CN114949602A - 一种在线监测神经肌肉电刺激响应的闭环控制方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在线监测神经肌肉电刺激响应的闭环控制方法与系统，属于神经肌肉电刺激领域。该方法包括以下步骤：①设置肌音信号的预设水平，初始化电刺激参数，输出刺激电流作用于前臂肌肉，诱发肌肉收缩；②通过肌音信号传感器检测电刺激诱发肌肉收缩所产生的肌音信号；③对实时采集的前臂肌音信号进行调理；④提取肌音信号的特征参数并判断该特征参数是否达到预设水平并动态调整电刺激强度，直至肌音信号的特征参数达到预设水平。该方法通过监测电刺激诱发的肌肉响应使肌肉的收缩活动保持在预设水平，增强了神经肌肉电刺激生理响应的有效性。

Description

一种在线监测神经肌肉电刺激响应的闭环控制方法与系统

技术领域

本发明属于神经肌肉电刺激领域，涉及一种在线监测神经肌肉电刺激响应的闭环控制方法与系统。

背景技术

神经肌肉电刺激技术是一种用于运动康复训练的有效方法，其原理是通过一定的低频电流作用于丧失功能的肢体诱发肌肉收缩，使肢体产生运动，能够有效增强肌力，防止肌肉萎缩，增强大脑的感觉反馈，促进运动再学习。但是单纯的神经肌肉电刺激有时候并不能达到最佳的康复治疗效果，且容易使肌肉产生疲劳，若能通过传感器感知电刺激效能并进行实时反馈，则可以提高刺激效率。神经肌肉电刺激的生理效应体现在电刺激后所诱发的肌肉收缩，而肌肉收缩水平正是反映电刺激效能的重要特征指标，因此通常在电刺激中加入与肌肉收缩相关的信号进行反馈。

电子科技大学李展发明了一种肌电反馈的功能性电刺激闭环控制系统及方法(专利公开号：CN105031812A)，该系统采集电刺激肌肉时产生的原始表面肌电信号并进行预处理，通过对肌肉缩张模型进行在线实时预测，计算出最优的电刺激脉冲宽度控制量并反馈到电刺激器，实现了实时的自适应控制，但是该方法采用肌电信号作为控制信号，因此不可避免的会受到电刺激信号的干扰，同时也将增加信号的处理复杂度。

重庆大学郭宇峰发明了一种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(专利公开号：CN104398326A)，该方法通过实时检测假肢手使用者残肢肌肉的表面肌电信号进行分析，在使用过程中由于注意力分散以及疲劳等因素引起肌电活动水平下降时通过增大电刺激强度使得目标肌肉电活动达到初始状态水平，但是该方法在电刺激过程中使用肌电信号同样会受到干扰，并且在调整肌肉收缩活动水平时通过查表法的方式，但在实际中肌肉收缩水平与电刺激强度的对应关系并不是固定不变的，因此在调整电刺激参数时肌肉的收缩水平可能并不能达到预期效果。

中国科学院自动化研究所发明了一种基于角度于肌电信号反馈控制的电刺激康复装置及方法(专利公开号：CN103691059A)，该装置通过当前下肢运动角度确定下一步肌肉刺激部位和刺激参数，根据肌电信号特征值修正电刺激参数，在实现电刺激闭环控制的同时充分考虑刺激对肌肉的作用是否有效，使刺激效果始终处于最佳状态，有效减少肌肉疲劳。但无法满足无关节运动的神经肌肉电刺激康复过程控制。

Woods等人(Woods B,Subramanian M,Shafti A,et al.Mechanomyography basedclosed-loop Functional Electrical Stimulation cycling system[C]//2018 7thIEEE International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics(Biorob).IEEE,2018:179-184.)设计了一种基于肌音信号的闭环功能性电刺激闭环控制系统，该系统提出了一种基于腿部肌音信号与自行车踏板力调整电刺激参数使得自行车的速度达到并维持在设定速度，该系统通过电刺激腿部肌肉蹬动自行车，此时自行车运动具有一定速度，根据腿部的肌音信号与踏板上的力调整电刺激参数从而控制自行车的速度，但是该系统由于存在测试误差所以目前还未加入肌音信号与踏板力作为反馈变量，而是通过自行车的速度调整电刺激参数使自行车速度维持在设定水平。

在上述的专利研究中可以看出，目前主流的电刺激反馈控制信号为肌电信号，但由于肌电信号的采集容易受电刺激信号的干扰，滤除肌电信号中的电刺激干扰成分增加了信号的处理难度，所以肌电采集与电刺激使用不同步的采集方法，而这一方法将导致所采集到的肌电信号与电刺激之间存在延时，这时的肌电信号并不能反映电刺激的实时肌肉活动变化，这也限制了肌电信号的进一步发展，因此有必要研究将不受电刺激干扰、能够实时监测电刺激生理响应的信号用于电刺激反馈控制中，而肌音信号正好满足了这一特点，肌音信号是生物肢体在执行动作指令时由肌肉的收缩和舒张导致肌纤维横向振动而产生的声音信号。其本质是一种低频机械振动信号，因此不会电刺激的干扰，且蕴含了丰富的神经肌肉活动信息，可以用于电刺激的反馈控制中。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种在线监测神经肌肉电刺激响应的闭环控制方法与系统。该系统与方法通过肌音信号的相关特征参数表征肌肉的收缩水平，利用神经肌肉电刺激诱发肌肉收缩所产生的肌音信号动态调整电刺激强度，使神经肌肉电刺激诱发的肌肉响应维持在预设水平，增强了神经肌肉电刺激生理响应的有效性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种在线监测神经肌肉电刺激响应的闭环控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：设置肌音信号的预设水平，初始化电刺激参数，通过电刺激器施加刺激电流作用于前臂肌肉；

步骤二：通过肌音信号传感器检测神经肌肉电刺激诱发肌肉收缩时所产生的肌音信号；

步骤三：对步骤二测得的肌音信号进行调理分析，提取与肌肉收缩水平相关的肌音信号特征参数；

步骤四：根据步骤三所得特征参数判断当前刺激电流诱发的肌肉收缩是否达到预设水平；如未满足要求，根据电刺激强度的控制算法持续调整电刺激强度，动态检测肌音信号并分析其特征参数直至电刺激诱发肌肉收缩水平达到预设水平，从而确保神经肌肉电刺激生理效应的有效性。

一种在线监测神经肌肉电刺激响应的闭环控制系统，所述系统包括电刺激控制单元、肌音信号传感器、刺激电极单元；其中电刺激控制单元包括肌音信号调理电路，微控制器，电刺激器及I/O接口电路；其中刺激电极单元包括正电极和负电极；

所述肌音信号传感器用于采集前臂肌肉收缩时所产生的肌音信号；

所述的肌音信号调理电路用于对肌音信号传感器采集到的肌音信号进行调理，包括滤波以及阻抗变换等；

所述微控制器用于对调理后的肌音信号进行实时采集与缓存，同时计算缓存肌音信号的特征参数，将其与预设水平作比较得出下一步电刺激参数，最后通过I/O接口电路发送给电刺激器并清空缓存；

所述电刺激器用于接收微控制器通过I/O接口发送的电刺激参数，并输出刺激电流；

所述刺激电极单元用于将电刺激器输出的刺激电流传导耦合到皮下肌肉或神经组织诱发肌肉收缩。

可选的，所述刺激电极单元和肌音信号传感器同时固定于被刺激肌肉的皮肤表面，刺激电流经刺激电极单元传导耦合到皮下肌肉或神经组织诱发肌肉收缩，肌肉收缩引起的肌肉振动经肌音信号传感器拾取。

可选的，所述肌音信号的特征参数包括肌音信号均方根和平均值的时域特征，以及平均功率频率或中值频率的频域特征。

可选的，所述调整电刺激强度为根据肌音信号的特征参数动态调整：

若实际采集的肌音信号特征参数小于预设水平则增大电刺激强度，反之则减小电刺激强度，其中，电刺激强度增大、减小的幅度取决于当前肌音信号的特征参数大小占预设水平的比例，且电刺激强度可调整的范围在用户的刺激阈值与可接受最大电刺激强度之间。

本发明的有益效果在于：通过肌音信号的相关特征参数表征肌肉收缩水平，解决了在电刺激中使用表面肌电信号作为控制信号时受电刺激干扰以及信号处理复杂的问题；其次，通过实时采集的肌音信号特征参数与预设水平进行比较，从而实时动态调节电刺激参数，使肌肉的收缩水平保持在预设水平，实现了神经肌肉电刺激在生理层面的可控。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为一种可在线监测神经肌肉电刺激响应的闭环控制系统框图；

图2为一种可在线监测神经肌肉电刺激响应的闭环控制方法流程图；

图3为一种可在线监测神经肌肉电刺激响应的闭环控制方法与系统的具体使用场景图；

附图标记：A为电刺激控制单元，B为肌音信号传感器，C为刺激电极单元，C1为负电极，C2为正电极。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，本发明提供一种可在线监测神经肌肉电刺激响应的闭环控制方法与系统。该系统包括电刺激控制单元、肌音信号传感器、刺激电极单元；其中电刺激控制单元包括肌音信号调理电路，微控制器，电刺激器及I/O接口电路；刺激电极单元包括正电极和负电极。

本发明的一个实施例如图2所示，以中指的指屈康复为例，场景图如图3所示，将电刺激控制单元A固定在上臂，肌音信号传感器B通过双面胶粘贴在桡侧腕屈肌上，刺激电极单元C的负电极C1粘贴在指浅屈肌上，刺激电极单元C的正电极C2放置在正中神经上，肌音信号特征参数取均方根，设置电刺激参数为：刺激频率40Hz、刺激脉宽500us、刺激时长1s、刺激间隔5s，电刺激强度在1-10mA可调，做好上述准备工作后开始电刺激，首先设置肌音信号的预设水平，初始化电刺激参数，通过刺激电极单元C将刺激器输出的刺激电流传导耦合到皮下肌肉或神经组织，诱发中指指屈运动，同时通过肌音信号传感器拾取电刺激诱发肌肉收缩后的肌音信号并通过调理电路进行滤波与阻抗变换，随后通过微控制器采集肌音信号并进行缓存，提取缓存肌音信号的均方根，并对比实时的肌音信号均方根是否达到了预设水平，若已达到预设水平则保持当前电刺激强度，若小于预设水平则增大电刺激强度，否则减小电刺激强度，调整电刺激强度后清空缓存并更新电刺激参数，如此往复，直至电刺激诱发的肌肉收缩达到并保持在预设水平。其中，电刺激强度增大与减小的控制算法为：对于当前肌音信号均方根小于预设水平的情况，若当前肌音信号均方根等于预设水平的69％-99％，电刺激强度增加0.1mA，若当前肌音信号均方根等于预设水平的40％-70％，电刺激强度增加0.2mA,若当前肌音信号均方根小于预设水平的40％，电刺激强度增加0.3mA；而对于当前肌音信号均方根大于预设水平的情况则相反，若当前肌音信号均方根等于预设水平的101％-130％，电刺激强度减小0.1mA,若当前肌音信号均方根等于预设水平的131％-160％，电刺激强度减小0.2mA,若当前肌音信号均方根大于预设水平的160％，电刺激强度减小0.3mA。电刺激强度与肌音信号均方根的对应关系需要提前建立，建立方法为：根据手臂的生理解剖结构找到待刺激的肌肉运动点与相关神经，刺激电极单元的负电极粘贴在肌肉运动点，刺激电极单元的正电极粘贴在与手指运动的相关神经上，肌音信号传感器放置在肌腹上，固定刺激频率、刺激脉宽、刺激时长与刺激间隔，刺激电流强度从小到大开始刺激并同步采集肌肉收缩产生的肌音信号，记录电刺激强度与所诱发肌音信号的均方根的对应关系，其中，电刺激强度的范围在用户的刺激阈值与可接受的最大电刺激强度之间。

①各手指对应肌肉与神经的对应关系，如表1所示：

表1各手指对应肌肉与神经的对应关系

②电刺激强度与肌音信号均方根对应关系，如表2所示：

表2电刺激强度与肌音信号均方根对应关系

电刺激强度(mA)	肌音信号均方根(V)
		5.3	0.136012
5.4	0.135915
		5.5	0.153026
5.6	0.210768
		5.7	0.175008
5.8	0.229763
		5.9	0.23985
6	0.273304
		6.1	0.245387
6.2	0.26068
		6.3	0.254127
6.4	0.233556
		6.5	0.257543
6.6	0.312906

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种在线监测神经肌肉电刺激响应的闭环控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一：设置肌音信号的预设水平，初始化电刺激参数，通过电刺激器施加刺激电流作用于前臂肌肉；

步骤二：通过肌音信号传感器检测神经肌肉电刺激诱发肌肉收缩时所产生的肌音信号；

步骤三：对步骤二测得的肌音信号进行调理分析，提取与肌肉收缩水平相关的肌音信号特征参数；

步骤四：根据步骤三所得特征参数判断当前刺激电流诱发的肌肉收缩是否达到预设水平；如未满足要求，根据电刺激强度的控制算法持续调整电刺激强度，动态检测肌音信号并分析其特征参数直至电刺激诱发肌肉收缩水平达到预设水平，从而确保神经肌肉电刺激生理效应的有效性。

2.一种在线监测神经肌肉电刺激响应的闭环控制系统，其特征在于：所述系统包括电刺激控制单元、肌音信号传感器、刺激电极单元；其中电刺激控制单元包括肌音信号调理电路，微控制器，电刺激器及I/O接口电路；其中刺激电极单元包括正电极和负电极；

所述肌音信号传感器用于采集前臂肌肉收缩时所产生的肌音信号；

所述的肌音信号调理电路用于对肌音信号传感器采集到的肌音信号进行调理，包括滤波以及阻抗变换等；

所述微控制器用于对调理后的肌音信号进行实时采集与缓存，同时计算缓存肌音信号的特征参数，将其与预设水平作比较得出下一步电刺激参数，最后通过I/O接口电路发送给电刺激器并清空缓存；

所述电刺激器用于接收微控制器通过I/O接口发送的电刺激参数，并输出刺激电流；

所述刺激电极单元用于将电刺激器输出的刺激电流传导耦合到皮下肌肉或神经组织诱发肌肉收缩。

3.根据权利要求1所述的一种在线监测神经肌肉电刺激响应的闭环控制系统，其特征在于：所述刺激电极单元和肌音信号传感器同时固定于被刺激肌肉的皮肤表面，刺激电流经刺激电极单元传导耦合到皮下肌肉或神经组织诱发肌肉收缩，肌肉收缩引起的肌肉振动经肌音信号传感器拾取。

4.根据权利要求1所述的一种在线监测神经肌肉电刺激响应的闭环控制系统，其特征在于：所述肌音信号的特征参数包括肌音信号均方根和平均值的时域特征，以及平均功率频率或中值频率的频域特征。

5.根据权利要求1所述的一种在线监测神经肌肉电刺激响应的闭环控制系统，其特征在于：所述调整电刺激强度为根据肌音信号的特征参数动态调整：

若实际采集的肌音信号特征参数小于预设水平则增大电刺激强度，反之则减小电刺激强度，其中，电刺激强度增大、减小的幅度取决于当前肌音信号的特征参数大小占预设水平的比例，且电刺激强度可调整的范围在用户的刺激阈值与可接受最大电刺激强度之间。

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