CN115607835A - 基于对侧肌电控制的下肢康复系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于对侧肌电控制的下肢康复系统及其控制方法，属于电子学、运动学和康复医学交叉领域。基于对侧肌电控制的下肢康复系统包括控制侧子系统和受控侧子系统：控制侧子系统以穿戴的形式穿戴于健侧下肢，包括：控制侧主控处理器和与控制侧主控处理器电性连接的肌电探测模块、惯性传感器模块、控制侧无线模块和控制侧供电模块，控制侧供电模块用于为控制侧子系统供电；受控侧子系统以穿戴的形式穿戴于患侧下肢，包括：受控侧主控处理器和与受控侧主控处理器电性连接的受控侧无线模块、刺激驱动与输出电路以及受控侧供电模块，受控侧供电模块用于为受控侧子系统供电；控制侧无线模块与受控侧无线模块在同一无线局域网内保持通信连接。

Description

基于对侧肌电控制的下肢康复系统及其控制方法

技术领域

本发明属于电子学、运动学和康复医学交叉领域，尤其涉及一种基于对侧肌电控制的下肢康复系统及其控制方法。

背景技术

脑卒中患者和不完全损伤的截瘫患者中的一部分在神经系统损伤后由于下肢肌力弱导致稳定性和姿势协调性差而不能站立，因此，在康复阶段早期首先在侧卧位或坐姿姿势下给与功能性电刺激训练，以便于尽快恢复腿部关键肌肉的肌肉力量。对于下肢功能康复，患者最终期望改善的功能不仅仅只是站立，而是站立后能够独立行走，从而提高其独立生活能力。随着功能性电刺激系统的持续使用，患者获得额外的肌肉功能能够站立后，即可尝试去改善其行走功能。

下肢行走是一种模式化、周期性运动，模拟正常步态肌肉激活序列的预编程功能性电刺激辅助行走方法，由于无需探测受试者自主行走意图，被认为是最简单和方便的。然而这种被动的功能性电刺激辅助训练模式，没有充分挖掘患者主动参与康复训练的积极性，肢体运动功能恢复程度有限。

传统的基于步态事件触发刺激脉冲的功能性电刺激系统，当传感器探测到足尖离地时，即触发刺激脉冲输出，从而诱发胫骨前肌收缩执行踝背屈运动。实际上，在此之前，即在步态单支撑阶段腿摆动开始之前，胫骨前肌就已经开始工作，并且与小腿三头肌协同收缩共同支撑体重，从而避免身体另一侧进行补偿性运动。传感器控制的刺激脉冲激活目标肌肉的时间不是生理性激活肌肉的时间，并且支配肢体动作的目标肌肉在步态周期内活动爆发次数也不是固定的，因此单纯使用传感器控制的刺激脉冲诱发肌肉收缩产生的肢体动作表现为行走动作连贯性和协调性差。

同侧自主肌电控制功能性电刺激系统要求使用该系统的目标对象的患侧肢体中支配目标动作的主动肌具备残存的自主收缩能力。该系统将患者残存的自主运动意图和功能性电刺激相结合，提高其瘫痪肢体功能恢复的程度。然而不是所有的患者在神经系统损伤后，其患侧肢体都存在残余的自主运动能力。因此同侧自主肌电控制功能性电刺激系统适用于轻偏瘫或经过电刺激训练后恢复部分自主功能的患者，因此同侧自主肌电控制功能性电刺激系统具有局限性，不适用于暂时或永久丧失自主运动能力的患肢。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于对侧肌电控制的下肢康复系统及其控制方法，基于健侧步态周期触发患侧的交替性运动控制，适用于轻微或早期的单侧患肢复健，也适用于暂时或永久丧失自主运动能力的患肢被动运动，避免患侧肌肉萎缩。

本发明实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于对侧肌电控制的下肢康复系统，包括控制侧子系统和受控侧子系统：

所述控制侧子系统以穿戴的形式安装于健侧下肢上，包括：控制侧主控处理器和与所述控制侧主控处理器电气连接的肌电探测模块、惯性传感器模块、控制侧无线模块和控制侧供电模块，所述控制侧供电模块用于为所述控制侧子系统中各器件供电；

所述受控侧子系统以穿戴的形式安装于患侧下肢上，包括：受控侧主控处理器和与所述受控侧主控处理器电气连接的受控侧无线模块、刺激驱动与输出电路以及受控侧供电模块，所述受控侧供电模块用于为所述受控侧子系统中各器件供电；

所述控制侧无线模块与所述受控侧无线模块在同一无线局域网内保持无线通信连接状态；

所述肌电探测模块，用于实时采集健侧下肢体表的肌电信号并传输至所述控制侧主控处理器；

所述惯性传感器模块，用于采集人体行走期间健侧肢体小腿活动过程中的惯性传感信号；

所述控制侧主控处理器，在接收到所述肌电信号时，通过所述控制侧无线模块向所述受控侧子系统发送通信畅通指令；

所述受控侧子主控处理器，通过所述受控侧无线模块接收并响应所述通信畅通指令，发送应答消息给所述控制侧子系统；

所述控制侧主控处理器，接收到所述应答消息后，开始向所述受控侧子系统实时输出所述肌电信号；

所述受控侧子主控处理器，接收所述肌电信号并保存至所述受控侧子主控处理器的存储器中；

所述控制侧主控处理器，基于样本熵算法分析所述肌电探测模块采集到的所述肌电信号，识别出健侧下肢肌肉活动起始时刻t₀、以及识别出所述健侧下肢的肌肉活动状态；从所述健侧下肢肌肉活动起始时刻t₀开始，通过所述惯性传感器模块采集所述惯性传感信号，根据所述惯性传感信号识别出所述健侧下肢的每一个摆动相中期步态事件认定时刻T_MSW-i；在刺激脉冲输出时刻T_Sti向所述受控侧子系统发送刺激输出允许指令，其中，T_Sti＝T_MSW-i+△t，△t为延迟时间；

所述受控侧子主控处理器，接收并执行所述刺激输出允许指令，调用存储的所述肌电信号进行编码，得到反映自主肌肉收缩活化状态的刺激脉冲序列，同时控制所述刺激驱动与输出电路根据所述刺激脉冲序列输出刺激脉冲；

所述刺激驱动与输出电路，用于输出所述刺激脉冲作用于所述患侧下肢目标肌肉。

较优地，所述惯性传感器包括三轴微加速度计、三轴微陀螺仪和三轴微磁力计；所述惯性传感信号为一组传感信号，包括角速度信号、加速度信号和角度信号；

所述无线局域网的类型为WiFi，所述控制侧无线模块和所述受控侧无线模块的收发信号类型为WiFi。

较优地，所述控制侧子系统，用于利用滑动窗检测所述角速度信号，所述滑动窗口的长度为N；调用步态探测算法分析所述角速度信号，分析出足尖离地步态事件发生后，开始判断所述滑动窗口内的各所述角速度信号的角速度值是否大于探测阈值；确定出现所述滑动窗口内任一所述角速度值大于所述探测阈值的时刻为所述T_MSW-i。

较优地，所述控制侧子系统，还用于监控步态周期变化率，当前步态周期相比于上一步态周期的变化百分比超过变比阈值绝对值时，修改所述延迟时间△t为△t’，

其中，T₁为上一步态周期时长，T₂为当前步态周期时长。

较优地，所述肌电探测电路由依次连接的单差分配置的条状银电极、RFI 抑制电路、前置放大电路、带通滤波器电路、电平抬升电路组成；

所述刺激驱动和输出电路包括刺激驱动电路、高压模拟开关以及多通道恒流刺激器：

所述刺激驱动电路与所述受控侧主控处理器内部DAC电气连接，用于输出所述受控侧主控处理器在所述T_Sti时刻产生的所述电刺激脉冲序列；所述刺激脉冲序列为脉宽恒定、频率变化以及持续时间长度与所述肌电信号相同的刺激脉冲小信号，所述刺激驱动电路将所述刺激脉冲小信号转换为高压单相刺激电流脉冲输出至所述高压模拟开关；

所述高压模拟开关，为连接有n个输出通道的H型桥电路，将所述高压单相刺激电流脉冲变换为双相刺激电流脉冲；向所述受控侧主控处理器的选通信号所对应的通道输出所述双相刺激电流脉冲；

多通道恒流刺激器，包括所述n个输出通道，用于通过所述选通信号所对应的通道输出所述刺激脉冲作用于所述患侧下肢目标肌肉。

较优地，还包括移动控制终端，所述移动控制终端具有主控制器和无线模块，所述主控制器用于生成延迟时间信号、并以无线传输的方式发送给所述受控侧子系统；所述无线模块，用于加入所述无线局域网；

所述控制侧子系统，用于接收所述延迟时间信号，并将所述△t调整为所述延迟时间信号所指定的时长。

本发明还提供一种下肢康复系统的控制方法，实施主体为前述的基于对侧肌电控制的下肢康复系统，包括：

步骤S1，控制侧子系统实时采集健侧下肢体表的肌电信号，并在初始采集到所述肌电信号时，向受控侧子系统发送通信畅通指令，其中，所述控制侧子系统以穿戴的形式安装于健侧下肢上，所述受控侧子系统以穿戴的形式安装于患侧下肢上；

步骤S2，所述受控侧子系统接收并响应所述通信畅通指令，发送应答消息给所述控制侧子系统；

步骤S3，所述控制侧子系统接收到所述应答消息后，实时向所述受控侧子系统发送所述肌电信号；

步骤S4，所述受控侧子系统接收所述肌电信号并保存；

步骤S5，所述控制侧子系统基于样本熵算法分析所述肌电信号，得出健侧下肢肌肉活动起始时刻t₀；

步骤S6，从所述健侧下肢肌肉活动起始时刻t₀起，所述控制侧子系统持续采集人体行走期间健侧肢体小腿活动过程中的惯性传感信号；

步骤S7，所述控制侧子系统根据所述惯性传感信号确定出所述健侧下肢的每一个摆动相中期步态事件认定时刻T_MSW-i；

步骤S8，所述控制侧子系统在刺激脉冲输出时刻T_Sti向所述受控侧子系统发送刺激输出允许指令，其中，T_Sti＝T_MSW-i+△t，△t为延迟时间；

步骤S9，所述受控侧子系统接收并执行所述刺激输出允许指令，调用存储的所述肌电信号编码转化为刺激脉冲序列、根据所述刺激脉冲序列输出刺激脉冲作用于所述患侧下肢目标肌肉。

较优地，所述惯性传感信号为一组传感信号，包括角速度信号、加速度信号和角度信号；所述所述控制侧子系统根据所述惯性传感信号确定出所述健侧下肢的每一个摆动相中期步态事件认定时刻T_MSW-i包括：

步骤S71，所述控制侧子系统利用滑动窗口检测所述角速度信号，所述滑动窗口的长度为N；

步骤S72，调用步态探测算法分析所述角速度信号，分析出足尖离地步态事件发生后，开始判断所述滑动窗口内的各所述角速度信号的角速度值是否大于探测阈值；

步骤S73，确定出现所述滑动窗口内任一所述角速度值大于所述探测阈值的时刻为所述T_MSW-i。

较优地，下肢康复系统的控制方法的步骤还包括：

步骤S10，所述控制侧子系统监控步态周期变化率，当前步态周期相比于上一步态周期的变化百分比超过变比阈值绝对值时，修改所述延迟时间△t为△t’，

其中，T₁为上一步态周期时长，T₂为当前步态周期时长。

由上述技术方案可知，本发明实施例提供的基于对侧肌电控制的下肢康复系统，其中控制侧子系统以穿戴的形式安装于健侧下肢，包括控制侧主控处理器和与控制侧主控处理器电性连接的肌电探测模块、惯性传感器模块、控制侧无线模块和控制侧供电模块，控制侧供电模块用于为控制侧子系统供电；受控侧子系统以穿戴的形式安装于患侧下肢，包括受控侧主控处理器和与受控侧主控处理器电性连接的受控侧无线模块、刺激驱动与输出电路以及受控侧供电模块，受控侧供电模块用于为受控侧子系统供电；控制侧无线模块与受控侧无线模块在同一无线局域网内保持通信连接。本发明是基于健侧步态周期触发患侧的交替性运动控制，既适用于轻微的单侧患肢复健，也适用于暂时或永久丧失自主运动能力的患肢被动运动，避免患侧肌肉萎缩。

附图说明

图1是下肢无线穿戴式的下肢康复系统框图。

图2是肌电探测电路图。

图3是人体行走过程中左右腿角速度信号曲线示意图。

图4是异步对侧肌电控制接FES使用健侧肢体步态事件触发刺激脉冲输出曲线图。

图5是行走异步对侧肌电控制接FES信号示意图。

图6是使用人体体表肌电信号编码生成的刺激脉冲序列图。

图7是刺激驱动与输出电路6部分软硬件结构框图示意图。

图8是H型桥与多路复用器的电路连接示意图。

具体实施方式

以下结合本发明的附图，对本发明的技术方案以及技术效果做进一步的详细阐述。

如图1-6所示，本发明提供一种基于对侧肌电控制的下肢康复系统，包括控制侧子系统和受控侧子系统，如图1所示，控制侧子系统以穿戴的形式安装于健侧下肢上，受控侧子系统以穿戴的形式安装于患侧下肢上：

控制侧子系统包括：控制侧主控处理器1和与控制侧主控处理器1电气连接的肌电探测模块2、惯性传感器模块3、控制侧无线模块41和控制侧供电模块，控制侧供电模块用于为控制侧子系统中各器件供电；

受控侧子系统包括：受控侧主控处理器5和与受控侧主控处理器电气连接的受控侧无线模块42、刺激驱动与输出电路6以及受控侧供电模块，受控侧供电模块用于为受控侧子系统中各器件供电；

控制侧无线模块41与受控侧无线模块42在同一无线局域网内保持无线通信连接状态；

肌电探测模块2，用于实时采集健侧下肢体表的肌电信号并传输至控制侧主控处理器1。肌电探测电路由依次连接的单差分配置的条状银电极、RFI抑制电路、前置放大电路、带通滤波器电路、电平抬升电路组成，参照图2所示为肌电探测电路2去除了右腿驱动电路。肌电探测电路包括：射频抑制网络、8阶带通滤波器、电平移位电路。肌电信号的幅度通常从μV～mV，频域中功率谱通常在0～500Hz范围内，总功率的90～95％位于20～400Hz频率范围内，对噪声非常敏感，因此本发明提供低噪声、精确的肌电信号采集电路。首先，使用两个运算放大器OPA1和OPA2构成阻抗变换电路，增加输入阻抗，辅助两信号回路之间阻抗匹配，减少由于电极和接触阻抗不匹配导致的共模噪声转为差模噪声对放大电路的影响。在实际应用中，肌电探测电路必须能够处理不断增加的射频干扰，因此，在仪表前置放大器前引入射频干扰抑制网络滤除射频信号。仪表前置放大器具有相对于频率最高的共模抑制比，可抑制宽带干扰和线路谐波，简化对滤波器的要求。为了实现使用较少器件就能满足肌电探测要求的电路，使用了一个电容与仪表放大器增益电阻串联。当肌电信号被放大时，对信号进行高通滤波处理，抑制直流偏置。仪表放大器电压增益G＝100→40dB(放大100 倍)，考虑到实际所使用的电容的容差，截止频率为3.18～3.98Hz。信号从仪表放大器输出之后，进入增益为20dB的8阶巴特沃斯带通滤波器，以去除任何低于20Hz的低频噪声(运动伪迹以及与仪表放大器有关的任何潜在的直流偏移)和 500Hz的高频噪声。最后将滤波处理后的信号进行电平抬升，抬升到0～3.3V范围内，用于控制侧子系统主控处理器电路1内部ADC采集肌电信号。

惯性传感器模块3，用于采集人体行走期间健侧肢体小腿活动过程中的惯性传感信号；惯性传感器包括三轴微加速度计、三轴微陀螺仪和三轴微磁力计；惯性传感信号为一组传感信号，包括角速度信号、加速度信号和角度信号；

控制侧主控处理器1，在接收到肌电信号时，通过控制侧无线模块41向受控侧子系统发送通信畅通指令；

受控侧子主控处理器5，通过受控侧无线模块42接收并响应通信畅通指令，发送应答消息给控制侧子系统；

控制侧主控处理器1，接收到应答消息后，开始向受控侧子系统实时输出肌电信号；

受控侧子主控处理器，接收肌电信号并保存至受控侧子主控处理器的存储器中；

控制侧主控处理器1，基于样本熵算法分析肌电探测模块2采集到的肌电信号，识别出健侧下肢肌肉活动起始时刻t₀、以及识别出健侧下肢的肌肉活动状态；从健侧下肢肌肉活动起始时刻t₀开始，通过惯性传感器模块3采集惯性传感信号，根据惯性传感信号识别出健侧下肢的每一个摆动相中期步态事件认定时刻 T_MSW-i；在刺激脉冲输出时刻T_Sti向受控侧子系统发送刺激输出允许指令，其中， T_Sti＝T_MSW-i+△t，△t为延迟时间；

受控侧子主控处理器5，接收并执行刺激输出允许指令，调用存储的肌电信号进行编码，得到反映自主肌肉收缩活化状态的刺激脉冲序列，同时控制刺激驱动与输出电路根据刺激脉冲序列输出刺激脉冲；

刺激驱动与输出电路6，用于输出刺激脉冲作用于患侧下肢目标肌肉。

控制侧子系统利用滑动窗检测角速度信号，滑动窗口的长度为N；调用步态探测算法分析角速度信号，分析出足尖离地步态事件发生后，开始判断滑动窗口内的各角速度信号的角速度值是否大于探测阈值；确定出现滑动窗口内任一角速度值大于探测阈值的时刻为T_MSW-i。

控制侧子系统，还用于监控步态周期变化率，当前步态周期相比于上一步态周期的变化百分比超过变比阈值绝对值时，修改延迟时间△t为△t’，起到系统自调整作用：

其中，T₁为上一步态周期时长，T₂为当前步态周期时长。

如图1所示，刺激驱动和输出电路6包括刺激驱动电路61、高压模拟开关 62以及多通道恒流刺激器63，其中：

刺激驱动电路61与受控侧主控处理器5内部DAC电性连接，用于接收受控侧主控处理器5在T_Sti时刻发送的刺激脉冲序列；刺激脉冲序列为脉宽恒定、频率变化以及持续时间长度与肌电信号相同的刺激脉冲小信号，由受控侧主控处理器5内部的DAC输出，刺激驱动电路61将刺激脉冲小信号转换为高压单相刺激电流脉冲输出至高压模拟开关62；

高压模拟开关62，为连接有n个输出通道的H型桥电路，将高压单相刺激电流脉冲变换为双相刺激电流脉冲；向受控侧主控处理器5的选通信号所对应的通道输出双相刺激电流脉冲；主控处理器电路5产生高压模拟开关62中的H 型桥电路控制信号，控制H型桥产生60或100V双相刺激电流脉冲。H型桥输出的双相刺激电流脉冲与高压模拟开关中的多路复用器选通的输出通道直接连接。高压双相刺激电流经过该输出通道的一个电极流入皮肤，并经输出通道的另一个电极流回受控侧子系统，完成诱发肌肉收缩的功能，实现下肢行走健侧肢体体表肌电控制和惯性传感器触发的异步交替运动控制。

多通道恒流刺激器63，包括n个输出通道，用于通过选通信号所对应的通道输出刺激脉冲作用于患侧下肢。

刺激驱动与输出电路6的4通道软硬结构框图如图7示例，多通道恒流刺激器63是由多路复用器及分别连接于多路复用器输出端的第一输出通道、第二输出通道、第三输出通道、第四输出通道组成，受控侧主控处理器根据从控制侧接收的控制信号产生通道选择信号以及解码肌电信号获得原始通道刺激小信号；刺激驱动与输出电路6中还具有压控电流源、互补型电流源和H型桥，互补型电流源包括镜像电流源和镜像电流漏，镜像电流源的参考电流端与压控电流源的电流输入端连接，镜像电流漏的参考电流端与压控电流源的电流输出端连接，主控处理器电路产生的原始通道刺激小信号作为压控电流源的电压输入控制信号经过压控电流源产生用于控制镜像电流源和镜像电流漏的参考电流，镜像电流源根据参考电流产生源电流并于源电流端输出，镜像电流漏根据参考电流产生灌电流并于灌电流端输入。如图8所示，H型桥的一个桥臂中点与的互补型电流源中镜像电流源的源电流端连接，H型桥的另一个桥臂中点与的互补型电流源中镜像电流漏的灌电流端连接，H型桥桥臂的一端与的多路复用器中各输出通道的一端相连接，H型桥桥臂的另一端与的多路复用器中各输出通道的另一端相连接，镜像电流源为H型桥提供互补型电流中的源电流，镜像电流漏为H型桥提供互补型电流中的灌电流，受控侧主控处理器通过控制H型桥的两个桥臂开关的选通产生双相电流脉冲，H型桥经过受控侧主控处理器控制多路复用器，再选通相应通道完成功能电刺激脉冲的产生。

进一步地，系统可还包括移动控制终端用于直接控制受控侧子系统和控制侧子系统，移动控制终端具有主控制器和无线模块，主控制器用于生成延迟时间信号、并以无线传输的方式发送给受控侧子系统；无线模块，用于加入前述无线局域网，以与受控侧子系统和控制侧子系统建立无线通信连接；控制侧子系统，用于接收延迟时间信号，并将△t调整为延迟时间信号所指定的时长，起到用户实时调整的作用。

通过上述描述可知，本发明中，控制侧子系统使用两个线程。第一个线程采集健侧肢体信源肌肉肌电信号，然后调用样本熵算法探测肌肉活动起始时间。当探测到信源肌肉活动起始时间后，控制侧子系统向受控侧子系统发送通信畅通指令0xa1。受控侧子系统收到0xa1指令后返回应答消息0xa2。如果控制侧子系统接收到应答消息0xa2，则开始将肌肉活动起始时间之后一个步态周期内的肌电信号作为控制信号向受控侧子系统发送。与此同时第二个线程以滑动窗口的方式采集健侧肢体行走期间的角速度信号，本实施例中，滑动窗口的长度为 N＝10。当采集的角速度数据量达到10，但不限于10的时候，调用步态探测算法判断角速度信号中的摆动相中期步态事件是否发生。如果算法探测到该步态事件发生，确定该时刻为摆动相中期步态事件认定时刻T_MSW-i，控制侧子系统开始向受控侧子系统发送刺激脉冲输出允许指令0xa3。

受控侧子系统接收到通信畅通指令后，向控制侧子系统发送应答消息0xa2。随后系统等待接收来自控制侧子系统的控制信号，与此同时判断是否接收到刺激输出允许指令0xa3。当确定接收到刺激输出允许指令后，判断缓存中是否有存储的控制信号(即肌电信号)。如果缓存不为空，则开始应用刺激脉冲生成算法，将控制信号(即肌电信号)转码为相对应地相等时间长度的刺激脉冲序列，然后由多通道恒流刺激器输出，从而实现健侧肢体带动患侧肢体行走的异步对侧肌电控制功能性运动。

参照图3所示为，在健康人行走过程中，放置在左、右小腿近端正面上的惯性传感器所采集的角速度信号。图中左腿角速度信号中摆动相中期步态事件发生时间早于右腿角速度中的足尖离地步态事件发生时间。正常人体行走过程中，目标肌肉的生理性激活时间早于放置在目标肌肉上的惯性传感器探测的步态事件的发生时间。目标肌肉为支配踝关节背屈动作的主动肌胫骨前肌。因此如果左腿作为佩戴控制侧子系统的控制腿，右腿作为佩戴受控侧子系统的受控腿，使用惯性传感器探测的左腿摆动相中期步态事件发生时间指令可以作为施加到受控腿电刺激脉冲序列输出的触发信号，以达到电刺激激活瘫痪肌肉的时间与生理性激活目标肌肉时间一致的目的。

参照图4，下肢行走异步交替性控制策略使用佩戴在健侧肢体上的惯性传感器探测的摆动相中期步态事件发生时间指令触发施加到患侧肢体上目标肌肉上的刺激脉冲输出。控制侧子系统主控处理器电路1使用步态事件探测算法探测健侧肢体行走角速度信号中的摆动相中期步态事件认定时刻T_MSW-i。公式(1)中刺激脉冲输出时间为T_Sti，相对于摆动相中期步态事件发生时间延迟一段固定时间△t，△t可根据前述的方案自调节，也可以利用移动终端例如遥控器按照实际情况进行人工调节，以便于使目标肌肉的激活时间与生理性的激活时间一致。

参照图5，行走异步对侧肌电控制接FES原理图，控制侧子系统分别获取人体行走信源肌肉肌电信号和角速度信号。然后将肌电信号发送至受控侧子系统，同时使用步态事件探测算法识别健康侧肢体摆动相中期步态事件。当探测到摆动相中期步态事件后，向受控侧子系统发送刺激输出允许指令。受控侧子系统接收到刺激输出允许指令后，开始播放存储的肌电信号，将其转码为相等时间长度的刺激脉冲，然后由多通道恒流刺激器输出，完成控制侧肢体带动受控侧肢体行走异步对侧肌电控制接。图中所示，健侧肢体自主肌肉收缩活动时间和施加到患侧肢体目标肌肉的刺激脉冲时间有一定的时间差，尤其诱发的瘫痪肢体动作和健侧肢体动作之间表现为人体下肢异步运动的特征。

参照图6，施加到患侧肢体目标肌肉上的刺激脉冲是通过调用刺激脉冲生成算法将存储的控制信号转码为相对应时间长度的刺激脉冲序列。示波器显示了受控侧子系统直接将接收的控制侧子系统通过WiFi发送来的控制信号编码生成为相应的刺激脉冲序列。

在本发明方案中，无线局域网的类型为WiFi，控制侧无线模块41和受控侧无线模块42的收发信号类型为WiFi，即控制侧子系统和受控侧子系统均通过 Marvell 88W8782WiFi模块分别与手机创建的WiFi热点连接，从而建立Socket 通讯。局域网的类型也可以为蓝牙、移动网络等，相应地，两个子系统配置至少一种无线收发器，在某一类无线局域网信号传输受限时，更换另一种无线连接方式。

本发明还提供一种下肢康复系统的控制方法，其实施主体为图1所示的基于对侧肌电控制的下肢康复系统，步骤包括：

步骤S1，控制侧子系统实时采集健侧下肢体表的肌电信号，并在初始采集到肌电信号时，向受控侧子系统发送通信畅通指令，其中，控制侧子系统以穿戴的形式安装于健侧下肢上，受控侧子系统以穿戴的形式安装于患侧下肢上；

步骤S2，受控侧子系统接收并响应通信畅通指令，发送应答消息给控制侧子系统；

步骤S3，控制侧子系统接收到应答消息后，实时向受控侧子系统发送肌电信号；

步骤S4，受控侧子系统接收控制信号肌电信号并保存；

步骤S5，控制侧子系统基于样本熵算法分析肌电信号，得出健侧下肢肌肉活动起始时刻t₀；

步骤S6，从健侧下肢肌肉活动起始时刻t₀起，控制侧子系统持续采集人体行走期间健侧肢体小腿活动过程中的惯性传感信号；

步骤S7，控制侧子系统根据惯性传感信号确定出健侧下肢的每一个摆动相中期步态事件认定时刻T_MSW-i；

步骤S8，控制侧子系统在刺激脉冲输出时刻T_Sti向受控侧子系统发送刺激输出允许指令，其中，T_Sti＝T_MSW-i+△t，△t为延迟时间；

步骤S9，受控侧子系统接收并执行刺激输出允许指令，调用存储的肌电信号编码转化为刺激脉冲序列、根据刺激脉冲序列输出刺激脉冲作用于患侧下肢目标肌肉。

其中，惯性传感信号为一组传感信号，包括角速度信号、加速度信号和角度信号，步骤S7的执行可包括：

步骤S71，控制侧子系统利用滑动窗口检测角速度信号，滑动窗口的长度为N；

步骤S72，调用步态探测算法分析角速度信号，分析出足尖离地步态事件发生后，开始判断滑动窗口内的各角速度信号的角速度值是否大于探测阈值；

步骤S73，确定出现滑动窗口内任一角速度值大于探测阈值的时刻为T_MSW-i。

进一步地，实施例还可以包括如下步骤：

步骤S10，控制侧子系统监控步态周期变化率，当前步态周期相比于上一步态周期的变化百分比超过变比阈值绝对值时，修改延迟时间△t为△t’，

其中，T₁为上一步态周期时长，T₂为当前步态周期时长。

本发明硬件系统包括两个子系统，分别穿戴在患者健侧肢体和患侧肢体。子系统间通过无线WiFi进行通讯。系统使用健侧肢体的摆动相中期步态事件触发施加到患侧目标肌肉刺激脉冲的输出时间，使得患侧目标肌肉激活的时间与生理性的肌肉激活时间一致。而单纯使用传感器的普通FES激活目标肌肉的时间通常晚于生理性的肌肉激活时间。

本发明的方法可适用于单侧的偏瘫和不完全截瘫患者，用于帮助脑卒中偏瘫患者和不完全截瘫患者通过使用下肢行走无线肌电控制系统实现瘫痪肢体行走功能恢复的目的，使用穿戴在健侧肢体上的惯性传感器触发，支配健侧肢体目标动作的主动肌的肌电信号作为控制信号，将其作为控制信号生成的刺激脉冲序列能够诱发目标肌肉产生与健侧肢体相同强度和持续时间的肢体动作，控制患侧肢体目标动作的强度和持续时间，属于一种健侧肢体惯性传感器触发的异步肌电控制FES系统，相比于单纯使用传感器控制的普通FES(功能性电刺激)，本发明将FES与自主运动意图相结合更有利于瘫痪肢体功能重建，无需要求瘫痪患者患肢目标肌肉具有残存自主收缩能力的下肢同侧肌电控制FES，应用范围更加广泛。

在瘫痪患者行走过程中，系统采集其健侧肢体的体表肌电信号和角速度信号分别作为诱发患侧肢体功能动作的控制信号和电刺激输出触发信号；健侧肢体动作的角速度信号中的摆动相中期步态事件触发受控侧子系统开始将控制信号生成为刺激脉冲序列，并经由刺激驱动和输出电路的一个通道输出，从而诱发瘫痪肢体目标肌肉收缩，实现健侧肢体和患侧肢体的交替性运动。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种基于对侧肌电控制的下肢康复系统，其特征在于，包括控制侧子系统和受控侧子系统：

所述控制侧子系统以穿戴的形式安装于健侧下肢上，包括：控制侧主控处理器和与所述控制侧主控处理器电气连接的肌电探测模块、惯性传感器模块、控制侧无线模块和控制侧供电模块，所述控制侧供电模块用于为所述控制侧子系统中各器件供电；

所述受控侧子系统以穿戴的形式安装于患侧下肢上，包括：受控侧主控处理器和与所述受控侧主控处理器电气连接的受控侧无线模块、刺激驱动与输出电路以及受控侧供电模块，所述受控侧供电模块用于为所述受控侧子系统中各器件供电；

所述控制侧无线模块与所述受控侧无线模块在同一无线局域网内保持无线通信连接状态；

所述肌电探测模块，用于实时采集健侧下肢体表的肌电信号并传输至所述控制侧主控处理器；

所述惯性传感器模块，用于采集人体行走期间健侧肢体小腿活动过程中的惯性传感信号；

所述控制侧主控处理器，在接收到所述肌电信号时，通过所述控制侧无线模块向所述受控侧子系统发送通信畅通指令；

所述受控侧子主控处理器，通过所述受控侧无线模块接收并响应所述通信畅通指令，发送应答消息给所述控制侧子系统；

所述控制侧主控处理器，接收到所述应答消息后，开始向所述受控侧子系统实时输出所述肌电信号；

所述受控侧子主控处理器，接收所述肌电信号并保存至所述受控侧子主控处理器的存储器中；

所述控制侧主控处理器，基于样本熵算法分析所述肌电探测模块采集到的所述肌电信号，识别出健侧下肢肌肉活动起始时刻t₀、以及识别出所述健侧下肢的肌肉活动状态；从所述健侧下肢肌肉活动起始时刻t₀开始，通过所述惯性传感器模块采集所述惯性传感信号，根据所述惯性传感信号识别出所述健侧下肢的每一个摆动相中期步态事件认定时刻T_MSW-i；在刺激脉冲输出时刻T_Sti向所述受控侧子系统发送刺激输出允许指令，其中，T_Sti＝T_MSW-i+△t，△t为延迟时间；

所述受控侧子主控处理器，接收并执行所述刺激输出允许指令，调用存储的所述肌电信号进行编码，得到反映自主肌肉收缩活化状态的刺激脉冲序列，同时控制所述刺激驱动与输出电路根据所述刺激脉冲序列输出刺激脉冲；

所述刺激驱动与输出电路，用于输出所述刺激脉冲作用于所述患侧下肢目标肌肉。

2.如权利要求1所述的基于对侧肌电控制的下肢康复系统，其特征在于，所述惯性传感器包括三轴微加速度计、三轴微陀螺仪和三轴微磁力计；所述惯性传感信号为一组传感信号，包括加速度信号、角速度信号和角度信号；

所述无线局域网的类型为WiFi，所述控制侧无线模块和所述受控侧无线模块的收发信号类型为WiFi。

3.如权利要求2所述的基于对侧肌电控制的下肢康复系统，其特征在于，

所述控制侧子系统，用于利用滑动窗检测所述角速度信号，所述滑动窗口的长度为N；调用步态探测算法分析所述角速度信号，分析出足尖离地步态事件发生后，开始判断所述滑动窗口内的各所述角速度信号的角速度值是否大于探测阈值；确定出现所述滑动窗口内任一所述角速度值大于所述探测阈值的时刻为所述T_MSW-i。

4.如权利要求3所述的基于对侧肌电控制的下肢康复系统，其特征在于，

所述控制侧子系统，还用于监控步态周期变化率，当前步态周期相比于上一步态周期的变化百分比超过变比阈值绝对值时，修改所述延迟时间△t为△t’，

其中，T₁为上一步态周期时长，T₂为当前步态周期时长。

5.如权利要求4所述的基于对侧肌电控制的下肢康复系统，其特征在于，所述肌电探测电路由依次连接的单差分配置的条状银电极、RFI抑制电路、前置放大电路、带通滤波器电路、电平抬升电路组成；

所述刺激驱动和输出电路包括刺激驱动电路、高压模拟开关以及多通道恒流刺激器：

所述刺激驱动电路与所述受控侧主控处理器内部DAC电气连接，用于接收所述受控侧主控处理器在所述T_Sti时刻发送的所述刺激脉冲序列；所述刺激脉冲序列为脉宽恒定、频率变化以及持续时间长度与所述肌电信号相同的刺激脉冲小信号，所述刺激驱动电路将所述刺激脉冲小信号转换为高压单相刺激电流脉冲输出至所述高压模拟开关；

所述高压模拟开关，为连接有n个输出通道的H型桥电路，将所述高压单相刺激电流脉冲变换为双相刺激电流脉冲；向所述受控侧主控处理器的选通信号所对应的通道输出所述双相刺激电流脉冲；

所述多通道恒流刺激器，包括所述n个输出通道，用于通过所述选通信号所对应的通道输出所述刺激脉冲作用于所述患侧下肢目标肌肉。

6.如权利要求5所述的基于对侧肌电控制的下肢康复系统，其特征在于，还包括移动控制终端，所述移动控制终端具有主控制器和无线模块，所述主控制器用于生成延迟时间信号、并以无线传输的方式发送给所述控制侧子系统；所述无线模块，用于加入所述无线局域网；

所述控制侧子系统，用于接收所述延迟时间信号，并将所述△t调整为所述延迟时间信号所指定的时长。

7.一种下肢康复系统的控制方法，其特征在于，实施主体为权利要求1-6所述的基于对侧肌电控制的下肢康复系统，包括：

步骤S1，控制侧子系统实时采集健侧下肢体表的肌电信号，并在初始采集到所述肌电信号时，向受控侧子系统发送通信畅通指令，其中，所述控制侧子系统以穿戴的形式安装于健侧下肢上，所述受控侧子系统以穿戴的形式安装于患侧下肢上；

步骤S2，所述受控侧子系统接收并响应所述通信畅通指令，发送应答消息给所述控制侧子系统；

步骤S3，所述控制侧子系统接收到所述应答消息后，实时向所述受控侧子系统发送所述肌电信号；

步骤S4，所述受控侧子系统接收所述肌电信号并保存；

步骤S5，所述控制侧子系统基于样本熵算法分析所述肌电信号，得出健侧下肢肌肉活动起始时刻t₀；

步骤S6，从所述健侧下肢肌肉活动起始时刻t₀起，所述控制侧子系统持续采集人体行走期间健侧肢体小腿活动过程中的惯性传感信号；

步骤S7，所述控制侧子系统根据所述惯性传感信号确定出所述健侧下肢的每一个摆动相中期步态事件认定时刻T_MSW-i；

步骤S8，所述控制侧子系统在刺激脉冲输出时刻T_Sti向所述受控侧子系统发送刺激输出允许指令，其中，T_Sti＝T_MSW-i+△t，△t为延迟时间；

步骤S9，所述受控侧子系统接收并执行所述刺激输出允许指令，调用存储的所述肌电信号编码转化为刺激脉冲序列、根据所述刺激脉冲序列输出刺激脉冲作用于所述患侧下肢目标肌肉。

8.如权利要求7所述的下肢康复系统的控制方法，其特征在于，所述惯性传感信号为一组传感信号，包括角速度信号、加速度信号和角度信号；所述步骤S7包括：

步骤S71，所述控制侧子系统利用滑动窗口检测所述角速度信号，所述滑动窗口的长度为N；

步骤S72，调用步态探测算法分析所述角速度信号，分析出足尖离地步态事件发生后，开始判断所述滑动窗口内的各所述角速度信号的角速度值是否大于探测阈值；

步骤S73，确定出现所述滑动窗口内任一所述角速度值大于所述探测阈值的时刻为所述T_MSW-i。

9.如权利要求8所述的下肢康复系统的控制方法，其特征在于所述步骤S9之后，还包括：

步骤S10，所述控制侧子系统监控步态周期变化率，当前步态周期相比于上一步态周期的变化百分比超过变比阈值绝对值时，修改所述延迟时间△t为△t’，

其中，T₁为上一步态周期时长，T₂为当前步态周期时长。

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