一种随机动态参数电刺激条件下的自主肌电提取方法技术

本发明专利技术公开了一种在随机动态参数功能电刺激条件下探测自主肌电信号的方法。一种随机动态参数电刺激条件下的自主肌电提取方法，该方法包含如下步骤：通过硬件电路对电刺激信号进行屏蔽，对屏蔽后信号xM+V(t)进行经验模式分解，获得固有模态函数集IMFm(t)，使用连续窗口对固有模态函数集IMFm(t)进行拆分获得wIMFm,u(t)，其中m为固有模态函数编号，u为窗口编号，窗口长度约为当前刺激脉冲周期。对wIMFm,u(t)进行特征提取。对提取的特征进行阈值筛选，将满足要求的窗口进行合成，获取降噪后的自主肌电信号。本发明专利技术主要是针对现有刺激噪声去除技术的缺陷，通过硬件屏蔽和基于经验模式分解的软件算法联合使用有效地去除刺激伪迹和M波的影响。

An autonomous electromyography extraction method under random dynamic parameter electrical stimulation

The invention discloses a method for detecting autonomous EMG signals under the condition of functional electrical stimulation with random dynamic parameters. An autonomous EMG extraction method under the condition of random dynamic parameter electrical stimulation includes the following steps: shielding the electrical stimulation signal by hardware circuit, empirical mode decomposition of the shielded signal xM+V(t), obtaining the intrinsic mode function set IMFm(t), and using continuous window to carry out the intrinsic mode function set IMFm(t). WIMFm and u (t) were obtained by splitting, in which m was the intrinsic mode function number, u was the window number, and the window length was about the current stimulation pulse period. Feature extraction for wIMFm, u (T). The extracted features are screened by threshold, and the required windows are synthesized to obtain the autonomous EMG signal after noise reduction. The invention mainly aims at the defects of the existing stimulus noise removal technology, and effectively removes the stimulus artifacts and the influence of M wave by combining the hardware shielding and the software algorithm based on empirical mode decomposition.

【技术实现步骤摘要】
一种随机动态参数电刺激条件下的自主肌电提取方法
本专利技术属于康复医疗
和生物电信号处理领域，具体涉及动态参数电刺激条件下的自主肌电信号提取方法。
技术介绍
世界卫生组织(WHO)最新研究报告表明脑卒中(Stroke)已成为全球第二大致死原因，2012年有670万人死于脑卒中。在我国，截至目前，脑卒中高危人群筛查干预项目累计筛查40岁以上居民610余万人，筛查出95.2万余名脑卒中高危人群和患者，筛查发现率高达15.6％，因此脑卒中是危害我国居民健康的重大慢性病。随着现代医学的发展，现阶段脑卒中30天存活率约为85％，5年存活率超过50％，但是大多数患者都存在不同程度的功能障碍后遗症，其中约有80％的卒中患者存在肢体功能障碍。用于脑卒中瘫痪肢体功能康复的相关设备的研发，无疑具有重大的社会意义和经济价值。研究表明通过功能性电刺激(FunctionalElectricalStimulation,FES)介导的瘫痪肢体重复运动训练可以有效地加快运动功能康复并可以减轻偏瘫引起的肩痛、改善心血管系统机能、减轻痉挛、防止肌肉萎缩、防止废用性骨质疏松以及防止深部静脉血栓形成。此外，大量证据显示，电刺激过程中患者的自主意识参与可以有效地提高运动功能康复的效果，本体感官输入及认知参与有助于提高神经可塑性，增强损伤侧脑功能区域的修复。肌电信号(Electromyography,EMG)由于可以实时地反映肌肉收缩时肌肉运动单元的募集和爆发率情况，从而反映大脑对肌肉的控制意识，因此，一直以来作为FES系统中增强自主意识控制的研究重点之一。针对脑卒中患者瘫痪肌肉尚存在部分肌力或体表EMG可探测的情况，可以对瘫痪肌肉进行自主EMG提取并对相同肌肉的刺激进行控制，从而放大患者的自主运动意愿，辅助上肢的任务指向性训练，该种FES称为同源自主EMG控制FES。专利技术人在同源自主EMG控制FES系统研发过程中发现在对同源肌肉进行控制时，由于EMG探测电极距离刺激电极极近，肌电信号微弱(几百μV到几mV)，通常需要放大数千倍，但是体表刺激脉冲峰值需达到20V以上才能诱发有效的肢体动作，故探测到的EMG常包含幅值较大的刺激伪迹。此外，刺激引发的肌肉运动单元同步活化而产生的M波，同样也会对自主EMG产生干扰，使用包含刺激伪迹和M波的极点信号进行同源自主EMG控制FES系统势必会引起系统的自激振荡。现有的刺激噪声去除方法主要包括空白法和自适应滤波方法均不能应对变幅变频的动态刺激噪声，空白法指在刺激噪声产生式不进行信号采集，直到(刺激伪迹和M波)全部结束，再采集自主EMG，然而这种方法的明显缺点在于刺激伪迹和M波通常持续时间较长(几十ms)，故在刺激频率较高时，记录的自主EMG的有效时间极为有限。自适应滤波方法基于对参考波形的动态误差比较，因此对刺激噪声波形特征高度依赖，当幅度和频率发生动态变化时，参考波形不固定，因此难以去除动态刺激噪声。
技术实现思路
本专利技术主要是针对现有刺激噪声去除技术的缺陷，提出一种在随机动态参数(变幅、变频)功能电刺激条件下探测探测自主肌电信号的方法，通过硬件屏蔽和基于经验模式分解的软件算法联合使用有效地去除刺激伪迹和M波的影响。该方法通过同时利用硬件屏蔽法和基于经验模式分解的降噪算法去除肌电信号中的动态刺激噪声和刺激诱发肌肉响应M波。首先，通过模拟开关控制电路，在刺激时短暂断开，屏蔽使放大器饱和的刺激噪声，而保留刺激诱发的肌肉响应M波和自主发力肌电信号成分。然后，对保留成分进行采样，并通过经验模式分解获得固有模态函数集合，通过标准差、Hurst指数特征对固有模态函数成分进行分析，筛选自主肌电相关的固有模态函数子集，将筛选后的固有模态函数叠加，获取自主发力时的肌电信号。本专利技术可有效的在动态电刺激强背景噪声的情况下提取微弱的自主肌电信号，提取后的自主肌电信号可作为功能性电刺激，达到瘫痪患者实时使用残余肌电信号控制瘫痪肢体运动的目的，同时也为各种参数功能性电刺激条件下分析研究患者自主肌电信号，评定肌肉功能提供了技术基础，具有可观的社会效益和经济价值。本专利技术的技术方案如下：一种随机动态参数电刺激条件下的自主肌电提取方法，其特征在于：该方法包含如下步骤：1)通过硬件电路对电刺激信号进行屏蔽，在刺激脉冲产生时，通过模拟开关断开肌电放大电路和探测电极的连接，并将探测电极接地，放大倍数置零，刺激脉冲结束后，延时80-120微秒，重新将放大电路接通探测电极，恢复放大倍数，主控制器通过A/D转换获取的包含M波和自主肌电信号的xM+V(t)，得到屏蔽后信号xM+V(t)包含肌肉在刺激下的响应M波及自主肌电成分；其中M表示由电刺激产生的同步活化肌电信号,即M波，V表示自主肌电信号，t表示时间；2)对步骤1)得到的屏蔽后信号xM+V(t)进行经验模式分解，获得固有模态函数集IMFm(t)，其中m为固有模态函数编号；3)使用连续窗口对固有模态函数集IMFm(t)进行拆分获得窗口固有模态函数wIMFm,u(t)，其中m为固有模态函数编号，u为窗口编号，所述连续窗口长度为1-2倍的当前刺激脉冲周期；4)对所述窗口固有模态函数wIMFm,u(t)进行特征提取：包括标准差和Hurst指数；5)对所述步骤4)提取到的标准差及Hurst指数特征进行阈值筛选，将满足阈值条件的wIMFm,u(t)进行合成，获取降噪后的自主肌电信号。所述步骤2)中经验模式分解采用集总经验模式分解，将白噪声反复叠加至信号之上，从而实现信号xM+V(t)在白噪声时频框架之上的投影，其中白噪声幅值取自主肌电信号标准差的0.1-0.5倍。所述硬件电路包括肌电探测电极、开关控制肌电探测电路、主控制器、恒流电刺激电路和刺激电极；其中，所述肌电探测电极包括三电极，中间电极为参考驱动电极、两端为阳极电极和阴极电极，三电极两两距离相等为0.5cm到2cm之间；刺激电极使用双电极，探测电极和刺激电极排布方向一致；开关控制肌电探测电路包括：开关屏蔽电路，用于在电刺激开始时断开探测电极的连接，并将探测电极接地；前置放大器,用于初步放大肌电信号；程控开关放大器,用于肌电信号的二次放大，并在刺激来临时将放大倍数置零；后级滤波放大电路，用于选择有效的肌电信号并进行最终放大；主控制器的作用包括：产生刺激脉冲、控制开关屏蔽电路以及对屏蔽后信号xM+V(t)进行信号处理；主控制器将经过屏蔽处理的模拟信号进行A/D模数转换，获得初步去除刺激伪迹保留M波和自主肌电信号的待降噪信号xM+V(t)；恒流电刺激电路包括：电压电流转换电路，用于将主控信号处理产生的电压刺激脉冲转换为电流刺激脉冲；恒流驱动电路，用于增加刺激电路输出阻抗，达到恒流输出的目的；开关极性选择电路,用于产生互补双向脉冲。所述开关屏蔽电路包括开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5和开关S6；当所述主控制器(7)产生刺激时，主控制器7通过IO口将开关S1、开关S2、开关S3断开，开关S4、开关S5、开关S6闭合，从而屏蔽刺激信号，当刺激结束后，将开关S1、开关S2、开关S3闭合，开关S4、开关S5、开关S6打开，从而恢复探测电极和前置放大器的连接；所述前置放大器包括运算放大器A1、运算放大器A2、运算放大器A3、运算放大器A、4运算放大器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种随机动态参数电刺激条件下的自主肌电提取方法，其特征在于：该方法包含如下步骤：1)通过硬件电路对电刺激信号进行屏蔽，在刺激脉冲产生时，通过模拟开关断开肌电放大电路和探测电极的连接，并将探测电极接地，放大倍数置零，刺激脉冲结束后，延时80‑120微秒，重新将放大电路接通探测电极，恢复放大倍数，主控制器通过A/D转换获取的包含M波和自主肌电信号的xM+V(t)，得到屏蔽后信号xM+V(t)包含肌肉在刺激下的响应M波及自主肌电成分；其中M表示由电刺激产生的同步活化肌电信号,即M波，V表示自主肌电信号，t表示时间；2)对步骤1)得到的屏蔽后信号xM+V(t)进行经验模式分解，获得固有模态函数集IMFm(t)，其中m为固有模态函数编号；3)使用连续窗口对固有模态函数集IMFm(t)进行拆分获得窗口固有模态函数wIMFm,u(t)，其中m为固有模态函数编号，u为窗口编号，所述连续窗口长度为1‑2倍的当前刺激脉冲周期；4)对所述窗口固有模态函数wIMFm,u(t)进行特征提取：包括标准差和Hurst指数；5)对所述步骤4)提取到的标准差及Hurst指数特征进行阈值筛选，将满足阈值条件的wIMFm,u(t)进行合成，获取降噪后的自主肌电信号。...

【技术特征摘要】
1.一种随机动态参数电刺激条件下的自主肌电提取方法，其特征在于：该方法包含如下步骤：1)通过硬件电路对电刺激信号进行屏蔽，在刺激脉冲产生时，通过模拟开关断开肌电放大电路和探测电极的连接，并将探测电极接地，放大倍数置零，刺激脉冲结束后，延时80-120微秒，重新将放大电路接通探测电极，恢复放大倍数，主控制器通过A/D转换获取的包含M波和自主肌电信号的xM+V(t)，得到屏蔽后信号xM+V(t)包含肌肉在刺激下的响应M波及自主肌电成分；其中M表示由电刺激产生的同步活化肌电信号,即M波，V表示自主肌电信号，t表示时间；2)对步骤1)得到的屏蔽后信号xM+V(t)进行经验模式分解，获得固有模态函数集IMFm(t)，其中m为固有模态函数编号；3)使用连续窗口对固有模态函数集IMFm(t)进行拆分获得窗口固有模态函数wIMFm,u(t)，其中m为固有模态函数编号，u为窗口编号，所述连续窗口长度为1-2倍的当前刺激脉冲周期；4)对所述窗口固有模态函数wIMFm,u(t)进行特征提取：包括标准差和Hurst指数；5)对所述步骤4)提取到的标准差及Hurst指数特征进行阈值筛选，将满足阈值条件的wIMFm,u(t)进行合成，获取降噪后的自主肌电信号。2.根据权利要求1所述，一种随机动态参数电刺激条件下的自主肌电提取方法，其特征在于：所述步骤2)中经验模式分解采用集总经验模式分解，将白噪声反复叠加至信号之上，从而实现信号xM+V(t)在白噪声时频框架之上的投影，其中白噪声幅值取自主肌电信号标准差的0.1-0.5倍。3.根据权利要求1所述，一种随机动态参数电刺激条件下的自主肌电提取方法，其特征在于：所述硬件电路包括肌电探测电极、开关控制肌电探测电路、主控制器、恒流电刺激电路和刺激电极；其中，所述肌电探测电极包括三电极，中间电极为参考驱动电极、两端为阳极电极和阴极电极，三电极两两距离相等为0.5cm到2cm之间；刺激电极使用双电极，探测电极和刺激电极排布方向一致；开关控制肌电探测电路包括：开关屏蔽电路，用于在电刺激开始时断开探测电极的连接，并将探测电极接地；前置放大器,用于初步放大肌电信号；程控开关放大器,用于肌电信号的二次放大，并在刺激来临时将放大倍数置零；后级滤波放大电路，用于选择有效的肌电信号并进行最终放大；主控制器的作用包括：产生刺激脉冲、控制开关屏蔽电路以及对屏蔽后信号xM+V(t)进行信号处理；主控制器将经过屏蔽处理的模拟信号进行A/D模数转换，获得初步去除刺激伪迹保留M波和自主肌电信号的待降噪信号xM+V(t)；恒流电刺激电路包括：电压电流转换电路，用于将主控信号处理产生的电压刺激脉冲转换为电流刺激脉冲；恒流驱动电路，用于增加刺激电路输出阻抗，达到恒流输出的目的；开关极性选择电路,用于产生互补双向脉冲。4.根据权利要求3所述，一种随机动态参数电刺激条件下的自主肌电提取方法，其特征在于：所述开关屏蔽电路包括开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5和开关S6；当所述主控制器(7)产生刺激时，主控制器7通过IO口将开关S1、开关S2、开关S3断开，开关S4、开关S5、开关S6闭合，从而屏蔽刺激信号，当刺激结束后，将开关S1、开关S2、开关S3闭合，开关S4、开关S5、开关S6打开，从而恢复探测电极和前置放大器的连接；所述前置放大器包括运算放大器A1、运算放大器A2、运算放大器A3、运算放大器A、4运算放大器A5、仪表运算放大器INA1；运算放大器A1、运算放大器A2用于阻抗变换，提高输入阻抗；运算放大器A3、运算放大器A4用于提供共模电压反馈，提高共模抑制比；...

【专利技术属性】
技术研发人员：周宇轩，王伟，刘政，潘灏阳，吴晨晨，张颖，
申请(专利权)人：南京医科大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32