基于对侧肌电控制的下肢康复系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术提供基于对侧肌电控制的下肢康复系统及其控制方法，属于电子学、运动学和康复医学交叉领域。基于对侧肌电控制的下肢康复系统包括控制侧子系统和受控侧子系统：控制侧子系统以穿戴的形式穿戴于健侧下肢，包括：控制侧主控处理器和与控制侧主控处理器电性连接的肌电探测模块、惯性传感器模块、控制侧无线模块和控制侧供电模块，控制侧供电模块用于为控制侧子系统供电；受控侧子系统以穿戴的形式穿戴于患侧下肢，包括：受控侧主控处理器和与受控侧主控处理器电性连接的受控侧无线模块、刺激驱动与输出电路以及受控侧供电模块，受控侧供电模块用于为受控侧子系统供电；控制侧无线模块与受控侧无线模块在同一无线局域网内保持通信连接。保持通信连接。

【技术实现步骤摘要】
基于对侧肌电控制的下肢康复系统及其控制方法


[0001]本专利技术属于电子学、运动学和康复医学交叉领域，尤其涉及一种基于对侧肌电控制的下肢康复系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]脑卒中患者和不完全损伤的截瘫患者中的一部分在神经系统损伤后由于下肢肌力弱导致稳定性和姿势协调性差而不能站立，因此，在康复阶段早期首先在侧卧位或坐姿姿势下给与功能性电刺激训练，以便于尽快恢复腿部关键肌肉的肌肉力量。对于下肢功能康复，患者最终期望改善的功能不仅仅只是站立，而是站立后能够独立行走，从而提高其独立生活能力。随着功能性电刺激系统的持续使用，患者获得额外的肌肉功能能够站立后，即可尝试去改善其行走功能。
[0003]下肢行走是一种模式化、周期性运动，模拟正常步态肌肉激活序列的预编程功能性电刺激辅助行走方法，由于无需探测受试者自主行走意图，被认为是最简单和方便的。然而这种被动的功能性电刺激辅助训练模式，没有充分挖掘患者主动参与康复训练的积极性，肢体运动功能恢复程度有限。
[0004]传统的基于步态事件触发刺激脉冲的功能性电刺激系统，当传感器探测到足尖离地时，即触发刺激脉冲输出，从而诱发胫骨前肌收缩执行踝背屈运动。实际上，在此之前，即在步态单支撑阶段腿摆动开始之前，胫骨前肌就已经开始工作，并且与小腿三头肌协同收缩共同支撑体重，从而避免身体另一侧进行补偿性运动。传感器控制的刺激脉冲激活目标肌肉的时间不是生理性激活肌肉的时间，并且支配肢体动作的目标肌肉在步态周期内活动爆发次数也不是固定的，因此单纯使用传感器控制的刺激脉冲诱发肌肉收缩产生的肢体动作表现为行走动作连贯性和协调性差。
[0005]同侧自主肌电控制功能性电刺激系统要求使用该系统的目标对象的患侧肢体中支配目标动作的主动肌具备残存的自主收缩能力。该系统将患者残存的自主运动意图和功能性电刺激相结合，提高其瘫痪肢体功能恢复的程度。然而不是所有的患者在神经系统损伤后，其患侧肢体都存在残余的自主运动能力。因此同侧自主肌电控制功能性电刺激系统适用于轻偏瘫或经过电刺激训练后恢复部分自主功能的患者，因此同侧自主肌电控制功能性电刺激系统具有局限性，不适用于暂时或永久丧失自主运动能力的患肢。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提供一种基于对侧肌电控制的下肢康复系统及其控制方法，基于健侧步态周期触发患侧的交替性运动控制，适用于轻微或早期的单侧患肢复健，也适用于暂时或永久丧失自主运动能力的患肢被动运动，避免患侧肌肉萎缩。
[0007]本专利技术实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0008]一种基于对侧肌电控制的下肢康复系统，包括控制侧子系统和受控侧子系统：
[0009]所述控制侧子系统以穿戴的形式安装于健侧下肢上，包括：控制侧主控处理器和
与所述控制侧主控处理器电气连接的肌电探测模块、惯性传感器模块、控制侧无线模块和控制侧供电模块，所述控制侧供电模块用于为所述控制侧子系统中各器件供电；
[0010]所述受控侧子系统以穿戴的形式安装于患侧下肢上，包括：受控侧主控处理器和与所述受控侧主控处理器电气连接的受控侧无线模块、刺激驱动与输出电路以及受控侧供电模块，所述受控侧供电模块用于为所述受控侧子系统中各器件供电；
[0011]所述控制侧无线模块与所述受控侧无线模块在同一无线局域网内保持无线通信连接状态；
[0012]所述肌电探测模块，用于实时采集健侧下肢体表的肌电信号并传输至所述控制侧主控处理器；
[0013]所述惯性传感器模块，用于采集人体行走期间健侧肢体小腿活动过程中的惯性传感信号；
[0014]所述控制侧主控处理器，在接收到所述肌电信号时，通过所述控制侧无线模块向所述受控侧子系统发送通信畅通指令；
[0015]所述受控侧子主控处理器，通过所述受控侧无线模块接收并响应所述通信畅通指令，发送应答消息给所述控制侧子系统；
[0016]所述控制侧主控处理器，接收到所述应答消息后，开始向所述受控侧子系统实时输出所述肌电信号；
[0017]所述受控侧子主控处理器，接收所述肌电信号并保存至所述受控侧子主控处理器的存储器中；
[0018]所述控制侧主控处理器，基于样本熵算法分析所述肌电探测模块采集到的所述肌电信号，识别出健侧下肢肌肉活动起始时刻t0、以及识别出所述健侧下肢的肌肉活动状态；从所述健侧下肢肌肉活动起始时刻t0开始，通过所述惯性传感器模块采集所述惯性传感信号，根据所述惯性传感信号识别出所述健侧下肢的每一个摆动相中期步态事件认定时刻T
MSW
‑
i
；在刺激脉冲输出时刻T
Sti
向所述受控侧子系统发送刺激输出允许指令，其中，T
Sti
＝T
MSW
‑
i
+
△
t，
△
t为延迟时间；
[0019]所述受控侧子主控处理器，接收并执行所述刺激输出允许指令，调用存储的所述肌电信号进行编码，得到反映自主肌肉收缩活化状态的刺激脉冲序列，同时控制所述刺激驱动与输出电路根据所述刺激脉冲序列输出刺激脉冲；
[0020]所述刺激驱动与输出电路，用于输出所述刺激脉冲作用于所述患侧下肢目标肌肉。
[0021]较优地，所述惯性传感器包括三轴微加速度计、三轴微陀螺仪和三轴微磁力计；所述惯性传感信号为一组传感信号，包括角速度信号、加速度信号和角度信号；
[0022]所述无线局域网的类型为WiFi，所述控制侧无线模块和所述受控侧无线模块的收发信号类型为WiFi。
[0023]较优地，所述控制侧子系统，用于利用滑动窗检测所述角速度信号，所述滑动窗口的长度为N；调用步态探测算法分析所述角速度信号，分析出足尖离地步态事件发生后，开始判断所述滑动窗口内的各所述角速度信号的角速度值是否大于探测阈值；确定出现所述滑动窗口内任一所述角速度值大于所述探测阈值的时刻为所述T
MSW
‑
i
。
[0024]较优地，所述控制侧子系统，还用于监控步态周期变化率，当前步态周期相比于上
一步态周期的变化百分比超过变比阈值绝对值时，修改所述延迟时间
△
t为
△
t
’
，
[0025][0026]其中，T1为上一步态周期时长，T2为当前步态周期时长。
[0027]较优地，所述肌电探测电路由依次连接的单差分配置的条状银电极、RFI 抑制电路、前置放大电路、带通滤波器电路、电平抬升电路组成；
[0028]所述刺激驱动和输出电路包括刺激驱动电路、高压模拟开关以及多通道恒流刺激器：
[0029]所述刺激驱动电路与所述受控侧主控处理器内部DAC电气连接，用于输出所述受控侧主控处理器在所述T
Sti
时刻产生的所述电刺激脉冲序列；所述刺激脉冲序列为脉宽恒定、频率变化以及持续时间长度与所述肌电信号相同的刺激脉冲小信号，所述刺激驱动电路将所述刺激脉冲小信号本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于对侧肌电控制的下肢康复系统，其特征在于，包括控制侧子系统和受控侧子系统：所述控制侧子系统以穿戴的形式安装于健侧下肢上，包括：控制侧主控处理器和与所述控制侧主控处理器电气连接的肌电探测模块、惯性传感器模块、控制侧无线模块和控制侧供电模块，所述控制侧供电模块用于为所述控制侧子系统中各器件供电；所述受控侧子系统以穿戴的形式安装于患侧下肢上，包括：受控侧主控处理器和与所述受控侧主控处理器电气连接的受控侧无线模块、刺激驱动与输出电路以及受控侧供电模块，所述受控侧供电模块用于为所述受控侧子系统中各器件供电；所述控制侧无线模块与所述受控侧无线模块在同一无线局域网内保持无线通信连接状态；所述肌电探测模块，用于实时采集健侧下肢体表的肌电信号并传输至所述控制侧主控处理器；所述惯性传感器模块，用于采集人体行走期间健侧肢体小腿活动过程中的惯性传感信号；所述控制侧主控处理器，在接收到所述肌电信号时，通过所述控制侧无线模块向所述受控侧子系统发送通信畅通指令；所述受控侧子主控处理器，通过所述受控侧无线模块接收并响应所述通信畅通指令，发送应答消息给所述控制侧子系统；所述控制侧主控处理器，接收到所述应答消息后，开始向所述受控侧子系统实时输出所述肌电信号；所述受控侧子主控处理器，接收所述肌电信号并保存至所述受控侧子主控处理器的存储器中；所述控制侧主控处理器，基于样本熵算法分析所述肌电探测模块采集到的所述肌电信号，识别出健侧下肢肌肉活动起始时刻t0、以及识别出所述健侧下肢的肌肉活动状态；从所述健侧下肢肌肉活动起始时刻t0开始，通过所述惯性传感器模块采集所述惯性传感信号，根据所述惯性传感信号识别出所述健侧下肢的每一个摆动相中期步态事件认定时刻T
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；在刺激脉冲输出时刻T
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向所述受控侧子系统发送刺激输出允许指令，其中，T
Sti
＝T
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i
+
△
t，
△
t为延迟时间；所述受控侧子主控处理器，接收并执行所述刺激输出允许指令，调用存储的所述肌电信号进行编码，得到反映自主肌肉收缩活化状态的刺激脉冲序列，同时控制所述刺激驱动与输出电路根据所述刺激脉冲序列输出刺激脉冲；所述刺激驱动与输出电路，用于输出所述刺激脉冲作用于所述患侧下肢目标肌肉。2.如权利要求1所述的基于对侧肌电控制的下肢康复系统，其特征在于，所述惯性传感器包括三轴微加速度计、三轴微陀螺仪和三轴微磁力计；所述惯性传感信号为一组传感信号，包括加速度信号、角速度信号和角度信号；所述无线局域网的类型为WiFi，所述控制侧无线模块和所述受控侧无线模块的收发信号类型为WiFi。3.如权利要求2所述的基于对侧肌电控制的下肢康复系统，其特征在于，所述控制侧子系统，用于利用滑动窗检测所述角速度信号，所述滑动窗口的长度为N；
调用步态探测算法分析所述角速度信号，分析出足尖离地步态事件发生后，开始判断所述滑动窗口内的各所述角速度信号的角速度值是否大于探测阈值；确定出现所述滑动窗口内任一所述角速度值大于所述探测阈值的时刻为所述T
MSW
‑
i
。4.如权利要求3所述的基于对侧肌电控制的下肢康复系统，其特征在于，所述控制侧子系统，还用于监控步态周期变化率，当前步态周期相比于上一步态周期的变化百分比超过变比阈值绝对值时，修改所述延迟时间
△
t为
△
t
’
，其中，T1为上一步态周期时长，T2为当前步态周期时长。5.如权利要求4所述的基于对侧肌电控制的下肢康复系统，其特征在于，所述肌电探测电路由依次连接的单差分配置的条状银电极、RFI抑制电路、前置放大电路、带通滤波器电路、电平抬升电路组成；所述刺激驱动和输出电路包括刺激驱动电路、高压模拟开...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍学亮，
申请(专利权)人：宁夏大学，
类型：发明
国别省市：