一種肌肉協(xié)同模式下的多通道功能性電刺激方法與系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種肌肉協(xié)同模式下的多通道功能性電刺激方法與系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前的多通道功能性電刺激訓(xùn)練系統(tǒng)絕大部分不考慮肌肉群自身具有的天然縮 張模式，其脈沖數(shù)調(diào)節(jié)方式很大程度依賴于經(jīng)驗(yàn)，缺乏對(duì)肌肉協(xié)同信息的集成，還存在著如 下缺陷：
[0003] (1)多通道參數(shù)調(diào)節(jié)缺少肌電信號(hào)分解得到的肌肉協(xié)同模式信息，調(diào)節(jié)不是按照 正常人體肌肉的自然模式進(jìn)行。
[0004] (2)電刺激所產(chǎn)生的力矩值不夠穩(wěn)定。
[0005] (3)不能夠根據(jù)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行電刺激通道切換，容易造成肌肉群的過(guò)度疲 勞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種肌肉協(xié)同模式下的多通道功能 性電刺激方法與系統(tǒng)，改進(jìn)目前多功能電刺激系統(tǒng)的缺少利用人體肌肉群自然協(xié)同模式的 刺激方式，減少全局肌肉疲勞度。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：一種肌肉協(xié)同模式下的多通道功能 性電刺激方法，包括以下步驟：
[0008] S1.對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)所有肌肉群的肌電信號(hào)進(jìn)行采集和預(yù)處理，得到多肌群肌 電信號(hào)U;
[0009] S2.對(duì)多肌群肌電信號(hào)U進(jìn)行非負(fù)矩陣分解，得到肌群協(xié)同模式矩陣W和特征時(shí)間 序列向量Η;
[0010] S3.將肌群協(xié)同模式矩陣W中的每一個(gè)元素除以該元素所在列的元素之和，得到歸 一化解，；
[0011]S4.進(jìn)行多通道電刺激參數(shù)配比；
[0012] S5.根據(jù)多通道電刺激參數(shù)配比結(jié)果進(jìn)行電刺激；
[0013] 所述的步驟S1包括以下子步驟：
[0014] S11.依次對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)每個(gè)肌肉群進(jìn)行相同時(shí)間的肌電信號(hào)采集，并對(duì)采集 到的肌電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理；
[0015] S12.將每個(gè)肌肉群的肌電信號(hào)作矩陣中的一行，所有得到的肌肉群肌電信號(hào)在同 一個(gè)矩陣中進(jìn)行表示，得到η行m列的多肌群肌電信號(hào)U，n代表肌電信號(hào)通道數(shù)，在數(shù)值上等 于關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的肌肉群個(gè)數(shù)，m表示時(shí)間序列數(shù)。
[0016] 具體來(lái)說(shuō)，在對(duì)每個(gè)肌群的肌電信號(hào)采集的過(guò)程中，采集時(shí)間和采集間隔都是一 樣的，因此，每個(gè)肌肉群肌電信號(hào)中包括的肌電值個(gè)數(shù)也是一樣的，而在本申請(qǐng)，采集的時(shí) 間間隔為ls，所以肌群肌電信號(hào)包含的肌電值個(gè)數(shù)就等于時(shí)間序列數(shù)。
[0017] 步驟S11中對(duì)每個(gè)肌肉群的肌電信號(hào)進(jìn)行采集和預(yù)處理的步驟相同，均包括以下 子步驟：
[0018] S111.使肌肉群處于靜息狀態(tài)，并在肌肉群中選擇s個(gè)采集點(diǎn)（一般為100~1000個(gè) 采集點(diǎn))進(jìn)行毛肌電信號(hào)采集并求出靜息狀態(tài)下毛肌電信號(hào)的平均值?;
[0019] S112.采集肌肉群在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的毛肌電信號(hào)X;
[0020] S113.對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的毛肌電信號(hào)X進(jìn)行去直流分量處理，得到信號(hào)Υ: =
[0021] S114.使用帶通濾波器對(duì)去信號(hào)Y進(jìn)行濾波，得到信號(hào)x〃，這里采用截止頻率2Hz 到50Hz的帶通濾波器；
[0022] S115.對(duì)信號(hào)X"進(jìn)行取絕對(duì)值操作，得到肌肉群的肌電信號(hào)。
[0023] 所述的步驟S2包括以下子步驟：
[0024] S21.給定非負(fù)矩陣分解的降維數(shù)1;
[0025] S22.對(duì)多肌群肌電信號(hào)U進(jìn)行降維數(shù)為1的非負(fù)矩陣分解，得到η行1列的肌群協(xié)同 模式矩陣W和1行m列的特征時(shí)間序列向量Η。
[0026] 所述的步驟S4包括以下子步驟：
[0027] S41.根據(jù)關(guān)節(jié)不同的運(yùn)動(dòng)方向，設(shè)定兩個(gè)與關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向?qū)?yīng)的基脈脈沖，；
[0028] S42.分別將每一個(gè)基脈脈沖分別與矩陣礦進(jìn)行配比，得到兩個(gè)不同的配比參數(shù)矩 陣。
[0029]所述的步驟S42中基脈脈沖與矩陣，進(jìn)行配比的步驟包括:將基脈脈沖與矩陣礦 中的每一個(gè)元素相乘，得到多通道配比參數(shù)矩陣M;其中，多通道配比參數(shù)矩陣Μ的每一行對(duì) 應(yīng)于一個(gè)電刺激通道的參數(shù);基脈脈沖為常量(也可以是隨著時(shí)間變化的變量，但在確定時(shí) 間點(diǎn)基脈脈沖的值是定值）。
[0030] 所述的步驟S5包括以下子步驟：
[0031] S51.為每一個(gè)配比參數(shù)矩陣，生成一個(gè)對(duì)應(yīng)的電刺激模式，并設(shè)定電刺激模式切 換開(kāi)關(guān)；
[0032] S52.根據(jù)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方向，切換到不同的電刺激模式，對(duì)主動(dòng)肌群和拮抗肌群進(jìn) 行電刺激。
[0033] -種肌肉協(xié)同模式下的多通道功能性電刺激系統(tǒng)，包括肌電信號(hào)采集模塊、肌電 信號(hào)預(yù)處理模塊、肌電信號(hào)特征分解模塊、多通道電刺激參數(shù)比配模塊和功能性電刺激模 塊；
[0034] 所述的肌電信號(hào)采集模塊用于對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)所有肌肉群的肌電信號(hào)進(jìn)行采 集；
[0035]所述的肌電信號(hào)預(yù)處理模塊用于對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，得到多肌群肌電信 號(hào)；
[0036] 所述的多通道肌電信號(hào)特征分解模塊用于對(duì)多肌群肌電信號(hào)進(jìn)行非負(fù)矩陣分解， 得到肌群協(xié)同模式矩陣和特征時(shí)間序列向量，并對(duì)肌群協(xié)同模式矩陣求歸一化解。
[0037] 所述的多通道電刺激參數(shù)比配模塊用于根據(jù)肌群協(xié)同模式的歸一化解，進(jìn)行多通 道電刺激配比；
[0038] 所述的功能性電刺激模塊用于根據(jù)多通道電刺激參數(shù)比配模塊的配比結(jié)果進(jìn)行 電刺激。
[0039] 本發(fā)明的有益效果是：（1)改進(jìn)目前多功能功能性電刺激系統(tǒng)的缺少利用人體肌 肉群自然協(xié)同模式的刺激方式，提高了多通道電刺激效率和誘發(fā)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，減少全 局肌肉疲勞度。
[0040] (2)通過(guò)使用非負(fù)矩陣分解的方法，對(duì)引起關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)的相關(guān)肌肉群的多通道 肌電信號(hào)進(jìn)行特征提取，得到在不同屈伸狀態(tài)下的肌肉協(xié)同模式；
[0041 ] (3)針對(duì)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方向，設(shè)定電刺激切換開(kāi)關(guān)，來(lái)實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的電刺激模式的切 換，完成對(duì)主動(dòng)肌群和拮抗肌群的電刺激。
【附圖說(shuō)明】
[0042]圖1為本發(fā)明的流程圖；
[0043]圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)原理框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0044]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于 以下所述。
[0045] 如圖1所示，一種肌肉協(xié)同模式下的多通道功能性電刺激方法，包括以下步驟：
[0046] S1.對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)所有肌肉群的肌電信號(hào)進(jìn)行采集和預(yù)處理，得到多肌群肌 電信號(hào)U;
[0047] S2.對(duì)多肌群肌電信號(hào)U進(jìn)行非負(fù)矩陣分解，得到肌群協(xié)同模式矩陣W和特征時(shí)間 序列向量Η;
[0048] S3.將肌群協(xié)同模式矩陣W中的每一個(gè)元素除以該元素所在列的元素之和，得到歸 一化解，；
[0049] S4.進(jìn)行多通道電刺激參數(shù)配比；
[0050] S5.根據(jù)多通道電刺激參數(shù)配比結(jié)果進(jìn)行電刺激；
[0051] 所述的步驟S1包括以下子步驟：
[0052] S11.依次對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)每個(gè)肌肉群進(jìn)行相同時(shí)間的肌電信號(hào)采集，并對(duì)采集 到的肌電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理；
[0053] S12.將每個(gè)肌肉群的肌電信號(hào)作矩陣中的一行，所有得到的肌肉群肌電信號(hào)在同 一個(gè)矩陣中進(jìn)行表示，得到η行m列的多肌群肌電信號(hào)U，n代表肌電信號(hào)通道數(shù)，在數(shù)值上等 于關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的肌肉群個(gè)數(shù)，m表示時(shí)間序列數(shù)。
[0054]具體來(lái)說(shuō)，在對(duì)每個(gè)肌群的肌電信號(hào)采集的過(guò)程中，采集時(shí)間和采集間隔都是一 樣的，因此，每個(gè)肌肉群肌電信號(hào)中包括的肌電值個(gè)數(shù)也是一樣的，而在本申請(qǐng)，采集的時(shí) 間間隔為ls，所以肌群肌電信號(hào)包含的肌電值個(gè)數(shù)就等于時(shí)間序列數(shù)。
[0055] 步驟S11中對(duì)每個(gè)肌肉群的肌電信號(hào)進(jìn)行采集和預(yù)處理的步驟相同，均包括以下 子步驟：
[0056] S111.使肌肉群處于靜息狀態(tài)，并在肌肉群中選擇s個(gè)采集點(diǎn)（一般為100~1000個(gè) 采集點(diǎn))進(jìn)行毛肌電信號(hào)采集并求出靜息狀態(tài)下毛肌電信號(hào)的平均值X;
[0057] S112.采集肌肉群在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的毛肌電信號(hào)X;
[0058]S113.對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的毛肌電信號(hào)x進(jìn)行去直流分量處理，得到信號(hào)V ;
[0059] S114.使用帶通濾波器對(duì)去信號(hào)Υ進(jìn)行濾波，得到信號(hào)χ〃，這里采用截止頻率2Hz 到50Hz的帶通濾波器；
[0060] S115.對(duì)信號(hào)X"進(jìn)行取