CN108211141A - 一种基于肌电信号反馈的闭环疼痛超声理疗系统 - Google Patents

Abstract

一种基于肌电信号反馈的闭环疼痛超声理疗系统，其特征在于，包括如下步骤：步骤1)、对受试者进行超声理疗并安放肌电电极；步骤2)、实时采集肌电信号，小波分解并提取500Hz以内的肌电信号；步骤3)、使用巴特沃斯滤波器提取50‑150Hz肌电信号；步骤4)、对该频段肌电信号计算幅值；步骤5)、根据信号幅度的变化适度调节理疗超声的幅度。本发明提供的一种基于肌电信号反馈的闭环疼痛超声理疗系统，能够从根源定型分析受疗者受疗部位的疼痛程度，将提取出来的信号进行处理与分析，并根据受疗者肌电信号的平均振幅变化，判定受疗者的理疗效果，从而调整理疗强度，为受疗者提供更有效果的理疗。

Description

一种基于肌电信号反馈的闭环疼痛超声理疗系统

技术领域

本发明主要医学工程技术领域，具体涉及一种基于肌电信号反馈的闭环疼痛超声理疗系统。

背景技术

颈肩痛是由颈肩部的软组织慢性劳损所引起的常见临床症状。表面肌电图是一种新型、无创的肌肉活动检查手段，能测量肌肉的活动与功能。在疼痛缓解的过程中，相应肌肉的肌电信号振幅会有相应的提高。

目前常见的颈肩痛缓解理疗方法有人工按摩或者机械理疗，人工按摩中按摩师可根据受疗对象的语言反馈适当调节按摩力度而达到最佳的按摩效果，然而机械理疗由于缺乏语言交流而无法使机器了解受疗者的感受，最终导致不能达到最佳的理疗效果。因此，如何克服受疗者对机器的反馈，从而调节理疗的强度，使理疗效果达到最佳，成为当前需要解决的问题。

发明内容

基于当今时代的需求和上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于肌电信号反馈的闭环疼痛超声理疗系统，通过该方法可有效准确的调节超声理疗设备的理疗强度，从而达到最佳的理疗效果。

本发明技术方案如下

一种基于肌电信号反馈的闭环疼痛超声理疗系统，包括如下步骤：

步骤1)、通过超声理疗仪对受试者进行超声理疗并安放肌电电极；

步骤2)、实时采集肌电信号，小波分解并提取500Hz以内的肌电信号。；

步骤3)、使用巴特沃斯滤波器提取50-150Hz肌电信号；

步骤4)、对该频段肌电信号计算幅值；

步骤5)、根据信号幅度的变化适度调节理疗超声的幅度。

所述步骤1)的超声理疗仪的信号产生电路集超声激励脉冲、电致孔脉冲、电刺激信号三者为一体，并根据需要通过单片机选择超声激励脉冲、电致孔脉冲、电刺激信号配合使用，提高药物使用的渗透效果，使人体局部或全身得到更好的理疗，同时单片机接收反馈信号并对电路进行调整。

所述步骤2)小波分解并提取理疗期间500Hz以内肌电信号包括以下步骤：

(1)肌电信号为离散信号，信号的有用能量在0-500Hz频率范围内，主要集中在50-150Hz；

(2)小波分解肌电信号：

小波分解是基于尺度函数和小波函数为基函数进行分解的，用φ(t)和ψ(t) 分别表示小波变化的尺度函数和小波母函数，那么根据二尺度方程可构造如下的小波基：

其中：i为节点号，j为分解级数，k为平移参数，t为时间

h(n)和g(n)＝(-1)^1-nh(1-n)为一对正交镜像滤波器。

离散小波变换

设x(n)表示实验采集的EEG离散信号，则x(n)的离散小波变换定义为：

其中m为伸缩因子，n为平移参数，t为时间；

采用Mallat算法，对信号进行有限层分解，即

式中，L为分解层数，A_L为低通逼近分量，D_j为不同尺度下的细节分量。设肌电信号ES为x(n)的采样频率为fs，则(2)式中的A_L、D_L、D_L-1、…、D₁各分量所对应的子频带依次为：

根据所要提取信号的频段，选择相应的频带对应的小波分解系数，用小波逆变换即可重构信号；x(n)＝A₄++D₄+D₃+D₂+D₁,根据表1中各分量对应的子频带，分解5层即可提取50-500Hz肌电信号；确定分解层次为5层，选用 db9小波对肌电信号进行5层分解；

表1

(3)将50-500Hz的肌电信号提取出来并进行阈值去噪：

小波分解所得的50-500Hz的频率图表明，在500Hz以上的噪声仍存在，因此我们采用小波阈值去噪对50-500Hz肌电信号去噪；

因为噪声往往都是频率比较高，因此去噪就是去除信号当中的一些高频成分，在本次试验当中去除了500Hz以上的频率成分；

由2⁹＝512>500可知，去除500Hz以上的频率成分相当于高频(细节)图像数据当中第九层以上的数据置为0。

所述步骤3)50-150Hz的肌电信号提取方法包括以下步骤：通过置于颈竖脊肌或斜方肌上支的电极通过转接电缆与电脑相连，把肌电数据传输给电脑；使用matlab软件提取肌电数据，肌电信号有用能量0-500Hz频率范围内，由于该频率范围包含50Hz工频干扰，首先为其设计50Hz陷波器，滤除50Hz 工频干扰；

肌电信号有用能量主要集中在50-150Hz，所以通过设置巴特沃斯带通滤波选择50Hz为通带低频截止频率150Hz为通带高频截止频率，10Hz为阻带低频截止频率，500Hz为阻带高频截止频率，最终滤出50-150Hz肌电信号即为有用的肌电信号。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的一种基于肌电信号反馈的闭环疼痛超声理疗系统，能够从根源定型分析受疗者受疗部位的疼痛程度，将提取出来的信号进行处理与分析，并根据受疗者肌电信号的平均振幅变化，判定受疗者的理疗效果，从而调整理疗强度，为受疗者提供更有效果的理疗。

本发明提供的一种基于肌电信号反馈的闭环疼痛超声理疗系统，能够通过实实在在的参数对设备的理疗效果进行客观评价，对于设备的改良提供参考依据。

附图说明

图1为发明的流程示意图；

图2为发明的5层分解的细节系数的波形图；

图3为发明的5层分解的近似系数波形图。

图4为发明的原始信号波形图之一。

图5为发明的消噪后的信号波形图之一。

图6为发明的50Hz陷波器的波形图。

图7为发明的为发明的原始信号波形图之二。

图8为发明的消噪后的信号波形图之二。

图9为发明的原始信号频谱波形图。

图10为发明的滤除噪声后信号频谱波形图。

图11为本发明的最终所需的50+150Hz肌电信号波形图。

具体实施方式

下面将结合发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。

请参阅图1-11所示，如图1，一种基于肌电信号反馈的闭环疼痛超声理疗系统，包括如下步骤：

步骤1)、通过超声理疗仪对受试者进行超声理疗并安放肌电电极；

步骤2)、实时采集肌电信号，小波分解并提取500Hz以内的肌电信号。；

步骤3)、使用巴特沃斯滤波器提取50-150Hz肌电信号；

步骤4)、对该频段肌电信号计算幅值；

步骤5)、根据信号幅度的变化适度调节理疗超声的幅度。

所述步骤1)的超声理疗仪的信号产生电路集超声激励脉冲、电致孔脉冲、电刺激信号三者为一体，并根据需要通过单片机选择超声激励脉冲、电致孔脉冲、电刺激信号配合使用，提高药物使用的渗透效果，使人体局部或全身得到更好的理疗，同时单片机接收反馈信号并对电路进行调整。

所述步骤2)小波分解并提取理疗期间500Hz以内肌电信号包括以下步骤：

(1)肌电信号为离散信号，信号的有用能量在0-500Hz频率范围内，主要集中在50-150Hz；

(2)小波分解肌电信号：

小波分解是基于尺度函数和小波函数为基函数进行分解的，用φ(t)和ψ(t) 分别表示小波变化的尺度函数和小波母函数，那么根据二尺度方程可构造如下的小波基：

其中：i为节点号，j为分解级数，k为平移参数，t为时间

h(n)和g(n)＝(-1)^1-nh(1-n)为一对正交镜像滤波器。

离散小波变换

设x(n)表示实验采集的EEG离散信号，则x(n)的离散小波变换定义为：

其中m为伸缩因子，n为平移参数，t为时间；

采用Mallat算法，对信号进行有限层分解，即

式中，L为分解层数，A_L为低通逼近分量，D_j为不同尺度下的细节分量。设肌电信号ES为x(n)的采样频率为fs，则(2)式中的A_L、D_L、D_L-1、…、D₁各分量所对应的子频带依次为：

根据所要提取信号的频段，选择相应的频带对应的小波分解系数，用小波逆变换即可重构信号；x(n)＝A₄++D₄+D₃+D₂+D₁,根据表1中各分量对应的子频带，分解5层即可提取50-500Hz肌电信号；确定分解层次为5层，选用 db9小波对肌电信号进行5层分解；

表1

(4)将50-500Hz的肌电信号提取出来并进行阈值去噪：

如图4、图5，小波分解所得的50-500Hz的频率图表明，在500Hz以上的噪声仍存在，因此我们采用小波阈值去噪对50-500Hz肌电信号去噪；

因为噪声往往都是频率比较高，因此去噪就是去除信号当中的一些高频成分，在本次试验当中去除了500Hz以上的频率成分；

由2⁹＝512>500可知，去除500Hz以上的频率成分相当于高频(细节)图像数据当中第九层以上的数据置为0。

如图6，所述步骤3)50-150Hz的肌电信号提取方法包括以下步骤：通过置于颈竖脊肌或斜方肌上支的电极通过转接电缆与电脑相连，把肌电数据传输给电脑；使用matlab软件提取肌电数据，肌电信号有用能量0-500Hz频率范围内，由于该频率范围包含50Hz工频干扰，首先为其设计50Hz陷波器，滤除50Hz工频干扰；

如图7-图11，肌电信号有用能量主要集中在50-150Hz，所以通过设置巴特沃斯带通滤波选择50Hz为通带低频截止频率150Hz为通带高频截止频率， 10Hz为阻带低频截止频率，500Hz为阻带高频截止频率，最终滤出50-150Hz 肌电信号即为有用的肌电信号。

对于本领域技术人员而言，显然发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种基于肌电信号反馈的闭环疼痛超声理疗系统，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)、通过超声理疗仪对受试者进行超声理疗并安放肌电电极；

步骤2)、实时采集肌电信号，小波分解并提取500Hz以内的肌电信号。；

步骤3)、使用巴特沃斯滤波器提取50-150Hz肌电信号；

步骤4)、对该频段肌电信号计算幅值；

步骤5)、根据信号幅度的变化适度调节理疗超声的幅度。

2.根据权利要求1所述的基于肌电量采集反馈的闭环超声理疗系统，其特征在于，所述步骤1)的超声理疗仪的信号产生电路集超声激励脉冲、电致孔脉冲、电刺激信号三者为一体，并根据需要通过单片机选择超声激励脉冲、电致孔脉冲、电刺激信号配合使用，提高药物使用的渗透效果，使人体局部或全身得到更好的理疗，同时单片机接收反馈信号并对电路进行调整。

3.根据权利要求1所述的基于肌电量采集反馈的闭环超声理疗系统，其特征在于，所述步骤2)小波分解并提取理疗期间500Hz以内肌电信号包括以下步骤：

(1)肌电信号为离散信号，信号的有用能量在0-500Hz频率范围内，主要集中在50-150Hz；

(2)小波分解肌电信号：

小波分解是基于尺度函数和小波函数为基函数进行分解的，用φ(t)和ψ(t)分别表示小波变化的尺度函数和小波母函数，那么根据二尺度方程可构造如下的小波基：

其中：i为节点号，j为分解级数，k为平移参数，t为时间

h(n)和g(n)＝(-1)^1-nh(1-n)为一对正交镜像滤波器。

离散小波变换

设x(n)表示实验采集的EEG离散信号，则x(n)的离散小波变换定义为：

其中m为伸缩因子，n为平移参数，t为时间；

采用Mallat算法，对信号进行有限层分解，即

式中，L为分解层数，A_L为低通逼近分量，D_j为不同尺度下的细节分量。设肌电信号ES为x(n)的采样频率为fs，则(2)式中的A_L、D_L、D_L-1、…、D₁各分量所对应的子频带依次为：

根据所要提取信号的频段，选择相应的频带对应的小波分解系数，用小波逆变换即可重构信号；x(n)＝A₄++D₄+D₃+D₂+D₁,根据表1中各分量对应的子频带，分解5层即可提取50-500Hz肌电信号；确定分解层次为5层，选用db9小波对肌电信号进行5层分解；

表1

(3)将50-500Hz的肌电信号提取出来并进行阈值去噪：

小波分解所得的50-500Hz的频率图表明，在500Hz以上的噪声仍存在，因此我们采用小波阈值去噪对50-500Hz肌电信号去噪；

因为噪声往往都是频率比较高，因此去噪就是去除信号当中的一些高频成分，在本次试验当中去除了500Hz以上的频率成分；

由2⁹＝512>500可知，去除500Hz以上的频率成分相当于高频(细节)图像数据当中第九层以上的数据置为0。

4.根据权利要求1所述的基于肌电量采集反馈的闭环超声理疗系统，其特征在于步骤3)50-150Hz的肌电信号提取方法包括以下步骤：通过置于颈竖脊肌或斜方肌上支的电极通过转接电缆与电脑相连，把肌电数据传输给电脑；使用matlab软件提取肌电数据，肌电信号有用能量0-500Hz频率范围内，由于该频率范围包含50Hz工频干扰，首先为其设计50Hz陷波器，滤除50Hz工频干扰；

肌电信号有用能量主要集中在50-150Hz，所以通过设置巴特沃斯带通滤波选择50Hz为通带低频截止频率150Hz为通带高频截止频率，10Hz为阻带低频截止频率，500Hz为阻带高频截止频率，最终滤出50-150Hz肌电信号即为有用的肌电信号。