TW201316949A - 即時自主肌力與電刺激誘發肌力量測電路 - Google Patents
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Abstract
本發明係一即時自主肌力與電刺激誘發肌力量測電路，其包括一整合式即時電刺激肌電訊號處理單元、一電刺激器、一具有刺激干擾抑制器的肌電訊號放大器、一類比數位轉換單元；該整合式即時電刺激肌電訊號處理單元控制該電刺激器對一使用者進行電刺激，該具有刺激干擾抑制器的肌電訊號放大器會將電刺激輔助動作時的混合肌電訊號去除刺激干擾；接著該整合式即時電刺激肌電訊號處理單元會由運算並輸出混合肌電訊號、刺激誘發肌電訊號和自主肌電訊號以便分析與應用。
Description
本發明係一種即時訊號處理與分析電路與方法，特別是關於一種整合電刺激器與肌電訊號放大器的即時自主與電刺激肌力偵測電路與方法。
從肌電訊號圖可以分析出目前所觀測之目標肌肉的狀態與出力情形。但由於肌電訊號是接收電訊號，而電刺激器是傳送電訊號，其中該刺激訊號遠大於肌電訊號，因此要能夠在接受電刺激的同時能夠分析肌電訊號需要特別訊號處理，但是目前尚未有即時實現此方法的監測器。
以下列範例說明之：在先前技術1(中華民國專利編號：TWI318872)中表示肌電訊號為一微小訊號，所以必需經由放大器進行放大。但由於是藉由電子電路的放大，所以肌電訊號容易受到其他的電訊號影響，而無法對電刺激下的目標肌肉進行觀測與研究。
而另一先前技術2(美國專利編號：US 7221980)，為一種電訊號回饋技術是擷取非目標肌肉的肌電訊號，再經過計算判斷後將此一訊號作為控制訊號來控制電刺激器對目標訊號進行刺激，但這樣的方式無法直接觀測受電刺激下的肌電訊號，使結果準確度不佳。
綜合上述可知，目前既有之技術無法同時、即時的檢測電刺激之肌肉的自主肌電訊號與刺激誘發肌電訊號，無法直接針對目標肌肉進行分析與檢測。
基於前述習知技術的諸多問題，本發明提供一種創新的技術與方法，能夠在肌肉進行電刺激的同時即時擷取電刺激誘發肌電訊號與自主機電訊號。
為了解決既有技術無法同時取得肌電訊號及電刺激器之訊號之問題，導致無法直接對目標肌肉進行觀測與分析之技術問題，本發明提供能夠在肌肉進行電刺激的同時即時的擷取出刺激誘發的肌電訊號與自主的肌電訊號，其能夠即時監測受刺激的肌電訊號，並可運用於電刺激的輔具與治療器。
配合解決前述技術問題，本發明提供一種即時自主肌力與電刺激誘發肌力量測電路，其包括：一整合式即時電刺激肌電訊號處理單元，其接收外部的電刺激參數設定；一電刺激器，其與該整合式即時電刺激肌電訊號處理單元相連接並接受該整合式即時電刺激肌電訊號處理單元之控制對一使用者進行電刺激；一具有刺激干擾抑制器的肌電訊號放大器，其量測該使用者之混合肌電訊號並予以去除刺激干擾後放大訊號；一類比數位轉換單元，其連接於該具有刺激干擾抑制器的肌電訊號放大器及該整合式即時電刺激肌電訊號處理單元之間，其將該具有刺激干擾抑制器的肌電訊號放大器之輸出訊號數位化；其中，該整合式即時電刺激肌電訊號處理單元將數位化後之該混合肌電訊號依序經過梳狀濾波產生邊界效應，去除邊界效應之後，產生一自主肌電訊號；再以減法方式產生一刺激誘發肌電訊號。
其中，該整合式即時電刺激肌電訊號處理單元包含：一控制單元，其係用來接收外部的電刺激參數設定；一訊號處理單元，其係接收該類比數位轉換單元輸出之該混合肌電訊號；一峰對峰值偵測器，其係與訊號處理單元相連接；一波封運算器，其係與訊號處理單元相連接；一輸出介面，其分別連接該訊號處理單元、該峰對峰值偵測器、波封運算器連接，其係輸出該訊號處理單元、該峰對峰值偵測器、波封運算器之訊號。
其中，該訊號處理單元又包含：一梳狀濾波器，其與該類比數位轉換單元連接，並接受該混合肌電訊號後，將該混合肌電訊號予以梳狀濾波，使該混合肌電訊號形成一含有邊界效應的自主肌電訊號；一邊界效應遮蔽器，其與梳狀濾波器相連接，其遮蔽該含有邊界效應的自主肌電訊號之邊界效應，產生一自主肌電訊號；及一減法器，其以該混合肌電訊號及該自主肌電訊號相減後輸出該刺激誘發肌電訊號。
其中，該峰對峰值偵測器計算並輸出該刺激誘發肌電訊號的峰對峰值。
其中，該波封運算器係為一低通濾波器或執行一平均計算之電子元件。
藉此，本發明可以有效同時監控肌電訊號之電刺激訊號及自主肌電訊號及電刺激誘發肌電訊號，如此，不僅讓醫療、檢測過程變得非常簡便，更可以直接觀察某些部位之肌電訊號，讓檢查結果更為準確、直接。
如圖1所示，其為一即時自主肌力與電刺激誘發肌力量測電路之實施例，該即時自主肌力與電刺激誘發肌力量測電路包括一整合式即時電刺激肌電訊號處理單元(10)、一電刺激器(11)、一具有刺激干擾抑制器的肌電訊號放大器(13)及一類比數位轉換單元(14)。該電刺激器(11)連接於該整合式即時電刺激肌電訊號處理單元(10)與一使用者(12)之間，該電刺激器(11)受該整合式即時電刺激肌電訊號處理單元(10)之控制對該使用者輸出一電刺激訊號；該具有刺激干擾抑制器的肌電訊號放大器(13)串接該類比數位轉換單元(14)之後連接該整合式即時電刺激肌電訊號處理單元(10)，其中，該具有刺激干擾抑制器的肌電訊號放大器(13)係量測該使用者(12)受該電刺激器(11)後之一混合肌電訊號傳送至該整合式即時電刺激肌電訊號處理單元(10)，其中，該混合肌電訊號包含該電刺激訊號及該使用者(12)所反應之一肌電訊號。
當該整合式即時電刺激肌電訊號處理單元(10)接收外部的一電刺激參數之設定後，控制該電刺激器(11)對該使用者(12)輸出該電刺激訊號進行電刺激，同時，該具有刺激干擾抑制器的肌電訊號放大器(13)則即時量測使用者(12)之該混合肌電訊號，該具有刺激干擾抑制器的肌電訊號放大器(13)會將電刺激輔助動作時的該混合肌電訊號去除電刺激訊號之干擾並放大後，送至該類比數位轉換單元(14)轉換為數位訊號。接著該整合式即時電刺激肌電訊號處理單元(10)將接收之訊號予以處理運算後輸出一輸出訊號，該輸出訊號包含相互分離之一刺激誘發肌電訊號、一自主肌電訊號、一刺激誘發肌電訊號的峰對峰值及一波封形式的自主肌電訊號。在各種訊號之應用方面，以一電刺激輔助踩車系統為例，在電刺激輔助踩車時的肌肉收縮是由該自主(收縮)肌電訊號與該外部電刺激(即刺激誘發肌電訊號)兩個不同的來源所產生，此類的肌肉活化即可視為混合式肌肉活化。由於該刺激誘發肌電訊號是隨著每個該電刺激訊號之脈衝所產生，所以該刺激誘發肌電訊號是一個與電刺激脈衝頻率相同之訊號。而自主肌電訊號之特性則與一般生理肌電訊號之峰形一致。基於前述，所分離出的該刺激誘發肌電訊號與該自主肌電訊號可分別表是為使用者受電刺激所引發的力量以及一患者踩踏該電刺激輔助踩車之殘存動作能力。
在訊號分離之技術方面，藉由該刺激誘發肌電訊號有一固定頻率之特性，因此只要利用如梳狀濾波器可辨識該些具有特定特徵波形訊號予以取出，即可將刺激誘發肌電訊號濾除並同時(訊號相減)得到該自主肌電訊號。而當得到該自主肌電訊號後，可將該混合肌電訊號減去該自主肌電訊號就可再得到該刺激誘發肌電訊號。前述之該梳狀濾波器為種一數位濾波器，數位濾波器的特性是將一訊號資料點(時間tx)與其他更早的資料點(時間tx-n)進行運算以濾除固定頻率之訊號並得到濾波後的資料點，所以只要使用梳狀濾波器即可將刺激誘發肌電訊號濾除並得到自主肌電訊號。
補充說明前述之電刺激訊號與肌電訊號如下：前述之該電刺激訊號實質上為一種脈衝波形式之電訊號；該肌電訊號也是一種電訊號；而對該些電訊號而言，人體可視為一由電阻及電容串聯及並連所構成的電路。因此，當每一個脈衝形式之電訊號打在人體目標上時，將對肌肉進行充放電的動作，而相較於電刺激脈衝造成的充放電來說，該肌電訊號是非常微小的訊號(約1000:1)，所以該電刺激訊號的脈衝對所進行量測之該肌電訊號係為一種很大的干擾。在去除前述的干擾訊號方面，由於電刺激訊號之脈衝的時間點對本實施例而言為已知，因此，該整合式即時電刺激肌電訊號處理單元(10)只要在該電刺激訊號之脈衝出現的同時，將該具有刺激干擾抑制器的肌電訊號放大器(13)的正、負輸入端短路，進而造成短暫的零輸入而即可去除該電刺激訊號之干擾。此外，由於該電刺激訊號之脈衝的波寬非常短暫(約0.2毫秒至1毫秒左右)所以，短路所造成之短暫中斷並不會對該肌電訊號之量測有很大的影響。
更進一步說明之，請參考圖2，該整合式即時電刺激肌電訊號處理單元(10)進一步包括一控制單元(101)、一訊號處理單元(102)、一峰對峰值偵測器(103)、一波封運算器(104)、一輸出介面(105)，該控制單元(101)分別與該電刺激器(11)及該訊號處理單元(102)電性連接；該峰對峰值偵測器(103)及該波封運算器(104)係分別連接於該訊號處理單元(102)與該輸出介面(105)之間。當該控制單元(101)接收外部的該電刺激參數設定後，控制該電刺激器(11)對該使用者(12)進行電刺激；而該訊號處理單元(102)會接收該混合肌電訊號並運算出該刺激誘發肌電訊號及該自主肌電訊號。該訊號處理單元(102)將該刺激誘發肌電訊號傳送至該峰對峰值偵測器(103)使其計算出刺激誘發肌電訊號的峰對峰值；該自主肌電訊號會傳送至該波封運算器(104)以運算產生該波封形式的自主肌電訊號；該輸出介面(105)則將原始的混合肌電訊號、刺激誘發肌電訊號、自主肌電訊號、刺激誘發肌電訊號之峰對峰值、波封形式之自主肌電訊號輸出以便分析與應用。在應用方面，以中風患者患病復健為例，患者之身體機能損傷影響日常生活的動作與生活品質。為了增強患者所殘餘的部分動作，前述利用電刺激器結合腳踏車運動已被用來做為復健技術。本實施例可以在患者使用該電刺激踩車時量測患者之肌肉狀況，所以若可以將電刺激時之訊號做確切的分析，便可評估患者復健之狀況，甚至規劃出更適當的復建流程。
請進一步配合參考圖3，該訊號處理單元(102)包括一梳狀濾波器(201)、一邊界效應遮蔽器(202)、一減法器(203)，該梳狀濾波器(201)連接該邊界效應遮蔽器(202)之後，連接該輸出介面(105)。該混合肌電訊號經過該梳狀濾波器(201)計算出一含有邊界效應的自主肌電訊號，接著該含有邊界效應的自主肌電訊號會經由該邊界效應遮蔽器(202)遮蔽邊界效應以得到自主肌電訊號。該梳狀濾波器(201)為種一數位濾波器，其特性是將一訊號資料點(時間tx)與其他更早的資料點(時間tx-n)進行運算以得到濾波後的資料點；所以當量測的訊號a在時間tb時突然出增加了某一訊號b，則tb之前的資料點並不包含b訊號，以至於訊號b的第一個週期並無法濾除，此訊號b無法濾除部份即為邊界效應。若自主肌電訊號為要量測的訊號a，則電刺激誘發肌電訊號就相當於一種訊號b，無法完全以該梳狀濾波器(201)濾除需額外遮蔽。由此可知當電刺激有啟動與關閉的動作時就會有邊界效應出現，但電刺激的啟動與關閉是由整合式即時電刺激肌電訊號處理單元10所控制，所以邊界效應出現的時間是可預知的，因此知要在邊界效應出現時將訊號歸零即可。其中，該波封運算器可以為一低通濾波器或一平均運算之方式達成。
該減法器(203)之輸入端連接該類比數位轉換單元(14)及該邊界效應遮蔽器(202)，該混合肌電訊號會藉由該減法器(203)將自主肌電訊號的成分減去，以得到刺激誘發肌電訊號；該訊號處理單元會將混合肌電訊號、自主肌電訊號、刺激誘發肌電訊號輸出以便分析與應用。
10．．．整合式即時電刺激肌電訊號處理單元
11．．．電刺激器
12．．．使用者
13．．．具有刺激干擾抑制器的肌電訊號放大器
14．．．類比數位轉換單元
101．．．控制單元
102．．．訊號處理單元
103．．．峰對峰值偵測器
104．．．波封運算器
105．．．輸出介面
201．．．梳狀濾波器
202．．．邊界效應遮蔽器
203．．．減法器
圖1為本發明之即時自主肌力與電刺激誘發肌力量測電路
圖2為本發明之整合式即時電刺激肌電訊號處理單元
圖3為本發明之訊號處理單元示意圖
10．．．整合式即時電刺激肌電訊號處理單元
11．．．電刺激器
12．．．使用者
13．．．具有刺激干擾抑制器的肌電訊號放大器
14．．．類比數位轉換單元
Claims (5)
- 一種即時自主肌力與電刺激誘發肌力量測電路，其包括：一整合式即時電刺激肌電訊號處理單元，其接收外部的電刺激參數設定；一電刺激器，其與該整合式即時電刺激肌電訊號處理單元相連接並接受該整合式即時電刺激肌電訊號處理單元之控制對一使用者進行電刺激；一具有刺激干擾抑制器的肌電訊號放大器，其量測該使用者之混合肌電訊號並予以去除刺激干擾後放大訊號；一類比數位轉換單元，其連接於該具有刺激干擾抑制器的肌電訊號放大器及該整合式即時電刺激肌電訊號處理單元之間，其將該具有刺激干擾抑制器的肌電訊號放大器之輸出訊號數位化；其中，該整合式即時電刺激肌電訊號處理單元將數位化後之該混合肌電訊號依序經過梳狀濾波產生邊界效應，去除邊界效應之後，產生一自主肌電訊號；再以減法方式產生一刺激誘發肌電訊號。
- 如申請專利範圍第1項所述之即時自主肌力與電刺激誘發肌力量測電路，該整合式即時電刺激肌電訊號處理單元包含：一控制單元，其係用來接收外部的電刺激參數設定；一訊號處理單元，其係接收該類比數位轉換單元輸出之該混合肌電訊號；一峰對峰值偵測器，其係與訊號處理單元相連接；一波封運算器，其係與訊號處理單元相連接；一輸出介面，其分別連接該訊號處理單元、該峰對峰值偵測器、波封運算器連接，其係輸出該訊號處理單元、該峰對峰值偵測器、波封運算器之訊號。
- 如申請專利範圍第2項所述之即時自主肌力與電刺激誘發肌力量測電路，其中該訊號處理單元又包含：一梳狀濾波器，其與該類比數位轉換單元連接，並接受該混合肌電訊號後，將該混合肌電訊號予以梳狀濾波，使該混合肌電訊號形成一含有邊界效應的自主肌電訊號；一邊界效應遮蔽器，其與梳狀濾波器相連接，其遮蔽該含有邊界效應的自主肌電訊號之邊界效應，產生一自主肌電訊號；及一減法器，其以該混合肌電訊號及該自主肌電訊號相減後輸出該刺激誘發肌電訊號。
- 如申請專利範圍第3項所述之即時自主肌力與電刺激誘發肌力量測電路，其中該峰對峰值偵測器計算並輸出該刺激誘發肌電訊號的峰對峰值。
- 如申請專利範圍第3項所述之即時自主肌力與電刺激誘發肌力量測電路，其中該波封運算器係為一低通濾波器或執行一平均計算之電子元件。
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