一种基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统，属于康复工程领域。其包括肌电信号采集传感器模块、刺激模块、无线传输模块和上位机模块，传感器模块包括表面肌电传感器、激光测距传感器和惯性传感器。本发明专利技术可以对下肢的表面肌电信号、欧拉角、角速度、加速度和步行时脚踝到地面的距离进行实时的无线采集和传输，并发给上位机模块进行计算和处理。本发明专利技术能获取健康个人下肢功能动作并重现的电刺激模式及参数，研究精细动作的控制序列；也可针对步态障碍用户，配合踝足矫形器，利用肌电、运动学信息实现自主优化控制刺激方案，达到个性化运动功能重建目的。本发明专利技术可基于移动端进行数据的无线接收和处理，增加了便携性和实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统
本专利技术涉及到医学康复工程领域，具体涉及到一种基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统。
技术介绍
下肢外骨骼机器人在助力、助老、助残方面具有非常广阔的应用前景，只有正确识别出下肢的运动模式，才能采取有效的控制策略。因此，下肢步态模式识别成为下肢外骨骼机器人的关键技术之一。人体的行走是十分复杂的过程，想要准确地识别出步态需要多种信号的综合分析。表面肌肉电信号(surfaceelectromyography,SEMG)是伴随肌电收缩产生的一种电信号，可以通过电极在皮肤的表面采集。通过对下肢表面肌电信号的解码，可以识别出对应肌肉相应的运动模式。神经肌肉电刺激一方面可以通过对外部的肌肉增强功能促进中枢神经系统的再学习，另一方面神经肌肉电刺激可以通过精准的时序和幅度来激活瘫痪的肌肉，帮助用户完成功能性任务市场上专业的步态测量系统，价格昂贵，占地面积大用户穿戴体验不足，而且大多使用足底压力传感器来进行步态周期分割，但在实际的操作中足底压力传感器由于长期压迫容易产生机械故障，而且在一些病理步态中，足底压力传感器的贴放位置也难于选择，这些特点都限制了足底压力传感器在步态检测中长期使用。大多数表面肌电传感器只具备采集的性质，对于步态障碍用户的电刺激无能为力。传统的电刺激参数固定，对于对用户的进行个性化的参数刺激。人的行走是一个运动幅度较大的动作过程，因此需要用无线传输的方式尽量减少数据线，实际步态的场景还要求信号的采集和处理装置能够有足够的便携性。
技术实现思路
针对上述存在的技术问题，本专利技术旨在一定程度上解决上述的技术问题，提供了一种基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统。根据本系统获得的数据分析相关步态参数，来验证上下肢一体化，定量的评估用户佩戴上肢支具后下肢运动机能改善程度。本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。一种基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统，其包括传感器模块、刺激模块、数据传输模块和上位机模块；所述传感器模块，包括表面肌电传感器、激光测距传感器、惯性传感器；所述表面肌电传感器，用于采集下肢的多通道表面肌电信号；所述惯性传感器有两组，第一惯性传感器用于检测行走时大腿位置的姿态信息，第二惯性传感器用于检测行走时脚踝位置的姿态信息；所述姿态信息包括欧拉角、角速度和加速度；所述激光测距传感器，用于检测行走时脚踝与地面之间的直线距离；所述数据传输模块，用于在所述传感器模块和所述上位机模块之间建立通信连接，将传感器模块采集到的数据发送给上位机模块；所述上位机模块，包括数据存储模块和数据处理模块；所述数据存储模块用于分类存储所述数据传输模块发送的传感器采集数据以及数据处理模块产生的数据；所述数据处理模块用于对所述传感器采集数据进行处理，获得步态特征信息以及电刺激控制参数；所述刺激模块，用于在上位机模块的控制下对下肢施加电刺激脉冲。作为优选，所述数据传输模块为无线传输模块，所述上位机模块为PC机、云平台或移动终端。作为优选，所述刺激模块与表面肌电采集传感器为一体化设计，表面肌电传感器包括表面肌电电极和信号采集发送板，最多可同时采集下肢16通道的表面肌电信号；所述表面肌电电极可与所述刺激模块中的刺激电极复用。作为优选，所述传感器模块中，表面肌电信号的采集频率的范围为2000Hz；欧拉角、角速度和加速度的采集频率的范围为200HZ，激光测距传感器的的采集频率为20Hz。作为优选，所述激光测距传感器和所述第二惯性传感器安装于可佩戴式壳体中，能固定在鞋子上沿靠近脚踝的位置。作为优选，所述上位机模块收到所述数据传输模块发送的数据后，根据IP地址的不同识别出所接收数据的类别，然后将相应的数据分别进行存储；上位机模块中还设有显示模块，用于在界面中显示不同传感器的数据或数据曲线以及相应的步态特征信息。作为优选，所述数据处理模块中含有步态识别单元，所述步态识别单元基于激光测距传感器检测到的行走时脚踝与地面之间的直线距离对步态周期进行分割，融合惯性传感器检测到的大腿位置和脚踝位置的姿态信息，以及表面肌电传感器检测到的行走时下肢的表面肌电信号，进而识别出检测对象行走时的步态。作为优选，所述数据处理模块中含有动作控制序列构建单元，用于在健康个体完成指定的下肢功动作过程中，根据所述传感器模块在该过程中采集到的数据，建立表面肌电与肢体运动的数学模型；然后在该数学模型基础上，调整优化电刺激模式和参数，并实时获取在不同刺激模式和参数下相关肌肉群响应和相应肢体运动的情况，得到重现不同目标运动功能所需的控制序列。作为优选，所述数据处理模块中含有运动功能重建单元，用于在踝足矫形器配合下针对步态障碍用户，获取步行时相应肌肉的表面肌电和步态运动学时间信息的特征，同时记录每块相关肌肉的活动，建立对应关系，获取在不同刺激模式和参数下相关肌肉群的响应情况，分析不同的表面肌电和步态运动学时间信息变化特征与功能重建效果之间的关系，并筛选出表面肌电和步态运动学时间信息特征作为回反馈调节信号自适应调整电刺激，实现用户的个性化运动功能重建。作为优选，所述数据处理模块中包括上下肢一体化验证单元，用于作为定量验证上下肢一体化的数据系统，完成用户下肢运动机能的定量评估，计算用户佩戴上肢支具后下肢运动机能改善程度，并输出上下肢一体化关系定量评估报告。和现有技术相比，本专利技术的优点在于：基于单传感器的信号可以提供一定的步态信息，但是不能较为完整地表征步态信息。而在本专利技术中，表面肌电信号能够反映对应肌肉的激活情况，可以反映肢体的运动意图；激光测距传感器的可以检测脚踝与地面间的直线距离，配合脚踝处惯性传感器估算出步态周期和判断，避免了使用足底压力传感器难以长期使用和适配性弱的缺点；固定在大腿的惯性传感器可以动态表征髋关节的运动状态。因此本专利技术中通过多种传感器的融合可以极大提高步态识别的准确率，更加有利于下肢外骨骼的控制。另外，本专利技术可以通过获取健康个人下肢功能动作重现的电刺激模式及参数，研究精细动作的控制序列。针对步态障碍用户，可配合踝足矫形器，利用肌电、运动学信息实现系统的自主优化控制刺激方案，实现用户的个性化功能重建，改善其步态行走能力。在本专利技术中，信号基于无线传输，可以简化掉上位机和传感器之间的信号线，摆脱了线材的束缚，使得在测量步态时更加方便。此外，除了传统的PC上位机外，本专利技术还可以用Android手机等移动端进行数据的无线接收和数据处理，极大地增加了系统的便携性和实用性，便于家庭、社区等环境的使用。附图说明图1为本专利技术实施例的基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统模块示意图；图2为本专利技术实施例的传感器融合流程图；图3为本专利技术实施例中的肌肉-电刺激响应模型；图4为本专利技术实施例的具体结构图；图5为本专利技术实施例中的PC段上位机示意图；具体实施方式...

【技术保护点】
1.一种基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统，其特征在于，包括传感器模块、刺激模块、数据传输模块和上位机模块；/n所述传感器模块，包括表面肌电传感器、激光测距传感器、惯性传感器；/n所述表面肌电传感器，用于采集下肢的多通道表面肌电信号；/n所述惯性传感器有两组，第一惯性传感器用于检测行走时大腿位置的姿态信息，第二惯性传感器用于检测行走时脚踝位置的姿态信息；所述姿态信息包括欧拉角、角速度和加速度；/n所述激光测距传感器，用于检测行走时脚踝与地面之间的直线距离；/n所述数据传输模块，用于在所述传感器模块和所述上位机模块之间建立通信连接，将传感器模块采集到的数据发送给上位机模块；/n所述上位机模块，包括数据存储模块和数据处理模块；/n所述数据存储模块用于分类存储所述数据传输模块发送的传感器采集数据以及数据处理模块产生的数据；/n所述数据处理模块用于对所述传感器采集数据进行处理，获得步态特征信息以及电刺激控制参数；/n所述刺激模块，用于在上位机模块的控制下对下肢施加电刺激脉冲。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统，其特征在于，包括传感器模块、刺激模块、数据传输模块和上位机模块；
所述传感器模块，包括表面肌电传感器、激光测距传感器、惯性传感器；
所述表面肌电传感器，用于采集下肢的多通道表面肌电信号；
所述惯性传感器有两组，第一惯性传感器用于检测行走时大腿位置的姿态信息，第二惯性传感器用于检测行走时脚踝位置的姿态信息；所述姿态信息包括欧拉角、角速度和加速度；
所述激光测距传感器，用于检测行走时脚踝与地面之间的直线距离；
所述数据传输模块，用于在所述传感器模块和所述上位机模块之间建立通信连接，将传感器模块采集到的数据发送给上位机模块；
所述上位机模块，包括数据存储模块和数据处理模块；
所述数据存储模块用于分类存储所述数据传输模块发送的传感器采集数据以及数据处理模块产生的数据；
所述数据处理模块用于对所述传感器采集数据进行处理，获得步态特征信息以及电刺激控制参数；
所述刺激模块，用于在上位机模块的控制下对下肢施加电刺激脉冲。


2.如权利要求1所述的基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统，其特征在于，所述数据传输模块为无线传输模块，所述上位机模块为PC机、云平台或移动终端。


3.如权利要求1所述的基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统，其特征在于，所述刺激模块与表面肌电采集传感器为一体化设计，表面肌电传感器包括表面肌电电极和信号采集发送板，最多可同时采集下肢16通道的表面肌电信号；所述表面肌电电极可与所述刺激模块中的刺激电极复用。


4.如权利要求1所述的基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统，其特征在于，所述传感器模块中，表面肌电信号的采集频率的范围为2000Hz；欧拉角、角速度和加速度的采集频率的范围为200HZ，激光测距传感器的的采集频率为20Hz。


5.如权利要求1所述的基于多传感融合的步态采集及神经肌肉电刺激系统，其特征在于，所述激光测距传感器和所述第二惯性传感器安装于可佩戴式壳体中，能固定在鞋子上沿靠近脚踝的位置。


6.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：周聪聪，叶学松，杨力林，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33