CN111659006A - 一种基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统，属于康复工程领域。其包括肌电信号采集传感器模块、刺激模块、无线传输模块和上位机模块，传感器模块包括表面肌电传感器、激光测距传感器和惯性传感器。本发明可以对下肢的表面肌电信号、欧拉角、角速度、加速度和步行时脚踝到地面的距离进行实时的无线采集和传输，并发给上位机模块进行计算和处理。本发明能获取健康个人下肢功能动作并重现的电刺激模式及参数，研究精细动作的控制序列；也可针对步态障碍用户，配合踝足矫形器，利用肌电、运动学信息实现自主优化控制刺激方案，达到个性化运动功能重建目的。本发明可基于移动端进行数据的无线接收和处理，增加了便携性和实用性。

Description

一种基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统
技术领域
本发明涉及到医学康复工程领域，具体涉及到一种基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统。
背景技术
下肢外骨骼机器人在助力、助老、助残方面具有非常广阔的应用前景，只有正确识别出下肢的运动模式，才能采取有效的控制策略。因此，下肢步态模式识别成为下肢外骨骼机器人的关键技术之一。
人体的行走是十分复杂的过程，想要准确地识别出步态需要多种信号的综合分析。
表面肌肉电信号(surface electromyography,SEMG)是伴随肌电收缩产生的一种电信号，可以通过电极在皮肤的表面采集。通过对下肢表面肌电信号的解码，可以识别出对应肌肉相应的运动模式。
神经肌肉电刺激一方面可以通过对外部的肌肉增强功能促进中枢神经系统的再学习，另一方面神经肌肉电刺激可以通过精准的时序和幅度来激活瘫痪的肌肉，帮助用户完成功能性任务
市场上专业的步态测量系统，价格昂贵，占地面积大用户穿戴体验不足，而且大多使用足底压力传感器来进行步态周期分割，但在实际的操作中足底压力传感器由于长期压迫容易产生机械故障，而且在一些病理步态中，足底压力传感器的贴放位置也难于选择，这些特点都限制了足底压力传感器在步态检测中长期使用。大多数表面肌电传感器只具备采集的性质，对于步态障碍用户的电刺激无能为力。传统的电刺激参数固定，对于对用户的进行个性化的参数刺激。人的行走是一个运动幅度较大的动作过程，因此需要用无线传输的方式尽量减少数据线，实际步态的场景还要求信号的采集和处理装置能够有足够的便携性。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明旨在一定程度上解决上述的技术问题，提供了一种基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统。根据本系统获得的数据分析相关步态参数，来验证上下肢一体化，定量的评估用户佩戴上肢支具后下肢运动机能改善程度。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统，其包括传感器模块、刺激模块、数据传输模块和上位机模块；
所述传感器模块，包括表面肌电传感器、激光测距传感器、惯性传感器；
所述表面肌电传感器，用于采集下肢的多通道表面肌电信号；
所述惯性传感器有两组，第一惯性传感器用于检测行走时大腿位置的姿态信息，第二惯性传感器用于检测行走时脚踝位置的姿态信息；所述姿态信息包括欧拉角、角速度和加速度；
所述激光测距传感器，用于检测行走时脚踝与地面之间的直线距离；
所述数据传输模块，用于在所述传感器模块和所述上位机模块之间建立通信连接，将传感器模块采集到的数据发送给上位机模块；
所述上位机模块，包括数据存储模块和数据处理模块；
所述数据存储模块用于分类存储所述数据传输模块发送的传感器采集数据以及数据处理模块产生的数据；
所述数据处理模块用于对所述传感器采集数据进行处理，获得步态特征信息以及电刺激控制参数；
所述刺激模块，用于在上位机模块的控制下对下肢施加电刺激脉冲。
作为优选，所述数据传输模块为无线传输模块，所述上位机模块为PC机、云平台或移动终端。
作为优选，所述刺激模块与表面肌电采集传感器为一体化设计，表面肌电传感器包括表面肌电电极和信号采集发送板，最多可同时采集下肢16通道的表面肌电信号；所述表面肌电电极可与所述刺激模块中的刺激电极复用。
作为优选，所述传感器模块中，表面肌电信号的采集频率的范围为2000Hz；欧拉角、角速度和加速度的采集频率的范围为200HZ，激光测距传感器的的采集频率为20Hz。
作为优选，所述激光测距传感器和所述第二惯性传感器安装于可佩戴式壳体中，能固定在鞋子上沿靠近脚踝的位置。
作为优选，所述上位机模块收到所述数据传输模块发送的数据后，根据IP地址的不同识别出所接收数据的类别，然后将相应的数据分别进行存储；上位机模块中还设有显示模块，用于在界面中显示不同传感器的数据或数据曲线以及相应的步态特征信息。
作为优选，所述数据处理模块中含有步态识别单元，所述步态识别单元基于激光测距传感器检测到的行走时脚踝与地面之间的直线距离对步态周期进行分割，融合惯性传感器检测到的大腿位置和脚踝位置的姿态信息，以及表面肌电传感器检测到的行走时下肢的表面肌电信号，进而识别出检测对象行走时的步态。
作为优选，所述数据处理模块中含有动作控制序列构建单元，用于在健康个体完成指定的下肢功动作过程中，根据所述传感器模块在该过程中采集到的数据，建立表面肌电与肢体运动的数学模型；然后在该数学模型基础上，调整优化电刺激模式和参数，并实时获取在不同刺激模式和参数下相关肌肉群响应和相应肢体运动的情况，得到重现不同目标运动功能所需的控制序列。
作为优选，所述数据处理模块中含有运动功能重建单元，用于在踝足矫形器配合下针对步态障碍用户，获取步行时相应肌肉的表面肌电和步态运动学时间信息的特征，同时记录每块相关肌肉的活动，建立对应关系，获取在不同刺激模式和参数下相关肌肉群的响应情况，分析不同的表面肌电和步态运动学时间信息变化特征与功能重建效果之间的关系，并筛选出表面肌电和步态运动学时间信息特征作为回反馈调节信号自适应调整电刺激，实现用户的个性化运动功能重建。
作为优选，所述数据处理模块中包括上下肢一体化验证单元，用于作为定量验证上下肢一体化的数据系统，完成用户下肢运动机能的定量评估，计算用户佩戴上肢支具后下肢运动机能改善程度，并输出上下肢一体化关系定量评估报告。
和现有技术相比，本发明的优点在于：
基于单传感器的信号可以提供一定的步态信息，但是不能较为完整地表征步态信息。而在本发明中，表面肌电信号能够反映对应肌肉的激活情况，可以反映肢体的运动意图；激光测距传感器的可以检测脚踝与地面间的直线距离，配合脚踝处惯性传感器估算出步态周期和判断，避免了使用足底压力传感器难以长期使用和适配性弱的缺点；固定在大腿的惯性传感器可以动态表征髋关节的运动状态。因此本发明中通过多种传感器的融合可以极大提高步态识别的准确率，更加有利于下肢外骨骼的控制。
另外，本发明可以通过获取健康个人下肢功能动作重现的电刺激模式及参数，研究精细动作的控制序列。针对步态障碍用户，可配合踝足矫形器，利用肌电、运动学信息实现系统的自主优化控制刺激方案，实现用户的个性化功能重建，改善其步态行走能力。在本发明中，信号基于无线传输，可以简化掉上位机和传感器之间的信号线，摆脱了线材的束缚，使得在测量步态时更加方便。此外，除了传统的PC上位机外，本发明还可以用Android手机等移动端进行数据的无线接收和数据处理，极大地增加了系统的便携性和实用性，便于家庭、社区等环境的使用。
附图说明
图1为本发明实施例的基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统模块示意图；
图2为本发明实施例的传感器融合流程图；
图3为本发明实施例中的肌肉-电刺激响应模型；
图4为本发明实施例的具体结构图；
图5为本发明实施例中的PC段上位机示意图；
具体实施方式
下面将结合实施例和附图对本发明的具体实施进行说明。
如图1所示，一种基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统，其包括传感器模块、刺激模块、数据传输模块(无线传输)和上位机模块。
本发明的传感器模块又包括表面肌电传感器、激光测距传感器和惯性传感器三类，不同传感器可以采集不同的信号，进而用于后续的数据融合。在本发明中，其可以对下肢的表面肌电信号、欧拉角、角速度、加速度和足踝与地面的直线距离距离进行同时采集，实现实时步态信息的获取。具体而言，表面肌电传感器，用于采集下肢的多通道表面肌电信号。惯性传感器有两组，第一惯性传感器用于检测行走时大腿位置的姿态信息，第二惯性传感器用于检测行走时脚踝位置的姿态信息(姿态信息均包括欧拉角、角速度和加速度)。激光测距传感器，用于检测行走时脚踝与地面之间的直线距离。
本发明的数据传输模块，用于在传感器模块和上位机模块之间建立通信连接，将传感器模块采集到的数据发送给上位机模块。数据传输模块优选采用无线传输模块，其形式可是包括WIFI、蓝牙、5G，无线传输方式可以简化掉上位机和传感器之间的信号线，摆脱了线材的束缚，使得在测量步态时更加方便。
本发明的上位机模块，包括数据存储模块和数据处理模块。其中数据存储模块用于分类存储所述数据传输模块发送的传感器采集数据以及数据处理模块产生的数据，数据处理模块用于对传感器采集数据进行处理，获得步态特征信息以及电刺激控制参数。上位机模块可以是PC机、云平台或移动终端中的一种或多种，都具有无线传输、数据接收、处理运算和数据显示的功能。优选采用移动终端的方式，例如普通的Android手机等，以此进行数据的无线接收和数据处理，可以极大地增加系统的便携性和实用性，便于家庭、社区等环境的使用。
本发明的刺激模块，用于在上位机模块的控制下对下肢施加电刺激脉冲，可以针对用户进行自适应个性化的电刺激。
本实施例中，表面肌电传感器包括表面肌电电极和信号采集发送板，贴合于皮肤表面进行使用，可同时采集下肢4通道的表面肌电信号(最多可达16通道)。刺激模块与表面肌电采集传感器为一体化设计，即采用采集刺激复合通道模块，表面肌电电极可与刺激模块中的刺激电极。
本实施例中，惯性传感器固定在大腿股四头肌外侧，以便于检测行走时大腿和欧拉角、角速度和加速度。激光测距传感器和第二惯性传感器集成在一个小体积的可佩戴式壳体中，能够固定放置在靠近脚踝的鞋子上沿外侧，以便于检测行走时脚踝矢状面的欧拉角、角速度和加速度以及与地面的直线距离。各传感器的数据实时传送到上位机中，根据特征融合算法获得实时步态信息，再结合表面肌电信息进行电刺激的决策融合，进而控制电刺激输入的时机与大小，具体如图2所示。
上位机模块接收无线传输模块发送的数据进行接收，根据IP地址的不同识别出所接收数据的类别，然后将相应的数据分别进行存储，以便于数据处理模块调用并进行后续计算处理。上位机模块中还设有显示模块，用于在主界面显示多种传感器的数据或数据曲线以及相应的步态特征参数。
图3描述了本发明肌肉-电刺激响应模型实施的技术路线图，首先，针对用户设计步态检测试验，在实验过程中，根据上述传感器模块检测得到的数据建立肢体运动-肌肉活动模型，包括动作标记以及活动提取等，在所述运动-肌肉活动模型基础上，建立肌肉-刺激响应数理模型，在数据处理模块中，获取并计算得到用户的肌电、步态运动学时间信息和功能重建电刺激参数、刺激序列，最终实现对于用户的肌肉电刺激。所述的数据处理模块功能包括几方面，其基础功能是实现步态识别，拓展功能是基于传感器采集的肌电数据以及步态识别结果，进行数据融合和决策，以解决下肢运动功能重建过程中的不同需求。下面具体说明本发明可以在数据处理模块中具体实现的功能形式。
实现运动功能重建其基本的功能需求是实现步态识别。传统方法中以足底压力传感器来进行步态周期的分割，但本发明中则采用激光测距传感器替代足底压力传感器，其可以检测脚踝与地面间的直线距离，可以准确有效地反应步态的周期，配合脚踝处惯性传感器估算出步态周期和判断。另外，本发明的惯性传感器可以测量欧拉角，角速度和加速度，这些信号也对于下肢动作的识别具有重要的作用。因此，数据处理模块中需要含有步态识别单元，在该步态识别单元中，首先基于激光测距传感器检测到的行走时脚踝与地面之间的直线距离对步态周期进行分割，融合惯性传感器检测到的大腿位置和脚踝位置的姿态信息，以及表面肌电传感器检测到的行走时下肢的表面肌电信号，进而识别出检测对象行走时的步态。
另外，在数据处理模块中可以对通过获取健康个人下肢功能动作重现的电刺激模式及参数，研究精细动作的控制序列。在健康个体完成指定的下肢功动作(行走、上下楼梯)过程中，利用前述传感器模块中的肌电、加速度、角度等传感器实时同步采集肌肉的活动状态，采集下肢完成不同功能时相应肌肉的表面肌电信号特征以及相关运动学信息参数，然后分析表面肌电与肌肉响应以及肢体运动的相关性，建立表面肌电-肢体运动的数学模型。其次，利用电刺激诱发健康受试者，在上述表面肌电-肢体运动的数学模型基础上，调整优化电刺激模式和参数(包括电刺激电极位置、刺激强度、刺激时间、刺激间歇比及各种可能的刺激秩序)，并实时获取在不同刺激模式和参数下相关肌肉群响应和相应肢体运动的情况，确定精细动作的控制序列，以期得到各种运动功能的重现。该功能可以集成于一个动作控制序列构建单元中实现。
另外，在数据处理模块中还可以针对步态障碍用户，可配合踝足矫形器，利用肌电、运动学信息实现系统的自主优化控制刺激方案，实现用户的个性化功能重建，改善其步态行走能力。具体而言，对于步态障碍用户，可配合踝足矫形器进行使用，先获取用户步行时相应肌肉的表面肌电和步态运动学时间信息的特征，进行康复实践和效果评估，同时记录每块相关肌肉的活动，建立对应关系，获取在不同刺激模式和参数下相关肌肉群的响应情况，利用计算机仿真模拟表面肌电和步态运动学时间信息变化特征与功能重建效果之间的关系。分析数据，筛选合适的表面肌电和步态运动学时间信息特征作为回反馈调节信号自适应调整电刺激，形成一个反馈的回路，施加在刺激过程中，增强自主控制程度。该功能可以集成于一个运动功能重建单元中实现。
由此可见，本发明可以在上位机中不断改进设备功能，最终实现个性化功能重建，改善用户的步行能力，肌肉-电刺激响应模型的构建和应用可如图3所示。
另外，上位机的数据处理模块中，还可以设置上下肢一体化验证单元，用于作为定量验证上下肢一体化的数据系统，完成用户下肢运动机能的定量评估，计算用户佩戴上肢支具后下肢运动机能改善程度，并打印输出上下肢一体化关系定量评估报告。
需注意的是，上述数据处理模块中的各单元，其形式可以是用以实现所描述的方法过程的程序模块。
如图4所示，作为本发明的一个较佳实施例，表面肌电传感器采用自研的表面肌电传感器，激光测距传感器采用VLS3L0X，惯性传感器采用MP6050；由HF-LPB100模块实现wifi无线传输功能；同时优选由PC端和Android端上位机实现无线传输、数据接收、处理计算和数据显示的功能。在本发明的一个较佳实施例的传感器模块中，表面肌电信号的采集频率的范围为2000Hz；欧拉角、角速度和加速度的采集频率的范围为200HZ，激光测距传感器的采集频率为20Hz。
本发明工作前需要首先固定传感器模块中的各个传感器。将表面肌电传感器的放置在相关肌群前，需要酒精对相关肌群进行消毒并备皮，然后先在两个大腿股四头肌外侧侧分别用扎带惯性传感器，同时在两个鞋子的脚外踝上侧分别安装惯性传感器和激光测距传感器。
整个系统由电池供电，打开电池开关，使得各个传感器、无线模块上电工作。如图5所示，打开PC端中的上位机，选择好需要连接的传感器，点击上面的监听，则等待每个传感器其与其建立TCP连接，连接成功后，数据显示通道旁边的按钮从灰色变成绿色。点击采集按钮，则发送UDP命令至各传感器，传感器开始发送采集到的数据，界面上将会实时显示对应传感器的欧拉角、角速度、加速度、表面肌电信号和足踝地面距离信号，以及相应的步态参数。点击采集按钮后期其按钮内容更新为停止。如果需要停止数据接收，点击停止按钮，将停止接收。点击断开按钮，上位机将会断开与无线传输模块建立的连接。开始前已经默认好了保存地址，接收到的所有传感器的数据会以TXT格式保存到PC端，便于后续的分析。当然，本发明也可以配合远程数据云平台，支持个体长期数据连续记录、分析，实现个性化管理。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统，其特征在于，包括传感器模块、刺激模块、数据传输模块和上位机模块；
所述传感器模块，包括表面肌电传感器、激光测距传感器、惯性传感器；
所述表面肌电传感器，用于采集下肢的多通道表面肌电信号；
所述惯性传感器有两组，第一惯性传感器用于检测行走时大腿位置的姿态信息，第二惯性传感器用于检测行走时脚踝位置的姿态信息；所述姿态信息包括欧拉角、角速度和加速度；
所述激光测距传感器，用于检测行走时脚踝与地面之间的直线距离；
所述数据传输模块，用于在所述传感器模块和所述上位机模块之间建立通信连接，将传感器模块采集到的数据发送给上位机模块；
所述上位机模块，包括数据存储模块和数据处理模块；
所述数据存储模块用于分类存储所述数据传输模块发送的传感器采集数据以及数据处理模块产生的数据；
所述数据处理模块用于对所述传感器采集数据进行处理，获得步态特征信息以及电刺激控制参数；
所述刺激模块，用于在上位机模块的控制下对下肢施加电刺激脉冲。
2.如权利要求1所述的基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统，其特征在于，所述数据传输模块为无线传输模块，所述上位机模块为PC机、云平台或移动终端。
3.如权利要求1所述的基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统，其特征在于，所述刺激模块与表面肌电采集传感器为一体化设计，表面肌电传感器包括表面肌电电极和信号采集发送板，最多可同时采集下肢16通道的表面肌电信号；所述表面肌电电极可与所述刺激模块中的刺激电极复用。
4.如权利要求1所述的基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统，其特征在于，所述传感器模块中，表面肌电信号的采集频率的范围为2000Hz；欧拉角、角速度和加速度的采集频率的范围为200HZ，激光测距传感器的的采集频率为20Hz。
5.如权利要求1所述的基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统，其特征在于，所述激光测距传感器和所述第二惯性传感器安装于可佩戴式壳体中，能固定在鞋子上沿靠近脚踝的位置。
6.如权利要求1所述的基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统，其特征在于，所述上位机模块收到所述数据传输模块发送的数据后，根据IP地址的不同识别出所接收数据的类别，然后将相应的数据分别进行存储；上位机模块中还设有显示模块，用于在界面中显示不同传感器的数据或数据曲线以及相应的步态特征信息。
7.如权利要求1所述的基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统，其特征在于，所述数据处理模块中含有步态识别单元，所述步态识别单元基于激光测距传感器检测到的行走时脚踝与地面之间的直线距离对步态周期进行分割，融合惯性传感器检测到的大腿位置和脚踝位置的姿态信息，以及表面肌电传感器检测到的行走时下肢的表面肌电信号，进而识别出检测对象行走时的步态。
8.如权利要求1所述的基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统，其特征在于，所述数据处理模块中含有动作控制序列构建单元，用于在健康个体完成指定的下肢功动作过程中，根据所述传感器模块在该过程中采集到的数据，建立表面肌电与肢体运动的数学模型；然后在该数学模型基础上，调整优化电刺激模式和参数，并实时获取在不同刺激模式和参数下相关肌肉群响应和相应肢体运动的情况，得到重现不同目标运动功能所需的控制序列。
9.如权利要求1所述的基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统，其特征在于，所述数据处理模块中含有运动功能重建单元，用于在踝足矫形器配合下针对步态障碍用户，获取步行时相应肌肉的表面肌电和步态运动学时间信息的特征，同时记录每块相关肌肉的活动，建立对应关系，获取在不同刺激模式和参数下相关肌肉群的响应情况，分析不同的表面肌电和步态运动学时间信息变化特征与功能重建效果之间的关系，并筛选出表面肌电和步态运动学时间信息特征作为回反馈调节信号自适应调整电刺激，实现用户的个性化运动功能重建。
10.如权利要求1所述的基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统，其特征在于，所述数据处理模块中包括上下肢一体化验证单元，用于作为定量验证上下肢一体化的数据系统，完成用户下肢运动机能的定量评估，计算用户佩戴上肢支具后下肢运动机能改善程度，并输出上下肢一体化关系定量评估报告。
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