一种功能性电刺激膝关节角度控制方法技术

本发明专利技术公开了一种功能性电刺激膝关节角度控制方法，采集功能性电刺激下的第一膝关节角度以及目标肌肉的超声肌肉图像；对目标肌肉的超声肌肉图像进行频域滤波，利用交叉相关方法提取目标肌肉的肌肉厚度参数；通过灰度共生矩阵法提取目标肌肉的肌肉纹理参数；根据刺激强度、目标肌肉的肌肉厚度参数和目标肌肉的肌肉纹理参数获取第二膝关节角度；通过第二膝关节角度和第一膝关节角度获取相对均方根误差、标准均方根误差和相对系数，根据相对均方根误差、标准均方根误差和相对系数选取所述刺激强度、目标肌肉的肌肉厚度参数和目标肌肉的肌肉纹理参数的组合方式。本发明专利技术的控制信号精度高，能够根据当前目标肌肉的功能状态对输入输出参数进行调整。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及残疾人康复治疗指导控制领域，特别涉及。
技术介绍
近年来，脊髓损伤以及中风等脑血管病导致瘫痪的发病率呈显著上升趋势，不但给个人和家庭都带来较大的负担，也成为日益沉重的社会问题。2011年我国召开的国务院常务会议指出，力争到2015年，使我国残疾人生活总体达到小康，参与和发展状况显著改善，初步实现残疾人“人人享有康复服务”目标。肢体功能重建是对截瘫患者进行康复治疗时关注的一个重点与难点，这关系到其日常生活活动能力和生活质量的提高问题。目前在截瘫患者行走能力恢复方面， FES(Functional electrical stimulation，功能性电刺激)被普遍认为是一种比较有效的临床工具。FES是利用某种特定的电流(电压)信号刺激易兴奋的肌肉、组织或器官，以改善其肌肉性能、恢复或重建由神经损伤而丧失的肢体活动功能的技术。20世纪60年代， Liberson首次成功地利用电刺激腓神经矫正了偏瘫患者足下垂的步态，开创了功能性电刺激用于运动和感觉功能康复治疗的新途径。在FES中，利用神经细胞对电刺激的响应来传递外加的人工控制信号，通过外电流的作用，神经细胞能产生一个与自然激发引起的动作电位相似的神经冲动，使其支配的肌肉纤维产生收缩，从而获得运动的效果。尽管随着了解的不断深入，FES已被应用于康复的许多领域，但是与其广阔的应用前景相比，很多新的FES技术还只局限于实验室阶段，临床应用的FES刺激模式以及达到的效果都非常有限。FES要想充分发挥其在康复领域的作用，就必须要建立一套完善的FES系统。传统的下肢功能电刺激系统根据控制信号可分为肢体控制式功能性电刺激系统、生物电控制式功能性电刺激系统(a)肢体控制式功能性电刺激系统肢体控制式FES系统又可分为脚控式FES系统、手控式FES系统等。脚控式是最早的功能性电刺激器的控制方式，主要优点是简单方便、易于操作。但它有许多局限性，如受光脚使用等环境限制；脚底开关的触发功能不稳定；适用范围小， 只适用于轻度瘫痪、尚存部分下肢功能的患者，对于下肢严重瘫痪的患者并不是理想的康复方案。手控式功能性电刺激优点在于相对其他控制方式操作方便；相比于脚控式功能性电刺激系统，患者使用过程中有更多的主动性，容易被患者所接受。其局限性在于使用过程中患者需集中精力操作，有可能发生误操作，导致患者在使用中因失去身体平衡而摔倒现象的发生，从而造成患者二次损伤。肢体式控制除脚控式和手控式外还有利用身体的其他部位的动作或者残存功能的信息控制功能性电刺激，如肩部伸屈、头部转动、呼吸和语音等。目前，这些控制方式仍处于实验室阶段，尚未实际控制下肢行走；同时这些方式的控制源与控制对象之间的关系都是间接的，学习训练相对比较复杂，不利于系统的方便灵活应用。 (b)生物电控制式FES系统生物电控制式FES系统常见的是肌电信号控制FES系统，神经电信号控制FES系统和脑电信号控制FES系统等。肌电信号控制FES系统是利用肌电信息作为控制信号，控制相应的部位以恢复和重建由脊髓损伤所丧失的活动功能。但在实际运用中，肌电信号可能被FES系统刺激电流信号所湮没，同时肌电信号还可能受到工频、心电、运动伪迹等噪声干扰影响，而且肌疲劳对FES下肌肉活动能力的影响是一个复杂的问题，致使肌电信号对功能性刺激系统控制能力下降，此控制方式尚处于实验室阶段。神经电信号控制FES系统是利用环绕在目标神经周围的神经卡环电极采集神经电信号控制功能性电刺激器刺激相关肌肉块使其产生相应的运动。但是由于对神经卡环电极的材料要求较高，而且神经电信号的提取速度比较缓慢；再者该控制方式需要将电极植入人体内，属于有创的控制方式，所以该技术仍处于初级研究阶段。脑电信号控制FES系统是利用脑电信号的某个特征控制FES系统的电流控制模式。但是，脑电信号控制FES系统也面临很大的困难，如脑-机接口速度较慢，而且将脑电信号作为控制信号还有一个缺陷是脑电的模式简单，脑电比较弱，采集和处理都比较困难， 至今很少能走出实验室。专利技术人在实现本专利技术的过程中发现现有技术中至少存在以下的缺点和不足传统的肢体控制式和生物电控制式FES系统的各自缺点严重限制FES在截瘫患者康复训练中的广泛应用，总结而言，主要的限制因素就是用于预测控制的输入信号不能实时、准确反映目标肌肉的功能活动状态(如肌疲劳)，从而使FES系统存在控制精度问题和系统稳定性问题。
技术实现思路
本专利技术提供了，该方法实现了实时、准确反映目标肌肉的功能活动状态，提高了精度和稳定性，详见下文描述，所述方法包括以下步骤(1)采集功能性电刺激下的第一膝关节角度以及目标肌肉的超声肌肉图像；(2)对所述目标肌肉的超声肌肉图像进行频域滤波，利用交叉相关方法提取目标肌肉的肌肉厚度参数；(3)通过灰度共生矩阵法提取目标肌肉的肌肉纹理参数；(4)根据刺激强度、所述目标肌肉的肌肉厚度参数和所述目标肌肉的肌肉纹理参数获取第二膝关节角度；(5)通过所述第二膝关节角度和所述第一膝关节角度获取相对均方根误差、标准均方根误差和相对系数，根据所述相对均方根误差、所述标准均方根误差和所述相对系数选取所述刺激强度、所述目标肌肉的肌肉厚度参数和所述目标肌肉的肌肉纹理参数的组合方式。所述对目标肌肉的超声肌肉图像进行频域滤波，利用交叉相关方法提取肌肉厚度参数具体为1)对所得的所有所述目标肌肉的超声肌肉图像进行频域滤波处理，获取多幅处理后目标肌肉的超声肌肉图像；2)在所述多幅处理后目标肌肉的超声肌肉图像中手动选择第一幅肌肉图像的三个像素矩阵；3)通过交叉相关方法对第t (t > 1)幅肌肉图像的三个像素矩阵与所述第一幅肌肉图像的三个像素矩阵做相关，获取第t幅与第一幅的三个边界的最大相关区域；4)根据所述三个最大相关区域获得所述肌肉厚度参数。本专利技术提供的技术方案的有益效果是本专利技术提供了，本专利技术同时采集功能性电刺激下的膝关节角度以及目标肌肉的超声肌肉图像，采用滤波、区域匹配跟踪等超声图像处理技术提取目标肌肉厚度信息，采用灰度共生矩阵提取目标肌肉纹理信息，将肌肉厚度信息、纹理信息以及刺激强度作为输入，采用支持向量机和人工神经网络的方法得到第二膝关节角度；本专利技术的控制信号精度高，由于图像信息与肌电信号及其干扰没有直接的联系，所以图像信息的干扰和噪声相对而言，远小于脑电肌电等电信号；超声成像在组织定征和生物测量上具有优越的准确性和特异性；能够根据当前目标肌肉的功能状态(如肌疲劳导致的FES下肌肉活性的下降等)对输入输出参数进行调整。肌肉B超图像信息包含肌肉厚度和肌肉纹理，已有研究表明肌肉厚度的增加能够反映肌疲劳，肌肉纹理中包含的角二阶矩、对比度、同质性和熵能够反映FES下肌肉纹理的均勻性和复杂度，所以肌肉图像能够充分反映肌肉的状态，为FES的精确刺激提供了保证。附图说明图1为本专利技术提供的实验的结构示意图；图2为本专利技术提供的的流程图；图3为本专利技术提供的第一幅图像上3个10X40像素矩阵的示意图；图4为本专利技术提供的第t幅图像交叉相关结果的示意图；图5为本专利技术提供的共生矩阵生成过程的示意图；图6为本专利技术提供的无负载条件下膝关节角度的示意图；图7为本专利技术提供的有负载条件下膝关节角度的示意图。具体实施例方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：明东，徐立峰，邱爽，陈元园，綦宏志，万柏坤，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：