加于穿戴在瘫痪肢体上的刺激电极阵列，作用于多个肌肉的刺激位点，使相应肌肉顺序活化，从而达到瘫痪肢体的动作功能重建。

参看图2，信号处理电路包含N(N=2,4,8,16,……)个通道，其中各通道包含缓冲隔离器31，滤波器32，放大器33，AD转换电路34，表面肌电探测用多通道体表电极阵列或采用多个探测电极和一个共用的参考电极的单端形式或采用两两配对的差动形式。各探测通道的探测电极21，与参考电极22为信号处理电路提供差分输入与缓冲隔离器31相连，（包含正向输入和负向输入两个输入端，各通道的探测电极21从不同肌肉上探测肌电信号送入不同通道的正向输入端，各通道的负向输入端与参考电极22相连。在实施过程中，探测电极置于肌肉的肌腹处，例如肱二头肌收缩时隆起最大处。各通道参考电极延肌肉走向布置于探测电极附近。当探测的肌肉数量较多，电极密度较大的情况下，各通道可共用一个参考电极，此时参考电极应放置在关节等无肌电信号位点附近。）将探测到的肌电信号送入滤波器32。缓冲隔离器31为电路提供了高的输出阻抗，滤波器32的作用是对环境中的高频以及由于电极接触，呼吸等因素产生的较低频的干扰信号进行抑制。将抑制后的信号送入放大器33，放大器中前置放大部分仪器放大器为电路提供高的共模抑制比以减少共模噪声的影响。然后进一步通过两级放大电路得到足够的增益后就可以通过A/D转换电路34进行A/D转换。

上述电路中，缓冲隔离器的作用是为电路提供高的输入阻抗，为电路和人体皮肤间提供良好的隔离。滤波器包括RC低通滤波网络和高通滤波网络。RC低通滤波网络滤除高频信号的干扰，高通滤波网络抑制由电极接触和呼吸等因素产生的低频干扰。放大器中的前置部分采用微弱信号探测中常用的仪器放大器，为电路提供高的共模抑制比。与差分方式的电极阵列组合，仪器放大器可抑制大部分共模干扰信号。仪器放大器的输出信号再经两级放大电路得到足够的增益。极间耦合电路是一个高通放大器，实现两级放大电路的直流工作点分离。A/D转换电路将多通道的模拟肌电放大信号转换成可以由微处理器处理的数字信号。然后，将该信号以有线或无线的通信数据方式传送至激励生成电路。

上述电路中的缓冲隔离器31，滤波器32，放大器33，的一种实现方式如图3所示。其中U1,U2,U4,U5,U6为运算放大器，U3为仪器放大器。A/D转换后的信号通过有线或无线的数据通信方式传送至激励生成电路。当采用无线方式传送时，通信信道应包含信号调制电路41、无线发射电路42、无线接收电路43和信号解调电路44。样机中采用配对的TI公司的CC2430 2.4GHz无线射频芯片作为通信信道控制芯片，该芯片支持ZigBee协议可达到低功耗多点无线数字通讯的目的。

在激励信号生成电路中，经过肌电信号模式识别和刺激输出转换算法生成特定波形的多通道功能电刺激信号。所说的激励信号生成电路包括基于微处理器的控制电路51、D/A转换电路52、信号隔离电路53、极间耦合滤波网络54和激励输出电路55。上述电路中，控制电路由单片机或其他控制单元如FPGA、DSP以及基于ARM构架的其他微处理器作为核心，将从通信信道中接收到的数字信号通过多通道刺激波形生成算法生成需要的多通道刺激信号，并将刺激波形信号传送至相应激励通道。上述算法主要包括信号预处理、动作模式分类、刺激通道选择及刺激波形生成五部分。D/A转换电路则负责将微处理器输出的数字信号转换为模拟电压信号。信号隔离电路的目的是使激励端的通道间进行隔离，使通道间彼此不共地，这样可有效的防止某一通道刺激时在其他通道上也产生刺激。级间耦合滤波网络的作用是隔离前级和后级电路的工作点，滤除信号隔离电路等前级电路产生的直流信号及其他高频干扰信号。由于体表刺激需要较高的刺激信号强度，激励电路的作用是对前级提供的模拟刺激信号进行不失真的功率放大，并进行阻抗变换，以减少由于电极接触阻抗或皮肤阻抗差异所引起的刺激效果差异。激励电路包含正向与负向两个输出端子，与多通道体表刺激电极阵列的一对电极点相连，作用于同一块肌肉附近。正负向端子分别与激励通道的正负向输出端相连。当探测端探测到人体进行某一动作的肌电信号时，系统通过内在的算法生成对应通道的刺激信号，使激励端在多个肌肉位点产生一定时序和强度的刺激，使得激励端肌肉群产生与探测端肌肉群相同的动作，从而达到动作功能精确重建的目的。

样机中采用TI公司的MSP430F169单片机作为控制电路的核心，由其执行刺激波形生成算法，同时该单片机集成了D/A转换电路52，无需额外电路便可将算法生成的数字信号进行D/A转换。D/A转换生成的模拟刺激波形依次经过每一通道的信号隔离电路53，极间耦合滤波网络54，激励电路55后施加于体表激励电极正向激励输出端子61、负向激励输出端子62。每通道的正向激励输出端子61位于肌肉敏感点上方，肌肉敏感点的具体位置可通过使用如江苏苏云医疗器材有限公司SY-708A神经肌肉刺激仪通过激励探测的方式确定（即给予低频脉冲刺激时诱发动作最大点）；每通道的负向激励输出端子62沿每通道肌肉走向位于正向输出端子61附近。

探测端多通道表面肌电信号的探测电极位于探测肌肉的肌腹附近。电极阵列或布置为对称形式，与差动的探测电路相连接，以减小干扰，或布置成单端对地形式，增加电极密度。单端对地时，各通道可共用一个参考电极，此时参考电极应放置在关节等无肌电信号位点附近。激励端多通道体表刺激电极的各正向和负向输出电极点中心距离不超过5cm，电极导体与皮肤接触面积小于1cm²，沿特定肌肉走向设置，正向输出电极位点的中心位于待刺激肌肉刺激敏感处，该敏感处的具体位置根据被刺激对象的实际情况通过实验方法确定。当某些特定肌肉需要的刺激强度较高时，可将多个通道的输出电极置于同一肌肉上并同时输出相同刺激信号以提高刺激强度。

激励信号生成电路中的信号隔离电路53，极间耦合滤波网络54，激励电路55的实现方式如图4所示。其中U7为隔离放大器，样机中选用了TI公司的ISO124隔离放大芯片。信号隔离电路53用于隔离各刺激通道，通过信号隔离电路53后，后级的激励电路彼此独立，有效的抑制了刺激电流在各通道间的串扰，增强了通道选择性。极间耦合滤波网络54在消除隔离放大器产生的高频干扰信号的同时去除了对人体有害的低频直流分量，提高了系统安全性，其中的U8、U9为运算放大器。由于体表刺激需要较高的刺激电压幅度，激励电路55的作用是对前级提供的刺激波形模拟信号进行不失真的功率放大，并进行阻抗变换，以减少由于电极接触阻抗或皮肤阻抗差异所引起的刺激效果差异，其中的U10，U11为功率集成运算放大器，可产生较大功率的波形输出，且信号保真度高，通频带较宽。

图5所示为一健康人在进行屈肘动作时肱二头肌产生的肌电信号及依据此肌电信号生成的刺激脉冲波形，可以看出在样机中使用的算法可识别肌电信号的峰值点，并在峰值位置生成一个负向刺激脉冲。将这一刺激波形通过刺激电极阵列6施加到瘫痪肢体肱二头肌肌肉敏感点即可产生相同的屈肘动作。 

Claims (4)

1.一种基于肌电信号通信机理的瘫痪肢体功能重建装置，其特征在于由探测电极阵列、信号处理电路、通信信道、激励生成电路和刺激电极阵列顺序连接而成，其中所述的探测电极阵列包括探测电极（21）和参考电极（22）；所述的信号处理电路由缓冲隔离器（31）、滤波器（32）、放大器（33）和 A/D转换电路（34）顺序连接而成，所述的通信信道由信号调制电路（41）、无线发射电路（42）、无线接收电路（43）和信号解调电路（44）顺序连接而成，所述的激励生成电路由基于微处理器的控制电路（51）、D/A转换电路（52）、信号隔离电路（53）、极间耦合滤波网络（54）和激励输出电路（55）顺序连接而成，所述的刺激电极阵列包括正向激励输出端子（61）和负向激励输出端子（62）；探测电极阵列中的探测电极（21）与信号处理电路中的缓冲隔离器（31）的正输入端连接，参考电极（22）与信号处理电路的缓冲隔离器（31）的负输入端相连，信号处理电路中的A/D转换电路（34）与通信信道的信号调制电路（41）连接或者信号处理电路中的A/D转换电路（34）与激励生成电路的控制电路（51）连接，激励生成电路中的激励输出电路（55）的正、负输出端分别与刺激电极阵列中的正向激励输出端子（61）和负向激励输出端子（62）连接。

2.根据权利要求1所述的基于肌电信号通信机理的瘫痪肢体功能重建装置，其特征在于：所述的探测电极阵列采用多个探测电极和一个共用参考电极的单端形式，或采用两两配对的差动形式。

3.根据权利要求2所述基于肌电信号通信机理的瘫痪肢体功能重建装置，其特征在于：所述的探测电极阵列采用单端对地时，各通道共用一个参考电极，此时参考电极应放置在关节等无肌电信号位点附近，激励用多通道体表刺激电极的各正向和负向输出电极点中心距离不超过5cm，电极导体与皮肤接触面积小于1cm²，沿特定肌肉走向设置，正向输出电极位点的中心位于某一肌肉刺激敏感处，该敏感处的具体位置根据被刺激对象的实际情况通过激励实验方法确定，当某些特定肌肉需要的刺激强度较高时，将多个通道的输出电极置于同一肌肉上并同时输出相同刺激信号以提高刺激强度。

4.根据权利要求1所述的基于肌电信号通信机理的瘫痪肢体功能重建装置，其特征在于：所述的滤波器（32）包括RC低通滤波网络和高通滤波网络，RC低通滤波网络滤除高频信号的干扰，高通滤波网络抑制由电极接触和呼吸等因素产生的低频干扰。

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