CN106693178A - 一种基于自主意愿的上肢康复功能性电刺激闭环控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于自主意愿的上肢康复功能性电刺激闭环控制方法，包括以下两部分：一、电刺激的开启判断：通过采集到的肱二头肌和肱三头肌的自主意愿肌电信号判断出电刺激的开始和停止时刻；二、电刺激强度的闭环控制：测量实际肘关节运动角速度作为反馈量与期望的角速度相比较采用PID与逆动力学模型结合的控制方法实时调节刺激电流S的大小。本发明对患者的康复训练具有非常强的主动性，有利于偏瘫或瘫痪患者的康复。

Description

一种基于自主意愿的上肢康复功能性电刺激闭环控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于自主意愿的上肢康复功能性电刺激闭环控制方法。
背景技术
目前市面上已有的以及文献研究中的功能电刺激控制系统绝大部分采用开关触发和开环控制的系统方案设计，并且设计的电刺激控制系统不能够很好的与患者的主动康复训练结合。这些设计的系统存在一些缺陷。1、开环原理的控制系统无法根据康复训练的实际需要来调节刺激强度，给患者过多的刺激使得电刺激康复训练肌肉易疲劳，或者给患者刺激不足无法达到康复效果；2、不能够合理利用患者残肢自主意愿肌电信号(VEMG)作为反馈信号调节刺激强度和判断患者主动运动意图。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于自主意愿的上肢康复功能性电刺激闭环控制方法，对患者的康复训练具有非常强的主动性，有利于偏瘫或瘫痪患者的康复。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于自主意愿的上肢康复功能性电刺激闭环控制方法，其特征在于：包括以下两部分：
一、电刺激的开启判断
步骤A1：采集肱二头肌和肱三头肌的肌电信号；
步骤A2：对所述肌电信号进行滤波处理，得到对应的自主意愿肌电信号；
步骤A3：在伸肘运动中同时满足以下条件时开始电刺激肱三头肌：
在伸肘运动中同时满足以下条件时停止电刺激肱三头肌：
在屈肘运动中同时满足以下条件时开始电刺激肱二头肌：
在屈肘运动中同时满足以下条件时停止电刺激肱三头肌：
其中，VEMG2为肱二头肌的自主意愿肌电信号；VEMG3为肱三头肌的自主意愿肌电信号；V1为电刺激伸肘运动时采集到的肱二头肌的自主意愿肌电信号最大值；V2为电刺激屈肘运动时采集到的肱三头肌的自主意愿肌电信号最大值；V3为做伸肘运动保持x1秒的肱三头肌的自主意愿肌电信号的求和值；V4为做屈肘运动保持x2秒的肱二头肌的自主意愿肌电信号的求和值；
二、电刺激强度的闭环控制
步骤B1：测量肘关节的运动角速度V；
步骤B2：将采集到的自主意愿肌电信号经比例放大得到期望的角速度Vd；
步骤B3：将所述运动角速度V作为反馈量与期望的角速度Vd相比较采用PID与逆动力学模型结合的控制方法实时调节刺激电流S的大小。
进一步的，所述步骤A1中的肌电信号包括电刺激伪迹、M波伪迹和自主意愿肌电信号。
进一步的，所述步骤A2中使用采样保持的方法滤除电刺激伪迹，使用基于最小二乘原则的自适应滤波的方法滤除M波伪迹。
进一步的，所述步骤B2中比例放大的具体过程如下：
其中，VEMG为自主意愿肌电信号；b为正常人肘关节运动角速度的最大值，a为正常人肘关节运动角速度的最小值，即正常人肘关节运动角速度范围为[a,b]；d为患者自主意愿肌电信号的最大值，c为患者自主意愿肌电信号的最小值，即患者自主意愿肌电信号范围为[c,d]。
进一步的，所述步骤B3中PID与逆动力学模型结合的具体内容为：动态逆动力学模型的学习更新过程，使用PID计算出的刺激电流S作为逆动力学模型的输出误差，使用误差传播的方法更新动态逆动力学模型的连接权系数。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明能够根据患者残留的自主意愿肌电信号控制肘关节的停止位置和肘关节运动的速度，对患者的康复训练来说具有非常强的主动性，更有利于偏瘫或瘫痪患者的康复。
附图说明
图1是一实施例的肘关节水平运动示意图。
图2是本发明的闭环控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
本发明提供一种基于自主意愿的上肢康复功能性电刺激闭环控制方法，包括以下两部分：
一、电刺激的开启判断
步骤A1：肘关节的运动主要由肱二头肌和肱三头肌的协调收缩完成，肱三头肌主要负责肘关节的伸肘运动，肱二头肌主要负责肘关节的屈肘运动。采集肱二头肌和肱三头肌的肌电信号，所述肌电信号包括电刺激伪迹、M波伪迹和自主意愿肌电信号。请参照图1，1表示头部，2表示大臂，3表示小臂；用于采集肱二头肌和肱三头肌的肌电信号的采集电极分别对应设置在肱二头肌肌腹E1和肱三头肌肌腹E2的位置，S1对应于电刺激肱二头肌的刺激电极位置，S2对应于电刺激肱三头肌的刺激电极位置。
步骤A2：对采集到的肌电信号进行滤波处理除去电刺激伪迹和M波伪迹，得到对应的自主意愿肌电信号；优选的，使用采样保持的方法滤除电刺激伪迹，使用基于最小二乘原则的自适应滤波的方法滤除M波伪迹。
步骤A3：监测自主意愿肌电信号来确定肱二头肌/肱三头肌相应停止刺激的时刻；
在伸肘运动中同时满足以下条件时开始电刺激肱三头肌：
在伸肘运动中同时满足以下条件时停止电刺激肱三头肌：
在屈肘运动中同时满足以下条件时开始电刺激肱二头肌：
在屈肘运动中同时满足以下条件时停止电刺激肱三头肌：
其中，VEMG2为肱二头肌的自主意愿肌电信号；VEMG3为肱三头肌的自主意愿肌电信号；V1为电刺激伸肘运动时采集到的肱二头肌的自主意愿肌电信号最大值；V2为电刺激屈肘运动时采集到的肱三头肌的自主意愿肌电信号最大值；V3为做伸肘运动保持x1秒的肱三头肌的自主意愿肌电信号的求和值；V4为做屈肘运动保持x2秒的肱二头肌的自主意愿肌电信号的求和值；该些阈值的设定需要通过试验求得，且因人而异。
刺激开始时肘关节运动，刺激停止时肘关节停止运动，这样患者能够根据自己的意愿确定肘关节运动的位置。
二、电刺激强度的闭环控制
当电刺激器(刺激电极)经过阈值判断开启刺激后的闭环控制过程如图2所示。图中的限幅是指计算出的刺激电流的大小要限制在患者可以承受的范围之内。
步骤B1：通过配置的角度传感器采集肘关节弯曲的角度，从而结合时间参数计算出肘关节的运动角速度V；
步骤B2：将采集到的自主意愿肌电信号经比例放大得到期望的角速度Vd；比例放大的具体过程如下：
其中，VEMG为自主意愿肌电信号，于本实施例中，当处于伸肘运动时，该自主意愿肌电信号对应为上文所述的肱三头肌的自主意愿肌电信号VEMG3；当处于屈肘运动时，该自主意愿肌电信号对应为上文所述的肱二头肌的自主意愿肌电信号VEMG2；b为正常人肘关节运动角速度的最大值，a为正常人肘关节运动角速度的最小值，即正常人肘关节运动角速度范围为[a,b]；d为患者自主意愿肌电信号的最大值，c为患者自主意愿肌电信号的最小值，即患者自主意愿肌电信号范围为[c,d]。
步骤B3：将所述运动角速度V作为反馈量与期望的角速度Vd相比较采用PID与逆动力学模型结合的控制方法实时调节刺激电流S的大小。优选的，PID与逆动力学模型结合的具体内容为：动态逆动力学模型的学习更新过程，使用PID计算出的刺激电流S作为逆动力学模型的输出误差，使用误差传播的方法更新动态逆动力学模型的连接权系数。其中，动态逆动力学模型使用四层的人工神经网络搭建，该模型建立的是期望角速度和角加速度与肱二头肌、肱三头肌的刺激电流的关系。对于动态逆动力学模型神经元个数参数通过设置不同的数值进行系统仿真实验，比较不同神经元个数下的仿真实验的效果来确定。在PID反馈控制部分，PID参数采用CHR的方法来确定。
本发明主要用途是针对脑卒中和脊髓损伤患者的上肢康复训练。脑卒中幸存者中有30％～36％的脑卒中患者在发病6个月后有上肢功能障碍，对于脊髓损伤患者当其受损部位为C5或C6位置，患者就会丧失肩膀、手肘和手腕等上肢运动功能。所设计的肘关节控制的功能性电刺激系统就是用于偏瘫或瘫痪病人上肢功能障碍的康复训练。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种基于自主意愿的上肢康复功能性电刺激闭环控制方法，其特征在于：包括以下两部分：
一、电刺激的开启判断
步骤A1：采集肱二头肌和肱三头肌的肌电信号；
步骤A2：对所述肌电信号进行滤波处理，得到对应的自主意愿肌电信号；
步骤A3：在伸肘运动中同时满足以下条件时开始电刺激肱三头肌：
V E M G 2 < V 1 V E M G 3 > V 2 &Sigma; V E M G 3 > V 3
在伸肘运动中同时满足以下条件时停止电刺激肱三头肌：
V E M G 3 < V 2 V E M G 2 > V 1
在屈肘运动中同时满足以下条件时开始电刺激肱二头肌：
V E M G 2 > V 1 V E M G 3 < V 2 &Sigma; V E M G 2 > V 4
在屈肘运动中同时满足以下条件时停止电刺激肱三头肌：
V E M G 3 > V 2 V E M G 2 < V 1
其中，VEMG2为肱二头肌的自主意愿肌电信号；VEMG3为肱三头肌的自主意愿肌电信号；V1为电刺激伸肘运动时采集到的肱二头肌的自主意愿肌电信号最大值；V2为电刺激屈肘运动时采集到的肱三头肌的自主意愿肌电信号最大值；V3为做伸肘运动保持x1秒的肱三头肌的自主意愿肌电信号的求和值；V4为做屈肘运动保持x2秒的肱二头肌的自主意愿肌电信号的求和值；
二、电刺激强度的闭环控制
步骤B1：测量肘关节的运动角速度V；
步骤B2：将采集到的自主意愿肌电信号经比例放大得到期望的角速度Vd；
步骤B3：将所述运动角速度V作为反馈量与期望的角速度Vd相比较采用PID与逆动力学模型结合的控制方法实时调节刺激电流S的大小。
2.根据权利要求1所述的基于自主意愿的上肢康复功能性电刺激闭环控制方法，其特征在于：所述步骤A1中的肌电信号包括电刺激伪迹、M波伪迹和自主意愿肌电信号。
3.根据权利要求2所述的基于自主意愿的上肢康复功能性电刺激闭环控制方法，其特征在于：所述步骤A2中使用采样保持的方法滤除电刺激伪迹，使用基于最小二乘原则的自适应滤波的方法滤除M波伪迹。
4.根据权利要求1所述的基于自主意愿的上肢康复功能性电刺激闭环控制方法，其特征在于：所述步骤B2中比例放大的具体过程如下：
V d = ( b - a ) ( d - c ) * V E M G
其中，VEMG为自主意愿肌电信号；b为正常人肘关节运动角速度的最大值，a为正常人肘关节运动角速度的最小值，即正常人肘关节运动角速度范围为[a,b]；d为患者自主意愿肌电信号的最大值，c为患者自主意愿肌电信号的最小值，即患者自主意愿肌电信号范围为[c,d]。
5.根据权利要求1所述的基于自主意愿的上肢康复功能性电刺激闭环控制方法，其特征在于：所述步骤B3中PID与逆动力学模型结合的具体内容为：动态逆动力学模型的学习更新过程，使用PID计算出的刺激电流S作为逆动力学模型的输出误差，使用误差传播的方法更新动态逆动力学模型的连接权系数。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107596560A (zh) * 2017-10-18 2018-01-19 福州大学 一种基于角速度信号的足下垂助行仪的控制方法
CN108392795A (zh) * 2018-02-05 2018-08-14 哈尔滨工程大学 一种基于多信息融合的康复机器人多模态控制方法
CN108433729A (zh) * 2018-04-19 2018-08-24 福州大学 一种用于人体感觉运动控制研究的多信号采集与同步系统
CN109814716A (zh) * 2019-01-29 2019-05-28 福州大学 一种基于动态表面肌电信号的运动意图解码方法
CN110013251A (zh) * 2018-01-04 2019-07-16 韩国电子通信研究院 用于自主意愿下肌电图信号检测的系统和方法
CN111195392A (zh) * 2019-12-31 2020-05-26 清华大学 用于脊髓损伤康复治疗的植入式脊髓刺激系统

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107596560A (zh) * 2017-10-18 2018-01-19 福州大学 一种基于角速度信号的足下垂助行仪的控制方法
CN110013251A (zh) * 2018-01-04 2019-07-16 韩国电子通信研究院 用于自主意愿下肌电图信号检测的系统和方法
CN110013251B (zh) * 2018-01-04 2022-04-15 韩国电子通信研究院 用于自主意愿下肌电图信号检测的系统和方法
US11369304B2 (en) 2018-01-04 2022-06-28 Electronics And Telecommunications Research Institute System and method for volitional electromyography signal detection
CN108392795A (zh) * 2018-02-05 2018-08-14 哈尔滨工程大学 一种基于多信息融合的康复机器人多模态控制方法
CN108392795B (zh) * 2018-02-05 2019-11-01 哈尔滨工程大学 一种基于多信息融合的康复机器人多模态控制方法
CN108433729A (zh) * 2018-04-19 2018-08-24 福州大学 一种用于人体感觉运动控制研究的多信号采集与同步系统
CN108433729B (zh) * 2018-04-19 2023-05-12 福州大学 一种用于人体感觉运动控制研究的多信号采集与同步系统
CN109814716A (zh) * 2019-01-29 2019-05-28 福州大学 一种基于动态表面肌电信号的运动意图解码方法
CN109814716B (zh) * 2019-01-29 2021-07-27 福州大学 一种基于动态表面肌电信号的运动意图解码方法
CN111195392A (zh) * 2019-12-31 2020-05-26 清华大学 用于脊髓损伤康复治疗的植入式脊髓刺激系统

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