基于肌电信号与虚拟现实交互技术的上肢康复系统及方法技术方案

一种基于肌电信号与虚拟现实交互技术的上肢康复系统及方法，系统包括肌电信号采集与处理部分、虚拟现实人机交互部分和肌肉功能评价部分；肌电信号采集与处理部分由数据采集模块、信号处理模块和模型控制模块组成；虚拟现实人机交互部分由上位机虚拟环境模块和力反馈装置模块组成；肌肉功能评价部分由肌张力定量评价模块和肌肉协同性定量评价模块组成。所述康复方法运用肌电控制能更好的反映患者主观意图，利用虚拟现实技术使患者在康复过程中保持主动性，提高康复训练的便捷性、安全性和有效性。本发明专利技术能结合现有临床康复评价手段，客观评价患者的肌肉功能状态，为患者提供康复训练的标准，为康复医师制定治疗方案提供依据。

【技术实现步骤摘要】
一种基于肌电信号与虚拟现实交互技术的上肢康复系统及方法
本专利技术涉及一种虚实交互技术神经康复领域，尤其是一种基于肌电信号与虚实交互技术的应用于脑卒中或其它中枢神经损伤患者的康复系统及其控制方法。
技术介绍
随着我国社会老龄化程度的加剧，由于脑卒中引起的上肢运动功能障碍患者正不断地增加。此外，由于工伤、交通事故、疾病等原因造成神经或肢体损伤的患者也显著增加，严重影响患者的工作、生活和学习，并给患者家庭及社会带来极大的负担。研究表明，及时进行一定程度的集中和重复训练可以修复受损的中枢神经，有助于上肢运功功能的恢复。传统的康复训练存在康复医师不足，康复设备功能单一且成本较高，康复周期长、过程乏味主动性差以及无法进行准确的康复状态评价等缺陷，因此研制能够克服上述缺点的上肢康复训练及评价设备显得尤为必要。康复机器人作为一种康复医疗设备，通过辅助患者进行科学地、有效地康复训练，从而达到恢复患者运动功能的目的。在康复训练中加强患者的主动运动意图对患者运动功能康复具有强化和促进作用，有利于保持患者神经紧张度，加速神经肌肉运动通路的修复。而表面肌电信号(sEMG)是源于大脑运动皮层控制下的脊髓运动神经元的生物电活动，与肌肉的功能状态之间存在联系并富含肌肉的运动状态信息，因此将表面肌电信号引入康复机器人系统，实现人体上肢运动的辨识，可以预测人体主动运动意图，进而实现上肢康复训练机器人的运动控制。虚拟康复是现代康复机器人系统中不可分割的一部分，与传统康复训练方法相比，基于虚拟现实的康复手段不受时间空间的约束，具有安全性、趣味性、针对性强等优势，并且可以提供视觉、听觉等多种反馈以提高患者对康复效果的感知来激发和维持患者对训练的积极性，达到提高训练效果的目的。国内外研究人员利用机器人、虚拟现实、生物信号处理及控制等技术在运动功能康复方面开展了大量研究，然而很少有研究将肌电信号控制与虚拟现实相结合应用于上肢运动功能损伤患者康复训练，且尚存在以下不足：(1)现有的特征提取方法对于得到非平稳非线性的上肢肌电信号特征并快速准确识别动作模式存在一定困难；(2)以往基于虚拟环境的康复训练系统大多数强调视觉反馈，没有触觉反馈，缺少真实感；(3)康复训练效果的评估标准目前还没有系统的建立，鲜有系统在肌肉疲劳、肌张力、肌肉协同及运动协调等方面进行定量评价，而这些指标对康复效果的完整评价十分重要。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种基于肌电信号与虚拟现实交互技术的上肢康复系统及方法，该系统和方法利用神经控制与虚拟现实技术的特点和优势对中枢神经损坏患者进行主动、安全、有效的康复训练，并结合已有的临床康复评价手段客观定量评价患者的肌肉功能状态和运动功能恢复程度，及时准确的跟踪患者康复训练效果。为实现上述目的，采用了以下技术方案：本专利技术所述的一种基于肌电信号与虚实交互的上肢康复系统，包括肌电信号采集与处理部分、虚拟现实人机交互部分、肌肉功能评价部分；所述肌电信号采集与处理部分由数据采集模块、信号处理模块和模型控制模块组成；所述虚拟现实人机交互部分由上位机虚拟环境模块和力反馈装置模块组成；上位机虚拟环境模块包括波形显示区域、虚拟游戏场景区域、识别结果显示区域、评价指标显示区域；其中，信号波形显示区域用来实时显示当前采集肌电信号波形；信号识别结果显示区域用来显示当前所做上肢动作识别结果；评价指标显示区域用来显示当前肌肉功能指标以评价康复状态；虚拟游戏场景区域用来显示患者与虚拟场景的实时交互。力反馈装置模块由力触觉交互设备构成，主要功能是在肌电控制虚拟物体时，利用力触觉传感器跟踪运动位置，经碰撞检测判断力反馈设备是否碰撞到虚拟物体表面，如果碰撞到则计算出接触力的大小和方向并通过力反馈设备将接触力反馈给患者，为患者提供及时的暗示和帮助。所述肌肉功能评价部分由肌张力定量评价模块和肌肉协同性定量评价模块组成；数据采集模块的信号采集端与电极片连接，电极片与患侧上肢连接；数据采集模块的输出端通过无线传输方式与信号处理模块、上位机虚拟环境模块中波形显示区域分别进行通信连接；信号处理模块的输出端通过接线方式与模型控制模块输入端、上位机虚拟环境模块中识别结果显示区域分别连接；模型控制模块的输出端与上位机虚拟环境模块中虚拟游戏场景区域连接；上位机虚拟环境模块中虚拟游戏场景区域另与力反馈装置模块相互连接，力反馈装置模块通过数据线与患侧上肢的采集电极片连接；患者头部也通过电极片和数据线分别与患侧上肢、上位机虚拟环境模块进行连接；肌张力定量评价模块输出端与上位机虚拟环境模块中的评价指标显示区域连接，肌张力定量评价模块输入端与数据采集模块连接；肌肉协同性定量评价模块输出端与上位机虚拟环境模块中的评价指标显示区域连接，肌肉协同性定量评价模块输入端与数据采集模块连接。所述数据采集模块采用FPGA模块和DSP模块双核心结构，内设调理电路模块和A/D转换模块，DSP模块与信号处理模块以及虚拟环境模块中波形显示区域分别连接。数据采集模块通过AgCl电极采得多路表面肌电信号经调理电路的放大、滤波处理后进行A/D转换，FPGA负责控多路串行A/D器件的信号采集控制和数据缓冲，并将信号送入DSP进行预处理，而通信模块将预处理后的肌电信号数据以无线通信方式传输给上位机用于后续的分析和处理。所述信号处理模块包括特征提取模块和动作模式识别模块，特征提取模块通过小波包能量熵对多通道肌电信号进行特征提取，并利用Bayes理论对多通道肌电信号特征进行融合，将融合后的肌电特征送入动作模式识别模块，动作模式识别模块利用极限学习机(ExtremeLearningMachine，ELM)对提取到的多通道肌电特征进行模式识别分类。模型控制模块定时接收动作识别结果，并根据不同的识别结果向虚拟环境传输不同的命令，控制虚拟场景中物体完成规定的动作或任务。将一系列上肢动作用于控制虚拟环境中物体的运动方向，以达到患者与虚拟场景交互的目的。所述肌张力定量评价模块通过希尔伯特变换提取肌电牵张反射阈值指标，用来评价痉挛的反射特性在肌电中的表现从而定量评价肌张力大小，与临床肌张力评价MAS量表存在线性定量关系。所述肌肉协同性定量评价模块利用拮抗肌协同收缩率与主动肌拮抗肌肌电一致性的主成分分析(PrincipalComponentAnalysis，PCA)融合指标来评价肌肉协同性，拮抗肌协同收缩率越大，肌间特定频段内一致性越小，说明患者主动运动功能越差。本专利技术所提及的一种基于肌电信号与虚拟现实交互技术的上肢康复系统的控制方法，包括以下步骤：(1)通过数据采集模块从患者患侧上肢获取多通道表面肌电信号，通过放大、滤波后，对多通道肌电信号进行A/D转换得到数字信号，利用FPGA控制多路串行A/D器件的时钟，采集到的数字信号送入DSP进行信号预处理，提取有效频段并去除基线漂移及工频干扰，得到纯净的肌电信号；(2)预处理后的肌电信号数据以无线通信方式传输给上位机虚拟环境模块中的上位机进行数据缓存，并实时显示得到的多通道肌电信号波形；(3)信号处理模块对肌电信号数据定时的进行读取，通过活动段检测后利用小波包能量熵对预处理后的肌电信号进行特征提取，得到动作特征向量；信号处理模块利用Bayes理论对多通道肌电动作特征向量进行融合，将融合特征送入极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于肌电信号与虚拟现实交互技术的上肢康复系统，其特征在于：所述上肢康复系统包括肌电信号采集与处理部分、虚拟现实人机交互部分、肌肉功能评价部分；所述肌电信号采集与处理部分由数据采集模块、信号处理模块和模型控制模块组成；所述虚拟现实人机交互部分由上位机虚拟环境模块和力反馈装置模块组成；上位机虚拟环境模块包括波形显示区域、虚拟游戏场景区域、识别结果显示区域、评价指标显示区域；所述肌肉功能评价部分由肌张力定量评价模块和肌肉协同性定量评价模块组成；数据采集模块的信号采集端与电极片连接；数据采集模块的输出端通过无线传输方式与信号处理模块、上位机虚拟环境模块中波形显示区域分别进行通信连接；信号处理模块的输出端通过接线方式与模型控制模块输入端、上位机虚拟环境模块中识别结果显示区域分别连接；模型控制模块的输出端与上位机虚拟环境模块中虚拟游戏场景区域连接；上位机虚拟环境模块中虚拟游戏场景区域另与力反馈装置模块相互连接，力反馈装置模块通过数据线与电极片连接；患者头部也通过电极片和数据线分别与患侧上肢、上位机虚拟环境模块进行连接；肌张力定量评价模块输出端与上位机虚拟环境模块中的评价指标显示区域连接，肌张力定量评价模块输入端与数据采集模块连接；肌肉协同性定量评价模块输出端与上位机虚拟环境模块中的评价指标显示区域连接，肌肉协同性定量评价模块输入端与数据采集模块连接。...

【技术特征摘要】
1.一种基于肌电信号与虚拟现实交互技术的上肢康复系统，其特征在于：所述上肢康复系统包括肌电信号采集与处理部分、虚拟现实人机交互部分、肌肉功能评价部分；所述肌电信号采集与处理部分由数据采集模块、信号处理模块和模型控制模块组成；所述虚拟现实人机交互部分由上位机虚拟环境模块和力反馈装置模块组成；上位机虚拟环境模块包括波形显示区域、虚拟游戏场景区域、识别结果显示区域、评价指标显示区域；所述肌肉功能评价部分由肌张力定量评价模块和肌肉协同性定量评价模块组成；数据采集模块的信号采集端与电极片连接；数据采集模块的输出端通过无线传输方式与信号处理模块、上位机虚拟环境模块中波形显示区域分别进行通信连接；信号处理模块的输出端通过接线方式与模型控制模块输入端、上位机虚拟环境模块中识别结果显示区域分别连接；模型控制模块的输出端与上位机虚拟环境模块中虚拟游戏场景区域连接；上位机虚拟环境模块中虚拟游戏场景区域另与力反馈装置模块相互连接，力反馈装置模块通过数据线与电极片连接；患者头部也通过电极片和数据线分别与患侧上肢、上位机虚拟环境模块进行连接；肌张力定量评价模块输出端与上位机虚拟环境模块中的评价指标显示区域连接，肌张力定量评价模块输入端与数据采集模块连接；肌肉协同性定量评价模块输出端与上位机虚拟环境模块中的评价指标显示区域连接，肌肉协同性定量评价模块输入端与数据采集模块连接；所述肌张力定量评价模块用于实时评价肌张力；所述肌肉...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜义浩，宋妍，郝艳彪，陈晓玲，张利泰，谢博多，谢平，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13