CN107928980A - 一种偏瘫患者的手部自主康复训练系统及训练方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种偏瘫患者的手部自主康复训练系统及训练方法，系统包括双核嵌入微处理器模块、前臂肌肉本体模块、表面肌电信号采集模块、肌电解码模块、无线通信模块、电源管理模块、检测模块、康复手套模块、用于驱动带动每根手指上的电机工作的驱动模块、神经假体模块以及上位机模块；训练方法采用主从控制的策略，将可穿戴手套系统和人体控制系统联系起来，对运动神经进行再塑造；改变单一的刺激模式，避免肌肉疲劳，对神经功能进行重建；通过对表面肌电信号的盲源分离处理，提高解码精度，使康复训练更注重于提高ADL能力。本发明具有智能化、实用性强、使用方便等显著进步；患者在家就能自主进行手部康复训练，具有较高的应用价值。

Description

一种偏瘫患者的手部自主康复训练系统及训练方法
技术领域
本发明涉及康复训练系统及训练方法，具体涉及一种基于肌电解码的偏瘫患者的手部自主康复训练系统，同时还涉及一种自主康复训练方法。
背景技术
在我国，意外事故和环境污染造成脑外伤、脑瘫等脑损伤致残人数可观，特别是随着老龄化社会的来临，脑中风成为运动功能障碍和偏瘫的主要因素。随着医疗水平的提高，脑中风的死亡率逐渐降低，但在中风的幸存者中，大约有80％-90％的患者会留下手部运动功能缺陷，失去自主生活能力和运动能力。患者正常的工作和生活受到严重影响，对其护理耗时、耗力，对社会和家庭都造成了负担。因此对于手部的康复训练系统成为研究的热点。
医学研究表明，脑损伤康复的本质来源于大脑的神经可塑性，神经可塑性和控制可塑性的机制是中风运动功能恢复的理论关键。通过引导患者进行积极的运动,以达到预防残疾和改善运动功能的效果。常规的康复训练中,手部在康复设备的带动下进行单一的运动训练，大脑皮层对重复运动的兴奋性逐渐降低，导致康复效果不尽人意。因此，在康复运动的训练过程及环境中加入一些随机因素以维持训练过程中皮层的兴奋性是有必要的。目前，研发的康复训练系统通过触屏电脑上播放的3D动画，引导患者进行被动运动或主动运动训练，使患者能够进行抓握、伸展、拾取物品。还有一些采用虚拟现实的方法来提供视觉刺激，提高康复训练效果。这些设备过于昂贵，不适合工薪阶层使用
神经可塑性恢复偏瘫患者手部运动功能具有重要意义，但并非所有的可塑性变化都是有益的。因此，需要人为地诱发可塑性变化。运动意图和运动反馈的结合可以诱发可塑性变化并改善功能恢复。动作电位是促使肌肉进行收缩的动力而不仅是肌肉收缩后的一种表现形式，因此表面肌电信号超前于实际运动，可以提供运动意图预判。本发明也采用前臂肌肉的表面肌电信号作为信号源，并将其中的运动意图解码出来，控制可穿戴康复手套，使其带动患侧手进行康复训练及日常活动。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种针对偏瘫患者的手部康复训练系统，另一目的是提供一种基于上述系统对偏瘫患者的手部进行康复训练的方法，本发明能够克服和解决现有技术中解码精度不高、康复训练模式单一、康复效率低等问题。
技术方案：一种偏瘫患者的手部自主康复训练系统，包括双核嵌入微处理器模块、前臂肌肉本体模块、表面肌电信号采集模块、肌电解码模块、用于双核嵌入微处理器模块与上位机模块通信的无线通信模块、用于给双核嵌入式微处理器模块和神经假体模块提供电压的电源管理模块、用于检测患侧手和健侧手信息的检测模块、用于带动偏瘫患者的手部进行康复训练的康复手套模块、用于驱动带动每根手指上的电机工作的驱动模块、用于给不同穴道以不同程度电刺激的神经假体模块以及上位机模块；所述上位机模块把是否需要电刺激以及通过解码后的模型参数通过无线通信模块传送到双核嵌入微处理模块控制相应模块运行。
所述双核嵌入微处理器模块包括ARM处理器和DSP处理器；其中，DSP处理器用于存储及处理表面肌电数据，接收无线通信模块传输的识别器参数，发送控制指令到驱动模块；接收检测模块传输的数据以便实时监测手部的运动状态；所述ARM处理器用于接收上位机模块的功能性刺激信息，产生用于对患侧手进行不同程度刺激的控制信号。
所述前臂肌肉本体模块包括患侧前臂肌肉和健侧前臂肌肉；所述健侧前臂肌肉用于采集表面肌电信号，所述患侧手为康复手套模块作用对象，所述患侧前臂肌肉为康复手套模块的作用对象；
优选的，所述电源管理模块还用于显示电量以及电量过低报警。
所述检测模块使用数据手套来检测患侧手和健侧手的位置信息、关节角度信息和压力信息，便于观察康复训练系统的控制精度；
所述肌电解码模块对采集到健侧手不同手势下的信号进行小波降噪处理，再进行盲源分离，提取出四通道的肌肉的动作电位序列；对提取出的动作电位序列进行均值、相关性系数、频域能量特征提取，并采用LDA的方法训练识别器。
神经假体模块根据患侧的自主发力时采集到的肌电数据提供给不同穴道以不同程度的电刺激。本发明的功能重建模块不仅可以通过肌电信号控制电刺激的起始和终止，同时还可以控制电刺激的强度和电刺激通道，从而完成功能性的运动重学习任务。
一种利用上述手部自主康复训练系统进行手部自主康复训练的方法，包括如下步骤：
步骤一、患者健侧手部执行特定动作，通过表面肌电信号采集模块采集患者健侧和患侧前臂的相应通道的表面肌电信号，分别将健侧的表面肌电信号和患侧的表面肌电信号存储在DSP处理器和ARM处理器中；
步骤二、将健侧前臂表面肌电信号和患侧前臂表面肌电信号对比，根据设定的阈值，确定刺激通道和刺激强度，即ARM处理器发送控制指令至神经假体模块，实现对相应肌肉穴道的刺激；
步骤三、将采集到健侧前臂表面肌电信号通过无线通信模块传送给上位机模块，并通过肌电解码模块进行肌电解码；将解码结果转化为相应的运动控制指令，传送给康复手套模块；
步骤四、康复手套模块在DSP处理器的控制下，执行运动，并带动患者患侧上肢执行康复训练；
步骤五、若患侧前臂表面肌电信号已超过设定阈值，则直接将采集到的患侧前臂表面肌电信号通过无线通信模块传送给上位机模块，根据肌电解码模块进行肌电解码；
步骤六、将解码结果转化为相应的运动控制指令，并传送给康复手套模块，协助患侧手进行日常活动，帮助恢复ADL能力。
本发明的康复训练分为两种模式，二者两种模式之间的切换只需康复治疗医师提前设定患侧前臂表面肌电信号和健侧前臂表面肌电信号的比较阈值，以超过阈值或不超过阈值来确定是选择主从康复训练模式还是辅助提高ADL能力模式；
所述步骤二中，根据健侧前臂表面肌电信号的平均功率频率的值来设定哪些通道相关的穴道需要电刺激，电刺激的强度是多少，以及是否采用患侧前臂表面肌电信号作为康复训练的信号源；所述电刺激的穴道为曲池穴、内关穴、外关穴、大陵穴四个穴道。
有益效果
和现有技术相比，本发明具有如下显著进步：1、可供多人使用，重复利用率高；2、改变了单一的功能刺激模式，缓解肌肉疲劳；3、适用性强，模式可以人为选择，避免连续的康复手套辅助运动增强病理模式；4、该康复系统有被动训练和主动康复两种模式结合，使运动功能恢复效率变高；5、该康复训练方法提高了肌电解码的精度，对于提高ADL能力具有显著作用。
附图说明
图1是本发明的系统结构图；
图2是处理器交互控制逻辑图；
图3是肌电解码模块功能框图；
图4是神经假体模块框图；
图5是刺激波形图。
具体实施方式
下面结合附图1至5对本发明的技术方案作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的手部康复系统主要由上位机模块12、双核控制模块、肌电信号采集模块3、肌电解码模块5、神经假体模块11、无线通信模块6、驱动模块10、检测模块8和可穿戴康复手套模块9组成；这种模块化设计使对模块进行单独调试、修改变得简单方便，同时也使控制系统变得更加独立和灵活。
其中，双核控制模块由ARM9E为核心的嵌入式处理器1和DSP微处理器2组成，利用DSP在数据处理上的优势和ARM的在逻辑执行方面的高效率，提高整个康复系统的实时性。两个处理器通过双口RAM进行通信和交换数据，通过无线通信模块与上位机进行通信。
肌电信号采集模块4采集到的健侧和患侧的肌电数据保存在DSP处理器2中，确定选择哪种康复方式；若是患侧的表面肌电信号能量微弱，不能达到康复治疗师设定的最低阈值，则选择自主康复模式，即将患侧肌电数据传送给ARM微处理器1，并通过表面肌电信号的平均功率频率确定刺激通道和刺激强度。通过ARM9E为核心的嵌入式处理器串口发送控制指令给刺激波形生成电路，生成相应频率、脉宽和电流强度的刺激波形，对相应肌电通道相关的穴道进行功能性电刺激。每次电刺激的时间，强度通过无线传送模块传送给上位机模块12，以便于康复治疗师改进康复治疗方案。若患侧肌电信号平均功率频率达到被动训练的最低阈值，则确定选择患侧或健侧前臂表面肌电信号作为信号源，根据康复治疗师对病人身体状况等各方面的综合因素决定。若选定健侧肌电信号作为信号源，则将其通过无线通信模块6传送给上位机模块12进行解码。解码的识别器参数通过无线通信模块传送至DSP处理器，DSP处理器将其转化为运动控制指令，驱动可穿戴康复手套带动患侧手部康复训练。若选定患侧肌电信号作为信号源，则将其通过无线通信模块送给上位机进行解码。解码的识别器参数通过无线通信模块传送至DSP处理器2，DSP处理器2将其转化为运动控制指令，驱动可穿戴康复手套辅助手部进行日常活动，帮助恢复ADL(Activities of DailyLiving)能力。
本发明提出一种基于上述系统的偏瘫患者手部康复训练方法，控制流程图如图2所示，包括以下步骤：
S1、康复治疗师指定手部执行动作，患者健侧手做出相应动作，同时想象患侧手做出相同动作；
S2、采集患者健侧和患侧前臂的桡侧腕屈肌、指浅屈肌、指伸肌、尺侧腕伸肌四通道的表面肌电信号；
S3、通过表面肌电信号采集模块4将采集到的四通道的肌电数据传送至DSP中储存；
S4、将健侧的相应通道肌电数据和患侧的相应通道肌电数据对比，根据康复治疗师设定的阈值，确定将健侧四通道肌电数据或是患侧四通道肌电数据传送至上位机；
S5、确定将患侧四通道肌电数据由DSP处理器传送至ARM处理器，根据康复治疗师设定的阈值确定刺激穴道、刺激频率和刺激强度，ARM处理器发送控制指令刺激波形生成电路，实现对相应肌肉穴道的刺激；
S6、上位机模块对DSP传送的四通道肌电数据，进行小波降噪、盲源分离、识别器训练，并将训练好的识别器参数通过无线通信模块传送至DSP处理器；
S7、DSP处理器接受无线通信模块传送的识别器参数，并将其转化为运动控制指令，传送给驱动模块；
S8、驱动模块驱动可穿戴康复手套带动患侧进行康复训练或是辅助手部进行日常活动，帮助恢复ADL(Activities of Daily Living)能力；
S9、检测模块包括健侧手和患侧手的数据手套，数据手套将健侧手和患侧手的位置信息、关节角度信息、压力信息传送至DSP处理器和上位机，实现对手部运动状态的实时监测和反馈；
S10、上位机实时记录功能重建模块的刺激通道和强度，以及检测模块传送的信息，方便康复治疗师改进治疗方案；
其中，肌电信号解码模块在上位机中完成，其主要流程如框图3所示，主要计算方法如下：
(1)小波变换去除白噪声，选择“sym4”小波作为母小波，分解层数为两层。全局阈值的估计采用Donoho提出的方法：
σ＝median(d1)/0.6745
其中d1为小层波分解的第一层高频系数、N为信号的长度、thr全局阈值。然后利用全局阈值对各层小波系数进行软阈值处理，再经重构得到降噪后的sEMG信号。
(2)盲源分离方法采用基于负熵判据的ICA固定点算法。将步骤(1)中的降噪信号X进行去均值和白化处理，使信号成为零均值和具有单位方差且各分量互不相关的矢量；根据负熵判据寻找解混矩阵W：
其中，对wi(n)进行牛顿迭代得到w(n+1)，并对w(n+1)进行归一化。
(3)将可观测信号减去已经独立的分量，重复(2)过程，直至所有独立分量都分离出来。方法如下：
(4)对四通道的处理过的sEMG信号进行特征提取，选取每个通道的均方根值(RMS)、平均功率频率和样本熵作为特征向量，其表达式如下：
xk为采样点的幅值，N为采样点总数。
样本熵：SampEn(x,m,r)＝-ln(Am(r)/Bm(r))
Bm(r)为原始序列和延时序列的匹配概率r为容差时间序列为{x1,x2,...,xn}
MPF平均功率频率：
其中，P(f)为傅里叶转换后的功谱率。
(5)选择对简单动作识别率高的LDA分类器，即给定特征x，对于类别数目k>2的分类问题有：
其中，为判别函数Ck为判别结果。
神经假体系统框图如图4所示；神经假体模块以ARM控制芯片为控制器，上位机根据四通道的平均功率频率来确定选择刺激哪条肌肉通道相关的穴道。确定刺激穴道之后，根据通道的平均功率频率确定刺激频率和强度。ARM嵌入式处理器发送刺激编码信息给多脉冲刺激波形生成电路，并将电流信息转化为电压信息作为恒流源的控制信号，以保证刺激波形如图5所示，刺激频率在20HZ-50HZ之间，刺激强度为1-20mA，刺激脉宽为100-600us，刺激波形为对称性双向脉冲。电源模块为恒流源提供电压，手控急停开关是在特殊情况下需要终止康复训练的装置。每次通道的选择以及功能性刺激信号的频率和强度以及刺激波形通过ARM嵌入式控制器传送到上位机中保存，方便观察刺激的规律，及时掌握患者的手部运动功能重建情况。
检测模块将检测和患侧的关节角度、位置信息、压力信息实时传送至DSP处理器和上位机模块，便于观察康复训练情况，及时调整康复方案
电池管理模块包括电池、电流传感器、蜂鸣器电路、电压转换电路。电流传感器实时监测电池输出电流大小，蜂鸣器电路用于电池电量不足报警。

Claims (9)

1.一种偏瘫患者的手部自主康复训练系统，其特征在于：包括双核嵌入微处理器模块、前臂肌肉本体模块(3)、表面肌电信号采集模块(4)、肌电解码模块(5)、用于双核嵌入微处理器模块与上位机模块(12)通信的无线通信模块(6)、用于给双核嵌入式微处理器模块和神经假体模块(11)提供电压的电源管理模块(7)、用于检测患侧手和健侧手信息的检测模块(8)、用于带动偏瘫患者的手部进行康复训练的康复手套模块(9)、用于驱动带动每根手指上的电机工作的驱动模块(10)、用于给不同穴道以不同程度电刺激的神经假体模块(11)以及上位机模块(12)；所述上位机模块(12)把是否需要电刺激以及通过解码后的模型参数通过无线通信模块(6)传送到双核嵌入微处理模块控制相应模块运行。
2.根据权利要求1所述的手部自主康复训练系统，其特征在于：所述双核嵌入微处理器模块包括ARM处理器(1)和DSP处理器(2)；其中，DSP处理器(2)用于存储及处理表面肌电数据，接收无线通信模块(6)传输的识别器参数，发送控制指令到驱动模块(10)；接收检测模块传输的数据；所述ARM处理器(1)用于接收上位机模块(12)的功能性刺激信息，产生用于对患侧手进行不同程度刺激的控制信号。
3.根据权利要求1所述的手部自主康复训练系统，其特征在于：所述前臂肌肉本体模块(3)包括患侧前臂肌肉和健侧前臂肌肉；所述健侧前臂肌肉用于采集表面肌电信号，所述患侧手为康复手套模块(9)的作用对象。
4.根据权利要求1所述的手部自主康复训练系统，其特征在于：所述电源管理模块还用于显示电量以及电量过低报警。
5.根据权利要求1所述的手部自主康复训练系统，其特征在于：所述检测模块(8)使用数据手套来检测患侧手和健侧手的位置信息、关节角度信息和压力信息。
6.根据权利要求1所述的手部自主康复训练系统，其特征在于：所述肌电解码模块(5)对采集到健侧手不同手势下的信号进行小波降噪处理，再进行盲源分离，提取出四通道的肌肉的动作电位序列；对提取出的动作电位序列进行均值、相关性系数、频域能量特征提取，并采用LDA的方法训练识别器。
7.一种利用如权利要求1所述的手部自主康复训练系统进行手部自主康复训练的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、患者健侧手部执行特定动作，通过表面肌电信号采集模块(4)采集患者健侧和患侧前臂的相应通道的表面肌电信号，分别将健侧的表面肌电信号和患侧的表面肌电信号存储在DSP处理器(2)和ARM处理器(1)中；
步骤二、将健侧前臂表面肌电信号和患侧前臂表面肌电信号对比，根据设定的阈值，确定刺激通道和刺激强度，即ARM处理器(1)发送控制指令至神经假体模块(11)，实现对相应肌肉穴道的刺激；
步骤三、将采集到健侧前臂表面肌电信号通过无线通信模块(6)传送给上位机模块(12)，并通过肌电解码模块(5)进行肌电解码；将解码结果转化为相应的运动控制指令，传送给康复手套模块(9)；
步骤四、康复手套模块(9)在DSP处理器(2)的控制下，执行运动，并带动患者患侧上肢执行康复训练；
步骤五、若患侧前臂表面肌电信号已超过设定阈值，则直接将采集到的患侧前臂表面肌电信号通过无线通信模块(6)传送给上位机模块(12)，根据肌电解码模块(5)进行肌电解码；
步骤六、将解码结果转化为相应的运动控制指令，并传送给康复手套模块(9)，协助患侧手进行日常活动，帮助恢复ADL能力。
8.根据权利要求2所述的手部自主康复训练方法，其特征在于：所述步骤二中，根据健侧前臂表面肌电信号的平均功率频率的值来设定哪些通道相关的穴道需要电刺激，电刺激的强度是多少，以及是否采用患侧前臂表面肌电信号作为康复训练的信号源。
9.根据权利要求8所述的手部自主康复训练方法，其特征在于，所述电刺激的穴道为曲池穴、内关穴、外关穴、大陵穴四个穴道。
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