CN113332011B - 一种用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统与方法，包括电刺激切换电路、前级放大器、选择开关、带通滤波器、后级放大器、模数转换电路、数字滤波器、数模转换电路，电刺激切换电路接收电刺激产生器的一个或多个电刺激信号，电刺激切换电路的输出端连接至选择开关的第一输入端，前级放大器接收肌电采集电极对采集的肌电采集信号，前级放大器的输出传送至选择开关的第二输入端，选择开关的公共输出端依次连接带通滤波器、后级放大器、模数转换电路、数字滤波器、数模转换电路，数模转换电路的输出端对肌电假肢进行输出控制。本发明可以适用各类型的表面式电刺激电极，对于电容饱和的影响小，具有高度的实时性。

Description

一种用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统与方法

技术领域

本发明涉及肌电控制假肢技术领域，尤其涉及一种用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统与方法。

背景技术

虽然肌电假肢手能够重建水平的抓握功能，但对于假肢手的使用还是缺少感觉的反馈功能；近年已有许多研究与发明可通过不同的方式让患者感觉的假肢手上的感觉，这当中有一主流方法为在残肢上经过表面式的电刺激来重建各种的触觉。

但该技术与传统的肌电假肢手在结合的使用上有一重大问题，即为感觉电刺激输入残肢皮肤上时，会造成肌电信号过大饱和导致肌电假肢手无法控制抓握甚至肌电采集功能损毁。

近年来为了克服该问题，也有许多专利进行相关发明，其技术路线如下：

公开号为CN101305939B、名称为“一种用于仿人型肌电假手感觉反馈的电刺激器”的中国发明专利为建立一肌电假手感觉反馈的电刺激器，分别设计电源与驱动两个模块，驱动电路包含检测电阻与关断电路，并且两个模块连接加上电容降低电刺激干扰的影响，建立六种刺激等级，并在该六种刺激下电刺激肌电的延时降至50ms。

公开号为CN101766511A、名称为“一种用于假手感觉反馈的多通道微型电刺激器”的中国发明专利基于前者(CN101305939B)，调整为三级放大电路与去藕电容的配置来降低影响，并增加多种类与多数量的传感器，并设置增加为八种刺激等级。

公开号为CN103638600B、名称为“智能肌电假肢的多通道电刺激反馈系统”的中国发明专利为前者(CN101305939B)的第三代设备，增加交互控制器与降干扰电刺激电极阵列，通过交互控制器发送信号给电刺激器，在同心圆的电极上组合出正向电极、反向电极与参考电极的组合，借由同心圆电极与反向的补偿降低电刺激的扩散。

公开号为CN104027111B、名称为“一种两用电极及采用两用电极实现表面肌电提取及经皮电刺激的装置”的中国发明专利公开的方法也为电极的设计方法，通过参考电极包围刺激电极的设计，实现降低电刺激扩散出去的影响。

公开号为CN104238754A、名称为“一种基于经颅电刺激的增强型肌电人机接口”的中国发明专利主要适用于对于脑部的电刺激(非刺激残肢侧)来增强判断的结果，该判断方式为模式识别(软件)的特征提取与辨识判断。

公开号为CN104398326B、名称为“用于稳定肌电假肢手力量输出的电刺激诱发肌电反馈控制方法及装置”的中国发明专利建立一肌电假肢手的检测系统，检测出当使用者长时间使用导致肌肉疲劳，造成肌电信号较弱时，给予肌肉电刺激从而增加使用者的肌肉收缩力量，对于电刺激与肌电采集同时的影响并无提及。

公开号为CN107252525A、名称为“一种基于肌电反馈的多通道电刺激装置”的中国发明专利为通过肌电的反馈，将电刺激与肌电采集形成闭环控制，将肌电采集与电刺激装置分时共用同一组电极来避免干扰，通过电子开关模块控制16通道的刺激分时输出，与16通道的肌电采集。

公开号为CN110420384A、名称为“一种多模态信号采集的高密度电极电刺激装置”公开的方法与前者类似，差别在于建立一压力与超声采集系统，在电刺激输出时关闭肌电采集，采用也是采用分时共用系统。

以上现有技术还存在以下缺陷：

1、在早期该技术多为探索如何使用电刺激在截肢者身上重建感知，对于电刺激与肌电的干扰较为不关注。使用电容降低分离电刺激与采集模块，此类方法对于电刺激较大时或电刺激与采集电极距离较接近时效果较差，常会导致抑制肌电采集功能的饱和甚至损毁。早期的硬件电路设计方向为透过电容吸收电刺激产生的电荷影响，电容容易导致电荷的累积，虽然电容可以吸收突波避免放大器的损毁，但是当电容饱和后，需等待电容放电至正常工作范围后才能正常工作，会导致肌电信号的过度失真。

2、设计不同类型的刺激电极来增加回收与补偿电刺激的影响，从而降低肌电采集电极的干扰，该方法对于电刺激的使用方式过多，如果使用同心圆电极可以包围刺激电极，吸收电刺激的电荷，但这也导致电刺激的输出的限制，造成电刺激与肌电电极位置与种类的限制。

3、使用分时共用的方式，该方法主要为电刺激使用输出时，关闭肌电的采集，该类方法也对采集电极的使用位置产生了限制，在实务阶段上电刺激电极与采集电极必须分离在固定的不同位置上。使用电刺激与肌电采集分时共用的方式可以降低电刺激干扰的影响，但是也造成了肌电信号的损失。

4、特征识别与分时共用还有一缺点为实时性不佳，特征识别与分时共用都会导致信号完整度大幅的损失，并且特征辨识多为后处理的方式，对于肌电假肢手的实时操控产生了许多限制，无法实际的用于肌电假肢手与电刺激的感觉整合上。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统与方法，以克服上述存在的缺陷。

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如何提供一种用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统与方法，可以适用各类型的表面式电刺激电极，对于电容饱和的影响小，具有高度的实时性。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统，包括电刺激切换电路、前级放大器、选择开关、带通滤波器、后级放大器、模数转换电路、数字滤波器、数模转换电路，所述电刺激切换电路被配置成接收电刺激产生器的一个或多个电刺激信号，所述电刺激切换电路的输出端连接至所述选择开关的第一输入端，所述前级放大器被配置成接收肌电采集电极对采集的肌电采集信号，所述前级放大器的输出传送至所述选择开关的第二输入端，所述选择开关的公共输出端依次连接所述带通滤波器、后级放大器、模数转换电路、数字滤波器、数模转换电路，所述数模转换电路的输出端被配置成对所述肌电假肢进行输出控制。

进一步地，所述前级放大器为仪表放大器。

进一步地，所述数字滤波器为梳型滤波器。

进一步地，所述梳型滤波器的频率对应所述电刺激产生器的电刺激频率。

进一步地，所述电刺激频率不超过250Hz。

进一步地，所述肌电采集电极对的数量为一对或多对。

进一步地，所述前级放大器的数量与所述肌电采集电极对的数量相一致。

进一步地，还包括肌电采集切换电路，所述肌电采集切换电路被配置成通过所述前级放大器接收所述肌电采集电极对的一个或多个肌电采集信号，所述肌电采集切换电路的输出端连接至所述选择开关的所述第二输入端。

进一步地，所述前级放大器的各输入端分别连接至对应的所述肌电采集电极对，所述肌电采集切换电路的各输入端连接至所述前级放大器的各输出端。

本发明还提供了一种如上所述的用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统的使用方法，包括以下步骤：

步骤1、使用肌电采集线将肌电采集电极连接至所述电刺激干扰去除系统；

步骤2、从电刺激产生器上将电刺激输出线连接至电刺激电极；

步骤3、从电刺激产生器上将电刺激信号输出线连接至所述电刺激干扰去除系统上对电刺激输出信号进行同步；

步骤4、切换电刺激切换电路和选择开关，将处理过的肌电信号输出至肌电假肢手。

本发明的有益效果：

1、可接受一至多通道电刺激同步输入。

2、对于肌电与刺激电极的选择不限制，可以适用各类型的表面式电刺激电极。

3、可直接与现有市售商用的肌电假肢进行整合应用。

4、高度的实时性，整体信号处理皆为实时处理，不需要后处理或者模型训练，只需要匹配电刺激的输出频率即可完成一个采样点的实时处理。

5、对于电容饱和的影响极小，在电容前端电路完成切换，对于电容饱和的影响降至最小，在电刺激开启时可在1ms内完成放电。

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是本发明的一个较佳实施例的应用场景示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的系统结构示意图。

其中，1-肌电假肢手，2-传感器，3-感觉信号线，4-表面式电刺激产生器，5-表面式电刺激电极，6-电刺激干扰去除系统，7-表面式肌电采集电极，8-肌电输出线，9-大脑，10-手指感觉建立，41-电刺激输出、42-电刺激信号，61-电刺激切换电路，62-前级放大器，63-带通滤波器，64-后级放大器，65-模数转换电路，66-数字滤波器，67-数模转换电路，68-数字选择开关。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，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。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

实施例1

本实施例提供一种用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统，该系统可以结合市售各类型肌电假肢手，并对应各类型电刺激电极，有效去除电刺激产生时的强烈电流，避免造成肌电电极的损毁与采集时造成的饱和；通过数字滤波器可达成实时的假肢控制，最终可在市售各类型肌电假肢手实现电刺激的感觉建立。

如图1所示，肌电假肢手1的表面设有传感器2(例如，触觉传感器)，传感器2通过感觉信号线3将感觉信号传送至表面式电刺激产生器4，表面式电刺激产生器4的电刺激输出连接至表面式电刺激电极5以刺激截肢者的诱发指感区或替代感觉区，从而在截肢者的大脑9中实现手指感觉建立10。将表面式电刺激产生器4的电刺激信号连接至用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统6中的电刺激信号切换电路。表面式肌电采集电极7放置于截肢者残端对应控制抓握肌肉位置。表面式肌电采集电极7连接至用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统6。用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统6由肌电输出线8连接至肌电假肢手1。表面式电刺激产生器4产生电刺激频率不超过250Hz，该表面式电刺激产生器4在系统运作时通过表面式电刺激电极5提供实时电刺激发放输出。

在本实施例中，肌电假肢手1为市售的肌电假肢手，其包含一通道肌电采集和二通道肌电采集类型。

如图2所示，用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统6包含电刺激切换电路61、前级放大器62、带通滤波器63、后级放大器64、模数转换电路65、数字滤波器66、数模转换电路67。

表面式电刺激产生器4可以具有一至多通道电刺激输出41和对应通道的电刺激信号42，分别连接至一至多个放置于截肢者残端控制肌肉位点上的表面式电刺激电极5和电刺激切换电路61的各输入通道。

电刺激切换电路61为数字电路，可以接收多通道的电刺激输出41，实现多刺激电路输入可能性。

优选地，前级放大器62使用仪表放大器，选择耐压与高共模抑制比的仪表放大器可以避免放大器损毁。

当电刺激信号42输入电刺激干扰去除系统6时可以将其输出接至电刺激切换电路61上，避免放大后的电刺激输出41引入后级放大器64与滤波器中。

本申请尽量降低使用电容，避免滤波电路与电容电荷的饱和，因为该效应会导致输入信号饱和，减少电容放电时间。本申请在电容前端电路完成切换，对于电容饱和的影响可以降至最小，在电刺激开启时可在1ms内完成放电。

传统开关电路会导致电路启动时的讯号不稳定，并且启动电路的时间也会造成信号的影响。而本申请选用数字开关电路可以避免此影响。

电刺激和肌电采集经数字选择开关68输入带通滤波器63，再通过后级放大器64放大并经模数转换电路65转换成数字信号，输入至数字滤波器66，透过数字滤波器66可以在一个采样点内进行滤波，将电刺激信号完整滤除，并保留原始肌电信号。滤波后的肌电信号经数模转换电路67转换成模拟信号，可以对肌电假肢手1进行输出控制。

优选地，数字滤波器66使用对应电刺激频率(电刺激输出频率和电刺激信号输出频率)的梳型滤波器。

在一些实施例中，表面式肌电采集电极7的数量可以是多对(例如，两对)，前级放大器62的数量可以和表面式肌电采集电极7的数量一致。在前级放大器62的输出可以通过肌电采集切换电路经数字选择开关68将肌电采集信号输入带通滤波器63，再通过后级放大器64放大并经模数转换电路65转换成数字信号，输入至数字滤波器66，透过数字滤波器66可以在一个采样点内进行滤波，将电刺激信号完整滤除，并保留原始肌电信号。滤波后的肌电信号经数模转换电路67转换成模拟信号，可以对肌电假肢手1进行输出控制。

实施例2

实施例1中的用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统6的使用方法如下：

1、将表面式肌电采集电极7放置于截肢者残端对应控制抓握肌肉位置，并将肌电采集线连接至用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统6；

2、从表面式电刺激产生器4上将电刺激输出线连接至表面式电刺激电极5，并将表面式电刺激电极5放置于上肢截肢者的残肢控制肌肉位点诱发指感或特定替代感觉位置上；

3、从表面式电刺激产生器4上将电刺激信号输出线连接至用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统6上对电刺激输出信号进行同步；

4、上肢截肢者使用肌电进行假肢控制，同时并产生电刺激的感觉建立，切换电刺激切换电路61、肌电采集切换电路和选择开关，用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统6将处理过的肌电信号输出至肌电假肢手1上进行假肢的抓握控制。

本申请为了克服建立感觉的表面电刺激时影响肌电假肢控制的肌电采集问题，从实务上设计一种用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统与方法，与其他直接关闭整体肌电信号的采集输出或同步发送电刺激补偿不同，通过前端电路的设计与调整，并结合电刺激输出时的开关电路至特定位置避免直接关闭采集系统与肌电信号的饱和，最终结合高度实时的梳型滤波器，可达到1ms下延时的电刺激干扰去除系统。

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)

1.一种用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统，其特征在于，包括电刺激切换电路、前级放大器、数字选择开关、带通滤波器、后级放大器、模数转换电路、数字滤波器、数模转换电路，所述电刺激切换电路被配置成接收电刺激产生器的一个或多个电刺激信号，所述电刺激切换电路的输出端连接至所述数字选择开关的第一输入端，所述前级放大器被配置成接收肌电采集电极对采集的肌电采集信号，所述前级放大器的输出传送至所述数字选择开关的第二输入端，所述数字选择开关的公共输出端依次连接所述带通滤波器、后级放大器、模数转换电路、数字滤波器、数模转换电路，所述电刺激信号和肌电采集信号被配置成经所述数字选择开关输入所述带通滤波器，再通过所述后级放大器放大并经所述模数转换电路转换成数字信号，输入至所述数字滤波器，透过所述数字滤波器在一个采样点内进行滤波，将所述电刺激信号完整滤除，并保留原始肌电采集信号，滤波后的所述肌电采集信号被配置成经所述数模转换电路转换成模拟信号，对肌电假肢手进行输出控制。

2.如权利要求1所述的用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统，其特征在于，所述前级放大器为仪表放大器。

3.如权利要求1所述的用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统，其特征在于，所述数字滤波器为梳型滤波器。

4.如权利要求3所述的用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统，其特征在于，所述梳型滤波器的频率对应所述电刺激产生器的电刺激频率。

5.如权利要求4所述的用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统，其特征在于，所述电刺激频率不超过250 Hz。

6.如权利要求1所述的用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统，其特征在于，所述肌电采集电极对的数量为一对或多对。

7.如权利要求6所述的用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统，其特征在于，所述前级放大器的数量与所述肌电采集电极对的数量相一致。

8.如权利要求7所述的用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统，其特征在于，还包括肌电采集切换电路，所述肌电采集切换电路被配置成通过所述前级放大器接收所述肌电采集电极对的一个或多个肌电采集信号，所述肌电采集切换电路的输出端连接至所述数字选择开关的所述第二输入端。

9.如权利要求8所述的用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统，其特征在于，所述前级放大器的各输入端分别连接至对应的所述肌电采集电极对，所述肌电采集切换电路的各输入端连接至所述前级放大器的各输出端。

10.一种如权利要求1所述的用于肌电假肢的电刺激干扰去除系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、 使用肌电采集线将肌电采集电极连接至所述电刺激干扰去除系统；

步骤2、 从电刺激产生器上将电刺激输出线连接至电刺激电极；

步骤3、 从电刺激产生器上将电刺激信号输出线连接至所述电刺激干扰去除系统上对电刺激输出信号进行同步；

步骤4、切换电刺激切换电路和数字选择开关，将处理过的肌电信号输出至肌电假肢手。