CN110420383A - 一种基于多模态融合反馈的可调功能性电刺激控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多模态融合反馈的可调功能性电刺激控制方法，具体包括：步骤1、设置电极的工作模式，将所述电极的工作模式设置为以下模式之一：模式A、仅进行信号采集；模式B、既进行电刺激输出，又进行信号采集；模式C、仅进行电刺激输出；步骤2、设置所述电刺激输出模式；步骤3、设置所述信号采集模式。本控制方法提供多模态传感信息，结合高密度电极电刺激。电刺激输出可以将传感信息反馈到人体，多模态传感信息也可以作为电刺激输出的反馈，可形成闭环的信号采集‑电刺激过程，以稳定电刺激效果。

Description

一种基于多模态融合反馈的可调功能性电刺激控制方法

技术领域

本发明涉及医疗设备及机电控制领域，尤其涉及一种基于多模态融合反馈的可调功能性电刺激控制方法。

背景技术

肌电图(electromyography,英文简称EMG),是应用电子学仪器记录肌肉静止或收缩时的电活动，及应用电刺激检查神经、肌肉兴奋及传导功能的方法。通过此检查能够确定周神经、神经元、神经肌肉接头及肌肉本身的功能状态，进一步可以分析得到运动状态与诊断肌肉信息。

超声信号检测技术在现代医学领域的应用主要为超声诊断和超声治疗。由于超声波具有无电离辐射、对人体无害且制造成本低等特点，近20年来，研究者开始探索并尝试将其研究成果应用于人机接口领域。超声肌肉运动检测技术是根据高频超声能够穿透人体组织，在声阻抗不同的人体组织分界面上会产生回波的特性，利用回波信号解调人体内部肌肉动态的技术。该技术主要包括二维超声(B超)和一维超声(A超)。B超技术能够以图像形式实现对人体内部组织的可视化，然而获取B超图像需要使用更多的超声探头，这就导致现有的B超设备都有体积大、成本高、探头笨重、不可穿戴等缺点，这也限制了B超采集在超声人机接口中的应用。使用A超的人机接口设计能够有效地避免这些不足。

FSR薄膜压力传感器的核心一般是压敏电阻。其电阻值在压力作用时会发生明显变化，常常用于压力检测。由于FSR形状薄，柔性好，适用于集成到可穿戴设备上，通过检测其电阻值变化获得运动时的产生的压力/应变信息。

针对人体的表面电刺激是指利用一定强度的低频脉冲电流，通过预先设定的程序来刺激一组或多组肌肉纤维或运动神经，用于实现运动功能康复，即所知的功能性电刺激；或用来提供知觉反馈，即所知的经皮神经电刺激。随着技术和研究的发展，表面电刺激从初期以改善或恢复被刺激肌肉或肌群功能为目的功能性电刺激，逐步延伸出缓解疼痛、人体感觉再现应用。在假肢领域，电刺激反馈能够提高病人对假肢的本体感受。

常用的人机接口表面电极有干电极与湿电极之分。高密度电极一方面需要用来采集肌电信号，同时也用作电刺激输出电极。采集用电极往往干电极与湿电极都是可以的。但是使用干电极电刺激输出时，往往会带来刺痛、灼烧感，因此并不适用。在实现电刺激和肌电采集兼容的问题上，可以采用分时进行的方式，也可以采用同步进行，再对肌电信号滤波的方式。

现有技术中，考虑到电刺激对肌电采集有较大影响的问题，肌电采集装置和电刺激装置大多分开，电刺激反馈部位与肌电采集部位相隔较远。肌电用于肌肉运动功能的诊断评估，相应的电刺激大多用于肌肉运动功能的康复。肌电采集与电刺激设备分离带来的问题是无法实现自动调整的闭环控制，需要对肌电信号进行评估后手动调整电刺激输出。肌电采集与电刺激部位分离的缺点是电刺激引发的肌肉运动效果无法评价，不能实现真正意义上的闭环控制。

目前也有部分方案集成了肌电与电刺激功能，通过对同一对电极分时进行肌电采集与电刺激输出，可以做到电刺激与肌电采集在同一部位。然而该技术方案并没有真正做到评价电刺激的效果，电刺激与肌电采集是分时进行的，采集时肌肉并没有受到电刺激作用。同时由于电刺激会引发的肌肉状态改变，在高速切换到肌电采集时仍会给肌电信号带来影响。

高密度电极常用在高密度肌电采集中；在电刺激中，高密度电极可以带来空间分辨能力，在两种研究中高密度电极都只作一种功能使用。

总之，现有肌电采集与电刺激方案中，反馈信号主要是肌电信号，其受电刺激电流影响很大，肌电采集与电刺激集成会带来很多问题。同时高密度电极既可以用于电刺激也可以用于肌电采集，但是往往都用作单一功能。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于多模态融合反馈的可调功能性电刺激装置，提供多模态传感信息，结合高密度电极电刺激。电刺激输出可以将传感信息反馈到人体，多模态传感信息也可以作为电刺激输出的反馈，以稳定电刺激效果。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是：

(1)电刺激产生的电信号不可避免的对肌电信号的采集产生影响。使用不同设备时，在同一部位上电刺激电流给肌电信号带来了干扰，使用电刺激与肌电采集分时工作时，电刺激的延时也会带来影响；

(2)电刺激引发的肌肉运动效果无法通过肌电评价，不能实现真正意义上的闭环控制。在不同位置采集显然无法评价电刺激的效果，而采用分时工作方式时采集的肌电信号是有缺失的，并非是电刺激作用时引发肌肉运动产生；

(3)长时间运动肌肉会产生疲劳现象，肌电信号的质量会显著下降，导致对肌电信号的评估不准确；

(4)长时间电刺激导致肌肉对刺激电流不敏感，刺激引发的运动效果变差，且无法通过肌电信息反馈自动调节电刺激输出，需要手动调节；

(5)高密度电极单独用作采集电极或者刺激电极，没有得到充分的利用，电刺激往往只用到其中一对或者少数几对电极；

(6)现有的肌电采集与电刺激设备结合的技术方案受肌肉疲劳，长时间电刺激导致肌肉反应变差影响，难以保证长时间有效使用。

现有肌电采集与电刺激不能实现真正的闭环控制，现阶段能做到的是采集肌电信息，分析后配置刺激电流进行电刺激，而后电刺激的调节需要手动进行，且被刺激部位肌电信息无法采集。

因此，本发明提供一种基于多模态融合反馈的可调功能性电刺激控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1、设置电极的工作模式，将所述电极的工作模式设置为以下模式之一：

模式A、仅进行信号采集；

模式B、既进行电刺激输出，又进行信号采集；

模式C、仅进行电刺激输出；

步骤2、设置所述电刺激输出模式；

步骤3、设置所述信号采集模式。

进一步地，所述A模式具体包括：

模式A1、仅采集肌电信号；

模式A2、采集肌电信号以及超声信号；

模式A3、采集肌电信号以及FSR信号；

模式A4、采集肌电信号、FSR信号以及超声信号。

进一步地，所述B模式具体包括：

模式B1、电刺激输出，同时采集肌电信号；

模式B2、电刺激输出，同时采集肌电信号以及超声信号；

模式B3、电刺激输出，同时采集肌电信号以及FSR信号；

模式B4、电刺激输出，采集肌电信号、FSR信号以及超声信号。

进一步地，所述电刺激输出模式，具体包括方波输出模式、占空比时变方波输出模式以及正弦波输出模式。

进一步地，所述方波输出模式，需要具体设置方波幅值、方波周期以及占空比；所述占空比时变方波输出模式，需要具体设置需要具体设置方波幅值、方波周期、占空比以及占空比时变周期；所述正弦波输出模式，需要具体设置正弦波数模转换值以及正弦波周期。

进一步地，所述占空比时变方波输出模式中，占空比时变波形的生成机制具体为，通过主控芯片的两路PWM信号选通正负向刺激电流输出，通过占空比变化的PWM信号精确控制刺激电流的占空比，正负向电流由一恒流源电桥组合得到双相输出。

进一步地，所述正弦波输出模式下，正弦波的生成机制具体为，通过主控电路的DAC模数转换器高速读取DMA通道数据，调整DAC转换值即可设置输出幅值，调整读取DMA的速度即可设置正弦波的频率。

进一步地，当工作模式为模式B的情况下，如所述电刺激输出的电流频率大于1000Hz，则采集肌电信号采用50-200Hz的带通滤波器，以消除电刺激电流对肌电信号的影响。

进一步地，当工作模式为模式B的情况下，如所述电刺激输出的电流频率小于等于500Hz，则采用陷波滤波器减少电刺激电流对肌电信号的影响；并在电刺激电极周围布置多个采集电极，补偿由于采用陷波滤波器造成的信号衰减。

进一步地，当工作模式被设置为B模式时，所采集的所述肌电信号、所述超声信号以及所述FSR信号，被上传至上位机，经过所述上位机进行数据处理以后，用于配置和调整电刺激的输出参数，以形成闭环控制的信号采集-电刺激过程。

相比现有技术，本发明至少具备以下有益效果：

(1)操控高密度电极对同一块肌肉(相邻位置)同时进行高频电刺激与肌电采集，利用滤波器滤除电刺激信号；

(2)对高密度电极采用分时进行肌电采集与电刺激的方式，利用电极密度大的优势，肌电采集过程中同时使用电刺激的电极与临近位置电极采集多通道的肌电信号，有效提高诊断的准确性；

(3)通过加入超声/FSR传感反馈，补充了反馈信号源，有效改进单一的肌电信号随着肌肉疲劳质量下降导致诊断效果变差的问题；

(4)通过肌电/超声/FSR共同工作提高反馈信息质量，据此自动调节电刺激参数，实现闭环的电刺激控制。在肌肉疲劳，电刺激效果变差的情况下，多种传感器的融合保证了反馈信息的准确有效，在此基础上得到准确可靠的肌肉运动信息分析结果，从而实现电刺激的自动闭环调节，保证电刺激的功效稳定。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的工作模式设置逻辑图；

图2为本发明的一个实施例的电刺激输出波形说明图；

图3为本发明的一个实施例的占空比时变方波生成机制示意图；

图4为本发明的一个实施例的基于传感信息自动调整电刺激输出电流参数的逻辑示意图；

图5为本发明的一个实施例的同一部位高频电刺激输出与肌电信号采集同时工作原理示意图；

图6为本发明的一个实施例的同一部位中低频电刺激输出与肌电信号采集同时工作原理示意图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

本实施例所基于的硬件系统集成了三个电路，分别为肌电采集/电刺激输出电路、A超信号采集电路、FSR薄膜力传感器信号采集电路。三块电路分别通过规范的接口与特定传感器连接，本实施例采用的方案是：肌电采集/电刺激输出电路通过mini-HDMI接口接到高密度电极，A超信号采集电路通过SMB接口连接到A型超声探头，FSR薄膜力传感器信号采集电路通过标准3.5mm耳机口连接到自制FSR薄膜力传感器。肌电采集/电刺激输出电路控制肌电的采集与电刺激输出及其参数的调节。A超信号采集电路控制A型超声信号的采集。FSR薄膜力传感器信号采集电路控制FSR薄膜力传感器信号的采集。硬件设备与上位机可以通过有线或无线方式通信，将肌电信号、超声信号与FSR信号传送到上位机。

本实施例可以实现多种工作模式，在硬件层面上可以实现肌电信号、超声信号、FSR信号的单独采集或组合采集，同时在此基础上可以选择是否开启电刺激输出。具体为：

模式A、仅进行信号采集；

模式B、既进行电刺激输出，又进行信号采集；

模式C、仅进行电刺激输出；

考虑到肌电信息是主要传感信息，超声信息与FSR信息均是辅助信息，本发明中采集信息时肌电信息均被采集，超声信息与FSR信息是否采集可选。

具体工作模式设置逻辑如图1所示。首先判断是否进行电刺激，然后判断是否进行肌电信号采集。

如仅进行采集而不进行电刺激，则工作模式为图1中的A系列模式：

模式A1、仅采集肌电信号；

模式A2、采集肌电信号以及超声信号；

模式A3、采集肌电信号以及FSR信号；

模式A4、采集肌电信号、FSR信号以及超声信号。

如既进行采集，同时进行电刺激，则工作模式为图1中的B系列模式：

模式B1、电刺激输出，同时采集肌电信号；

模式B2、电刺激输出，同时采集肌电信号以及超声信号；

模式B3、电刺激输出，同时采集肌电信号以及FSR信号；

模式B4、电刺激输出，采集肌电信号、FSR信号以及超声信号。

如仅进行电刺激而不进行采集，则工作模式为图1中C模式。

本实施例与硬件配套的上位机软件，使用图形化的用户界面可以方便地选择某一工作模式，以及设置工作的通道等详细参数。上位机分为信号采集界面，电刺激界面。信号采集界面可以选择是否采集信号以及采集信号的工作模式，包括肌电、肌电/超声、肌电/FSR、肌电/超声/FSR采集模式。主动电刺激界面可以手动调节刺激电流的输出方式，包括输出波形、输出电流的幅值、频率(周期)、占空比等参数。

对于电刺激电流输出波形，本实施例提供了三种输出波形：方波、占空比时变方波与正弦波。可以通过主动电刺激界面调节刺激电流输出的频率(周期)、幅值、占空比、占空比变化周期等。其输出参数设置如图2所示。

其中，对于占空比时变方波输出的典型生成机制为，通过主控芯片的两路PWM信号选通正负向刺激电流输出，通过占空比变化的PWM信号精确控制刺激电流的占空比。正负向电流由一恒流源电桥组合得到双相输出。该生成机制如图3所示。

其中，正弦波的典型生成机制如下，通过主控电路的DAC模数转换器高速读取DMA通道数据，不断调整输出波形的幅值，调整DAC转换值即可设置输出幅值，调整读取DMA的速度即可设置输出频率，电流输出即为幅值、频率可以调节的正弦波。

本实施例中，电刺激输出电流波形的调节方式，除了采用上位机控制方式，还可以通过反馈的方式自动调节，以在功能性电刺激引发肌肉收缩协助运动的应用中保证电刺激效果的稳定。如图4所示，首先通过高密度电极采集肌电或肌电/超声或肌电/FSR或肌电/超声/FSR的传感信息，发送到上位机后利用软件分析运动意图，针对其配置刺激电流的输出位置和参数并由高密度电极输出。电刺激引发肌肉收缩运动后，传感信息继续被采集并由上位机分析评估电刺激引发运动的效果，由实际效果与预期效果的差距调节电刺激输出电流的位置和参数，以保持电刺激引发肌肉收缩运动的效果稳定。

当刺激电流以高频输出时，电刺激可以和肌电采集同时在不同电极工作。考虑到肌电信号的特征频率在50到200Hz之间，当刺激电流为频率远高于此的正弦波或方波的频率时(如大于1000Hz的情况)，可以通过50到200Hz的带通滤波器方便的滤除采集的肌电信号中刺激电流的影响，而最大限度的保留肌电信号。高密度电极的好处是肌电采集电极和电刺激输出电极可以距离很近，电刺激作用和采集肌电的肌肉部位可以认为是同一个位置，做到最为接近的采集到被刺激肌肉的运动产生的肌电信号。超声和FSR的采集并不受电刺激影响。高频电刺激部位肌电信号采集与电刺激同时工作原理如图5所示。

在刺激电流不以高频输出的场合，本实施例同样提供了电刺激可以和肌电采集同时在不同电极工作的控制方式。当刺激电流频率接近机电信号的特征频率时(如小于500Hz的情况)，此时可以使用陷波滤波器消减刺激电流的影响，但是不可避免的肌电信息也被消减了部分。为了弥补肌电信号的缺失，利用高密度电极的特性，采集电刺激电极周围多个，例如四个，电极的肌电信号，均陷波滤波后，输出多路肌电信号。利用有较小位置差别的多路信号弥补陷波滤波器对信息的消减作用。中低频电刺激部位肌电信号采集与电刺激同时工作原理如图6所示。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于多模态融合反馈的可调功能性电刺激控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1、设置电极的工作模式，将所述电极的工作模式设置为以下模式之一：

模式A、仅进行信号采集；

模式B、既进行电刺激输出，又进行信号采集；

模式C、仅进行电刺激输出；步骤2、设置所述电刺激输出模式；步骤3、设置所述信号采集模式。

2.如权利要求1所述的基于多模态融合反馈的可调功能性电刺激控制方法，其特征在于，所述A模式具体包括：

模式A1、仅采集肌电信号；

模式A2、采集肌电信号以及超声信号；

模式A3、采集肌电信号以及FSR信号；

模式A4、采集肌电信号、FSR信号以及超声信号。

3.如权利要求2所述的基于多模态融合反馈的可调功能性电刺激控制方法，其特征在于，所述B模式具体包括：

模式B1、电刺激输出，同时采集肌电信号；

模式B2、电刺激输出，同时采集肌电信号以及超声信号；

模式B3、电刺激输出，同时采集肌电信号以及FSR信号；

模式B4、电刺激输出，采集肌电信号、FSR信号以及超声信号。

4.如权利要求3所述的基于多模态融合反馈的可调功能性电刺激控制方法，其特征在于，所述电刺激输出模式，具体包括方波输出模式、占空比时变方波输出模式以及正弦波输出模式。

5.如权利要求4所述的基于多模态融合反馈的可调功能性电刺激控制方法，其特征在于，所述方波输出模式，需要具体设置方波幅值、方波周期以及占空比；所述占空比时变方波输出模式，需要具体设置需要具体设置方波幅值、方波周期、占空比以及占空比时变周期；所述正弦波输出模式，需要具体设置正弦波数模转换值以及正弦波周期。

6.如权利要求5所述的基于多模态融合反馈的可调功能性电刺激控制方法，其特征在于，所述占空比时变方波输出模式中，占空比时变波形的生成机制具体为，通过主控芯片的两路PWM信号选通正负向刺激电流输出，通过占空比变化的PWM信号精确控制刺激电流的占空比，正负向电流由一恒流源电桥组合得到双相输出。

7.如权利要求6所述的基于多模态融合反馈的可调功能性电刺激控制方法，其特征在于，所述正弦波输出模式下，正弦波的生成机制具体为，通过主控电路的DAC模数转换器高速读取DMA通道数据，调整DAC转换值即可设置输出幅值，调整读取DMA的速度即可设置正弦波的频率。

8.如权利要求7所述的基于多模态融合反馈的可调功能性电刺激控制方法，其特征在于，当工作模式为模式B的情况下，如所述电刺激输出的电流频率大于1000Hz，则采集肌电信号采用50-200Hz的带通滤波器，以消除电刺激电流对肌电信号的影响。

9.如权利要求7所述的基于多模态融合反馈的可调功能性电刺激控制方法，其特征在于，当工作模式为模式B的情况下，如所述电刺激输出的电流频率小于等于500Hz，则采用陷波滤波器减少电刺激电流对肌电信号的影响；并在电刺激电极周围布置多个采集电极，补偿由于采用陷波滤波器造成的信号衰减。

10.如权利要求7所述的基于多模态融合反馈的可调功能性电刺激控制方法，其特征在于，当工作模式被设置为B模式时，所采集的所述肌电信号、所述超声信号以及所述FSR信号，被上传至上位机，经过所述上位机进行数据处理以后，用于配置和调整电刺激的输出参数，以形成闭环控制的信号采集-电刺激过程。