本发明专利技术公开了一种基于电刺激与肌肉信息检测的疲劳缓解装置，包括肌肉疲劳信息检测模块、便携式多通道电刺激系统模块、刺激电极和电极佩戴模块；其中，肌肉疲劳信息检测模块采集和处理目标肌肉的表面肌电和近红外光谱信号，实现肌肉的疲劳和非疲劳状态特征标定，并将运动肌肉的实时疲劳特征以数字信号的方式传输给电刺激系统装置；便携式多通道电刺激系统模块依据目标肌肉的疲劳信息，通过刺激电极输出匹配的刺激电脉冲，缓解目标肌肉的疲劳。本发明专利技术体积小巧、便于携带，通过点击佩戴模块，适用于各类场景和各种人群运动肌肉的疲劳信息检测与疲劳缓解。
【技术实现步骤摘要】
一种基于电刺激与肌肉信息检测的疲劳缓解装置
本专利技术涉及生物医学领域，尤其涉及一种基于电刺激与肌肉信息检测的疲劳缓解装置。
技术介绍
肌肉疲劳通常是由运动引起的肌肉收缩产生最大收缩力量或者最大输出功率暂时性下降的生理现象。人们在日常生活与工作中难免会经历高负荷的重复性肢体运动，例如军人或运动员的高强度训练、工人的机械式流水作业以及运动达人的户外极限运动等。长时间的超负荷运动不但会消耗大量的体能，也会不可避免的造成肌肉疲劳，极大的影响了实际的训练效果或工作效能。过度的运动性肌肉疲劳不及时消除会形成运动训练症候群，最终损害人体健康。通过对目标运动肌群信息的实时监测，评估肢体运动的疲劳状况，并进行适当的疲劳缓解，避免过度疲劳的产生，对于提高人们的工作效能与人体安全具有重要意义。但目前还没有成熟的设备可同时用于人体运动肌群的疲劳检测和疲劳缓解。作为无创的检测方法，表面肌电图(Surfaceelectromyography，sEMG)能够反映肌肉静止或收缩时的生物电活动，而近红外光谱(NIRS)可以检测肌肉的血液动力学特性和血氧代谢变化。运动生理学研究发现，动态和静态运动负荷诱发肌肉疲劳中，主要运动肌的平均功率(Meanpowerfrequency,MPF)和中位频率(MF)均呈单调递减变化，而表征信号能量的均方根值(RMS)增大。变化率大小取决于运动强度，并与肌肉疲劳度或肌肉耐力明显相关。此外，肌肉的疲劳特征也可直接表现为肌肉的血氧代谢变化。具体表现为：肌肉疲劳过程中，耗氧量增加，导致含氧血红蛋白浓度降低，脱氧血红蛋白浓度增加，这些血氧代谢变化都可通过近红外光谱(NIRS)计算表征。因此，结合表面肌电和近红外光谱技术能够获取更丰富的肌肉疲劳信息，能够实现对肌肉疲劳状态的监测。研究发现，神经肌肉电刺激(NeuromuscularElectricalStimulation,NMES)，即利用预定强度的低频电脉冲序列作用于特定的肌肉使其收缩，继而达到辅助运动或“功能”修复的技术。早期的神经肌肉电刺激常用于功能障碍肌肉的力量训练与辅助运动。随着电刺激技术和相关研究领域的发展，功能电刺激被广泛应用于医疗康复领域的疼痛缓解、神经调节以及人体感知替代等应用。大量研究表明，优选的肌肉电刺激方法可有效的促进局部肌肉机能状态的恢复，加快局部肌肉疲劳的消除。特定模式的电脉冲刺激作用于人体疲劳肌肉(如肱二头肌)，其对应的运动神经和感知神经能够被同时激活，高能量的运动神经刺激可作为主动运动的补充手段，在减少能量消耗的同时，还能增强运动效果。因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于电刺激与肌肉信息检测的疲劳缓解装置，实时监测并解析目标肌肉的疲劳特征，并同步施加编码电刺激，从而实现人体运动肌肉的运动辅助和疲劳缓解目的。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是如何开发一种便携，同时能够实时监测并解析目标肌肉的疲劳特征，有针对性的施加电刺激，从而辅助运动或缓解肌肉疲劳的一种基于电刺激与肌肉信息检测的疲劳缓解装置。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于电刺激与肌肉信息检测的疲劳缓解装置，包括肌肉疲劳信息检测模块、便携式多通道电刺激系统模块、刺激电极和电极佩戴模块；所述肌肉疲劳信息检测模块被配置为检测肌肉信息，并通过有线通信控制所述便携式多通道电刺激系统模块输出刺激电脉冲；所述便携式多通道电刺激系统模块被配置为通过所述刺激电极，输出刺激电脉冲作用于目标肌肉；所述刺激电极被配置为实现目标肌肉疲劳的触觉刺激提示或疲劳缓解；所述电极佩戴模块被配置为将所述刺激电极固定于人体；所述肌肉疲劳信息检测模块和所述刺激电极通过电线分别与所述便携式多通道电刺激系统模块相连；所述的肌肉疲劳信息检测模块和所述刺激电极被配置为直接与目标肌肉接触。进一步地，所述肌肉疲劳信息检测模块还包括信号采集模块和信号处理模块；所述信号采集模块被配置为采集目标肌肉收缩产生的表面肌电和近红外光谱信号，并传输给所述信号处理模块；所述信号处理模块被配置为标定目标肌肉的疲劳特征并数字化，再实时传输给所述便携式多通道电刺激系统模块，并将初次疲劳的疲劳特征作为疲劳基线。进一步地，标定的所述疲劳特征包括表面肌电信号的均方根值，具体计算公式如式(1)：式(1)中，XRMS为所述表面肌电信号的均方根值，xi为目标肌肉疲劳时的表面肌电信号，N为单位窗长下的样本数。进一步地，所述的疲劳特征还包括表面肌电信号的中值频率，计算公式如下：式(2)中，MDF为所述表面肌电信号的中值频率；PSD(f)为目标肌肉疲劳时的所述表面肌电信号的功率谱密度函数，fs为采样频率。进一步地，所述的疲劳特征还包括目标肌肉位置的氧合血红蛋白浓度的变化量，具体计算过程如下：步骤一、计算所述信号采集模块采集的近红外光谱的光强特征，如式(3)：式(3)中，XNIRS为所述近红外光谱的光强特征，xi为目标肌肉疲劳时的表近红外信号，N为单位窗长下的样本数；步骤二、归一化处理步骤一中的XNIRS，得到归一序列{XNIRS}；步骤三、翻转处理步骤二中的归一序列{XNIRS}，计算血液体积变化趋势如式(4)：BV＝2－{XNIRS}(4)式(4)中，BV为目标肌肉疲劳时的血液体积变化；步骤四、基于朗伯-比尔定律，通过步骤三的BV，计算血液中的氧合血红蛋白浓度的变化量。进一步地，所述信号处理模块数字化所述目标肌肉的疲劳特征，被配置为基于所述疲劳基线，实时数字化目标肌肉的疲劳特征信号。进一步地，所述便携式多通道电刺激系统模块输出的刺激电脉冲，电流幅值、脉冲宽度和刺激频率能够独立调节。进一步地，所述便携式多通道电刺激系统模块，具备多个输入控制端口和多个输出刺激端口；所述任意输出刺激端口能够实时接收任意输入控制端口的信号作为触发控制，也能够在不同时刻接收不同输入控制端口的时序脉冲信号作为触发控制。进一步地，所述便携式多通道电刺激系统模块，能够将刺激电脉冲的电流幅值、脉冲宽度、刺激频率与任意输入控制端口和输出刺激端口进行多参数组合编码，生成并存储典型编码电刺激序列。进一步地，其特征在于，所述刺激电极配置一对或多对，能够同时作用于不同部位的目标肌肉。和现有技术相比，本专利技术具有如下有益技术效果：1、本专利技术实现了运动肌肉的疲劳检测与电刺激疲劳缓解的可穿戴式集成，通过有线方式通信，体积小且便携，在不同的工作或生活运动场景下均可适用，且不影响使用者的正常工作或运动；2、本专利技术能够兼具肌肉的疲劳检测、电刺激运动辅助和电刺激疲劳缓解三种模式，可以针对人体不同的运动场景，单独使用或三种模式组合使用；3、本专利技术通过多输入多输出(MIMO)通道及典型编码电刺激序列，可以通过大数据享受康复专家的数据库；也可以通过个性化定制，基于个人需求实际设置预期的疲劳阈值，实现目标肌群(多组肌肉)精准的疲劳预测与缓解。4、本专利技术基于实时肌肉信息监测，基于疲劳基线量化目标肌肉的疲劳程度，并有针对性的施加刺激电脉冲，既能够用于运动肌肉的疲劳缓解，也能够用于静态或强直肌肉的疲劳放松，还可用于偏瘫或中风病人的被动运动辅助或感知康复。以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。附图说明图1是本专利技术的一个较佳实施例本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于电刺激与肌肉信息检测的疲劳缓解装置，其特征在于，包括肌肉疲劳信息检测模块、便携式多通道电刺激系统模块、刺激电极和电极佩戴模块；所述肌肉疲劳信息检测模块被配置为检测肌肉信息，并通过有线通信控制所述便携式多通道电刺激系统模块输出刺激电脉冲；所述便携式多通道电刺激系统模块被配置为通过所述刺激电极，输出刺激电脉冲作用于目标肌肉；所述刺激电极被配置为实现目标肌肉疲劳的触觉刺激提示或疲劳缓解；所述电极佩戴模块被配置为将所述刺激电极固定于人体；所述肌肉疲劳信息检测模块和所述刺激电极通过电线分别与所述便携式多通道电刺激系统模块相连；所述的肌肉疲劳信息检测模块和所述刺激电极被配置为直接与目标肌肉接触。
【技术特征摘要】
1.一种基于电刺激与肌肉信息检测的疲劳缓解装置，其特征在于，包括肌肉疲劳信息检测模块、便携式多通道电刺激系统模块、刺激电极和电极佩戴模块；所述肌肉疲劳信息检测模块被配置为检测肌肉信息，并通过有线通信控制所述便携式多通道电刺激系统模块输出刺激电脉冲；所述便携式多通道电刺激系统模块被配置为通过所述刺激电极，输出刺激电脉冲作用于目标肌肉；所述刺激电极被配置为实现目标肌肉疲劳的触觉刺激提示或疲劳缓解；所述电极佩戴模块被配置为将所述刺激电极固定于人体；所述肌肉疲劳信息检测模块和所述刺激电极通过电线分别与所述便携式多通道电刺激系统模块相连；所述的肌肉疲劳信息检测模块和所述刺激电极被配置为直接与目标肌肉接触。2.如权利要求1所述的基于电刺激与肌肉信息检测的疲劳缓解装置，其特征在于，所述肌肉疲劳信息检测模块还包括信号采集模块和信号处理模块；所述信号采集模块被配置为采集目标肌肉收缩产生的表面肌电和近红外光谱信号，并传输给所述信号处理模块；所述信号处理模块被配置为标定目标肌肉的疲劳特征并数字化，再实时传输给所述便携式多通道电刺激系统模块，并将初次疲劳的疲劳特征作为疲劳基线。3.如权利要求2所述的基于电刺激与肌肉信息检测的疲劳缓解装置，其特征在于，标定的所述疲劳特征包括表面肌电信号的均方根值，具体计算公式如式(1)：式(1)中，XRMS为所述表面肌电信号的均方根值，xi为目标肌肉疲劳时的表面肌电信号，N为单位窗长下的样本数。4.如权利要求2所述的基于电刺激与肌肉信息检测的疲劳缓解装置，其特征在于，所述的疲劳特征还包括表面肌电信号的中值频率，计算公式如下：式(2)中，MDF为所述表面肌电信号的中值频率；PSD(f)为目标肌肉疲劳时的所述表面肌电信号的功率谱密度函数，fs为采样频率。5.如权利要求2所述的基于电刺激与肌肉信息检测的疲劳缓解装置，其特征在于，所...
【专利技术属性】
技术研发人员：盛鑫军，柴国鸿，郭伟超，麦熙名，丁雪聪，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。