CN115779266A - 功能性电刺激装置结合cpm康复器的康复治疗评估系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功能性电刺激装置结合CPM康复器的康复治疗评估系统。电极模块贴至待测量位点表面，肌电采集模块从电极模块获取原始sEMG信号并发送上位机处理模块，上位机处理模块从肌电采集模块获取sEMG信号并滤波，再数据处理得到电刺激强度和反馈电刺激参数发送功能性电刺激模块，CPM康复模块接收外部实时角度参数，功能性电刺激模块接收电刺激强度实时反馈控制电刺激，接收反馈电刺激参数和实时角度参数更新反馈控制位点。本发明智能调节电刺激在人体表面的参数和位点，达到适应人体实时状态的效果，同时加上下肢关节康复期CPM，能够结合主动运动和被动运动，提供患者肌肉活性并且减少持续的电刺激也会带来肌肉疲劳的问题。

Description

功能性电刺激装置结合CPM康复器的康复治疗评估系统

技术领域

本发明属于生物医学工程领域的一种健康评估系统，尤其是涉及一种基于表面肌电信号(Surface Electromyography，sEMG)反馈的功能性电刺激装置结合持续被动运动(Continuous Passive Motion，CPM)康复器的康复治疗评估系统和方法。

背景技术

随着当前社会人口老龄化的趋势越来越显著，骨与关节损耗的人群数量逐渐增多，骨折术后康复，尤其是废用性肌萎缩及其治疗康复方法近年来越来越受到医疗从业者的关注。废用性肌萎缩是一种在临床上很常见的骨与关节损伤并发症，其具体表现为肌肉体积萎缩、肌肉失活、肌肉力量下降等。

目前常用的预防与治疗废用性肌萎缩的方法可以大致分为运动疗法与物理疗法。运动疗法一般是通过运动和功能训练相结合的方式来提高肌肉抗氧化应激能力、增大骨骼肌的体积、促进骨骼肌血液循环，从而促进废用性肌萎缩的康复。常见的运动疗法包括被动运动、阻抗运动和耐力运动等。阻抗运动和耐力运动属于患者的主动运动，其具体形式有很多种，但是对于一些术后初期或重度废用性肌萎缩患者而言，进行主动运动并不太现实，通常采用的是被动运动疗法。目前被动运动疗法辅助设备主要是CPM康复器，它能够让肢体进行持续被动运动，从而促进骨关节软骨再生和修复。但是因为它只能让肢体被动运动，因此肢体缺乏主动运动，肌肉活性提高的程度是有限的。物理疗法也是目前被广泛采用的治疗废用性肌萎缩的方法，特别是对于一些肢体无法移动而不能采用运动疗法的患者，例如骨折前期病人。物理疗法包括低频电刺激疗法、中频电刺激疗法、热疗、针灸等等。电刺激疗法是目前最流行的物理疗法，它能够强化患侧肌肉收缩来预防和治疗废用性肌萎缩，但是由于个体生理特性的差异性，电刺激的参数选择是一个比较困难的问题，经常只能依靠医生的经验以及患者的主观感受。此外，持续的电刺激也会带来肌肉疲劳的问题，如何有效精准地实施个性化的电刺激是目前主要需解决的问题。另外，单一电刺激产生的转矩比较小，很难让患者实现精确的动作，电刺激和CPM的有效结合也成为发展趋势。

国内对于sEMG信号采集作为评估手段、功能性电刺激作为康复手段的研究一直在进行中，于2018年9月14号公开的中国专利CN109107039B，公开了一种肌电反馈与电刺激辅助式下肢康复训练器，这一发明中提出了基于肌电信号反馈的形式控制电刺激进行康复训练。上述装置中的反馈治疗形式过于单一，无法根据人体关节运动的主动性进行调节。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种基于sEMG反馈的功能性电刺激装置结合CPM康复器的康复治疗评估系统和方法。

本发明的技术方案如下：

包括电极模块、肌电采集模块、功能性电刺激模块、CPM康复模块和上位机处理模块；

所述的电极模块，贴至待测量健侧和患侧对应位点表面；

所述的肌电采集模块，和电极模块电连接，从电极模块获取健侧和患侧的原始sEMG信号并发送到上位机处理模块；

所述的上位机处理模块，分别和肌电采集模块、功能性电刺激模块电连接，从肌电采集模块获取sEMG信号并进行数据滤波处理，再通过基于肌电反馈电刺激的算法进行数据处理得到电刺激强度和反馈电刺激参数，然后发送给功能性电刺激模块；

所述的CPM康复模块，和功能性电刺激模块电连接，用于接收外部输入的实时角度参数；

所述的功能性电刺激模块，和电极模块电连接，从上位机处理模块接收电刺激强度实时反馈控制电极模块施加电刺激，同时分别从上位机处理模块和PM康复模块接收反馈电刺激参数和实时角度参数进行处理更新电刺激位点，然后发送到电刺激强度实时反馈控制调整电刺激位点。

所述肌电采集模块包括滤波电路、放大器和模数转换器，滤波电路从电极模块接收原始肌电信号进行低通滤波处理后发送到放大器，放大器对滤波后的肌电信号进行放大后发送到模数转换器，模数转换器对放大后的肌电信号进行模数转换后发送到上位机处理模块。

所述的肌电信号为sEMG信号。

所述电极模块的数量为多个。所述电极模块粘贴于患侧处治疗位点，所述治疗位点为大腿部位的股内侧肌，股外侧肌，股直肌，用于收集患侧相应的肌电信息。

所述肌电采集模块和所述功能性电刺激模块的电极模块可以同时进行复用。

所述肌电采集模块包括采集主控单元，采集主控单元用于控制采集单元和传输单元，由滤波电路、放大器和模数转换器构成了采集单元，采集单元经传输单元和采集主控单元连接，采集主控单元接收来自上位机处理模块的初始化信息并解析完成后对采集单元电路进行控制；

所述传输单元由ATWINC1510无线传输模块组成，负责所述肌电采集模块与所述上位机处理模块的无线数据传输。

所述的康复治疗评估系统按照以下方式进行功sEMG反馈的功能性电刺激：

(1)将电极模块贴至人体待测量的健侧和患侧对应位点表面；

(2)初始化上位机处理模块和CPM康复模块；

(3)初始化肌电采集模块与功能性电刺激模块；

(4)进行肌电采集电刺激反馈阶段：

将健侧和患侧进行CPM康复往返运动，同时由功能性电刺激模块控制电极模块对健侧和患侧的电刺激位点施加电刺激，

通过肌电采集模块从电极模块获取健侧和患侧的原始sEMG信号并发送到上位机处理模块，

在经上位机处理模块后台进行数据滤波处理，再通过基于肌电反馈电刺激的算法进行数据计算得出电刺激强度和反馈电刺激参数，然后通过另一个线程将实时的电刺激强度并发送给功能性电刺激模块，将反馈电刺激参数发送到功能性电刺激模块，由功能性电刺激模块按电刺激强度实时反馈控制电极模块施加电刺激；

(5)进行角度反馈电刺激阶段：

在进行肌电采集电刺激反馈阶段的同时，所述功能性电刺激模块根据所述CPM康复模块反馈输入的实时角度参数结合反馈电刺激参数进行处理更新电刺激位点，然后发送到电刺激强度实时反馈控制调整电刺激位点，实现智能刺激患侧对应角度的发力肌肉的效果。

1、一种基于sEMG信号的闭环反馈电刺激的模式：

所述康复治疗评估系统根据sEMG信号进行闭环反馈电刺激控制，通过反馈算法将sEMG信号的特征值反馈映射为电刺激强度，并作用到患侧上，具体为：

首先让健侧进行特定动作并同时采集sEMG信号，然后让患侧做相同动作并同时采集sEMG信号，最后通过计算得到健侧与患侧的sEMG信号的RMS偏差值，表示为：

RMS_bias＝RMS_unaffected-RMS_affected

式中，RMS_affected和RMS_unaffected为患侧和健侧在做相同动作时的sEMG信号的均方根值；

然后根据RMS偏差值按照以下公式获得患侧肌肉相对于健侧肌肉的无力程度的品质因数Q，计算为：

最终根据品质因数Q获得电刺激强度，计算为：

式中，I为反馈后得到的电刺激强度，Imax为预先设定的最大刺激强度，Qmin表示为患侧不需要电刺激去协助完成动作的阈值，Qmax表示为需要触发最大电刺激强度去协助完成动作的阈值。

所述的特定动作是指完整的关节屈伸动作。

本发明上述基于sEMG信号的闭环反馈电刺激的模式使用对照组反馈的方式。

上述特征值选取肌电信号的均方根值，计算公式为：

式中，RMS为选取肌电信号的均方根值，即特征值，x_i表示第i个时间点经过滤波后的肌电信号，N表示滑动窗口的长度。

2、一种基于关节弯曲角度反馈电刺激的模式：

以膝关节为例，膝关节从屈曲到伸直的过程中，主要是依靠股四头肌进行发力。当膝关节弯曲角度为0°-20°时，主要是依靠股内侧肌进行发力，当弯曲角度为20°-90°时，主要是依靠股外侧肌发力，当弯曲角度为90°-140°时，主要依靠股直肌发力。

通过使用所述功能性电刺激模块的通道转换功能，基于所述CPM康复模块的角度反馈获得的实时关节角度数据去进行实时通道转换，不同通道对应为不同位点，实现不同膝关节弯曲角度下对不同肌肉或肌肉组合的智能协同电刺激功能。

同时根据肌电反馈得到的偏差参数，实时改变患侧需要的电刺激参数，达到个性化动态智能康复和评估的效果。

本发明的有益效果是：

利用本发明方法，可以实现多种情况下废用性肌萎缩的综合康复治疗与评估。

本发明提出了基于肌电信号和实时关节角度信号的运动模型对电刺激进行反馈控制的算法，进行智能调节电刺激在人体表面的参数和位点，达到适应人体实时状态的效果，同时加上下肢关节康复期CPM，能够结合主动运动和被动运动，提供患者肌肉活性并且减少持续的电刺激也会带来肌肉疲劳的问题。

本发明解决了不同个体生理性差异导致的康复治疗困难的现状，解决了传统康复治疗无法解决的问题，给出了多种情况下进行评估的可参考性，提高了患者康复治疗的效果和评估的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例基于sEMG反馈的功能性电刺激装置结合CPM康复器的康复治疗评估系统的系统框图；

图2为本发明实施例的基于sEMG信号的闭环反馈电刺激模式的康复治疗及评估方法的流程示意图；

图3为本发明实施例基于角度反馈电刺激模式的康复治疗及评估方法的流程示意图；

图4为本发明实施例基于sEMG反馈的功能性电刺激装置结合CPM康复器的康复治疗评估系统的上位机实物图；

图5为本发明实施例的基于sEMG信号的闭环反馈电刺激模式的康复评估得到的品质因数与刺激强度的实时数据图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，一种基于sEMG反馈的多通道功能性电刺激装置结合CPM康复器的多模式废用性肌萎缩综合康复治疗系统，包括电极模块、肌电采集模块、功能性电刺激模块、CPM康复模块和上位机处理模块；

电极模块，贴至待测量健侧和患侧对应位点表面；

肌电采集模块，和电极模块电连接，从电极模块获取健侧和患侧的原始sEMG信号并发送到上位机处理模块；

上位机处理模块，分别和肌电采集模块、功能性电刺激模块电连接，从肌电采集模块获取sEMG信号并进行数据滤波处理，再通过基于肌电反馈电刺激的算法进行数据处理得到电刺激强度和反馈电刺激参数，然后发送给功能性电刺激模块；

CPM康复模块，和功能性电刺激模块电连接，用于接收外部输入的实时角度参数；

功能性电刺激模块，和电极模块电连接，从上位机处理模块接收电刺激强度实时反馈控制电极模块施加电刺激，同时分别从上位机处理模块和PM康复模块接收反馈电刺激参数和实时角度参数进行处理更新电刺激位点，然后发送到电刺激强度实时反馈控制调整电刺激位点。

肌电采集模块与功能性电刺激模块组成反馈治疗核心模块，用于收集表面肌电信息，并根据实时获取的患者肌电信号、患侧运动角度等信息实时调节电刺激强度，实时调整电刺激位点，同时存储康复运动数据进行分析处理，评估康复运动达到的效果。

肌电采集模块包括用于对原始肌电信号进行低通滤波处理的滤波电路、用于放大经过滤波后的肌电信号的放大器和用于接收肌电信号和输出状态信息的模数转换器，滤波电路从电极模块接收原始肌电信号进行低通滤波处理后发送到放大器，放大器对滤波后的肌电信号进行放大后发送到模数转换器，模数转换器对放大后的肌电信号进行模数转换后发送到上位机处理模块。

肌电采集模块包括采集主控单元，采集主控单元包含微控制器ATSAMS70N20A，采集主控单元用于控制采集单元和传输单元，由滤波电路、放大器和模数转换器构成了采集单元，采集单元经传输单元和采集主控单元连接，采集主控单元接收来自上位机处理模块的初始化信息并解析完成后对采集单元电路进行控制；

传输单元由ATWINC1510无线传输模块组成，负责肌电采集模块与上位机处理模块的无线数据传输。

功能性电刺激模块包括电刺激主控单元、双相刺激输出单元和通道选择单元；电刺激主控单元包含微控制器STM32F103C8T6及其外围电路，微控制器通过2个SPI接口、2个I²C接口、2个12位的ADC对双相刺激输出单元、通道选择单元进行控制输出，外围电路包含8MHz无源晶振、复位电路、SWD调试接口、状态信息LED灯，通过上述外围电路维护微控制器的正常工作。

双相刺激输出单元用于输出平衡双相电刺激波形，能够有效避免单相波电刺激治疗过程中损伤人体组织情况的发生；通道选择单元用于根据微控制器的使能信号选择触发电刺激的通道。

功能性电刺激模块还包括电源管理单元，电源管理单元的功能是对功能性电刺激模块进行可靠供电，系统需要+5V、+3.3V、+140V的稳定电压。

+5V的电压选择LDO稳压器TPS7A4501进行稳压，给DAC、光耦芯片进行供电；+3.3V通过LDO芯片LP5907MFX-3.3对+5V降压到+3.3V电压；+140V的电压采样Boost升压电路进行升压，主要使用LM5022进行升压，最大升压比能够达到10倍。

具体实施中，治疗位点为大腿部位的股四头肌。

功能性电刺激模块通过上位机处理模块得到的实时电刺激参数传输对应的恒流电刺激脉冲，对治疗位点的肌肉群进行康复治疗。功能性电刺激模块根据CPM康复模块对应的角度反馈信息控制进行对应通道转换，达到在相应角度刺激相应位点肌肉的效果。

CPM康复模块包括角度反馈模块，根据对应患侧关节运动的角度实时反馈给功能性电刺激模块，触发功能性电刺激模块的角度反馈功能，实时调节电刺激位点。

上位机处理模块功能包括：处理肌电采集模块获取的实时肌电数据信息，并绘制出对应肌电数据信息的原始肌电信号，肌电均方根值RMS，以及通过肌电反馈算法得出的品质因数Q(具体定义见下文)的实时曲线图；初始化功能性电刺激模块的具体参数：频率、刺激强度、刺激时间、休息时间、波形等，并实时返回刺激状态是否正常。

肌电采集模块为高密度肌电无线采集系统，采用以24位高精度的数模转换芯片ADS1299为核心的电路模块，单通道的最高采样率可达16kHz，通道数可达32通道。

功能性电刺激模块采用对称平衡双相恒流波的低频调制中频电刺激系统，刺激强度在0-100.0mA之间可调，步长为0.2mA，输出频率在0-500Hz之间可调，步长为1Hz，可以满足大部分临床康复治疗应用场景的需求。由于低频电刺激的脉宽通常不超过600μs，因此这里设定脉宽在50-600μs之间可调，步长为1μs。由于绝对不应期的存在，在正负相刺激间应该加上一个休息时间，间隔时间在0-300μs之间可调，步长为1μs。单轮治疗时间等于单轮刺激时间加上单轮休息时间，这里设定单轮刺激时间为0-10s可调，步长为1s。由于长时间持续刺激容易让患者的肌肉疲劳，因此通常在刺激一段时间后，间隔一段时间，让肌肉充分休息后，再进行刺激。因此这里设定单轮休息时间为0-10s可调，步长为1s。通常在临床治疗中，电刺激的治疗时长不会超过60min，因此这里设定刺激时长在0-60min内可调，步长为1min。

作为优选，初始设置低频频率为1Hz，中频频率为5kHz，最大刺激强度为10V，这种频率组合可以达到轻微止疼，促进血液回流的效果。

CPM康复模块采用JK-A下肢关节康复器，其活动范围可以达到-10°-120°，运动速度在0-4°/s。其使用了10位360°可编程磁旋转编码器AS5040去实时获取角度信息，由于其无接触式的特点，能够保证在长时间使用后仍然维持高精确度。AS5040支持3.3V与5V供电，因此能够与功能性电刺激模块很好兼容。AS5040的分辨率可达0.35°，其实时角度位置数据通过同步串行接口输出。使用功能性电刺激模块中使用的微处理器中的SPI接口去模拟SSI接口从而读取角度数据。具体的模拟步骤为：①将SPI数据长度设为16位，并设为从模式；②将时钟极性CPOL与时钟相位CPHA均设为1；③连接对应的片选端与时钟端，而SSI的DO端连接SPI的MOSI端。通过SPI接收到数据x后，再经过如下式处理即可得到当前角度值：

作为优选，初始设置CPM角度范围为0～120°，保持角速度为2°/s。

康复治疗评估系统按照以下方式进行功sEMG反馈的功能性电刺激：

(1)将电极模块贴至人体待测量的健侧和患侧对应位点表面；

(2)初始化上位机处理模块和CPM康复模块，设置上位机处理模块初始参数以及数据接受和处理模式，初始化CPM康复模块运动范围、运动速度以及扭矩大小；

(3)初始化肌电采集模块与功能性电刺激模块，设置串口及无线通信相应设置，设置肌电采集模块的通道选择、反馈系数阈值、反馈阶段选择等系数，设置功能性电刺激模块的通道使能、波形、低频及中频频率、刺激时间、休息时间等系数；

(4)进行肌电采集电刺激反馈阶段：

将健侧和患侧进行CPM康复往返运动，同时由功能性电刺激模块控制电极模块对健侧和患侧的电刺激位点施加电刺激，

通过肌电采集模块从电极模块获取健侧和患侧的原始sEMG信号并发送到上位机处理模块，

在经上位机处理模块后台进行数据滤波处理，再通过基于肌电反馈电刺激的算法进行数据计算得出电刺激强度和反馈电刺激参数，然后通过另一个线程将实时的电刺激强度并发送给功能性电刺激模块的微控制器单元，将反馈电刺激参数发送到功能性电刺激模块，由功能性电刺激模块按电刺激强度实时反馈控制电极模块施加电刺激，以进行实时调整；

(5)进行角度反馈电刺激阶段：

在进行肌电采集电刺激反馈阶段的同时，功能性电刺激模块根据CPM康复模块反馈输入的实时角度参数结合反馈电刺激参数进行处理更新电刺激位点，然后发送到电刺激强度实时反馈控制调整电刺激位点，实现智能刺激患侧对应角度的发力肌肉的效果。

系统工作的实时状态会通过传输模块实时传输至上位机处理模块。

系统的工作模式包括基于sEMG信号的闭环反馈电刺激的模式(即sEMG信号反馈模式)和基于关节弯曲角度反馈电刺激的模式(即基于角度反馈电刺激模式)。

1、一种基于sEMG信号的闭环反馈电刺激的模式，如图3所示：

康复治疗评估系统根据sEMG信号进行闭环反馈电刺激控制，通过反馈算法将sEMG信号的特征值反馈映射为电刺激强度，通过反馈映射算法得到电刺激的强度并作用到患侧上，具体为：

首先让健侧进行特定动作并同时采集sEMG信号，然后让患侧做相同动作并同时采集sEMG信号，最后通过计算得到健侧与患侧的sEMG信号的RMS偏差值，表示为：

RMS_bias＝RMS_unaffected-RMS_affected

式中，RMS_affected和RMS_unaffected为患侧和健侧在做相同动作时的sEMG信号的均方根值；

然后根据RMS偏差值按照以下公式获得患侧肌肉相对于健侧肌肉的无力程度的品质因数Q，品质因数Q数值越小则表示患侧肌肉与健侧肌肉在生理状态上越接近，计算为：

最终根据品质因数Q获得电刺激强度，从而通过患侧肌肉与健侧肌肉的sEMG信号反馈得到的电刺激强度，再通过反馈算法得到电刺激的强度并作用到患侧上，计算为：

式中，I为反馈后得到的电刺激强度，Imax为预先设定的最大刺激强度，Qmin表示为患侧不需要电刺激去协助完成动作的阈值，Qmax表示为需要触发最大电刺激强度去协助完成动作的阈值。

sEMG信号反馈模式中，首先采集了健肢的肌电信号，没有处理前的健肢sEMG信号，可以看出有明显的噪声干扰，经过2-500Hz的带通滤波器与48-52Hz的带阻滤波器处理后的sEMG信号的噪声可以较好地滤除。采集完健肢肌电信号后，随即采集患肢的肌电信号，根据健肢与患肢肌电信号的RMS可得如图5中所示的品质因数曲线，品质因数越大表示患肢需要的电刺激强度也就越大，反馈电流曲线如图5所示。

2、一种基于关节弯曲角度反馈电刺激的模式，如图4所示：

以膝关节为例，膝关节从屈曲到伸直的过程中，主要是依靠股四头肌进行发力。当膝关节弯曲角度为0°-20°时，主要是依靠股内侧肌进行发力，当弯曲角度为20°-90°时，主要是依靠股外侧肌发力，当弯曲角度为90°-140°时，主要依靠股直肌发力。

通过使用功能性电刺激模块的通道转换功能，基于CPM康复模块的角度反馈获得的实时关节角度数据去进行实时通道转换，不同通道对应为不同位点，实现不同膝关节弯曲角度下对不同肌肉或肌肉组合的智能协同电刺激功能。

同时根据肌电反馈得到的偏差参数，实时改变患侧需要的电刺激参数，达到个性化动态智能康复和评估的效果。

具体实施中，CPM康复模块带有角度传感模块，通过功能性电刺激模块模拟SPI方式读取出去实时角度信息，根据其角度信息分配位于不同刺激位点电刺激通道的反馈电流，实时反馈电流是通过肌电反馈得到实时反馈系数Q计算得出，能够根据患者实时情况进行调节。

作为优选，刺激位点为多个，可分别选择三个电刺激通道对应股内侧肌，股外侧肌和股直肌三个刺激位点。

当膝关节弯曲角度为0°-20°时，对股内侧肌进行电刺激，当弯曲角度为20°-90°时，对股外侧肌进行电刺激，当弯曲角度为90°-140°时，对股直肌进行电刺激。

如图4所示，基于sEMG反馈的功能性电刺激装置结合CPM康复器的康复治疗评估系统的上位机实物图，分为三个部分，串口设置区域、肌电检测及电刺激反馈设置区域、电刺激参数配置区域。

串口设置区域对下位机的串口号、波特率、传输数据位、校验位以及停止位进行初始化；肌电检测及电刺激反馈功能区域对肌电反馈算法中的反馈系数和品质因数进行初始化，肌电检测分为两个阶段：

①收集健侧对应肌电部分，实时获取原始肌电信号，存储处理过后的肌电RMS值，当作第二阶段患侧反馈阶段的参考数据，

②进行患侧肌电电刺激反馈阶段，实时获取患侧原始肌电信号，存储处理过后的肌电RMS值，根据所述反馈算法计算出实时反馈电流Ir和实时反馈系数Q；

在实时采集到肌电数据的过程中对功能1和功能2中收集到的肌电RMS和反馈电流Ir绘制成实时曲线图。电刺激参数配置区域包含四个通道，可以对所需通道进行使能，可设置频率，电流强度，脉宽，刺激时间，休息时间，治疗时间和正负间隔时间；加入内置角度反馈功能，通过获取的角度实时反馈出三个不同的电刺激位点，实时调控位点，在上位机页面实时显示当前通道及实时刺激肌肉位点。

如图5所示，基于sEMG信号的闭环反馈电刺激模式的康复评估得到的品质因数与刺激强度的实时数据图，分为实时反馈系数，即品质因数Q，还有实时电刺激参数，即反馈电流Ir。通过图4可以看出反馈电流是随着品质因数的改变而改变，所以可以通过控制品质因数Q去限制反馈电流的阈值，实现安全有效的电刺激治疗。作为优选，品质因数Q_max设置为0.9，Q_min设置为0.2。

经过测试后表明该闭环反馈电刺激模式能够很好的根据患者sEMG信号去调节电刺激强度，同时根据关节弯曲角度反馈电刺激模式的实时关节角度数据实现关节反馈效果，实时控制电刺激强度和电刺激位点，达到智能调控康复治疗强度和形式的效果。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种功能性电刺激装置结合CPM康复器的康复治疗评估系统，其特征在于，

包括电极模块、肌电采集模块、功能性电刺激模块、CPM康复模块和上位机处理模块；

所述的电极模块，贴至待测量健侧和患侧对应位点表面；

所述的肌电采集模块，和电极模块电连接，从电极模块获取健侧和患侧的原始sEMG信号并发送到上位机处理模块；

所述的上位机处理模块，分别和肌电采集模块、功能性电刺激模块电连接，从肌电采集模块获取sEMG信号并进行数据滤波处理，再通过基于肌电反馈电刺激的算法进行数据处理得到电刺激强度和反馈电刺激参数，然后发送给功能性电刺激模块；

所述的CPM康复模块，和功能性电刺激模块电连接，用于接收外部输入的实时角度参数；

所述的功能性电刺激模块，和电极模块电连接，从上位机处理模块接收电刺激强度实时反馈控制电极模块施加电刺激，同时分别从上位机处理模块和PM康复模块接收反馈电刺激参数和实时角度参数进行处理更新电刺激位点，然后发送到电刺激强度实时反馈控制调整电刺激位点。

2.根据权利要求1所述的基于sEMG反馈的功能性电刺激装置结合CPM康复器的康复治疗评估系统，其特征在于，

所述肌电采集模块包括滤波电路、放大器和模数转换器，滤波电路从电极模块接收原始肌电信号进行低通滤波处理后发送到放大器，放大器对滤波后的肌电信号进行放大后发送到模数转换器，模数转换器对放大后的肌电信号进行模数转换后发送到上位机处理模块。

3.根据权利要求2所述的基于sEMG反馈的功能性电刺激装置结合CPM康复器的康复治疗评估系统，其特征在于，

所述肌电采集模块包括采集主控单元，采集主控单元用于控制采集单元和传输单元，由滤波电路、放大器和模数转换器构成了采集单元，采集单元经传输单元和采集主控单元连接，采集主控单元接收来自上位机处理模块的初始化信息并解析完成后对采集单元电路进行控制。

4.根据权利要求3所述的基于sEMG反馈的功能性电刺激装置结合CPM康复器的康复治疗评估系统，其特征在于，

所述传输单元由ATWINC1510无线传输模块组成，负责所述肌电采集模块与所述上位机处理模块的无线数据传输。

5.根据权利要求1所述的基于sEMG反馈的功能性电刺激装置结合CPM康复器的康复治疗评估系统，其特征在于，

所述的康复治疗评估系统按照以下方式进行功sEMG反馈的功能性电刺激：

(1)将电极模块贴至人体待测量的健侧和患侧对应位点表面；

(2)初始化上位机处理模块和CPM康复模块；

(3)初始化肌电采集模块与功能性电刺激模块；

(4)进行肌电采集电刺激反馈阶段：

将健侧和患侧进行CPM康复往返运动，同时由功能性电刺激模块控制电极模块对健侧和患侧的电刺激位点施加电刺激，

通过肌电采集模块从电极模块获取健侧和患侧的原始sEMG信号并发送到上位机处理模块，

在经上位机处理模块后台进行数据滤波处理，再通过基于肌电反馈电刺激的算法进行数据计算得出电刺激强度和反馈电刺激参数，然后通过另一个线程将实时的电刺激强度并发送给功能性电刺激模块，将反馈电刺激参数发送到功能性电刺激模块，由功能性电刺激模块按电刺激强度实时反馈控制电极模块施加电刺激；

(5)进行角度反馈电刺激阶段：

在进行肌电采集电刺激反馈阶段的同时，所述功能性电刺激模块根据所述CPM康复模块反馈输入的实时角度参数结合反馈电刺激参数进行处理更新电刺激位点，然后发送到电刺激强度实时反馈控制调整电刺激位点，实现智能刺激患侧对应角度的发力肌肉的效果。

6.根据权利要求1所述的基于sEMG反馈的功能性电刺激装置结合CPM康复器的康复治疗评估系统，其特征在于，

所述康复治疗评估系统根据sEMG信号进行闭环反馈电刺激控制，通过反馈算法将sEMG信号的特征值反馈映射为电刺激强度，并作用到患侧上，具体为：

首先让健侧进行特定动作并同时采集sEMG信号，然后让患侧做相同动作并同时采集sEMG信号，最后通过计算得到健侧与患侧的sEMG信号的RMS偏差值，表示为：

RMS_bias＝RMS_unaffected-RMS_affected

式中，RMS_affected和RMS_unaffected为患侧和健侧在做相同动作时的sEMG信号的均方根值；

然后根据RMS偏差值按照以下公式获得患侧肌肉相对于健侧肌肉的无力程度的品质因数Q，计算为：

最终根据品质因数Q获得电刺激强度，计算为：

式中，I为反馈后得到的电刺激强度，Imax为预先设定的最大刺激强度，Qmin表示为患侧不需要电刺激去协助完成动作的阈值，Qmax表示为需要触发最大电刺激强度去协助完成动作的阈值。

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