CN110074947A - 一种实现偏瘫下肢步态动作控制的肌电桥接方法与系统 - Google Patents

一种实现偏瘫下肢步态动作控制的肌电桥接方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现偏瘫下肢步态动作控制的肌电桥接方法与系统。健侧拮抗肌控制患侧主动肌系统包括第一通道和第二通道，第一通道采集健侧主动肌的肌电信号并进行处理和存储；第二通道采集健侧拮抗肌的肌电信号并进行处理，用于触发第一通道，对已存储的主动肌电信号进行刺激编码，实现对患侧主动肌的功能性电刺激。健侧主动肌控制患侧拮抗肌系统包括第三通道和第四通道，第四通道采集健侧拮抗肌的肌电信号并进行处理和存储。第三通道采集健侧主动肌的肌电信号并进行处理，并触发第四通道已存储的拮抗肌的肌电信号进行刺激编码，实现对患侧拮抗肌的功能性电刺激。本发明帮助偏瘫患者在下肢训练中模仿步态中行走中的交替性。

Description

一种实现偏瘫下肢步态动作控制的肌电桥接方法与系统
技术领域
本发明属于康复医学、运动学和电子科学的交叉领域，涉及一种实现偏瘫下肢步态动作控制的肌电桥接方法与系统。
背景技术
脑卒中是全球第二大常见的致死和致残疾病。在致残病例中，由于其导致的神经系统的损伤进而致使患者姿势协调性差，下肢肌力弱，致使患者无法站立和协调地行走，步态障碍也就成为了脑卒中的典型后遗症。在康复阶段早期，患者的肢体尚不能按照自主意识随意运动，因而坐姿下膝关节和踝关节伸展训练便成为了患者迈向站姿平衡训练与行走训练的必经康复阶段。
功能性电刺激(Functional electrical stimulation,FES)是利用一定强度的人工编码电刺激脉冲序列，通过预设程序将刺激电脉冲信号通过刺激电极来刺激相应的肌肉，诱发神经元产生动作电位，控制相应的肌肉产生运动，以恢复或改善刺激肌肉或肌群的运动功能。然而由于功能性电刺激与患者的自主意识无关，在康复训练中不调动患者参与的积极性，导致肢体运动功能康复的程度有限。为了提高FES治疗的有效性，对侧触发FES(CCFES)和对侧比例肌电信号控制等FES利用电刺激结合患者的自主意识来加强患者的自主运动。
尽管对侧比例肌电信号控制的FES和CCFES技术可以根据表面肌电信号的幅度或关节动作的角度变化来调节电刺激的强度。由于这些FES的刺激电脉冲序列是人工编码生成的，与对侧肢体主动肌电信号脉冲序列没有关联，其康复训练效果是有限的。
发明内容
发明目的：提供一种实现偏瘫下肢步态动作控制的肌电桥接方法与系统，帮助偏瘫患者在下肢训练中模仿步态中行走中的交替性；当主控健侧膝关节或踝关节出现屈动作或伸动作时，患侧膝关节或踝关节则对应出现伸动作或屈动作。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种实现偏瘫下肢步态动作控制的肌电桥接系统，该系统包括健侧拮抗肌控制患侧主动肌系统和健侧主动肌控制患侧拮抗肌系统，其中：
健侧拮抗肌控制患侧主动肌系统包括第一通道和第二通道，第一通道用于采集健侧主动肌的肌电信号并进行处理和存储，第二通道用于采集健侧拮抗肌的肌电信号并进行处理，用于触发第一通道对已存储的主动肌电信号进行刺激编码，实现对患侧主动肌的功能性电刺激；
健侧主动肌控制患侧拮抗肌系统包括第三通道和第四通道，第四通道用于采集健侧拮抗肌的肌电信号并进行处理和存储，第三通道用于采集健侧主动肌的肌电信号并进行处理，用于触发第四通道已存储的拮抗肌的肌电信号进行刺激编码，实现对患侧拮抗肌的功能性电刺激。
可选的，第一通道包括第一肌电信号探测电极对、第一肌电信号采集电路、第一肌电信号起始与结束检测模块、第一肌电信号存储电路、第一刺激编码模块和第一功能性电刺激电极对；
第二通道包括第二肌电信号探测电极对、第二肌电信号采集电路和第二肌电信号起始与结束检测模块；
第一肌电信号探测电极对的输出与第一肌电信号采集电路的输入相连，第一肌电信号采集电路的输出分别与肌电信号起始与结束检测模块和第一肌电信号存储电路的输入相连；第二肌电信号探测电极对的输出与第二肌电信号采集电路的输入相连，第二肌电信号采集电路的输出与第二肌电信号起始与结束检测模块的输入相连；第一肌电信号存储电路的输出和第二肌电信号起始与结束检测模块的输出分别与第一刺激编码模块的输入相连，第一刺激编码模块的输出与第一功能性电刺激电极对的输入相连。
可选的，第三通道包括第三肌电信号探测电极对、第三肌电信号采集电路、第三肌电信号起始与结束检测模块、第三刺激编码模块和第三功能性电刺激电极对；
第四通道包括第四肌电信号探测电极对、第四肌电信号采集电路、第四肌电信号起始与结束检测模块和第四肌电信号存储电路；
第三肌电信号探测电极对的输出与第三肌电信号采集电路的输入相连，第三肌电信号采集电路的输出与第三肌电信号起始与结束检测模块的输入相连；第四肌电信号探测电极对的输出与第四肌电信号采集电路的输入相连，第四肌电信号采集电路的输出分别与第四肌电信号起始与结束检测模块和第四肌电信号存储电路的输入相连，第四肌电信号起始与结束检测模块的输出与第四肌电信号存储电路的输入相连；第四肌电信号存储电路的输出和第三肌电信号起始与结束检测模块的输出分别与第三刺激编码模块的输入相连，第三刺激编码模块的输出与第三功能性电刺激电极对的输入相连。
可选的，第一肌电信号采集电路、第二肌电信号采集电路、第三肌电信号采集电路和第四肌电信号采集电路均采用差分结构的肌电信号探测电路，包括滤波模块和放大模块，其对采集的肌电信号进行滤波处理和放大处理。
可选的，第一肌电采集电路与第三肌电采集电路复用，第二肌电采集电路与第四肌电采集信号电路复用。
可选的，滤波模块为带通滤波电路，其通频带为20～450Hz，阻带衰减为每10倍频程衰减80dB。
可选的，第一肌电信号起始与结束检测模块、第二肌电信号起始与结束检测模块、第三肌电信号起始与结束检测模块和第四肌电信号起始与结束检测模块均包括采样模块、加窗模块、窗口样本熵计算模块和阈值比较模块；肌电信号采集电路输出的肌电信号在肌电信号起始与结束检测模块中经采样电路、加窗模块、窗口样本熵计算模块、阈值比较模块计算出肌电信号的起始与结束。
可选的，第一通道至第四通道均采用自黏附AgCl心电电极或其它金属电极进行采集肌电信号。
可选的，第一通道至第四通道均采用4×4cm2自黏附水凝胶电极对患侧进行功能性电刺激。
本发明还提供了一种利用功能性电刺激实现偏瘫下肢步态动作控制的肌电桥接方法，
首先，在健侧拮抗肌控制患侧主动肌中，第一肌电信号探测电极对贴附于健侧主动肌，第二肌电信号探测电极对贴附于健侧拮抗肌，第一功能性电刺激电极对贴附于患侧主动肌；
第一肌电信号探测电极对将采集的主动肌肌电信号输入至第一肌电信号采集电路的输入端，第一肌电信号采集电路受第一肌电信号起始与结束检测模块的控制将有效的肌电信号发送至第一肌电信号存储电路完成存储；第二肌电信号探测电极对将采集的拮抗肌肌电信号输入至第二肌电信号采集电路的输入端，第二肌电信号采集电路将采集的拮抗肌电信号发送至第二肌电信号起始与结束检测模块，当第二肌电信号起始与结束检测模块检测到拮抗肌的肌电信号后，将触发刺激第一刺激编码模块对已存储的主动肌电信号进行刺激编码；编码的电刺激经第一功能性电刺激电极实现对患侧主动肌的电刺激；
其次，在健侧主动肌控制患侧拮抗肌中，第四肌电信号探测电极对贴附于健侧拮抗肌，第三肌电信号探测电极对贴附于健侧主动肌，第三功能性电刺激电极对贴附于患侧拮抗肌；
第四肌电信号探测电极对将采集的拮抗肌肌电信号输入至第四肌电信号采集电路的输入端，第四肌电信号采集电路受第四肌电信号起始与结束检测模块的控制将有效的肌电信号发送至第四肌电信号存储电路完成存储；第三肌电信号探测电极对将采集的主动肌肌电信号输入至第三肌电信号采集电路的输入端，第三肌电信号采集电路将采集的主动肌肌电信号发送至第三肌电信号起始与结束检测模块，当第三肌电信号起始与结束检测模块检测到主动肌的肌电信号后，将触发刺激第三刺激编码模块对已存储的拮抗肌肌电信号进行刺激编码；编码的电刺激经第三功能性电刺激电极对实现对患侧拮抗肌的功能性电刺激。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、对侧肢体主动肌的肌电信号直接控制FES。由大脑半球神经可塑性可知，对侧控制有利于促进瘫痪侧对应大脑半球神经的连接，放大患者自主运动的意图。
2、将偏瘫患者健侧肢体的自主肌电信号用作控制源，完全准确地反映患者的自主运动意图，有效地控制功能性电刺激脉冲的序列长度与电脉冲的强度，从而诱发患肢肌肉可控收缩强度与时间。
3、交替性的步态控制能训练下肢肢体的前后肌群，有助于患者前后肌群的力量恢复，为将来站立训练做准备。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图；其中，图1(a)为健侧拮抗肌控制患侧主动肌运动系统结构示意图；图1(b)为健侧主动肌控制患侧拮抗肌运动系统结构示意图；
图2是肌电信号采集电路组成示意图；
图3是肌电信号起始与结束检测模块示意图；
图4是非对称双向电刺激编码测试结果；其中，图4(a)为双向、非对称脉冲刺激波形示意图；图4(b)为阈值不应期算法示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的解释说明。
一种实现偏瘫下肢步态动作控制的肌电桥接方法与系统，其中，系统包括健侧拮抗肌控制患侧主动肌模块和健侧主动肌控制患侧拮抗肌模块，其中，健侧拮抗肌控制患侧主动肌系统包括第一通道和第二通道，第一通道用于采集健侧主动肌的肌电信号并进行处理和存储，第二通道用于采集健侧拮抗肌电信号并进行处理，用于触发第一通道对已存储的主动肌电信号进行刺激编码，实现对患侧主动肌的电刺激；
健侧主动肌控制患侧拮抗肌系统包括第三通道和第四通道，第四通道用于采集健侧拮抗肌的肌电信号并进行处理和存储，第三通道用于采集健侧主动肌的肌电信号并进行处理，用于触发第四通道已存储的拮抗肌的肌电信号进行刺激编码，实现对患侧拮抗肌的电刺激。
如图1(a)所示，第一通道包括第一肌电信号探测电极对1、第一肌电信号采集电路4、第一肌电信号起始与结束检测模块6、第一肌电信号存储电路8、第一刺激编码模块9和第一功能性电刺激电极对3。
第二通道包括第二肌电信号探测电极对2、第二肌电信号采集电路5和第二肌电信号起始与结束检测模块7。
第一肌电信号探测电极对的输出与第一肌电信号采集电路的输入相连，第一肌电信号采集电路的输出分别与肌电信号起始与结束检测模块和第一肌电信号存储电路的输入相连；第二肌电信号探测电极对的输出与第二肌电信号采集电路的输入相连，第二肌电信号采集电路的输出与第二肌电信号起始与结束检测模块的输入相连；第一肌电信号存储电路的输出和第二肌电信号起始与结束检测模块的输出分别与第一刺激编码模块的输入相连，第一刺激编码模块的输出与第一功能性电刺激电极对的输入相连。
如图1(b)所示，第三通道包括第三肌电信号探测电极对10、第三肌电信号采集电路13、第三肌电信号起始与结束检测模块15、第三刺激编码模块18和第三功能性电刺激电极对12。
第四通道包括第四肌电信号探测电极对11、第四肌电信号采集电路14、第四肌电信号起始与结束检测模块16和第四肌电信号存储电路17。
第三肌电信号探测电极对的输出与第三肌电信号采集电路的输入相连，第三肌电信号采集电路的输出与第三肌电信号起始与结束检测模块的输入相连；第四肌电信号探测电极对的输出与第四肌电信号采集电路的输入相连，第四肌电信号采集电路的输出分别与第四肌电信号起始与结束检测模块和第四肌电信号存储电路的输入相连，第四肌电信号起始与结束检测模块的输出与第四肌电信号存储电路的输入相连；第四肌电信号存储电路的输出和第三肌电信号起始与结束检测模块的输出分别与第三刺激编码模块的输入相连，第三刺激编码模块的输出与第三功能性电刺激电极对的输入相连。
其中第一肌电信号采集电路第二肌电信号采集电路5、第三肌电信号采集电路13和第四肌电信号采集电路14均采用差分结构的肌电信号探测电路，包括信号滤波电路19和放大电路20，如图2所示。第一肌电信号起始与结束检测模块6、第二肌电信号起始与结束检测模块7、第三肌电信号起始与结束检测模块15和第四肌电信号起始与结束检测模块16均包括采样模块21、加窗模块22、窗口样本熵计算模块23和阈值比较模块24，如图3所示；肌电信号采集电路输出的肌电信号在肌电信号起始与结束检测模块中经采样电路、加窗模块、窗口样本熵计算模块、阈值比较模块计算出肌电信号的起始与结束。
另外，第一肌电采集电路可与第三肌电采集电路复用，第二肌电采集电路可与第四肌电采集信号电路复用。
在实际应用中，第一肌电信号探测电极对1、第二肌电信号探测电极对2、第三肌电信号探测电极对10和第四肌电信号探测电极对11均可采用自黏附AgCl心电电极或其它金属电极。第一功能性电刺激电极对3和第三功能性电刺激电极对12可采用4×4cm2自黏附水凝胶电极。第一肌电信号采集电路4、第二肌电信号采集电路5、第三肌电信号采集电路13和第四肌电信号采集电路14可采用差分结构的肌电信号探测电路，带通滤波电路的通频带可设计为20～450Hz，阻带衰减可设计为每10倍频程衰减80dB。第一肌电信号起始与结束检测模块6、第二肌电信号起始与结束检测模块7、第三肌电信号起始与结束检测模块15和第四肌电信号起始与结束检测模块16中的采样电路21的采样率设为1kHz、加窗模块22的窗口长度为32ms，窗口步长2ms、阈值比较模块24中的样本熵阈值范围0.4～0.6。第一肌电信号存储电路和第四肌电信号存储电路17的存储器均采用了MiniSD卡。第一刺激编码模块9和第三刺激编码模块18中的刺激器利用刺激波形信号进行电压-电流转换，可提供双向供电电压为±10～±35V，可提供50mA的电流输出，图4为编码出的单个刺激波形，负脉宽正脉宽幅度比为4:1，时间比为1:4。
以帮助偏瘫患者模拟步态中踝关节的运动为例，将控制踝关节跖屈的腓肠肌作为主动肌，则控制踝关节背屈的胫骨前肌为拮抗肌。
首先，在健侧拮抗肌控制患侧主动肌中所述第一肌电信号探测电极对1贴附于健侧腓肠肌，第二肌电信号探测电极对2贴附于健侧胫骨前肌，第一功能性电刺激电极对3贴附于患侧腓肠肌。第一肌电信号探测电极对1连接第一肌电信号采集电路4的输入端，第一肌电信号采集电路4受第一肌电信号起始与结束检测模块6的控制将有效的肌电信号发送至第一肌电信号存储电路8完成存储。第二肌电信号探测电极对2连接第二肌电信号采集电路5的输入端，第二肌电信号采集电路5将采集的拮抗肌电信号发送至第二肌电信号起始与结束检测模块7，当第二肌电信号起始与结束检测模块7检测到拮抗肌的肌电信号将触发刺激第一刺激编码模块9对已存储的主动肌电信号进行刺激编码。第一功能性电刺激电极对3连接第一刺激编码模块9的输出，编码的电刺激经第一功能性电刺激电极对3实现对患侧主动肌的电刺激。
其次，在健侧主动肌控制患侧拮抗肌中，所述第四肌电信号探测电极对11贴附于健侧胫骨前肌，第三肌电信号探测电极对10贴附于健侧腓肠肌，第三功能性电刺激电极对12贴附于患侧胫骨前肌。第四肌电信号探测电极对11连接第四肌电信号采集电路14的输入端，第四肌电信号采集电路14受第四肌电信号起始与结束检测模块16的控制将有效的肌电信号发送至第四肌电信号存储电路17完成存储。第三肌电信号探测电极对10连接第三肌电信号采集电路13的输入端，第三肌电信号采集电路13将采集的主动肌肌电信号发送至第三肌电信号起始与结束检测模块15，当第三肌电信号起始与结束检测模块15检测到主动肌的肌电信号将触发第三刺激编码模块18对已存储的拮抗肌肌电信号进行刺激编码。第三功能性电刺激电极对12连接第三刺激编码模块18的输出，编码的电刺激经第三功能性电刺激电极对12实现对患侧拮抗肌的电刺激。

Claims (10)

1.一种实现偏瘫下肢步态动作控制的肌电桥接系统，其特征在于，该系统包括健侧拮抗肌控制患侧主动肌系统和健侧主动肌控制患侧拮抗肌系统，其中：
健侧拮抗肌控制患侧主动肌系统包括第一通道和第二通道，第一通道用于采集健侧主动肌的肌电信号并进行处理和存储，第二通道用于采集健侧拮抗肌的肌电信号并进行处理，用于触发第一通道对已存储的主动肌电信号进行刺激编码，实现对患侧主动肌的功能性电刺激；
健侧主动肌控制患侧拮抗肌系统包括第三通道和第四通道，第四通道用于采集健侧拮抗肌的肌电信号并进行处理和存储，第三通道用于采集健侧主动肌的肌电信号并进行处理，用于触发第四通道已存储的拮抗肌的肌电信号进行刺激编码，实现对患侧拮抗肌的功能性电刺激。
2.根据权利要求1所述的一种实现偏瘫下肢步态动作控制的肌电桥接系统，其特征在于：第一通道包括第一肌电信号探测电极对(1)、第一肌电信号采集电路(4)、第一肌电信号起始与结束检测模块(6)、第一肌电信号存储电路(8)、第一刺激编码模块(9)和第一功能性电刺激电极对(3)；
第二通道包括第二肌电信号探测电极对(2)、第二肌电信号采集电路(5)和第二肌电信号起始与结束检测模块(7)；
第一肌电信号探测电极对的输出与第一肌电信号采集电路的输入相连，第一肌电信号采集电路的输出分别与肌电信号起始与结束检测模块和第一肌电信号存储电路的输入相连；第二肌电信号探测电极对的输出与第二肌电信号采集电路的输入相连，第二肌电信号采集电路的输出与第二肌电信号起始与结束检测模块的输入相连；第一肌电信号存储电路的输出和第二肌电信号起始与结束检测模块的输出分别与第一刺激编码模块的输入相连，第一刺激编码模块的输出与第一功能性电刺激电极对的输入相连。
3.根据权利要求1所述的一种实现偏瘫下肢步态动作控制的肌电桥接系统，其特征在于：第三通道包括第三肌电信号探测电极对(10)、第三肌电信号采集电路(13)、第三肌电信号起始与结束检测模块(15)、第三刺激编码模块(18)和第三功能性电刺激电极对(12)；
第四通道包括第四肌电信号探测电极对(11)、第四肌电信号采集电路(14)、第四肌电信号起始与结束检测模块(16)和第四肌电信号存储电路(17)；
第三肌电信号探测电极对的输出与第三肌电信号采集电路的输入相连，第三肌电信号采集电路的输出与第三肌电信号起始与结束检测模块的输入相连；第四肌电信号探测电极对的输出与第四肌电信号采集电路的输入相连，第四肌电信号采集电路的输出分别与第四肌电信号起始与结束检测模块和第四肌电信号存储电路的输入相连，第四肌电信号起始与结束检测模块的输出与第四肌电信号存储电路的输入相连；第四肌电信号存储电路的输出和第三肌电信号起始与结束检测模块的输出分别与第三刺激编码模块的输入相连，第三刺激编码模块的输出与第三功能性电刺激电极对的输入相连。
4.根据权利要求2或3所述的一种实现偏瘫下肢步态动作控制的肌电桥接系统，其特征在于：第一肌电信号采集电路(4)、第二肌电信号采集电路(5)、第三肌电信号采集电路(13)和第四肌电信号采集电路(14)均采用差分结构的肌电信号探测电路，包括滤波模块和放大模块，其对采集的肌电信号进行滤波处理和放大处理。
5.根据权利要求4所述的一种实现偏瘫下肢步态动作控制的肌电桥接系统，其特征在于：第一肌电采集电路与第三肌电采集电路复用，第二肌电采集电路与第四肌电采集信号电路复用。
6.根据权利要求4所述的一种实现偏瘫下肢步态动作控制的肌电桥接系统，其特征在于：滤波模块为带通滤波电路，其通频带为20～450Hz，阻带衰减为每10倍频程衰减80dB。
7.根据权利要求2或3所述的一种实现偏瘫下肢步态动作控制的肌电桥接系统，其特征在于：第一肌电信号起始与结束检测模块(6)、第二肌电信号起始与结束检测模块(7)、第三肌电信号起始与结束检测模块(15)和第四肌电信号起始与结束检测模块(16)均包括采样模块(21)、加窗模块(22)、窗口样本熵计算模块(23)和阈值比较模块(24)；肌电信号采集电路输出的肌电信号在肌电信号起始与结束检测模块中经采样电路、加窗模块、窗口样本熵计算模块、阈值比较模块计算出肌电信号的起始与结束。
8.根据权利要求1所述的一种实现偏瘫下肢步态动作控制的肌电桥接系统，其特征在于，第一通道至第四通道均采用自黏附AgCl心电电极或其它金属电极进行采集肌电信号。
9.根据权利要求1所述的一种实现偏瘫下肢步态动作控制的肌电桥接系统，其特征在于，第一通道至第四通道均采用4×4cm2自黏附水凝胶电极对患侧进行功能性电刺激。
10.一种利用功能性电刺激实现偏瘫下肢步态动作控制的肌电桥接方法，其特征在于：
首先，在健侧拮抗肌控制患侧主动肌中，第一肌电信号探测电极对(1)贴附于健侧主动肌，第二肌电信号探测电极对(2)贴附于健侧拮抗肌，第一功能性电刺激电极对(3)贴附于患侧主动肌；
第一肌电信号探测电极对(1)将采集的主动肌肌电信号输入至第一肌电信号采集电路(4)的输入端，第一肌电信号采集电路(4)受第一肌电信号起始与结束检测模块(6)的控制将有效的肌电信号发送至第一肌电信号存储电路(8)完成存储；第二肌电信号探测电极对(2)将采集的拮抗肌肌电信号输入至第二肌电信号采集电路(5)的输入端，第二肌电信号采集电路(5)将采集的拮抗肌电信号发送至第二肌电信号起始与结束检测模块(7)，当第二肌电信号起始与结束检测模块(7)检测到拮抗肌的肌电信号后，将触发刺激第一刺激编码模块(9)对已存储的主动肌电信号进行刺激编码；编码的电刺激经第一功能性电刺激电极实现对患侧主动肌的电刺激；
其次，在健侧主动肌控制患侧拮抗肌中，第四肌电信号探测电极对(11)贴附于健侧拮抗肌，第三肌电信号探测电极对(10)贴附于健侧主动肌，第三功能性电刺激电极对(12)贴附于患侧拮抗肌；
第四肌电信号探测电极对(11)将采集的拮抗肌肌电信号输入至第四肌电信号采集电路(14)的输入端，第四肌电信号采集电路(14)受第四肌电信号起始与结束检测模块(16)的控制将有效的肌电信号发送至第四肌电信号存储电路(17)完成存储；第三肌电信号探测电极对(10)将采集的主动肌肌电信号输入至第三肌电信号采集电路(13)的输入端，第三肌电信号采集电路(13)将采集的主动肌肌电信号发送至第三肌电信号起始与结束检测模块(15)，当第三肌电信号起始与结束检测模块(15)检测到主动肌的肌电信号后，将触发刺激第三刺激编码模块(18)对已存储的拮抗肌肌电信号进行刺激编码；编码的电刺激经第三功能性电刺激电极对(12)实现对患侧拮抗肌的功能性电刺激。
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