一种运动机能恢复系统的前端检测单元技术方案

为了提高运动机能恢复信号的处理精度，降低其中混杂的噪声，本发明专利技术提供了一种运动机能恢复系统的前端检测单元，所述前端检测单元包括：通信单元、运动机能恢复模式选取单元、运动辅助单元、运动机能信号检测单元，以及运动机能信号处理单元。本发明专利技术能够避免出现激励信号对肌电信号的混叠和干扰，极大地提高了现有运动机能恢复情况主要依靠人工判断的缺陷，克服了现有的检测设备对干扰和混叠的处理无法满足要求的弊端。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及运动机能监测设备的信号处理
，更具体地，涉及一种运动机能恢复系统的前端检测单元。
技术介绍
现代康复科学认为，人体受伤后的运动机能能够通过适当的运动和锻炼得到康复，例如，借助于健身器。然而，传统的健身器通常功能简单、价格昂贵，主要用于健康人的体能强化恢复或健身恢复。不适合用作中风或偏瘫患者康复的机能训练。现有技术中，中风或偏瘫患者康复的机能恢复通常由专业理疗师完成，其治疗费用高、疗程长，通常需要使用者到医院接受恢复，从而带来很多不便。对健康者而言，通常的健身费用很高，且受场地、人员、费用等诸多方面的限制。康复机器人技术在欧美等国家已经得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视，比较典型的是1991年MIT设计完成了第一台上肢运动机能恢复机器人系统MIT-MANUS，该设备采用五连杆机构，末端阻抗较小，利用阻抗控制实现恢复的安全性、稳定性和平顺性，它有2个自由度，帮助中风患者的肩、肘运动。另一个上肢运动机能恢复机器人系统是MIME，该设备由斯坦福大学研究人员设计，使用工业机器人PUMA-560对患者患肢进行操纵，既可以提供平面运动恢复，也可以作三维运动恢复。患者前臂以夹板夹持，夹板上装有六轴力传感器、气动过载断开传感器和快速连接/断开机构。在我国，清华大学等高校也在进行积极研究。目前，运动机能恢复用途的机器人逐渐形成了远程监督和指导的机制，即，通常以电极激励后反馈获得的肌音信号和/或肌电信号为目标，发送到远端指导者所在的监控端进行监控和指导。然而，反馈得到的信号中，难免混杂有人体正常的生理机能、代谢机能等产生的噪声，并且，当刺激作用肌肉和诱发肌电同时发生并且刺激电极和记录电极的位置相近时，肌电信号混有激励信号的干扰，会影响到信号的采集精度。
技术实现思路
为了在运动机能恢复过程中从康复机器人获得准确表示运动机能恢复状态的信号，本专利技术提供了一种运动机能恢复系统的前端检测单元，所述前端检测单元包括：通信单元、运动机能恢复模式选取单元、运动辅助单元、运动机能信号检测单元，以及运动机能信号处理单元；所述运动机能恢复系统包括服务器，用于控制所述前端检测单元和存储所述前端检测单元采集到的信号；其中所述通信单元用于在所述前端检测单元和所述运动机能恢复系统之间进行数据传输，所述运动机能恢复模式选取单元用于根据所述运动机能恢复系统的控制信息设置运动辅助单元的工作模式，所述运动辅助单元用于为待恢复人员提供运动机能恢复训练，所述运动机能信号检测单元用于在所述运动辅助单元开始工作后检测待恢复人员的恢复信号，所述运动机能信号处理单元用于对所述恢复信号进行模数转换并借助于所述通信单元上传给所述运动机能恢复系统。进一步地，所述运动机能信号检测单元包括：用于进行运动机能恢复和锻炼的运动机能恢复设备以及用于在该恢复和锻炼过程中检测运动机能恢复信号的运动机能恢复检测设备，所述运动机能恢复设备包括通过激励电极向被激励部位发射电极激励信号的电极激励信号产生单元以及采集作为该电极激励信号的响应的肌电响应信号采集单元，所述运动机能恢复检测设备包括：激励残余去除信号单元、信号检测模式匹配单元、放大通道开关阵列、第一滤波单元和第二滤波单元，其中所述激励残余去除信号单元、所述信号检测模式匹配单元、所述放大通道开关阵列、所述第一滤波单元和所述第二滤波单元顺次串联。进一步地，所述激励残余去除信号单元用于消除肌电信号采集单元内的激励信号干扰分量，包括：电极激励信号特征频谱产生单元、肌电信号频谱生成单元、延时确定单元、延时单元、求差电路，其中所述电极激励信号特征频谱产生单元产生在所述电极激励信号产生单元产生的电极激励信号的基础上被附加有特定激励信号特征的预定信号频谱，该信号频谱被输入到所述延时确定单元，所述延时确定单元用于根据所述预定信号频谱的周期性特征确定其与所述电极激励信号产生单元产生的电极激励信号的频谱之间的相位差，并根据该相位差确定所述电极激励信号产生单元向被激励部位产生电极激励信号后与所述肌电信号采集单元采集到响应信号之间的时间差，所述延时单元根据该时间差对所述电极激励信号产生单元产生的电极激励信号进行延时，延时后得到的信号被与所述肌电信号采集单元采集到的肌电响应信号共同输入到所述求差电路，从而将所述电极激励信号在所述肌电响应信号中的残余从所述肌电响应信号中去除。进一步地，所述预定信号频谱为具有2秒的方波信号的频谱。进一步地，所述信号检测模式匹配单元包括：模式存储器、频谱分析单元和数据处理器，所述模式存储器存储有与运动机能恢复信号的多种模式一一对应的电极激励信号的频谱的第一特征值，所述频谱分析单元用于将所述电极激励信号产生单元产生的电极激励信号变换为频谱并确定该频谱的第二特征值，所述第二特征值与所述第一特征值类型相同，所述数据处理器在所述模式存储器中查找所述第二特征值，并确定与之匹配的第一特征值对应的模式。进一步地，所述第一特征值和所述第二特征值均为谱密度。进一步地，所述放大通道开关阵列包括多个可控开关和与之串联的放大器构成的开关阵列以及通道状态存储器，所述开关阵列内的各个放大器的输入端与向被激励部位发射电极激励信号的各个激励电极一一对应地串接，所述通道状态存储器用于存储与所述多种模式一一对应的各个激励电极在该各个模式下的最佳开关状态，所述开关阵列根据所述信号检测模式匹配单元确定的模式从所述通道状态存储器中查找与该模式对应的各个激励电极在该模式下的最佳开关状态，并控制所述开关阵列内的各个可控开关的开关状态。进一步地，所述最佳开关状态根据各种运动机能恢复模式之一下，对断开和/或闭合各个可控开关后获得的肌电响应信号的信噪比之间的关系确定。进一步地，所述第一滤波单元为带通滤波器，其下截止频率和上截止频率分别为5Hz和1800Hz。进一步地，所述第二滤波单元包括：6.84kΩ电阻、19.73kΩ电阻、9.75kΩ电阻、14.3kΩ电阻、5.13kΩ电阻、10.94kΩ电阻、1.73kΩ电阻、3.91kΩ电阻、2.8kΩ电阻、5kΩ电阻、2kΩ电阻、第一1kΩ电阻、第一2.5kΩ电阻、第一2.2kΩ电阻、第二2.2kΩ电阻、第二1kΩ电阻、9.31kΩ电阻、2.32kΩ电阻、4.2kΩ电阻、4.8kΩ电阻、第二2.5kΩ电阻、0.27uF电容、0.22uF电容、第一0.31uF电容、0.33uF电容、0.38uF电容、0.82uF电容、6.8uF电容、0.57uF电容、第二0.31uF电容、0.12uF电容、2uF电容、第一0.8uF电容、第二0.8uF电容、第一0.35uF电容、第二0.35uF电容、第三0.31uF电容、0.47uF电容、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器、第五运算放大器、第六运算放大器、第七运算放大器、第一齐纳二极管、第二齐纳二极管、第三齐纳二极管、第四齐纳二极管、第五齐纳二极管、第六齐纳二极管、第七齐纳二极管、第一求差电路，以及第二求差电路，其中，所述6.84kΩ电阻的第一端分别连接输入信号端以及2.8kΩ电阻的第一端，所述6.84kΩ电阻的第二端连接所述19.73kΩ电阻的第一端，所述19.73kΩ电阻的第二端分别连接所述第一运算放大器的正输入端和所述0.22uF电容的第一端，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种运动机能恢复系统的前端检测单元，其特征在于，所述前端检测单元包括：通信单元、运动机能恢复模式选取单元、运动辅助单元、运动机能信号检测单元，以及运动机能信号处理单元；所述运动机能恢复系统包括服务器，用于控制所述前端检测单元和存储所述前端检测单元采集到的信号；其中所述通信单元用于在所述前端检测单元和所述运动机能恢复系统之间进行数据传输，所述运动机能恢复模式选取单元用于根据所述运动机能恢复系统的控制信息设置运动辅助单元的工作模式，所述运动辅助单元用于为待恢复人员提供运动机能恢复训练，所述运动机能信号检测单元用于在所述运动辅助单元开始工作后检测待恢复人员的恢复信号，所述运动机能信号处理单元用于对所述恢复信号进行模数转换并借助于所述通信单元上传给所述运动机能恢复系统。

【技术特征摘要】
1.一种运动机能恢复系统的前端检测单元，其特征在于，所述前端检测单元包括：通信单元、运动机能恢复模式选取单元、运动辅助单元、运动机能信号检测单元，以及运动机能信号处理单元；所述运动机能恢复系统包括服务器，用于控制所述前端检测单元和存储所述前端检测单元采集到的信号；其中所述通信单元用于在所述前端检测单元和所述运动机能恢复系统之间进行数据传输，所述运动机能恢复模式选取单元用于根据所述运动机能恢复系统的控制信息设置运动辅助单元的工作模式，所述运动辅助单元用于为待恢复人员提供运动机能恢复训练，所述运动机能信号检测单元用于在所述运动辅助单元开始工作后检测待恢复人员的恢复信号，所述运动机能信号处理单元用于对所述恢复信号进行模数转换并借助于所述通信单元上传给所述运动机能恢复系统。2.根据权利要求1所述的运动机能恢复系统的前端检测单元，其特征在于，所述运动机能信号检测单元包括：用于进行运动机能恢复和锻炼的运动机能恢复设备以及用于在该恢复和锻炼过程中检测运动机能恢复信号的运动机能恢复检测设备，所述运动机能恢复设备包括通过激励电极向被激励部位发射电极激励信号的电极激励信号产生单元以及采集作为该电极激励信号的响应的肌电响应信号采集单元，所述运动机能恢复检测设备包括：激励残余去除信号单元、信号检测模式匹配单元、放大通道开关阵列、第一滤波单元和第二滤波单元，其中所述激励残余去除信号单元、所述信号检测模式匹配单元、所述放大通道开关阵列、所述第一滤波单元和所述第二滤波单元顺次串联。3.根据权利要求2所述的运动机能恢复系统的前端检测单元，其特征在于，所述激励残余去除信号单元用于消除肌电信号采集单元内的激励信号干扰分量，包括：电极激励信号特征频谱产生单元、肌电信号频谱生成单元、延时确定单元、延时单元、求差电路，其中所述电极激励信号特征频谱产生单元产生在所述电极激励信号产生单元产生的电极激励信号的基础上被附加有特定激励信号特征的预定信号频谱，该信号频谱被输入到所述延时确定单元，所述延时确定单元用于根据所述预定信号频谱的周期性特征确定其与所述电极激励信号产生单元产生的电极激励信号的频谱之间的相位差，并根据该相位差确定所述电极激励信号产生单元向被激励部位产生电极激励信号后与所述肌电信号采集单元采集到响应信号之间的时间差，所述延时单元根据该时间差对所述电极激励信号产生单元产生的电极激励信号进行延时，延时后得到的信号被与所述肌电信号采集单元采集到的肌电响应信号共同输入到所述求差电路，从而将所述电极激励信号在所述肌电响应信号中的残余从所述肌电响应信号中去除。4.根据权利要求3所述的运动机能恢复系统的前端检测单元，其特征在于，所述预定信号频谱为具有2秒的方波信号的频谱。5.根据权利要求3所述的运动机能恢复系统的前端检测单元，其特征在于，所述信号检测模式匹配单元包括：模式存储器、频谱分析单元和数据处理器，所述模式存储器存储有与运动机能恢复信号的多种模式一一对应的电极激励信号的频谱的第一特征值，所述频谱分析单元用于将所述电极激励信号产生单元产生的电极激励信号变换为频谱并确定该频谱的第二特征值，所述第二特征值与所述第一特征值类型相同，所述数据处理器在所述模式存储器中查找所述第二特征值，并确定与之匹配的第一特征值对应的模式。6.根据权利要求5所述的运动机能恢复系统的前端检测单元，其特征在于，所述第一特征值和所述第二特征值均为谱密度。7.根据权利要求2所述的运动机能恢复系统的前端检测单元，其特征在于，所述放大通道开关阵列包括多个可控开关和与之串联的放大器构成的开关阵列以及通道状态存储器，所述开关阵列内的各个放大器的输入端与向被激励部位发射电极激励信号的各个激励电极一一对应地串接，所述通道状态存储器用于存储与所述多种模式一一对应的各个激励电极在该各个模式下的最佳开关状态，所述开关阵列根据所述信号检测模式匹配单元确定的模式从所述通道状态存储器中查找与该模式对应的各个激励电极在该模式下的最佳开关状态，并控制所述开关阵列内的各个可控开关的开关状态。8.根据权利要求7所述的运动机能恢复系统的前端检测单元，其特征在于，所述最佳开关状态根据各种运动机能恢复模式之一下，对断开和/或闭合各个可控开关后获得的肌电响应信号的信噪比之间的关系确定。9.根据权利要求2所述的运动机能恢复系统的前端检测单元，其特征在于，所述第一滤波单元为带通滤波器，其下截止频率和上截止频率分别为5Hz和1800Hz。10.根据权利要求9所述的运动机能恢复系统的前端检测单元，其特征在于，所述第二滤波单元包括：6.84kΩ电阻、19.73kΩ电阻、9.75kΩ电阻、14.3kΩ电阻、5.13kΩ电阻、10.94kΩ电阻、1.73kΩ电阻、3.91kΩ电阻、2.8kΩ电阻、5kΩ电阻、2kΩ电阻、第一1kΩ电阻、第一2.5kΩ电阻、第一2.2kΩ电阻、第二2.2kΩ电阻、第二1kΩ电阻、9.31kΩ电阻、2.32kΩ电阻、4.2kΩ电阻、4.8kΩ电阻、第二2.5kΩ电阻、0.27uF电容、0.22uF电容、第一0.31uF电容、0.33uF电容、0.38uF电容、0.82uF电容、6.8uF电容、0.57uF电容、第二0.31uF电容、0.12uF电容、2u...

【专利技术属性】
技术研发人员：周琳，陈林瑞，
申请(专利权)人：四川东鼎里智信息技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川;51