基于肌电反馈的上肢训练方法及系统的制作方法

基于肌电反馈的上肢训练方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于肌电反馈的上肢训练方法及系统，该系统将信号采集，模式识别，生物反馈，及实时疲劳评价各模块有序的结合，可以帮助用户实现上肢运动功能的训练。所述方法包括：在用户为完成虚拟的游戏任务而进行相应的动作例如前臂旋转、屈腕/伸腕的同时，采集用户上肢关节的运动信号和肌电信号，利用基于用户所采集到运动信号调整虚拟控制目标的运动参数，同时根据肌电信号中的特征参数识别出用户的若干肌肉收缩模式，并将识别出的模式作为肌电反馈控制方法的选择依据。另外，在整个交互训练的同时系统根据采集到的肌电信号实时提取疲劳特征，分析肌肉的疲劳状态以实现对肌肉疲劳判断和报警。
【专利说明】基于肌电反馈的上肢训练方法及系统

【技术领域】
[0001] 本发明涉及医疗【技术领域】，尤其涉及一种基于肌电反馈的上肢训练方法及系统。

【背景技术】
[0002] 脑卒中（中风）是威胁人类健康的首要疾病之一，具有恢复缓慢，死亡数多，致残率 高等特点，而且伴随着人们生活水平日益提高，呈现患病率逐渐上升的趋势。据调查显示， 大多数中风用户往往因中枢神经系受损而导致上下肢运动功能丧失，给用户本身和家庭都 带来了巨大的痛苦和损失，因此，中风用户需要依靠康复训练来重获运动能力，以提高在日 常生活中的自理能力，为家庭和社会减少负担。对于中风用户的肢体功能康复，往往呈现出 下肢较上肢快、近端较远端易的特点，30%_66%的脑卒中用户遗留有不同程度的上肢功能障 碍，且有将近10%是重度致残，所以上肢运动功能康复已经成为脑卒中用户临床康复的关 注热点。而手关节以及腕关节的功能康复作为康复的重要分支，是以涉及复杂神经回路的 精细动作恢复为主，成为上肢大关节运动功能康复的有力补充。传统的上肢康复方法包括 人工物理治疗，反复作业疗法，强制运动疗法以及中医学中的针灸医术等，都在一定程度上 促进脑卒中用户运动功能的恢复。近年来，人机交互作为一种结合了各种脑机接口技术，虚 拟现实技术，运动传感技术，生物反馈技术等的新型康复手段，在中风康复领域发展迅速。 其中，利用肌肉电信号反馈控制以实现人机交互的方法不仅可以在康复训练中通过人机交 互界面上虚拟游戏增加用户的参与兴趣，而且对中风用户康复有助于对中风用户神经功能 变化机理的探究，可以通过在复杂的生物电信号中提取有用的信息从本质上对中风用户的 神经肌肉状况进行跟踪和评价，提高康复效率。调研得到的现有的新型手部及腕部康复装 置包括，美国华盛顿国立康复医院Brokaw在2010年提出的增强手部运动驱动弹力装置 (HandSOME)是利用弹力绳的弹力抵抗屈肌的高张力的原理来实现康复效果。美国芝加哥伊 利诺伊大学的Iwamuro也在2011年提出一种X-Golve手套矫形装置，并且在临床试验中利 用Wolf运动分级功能表进行了康复效果验证。2011年新泽西医学与牙科学研究院Merian 搭建的上肢功能康复机器人使中风患者在完成4项手部动作的同时进行康复训练，来自香 港理工大学的Tong及Goldfrey等也利用手部和腕部的外骨骼机器人对中风患者患侧前臂 进行辅助康复治疗，另外，有文献指出同一块肌肉的肌电信号的大小可以反映出肌肉收缩 产生的力的大小，且成正相关的关系，基于这一点，2010年英国中央兰开夏大学Ma利用了 肌电反馈的思路，控制虚拟射击游戏，将处理的肌电信号用来控制游戏的动作，使患者在游 戏的同时，进行肩关节和手关节的运动。
[0003] 综上所述，针对中风用户上肢，尤其是以精细运动为主的手和腕关节的康复技术 仍处于相对早的阶段，基本都为单关节的，低自由度的康复动作设计，且对于利用生物电信 号进行人机交互对游戏控制和利用模式识别进行反馈属性切换的实例也相对较少，这一技 术在卒中患者手功能康复中已经得到应用，但是其机制还需进一步探索，大面积的推广和 普及还需要更完善的理论基础，以及相应的经济和技术支持。另外，在训练过程中，很多系 统也疏于对参与者肌肉疲劳情况进行实施监控，因此对康复训练过程中，用户患肢肌肉神 经情况的实时反馈也比较匮乏，不利于在训练过程中对肌肉疲劳状况进行评判以及在临床 上对用户提出进一步的康复策略。


【发明内容】

[0004] 本发明提出一种基于肌电反馈的上肢训练方法及系统，利用上肢动作相关的运动 及肌电信号进行人机交互，对虚拟游戏进行控制，控制基于模式识别及生物肌电反馈进行， 来实现多关节参与训练的效果，并对训练过程中用户的肌肉疲劳状况进行跟踪评价和报 警。
[0005] 本发明实施例提供一种基于肌电反馈的上肢训练方法，其特征在于，包括步骤：
[0006] S1、在用户为完成虚拟游戏中的任务以进行相应的上肢关节动作时，实时采集用 户上肢关节的运动信号和肌电信号；
[0007] S2、利用基于采集到的所述运动信号调整虚拟控制目标的位置、速度、加速度等运 动参数，
[0008] S3、同时根据采集到的所述肌电信号中的特征参数识别出用户的若干肌肉收缩模 式；
[0009] S4、将识别出的模式作为肌电反馈控制方式的选择依据。
[0010] 优选的，在所述步骤S4中，所述肌电反馈控制方法至少包括有肌电幅值映射控制 及肌电幅值阈值判断，所述有肌电幅值映射控制及肌电幅值阈值判断都是通过对肌电信号 进行实时的处理，并与虚拟场景中的参数进行交互控制，其具体对应的虚拟游戏中控制的 参数根据游戏内容选择。
[0011] 优选的，还包括步骤：
[0012] S5、在利用所述肌电反馈控制方法实现用户的上肢训练过程中，根据采集到的肌 电信号实时提取疲劳特征，通过对疲劳特征参数的跟踪和记录，分析肌肉的疲劳状态以实 现对肌肉疲劳判断和报警。
[0013] 优选的，在所述步骤S1前，还包括步骤：
[0014] S0、使用户进行相应动作的最大自主收缩，根据采集到的肌电信号选择肌电反馈 控制和疲劳特征判断中的个性化阈值。
[0015] 优选的，在所述步骤S2中，通过以下步骤实现如何根据采集到的所述肌电信号中 的特征参数识别出用户的若干肌肉收缩模式：
[0016] S31、利用一个平滑移动窗将采集到的肌电信号进行周期化分割，提取每个周期内 的肌电信号的特征参数，所述特征参数至少包括平均绝对值、信号持续时间、平均绝对值斜 率、波长法、过零次数法；
[0017] S32、将提取的特征参数作为输入量输入锻炼好的分类器，从而反馈识别出用户单 块或多块肌肉发力时的收缩模式，可以为对至少包括伸腕及屈腕的运动的识别，也可以为 对多块肌肉在发力时的协同模式，其发送出相应的判别指令，识别的模式及其种类与交互 游戏选择密切相关，可结合用户需要进行更改。
[0018] 本发明还相应提供了一种基于肌电反馈的上肢训练系统，包括：
[0019] 主机交互模块，包括交互游戏界面，用于引导用户进行相应的上肢关节动作以完 成虚拟游戏中的任务；
[0020] 信号采集模块，用于在用户进行相应的上肢关节动作时，实时采集用户上肢关节 的运动信号和肌电信号；
[0021] 信号传输模块，用于将所述信号采集模块采集到的运动信号和肌电信号传输到主 机控制模块以进行人机交互；
[0022] 主机控制模块，分别与所述主机交互模块和信号传输模块连接，用于将所述信号 传输模块传输的运动信号和肌电信号进行运算与处理，并将运算和处理结果输出给所述主 机交互模块以进行相应的游戏操作的参数设置，主要包括：
[0023] 接收存储单元，用于接收所述信号传输模块传输的运动信号和肌电信号并存储；
[0024] 特征参数提取单元，用于将所述接收存储单元中的肌电信号进行特征参数提取；
[0025] 运动参数设置单元，用于根据所述接收存储单元接收到的运动信号调整所述主机 交互模块中显示的虚拟控制目标的运动参数；
[0026] 模式识别单元，根据所述特征参数提取单元提取的特征参数识别出用户的若干肌 肉发力收缩模式；并将识别出的模式转化成为指令输出
[0027] 肌电反馈控制单元，接收所述模式识别单元输出的指令，并根据所述指令作为选 择不同肌电反馈控制方法的依据。
[0028] 优选的，所述主机控制模块还包括：
[0029] 肌肉疲劳监控单元，用于对所述特征参数提取单元提取的特征参数进行实时监 控，当所述特征参数中能够表征用户肌肉疲劳的特征参数达到预设的疲劳阈值时，发出疲 劳警报。
[0030] 优选的，所述主机控制模块还包括：
[0031] 初始阈值设定单元，用于将根据训练前采集到的最大自主收缩测试结果的一定百 分比设定好的初始阈值进行确认和保存，可以有效的消除个体化的差异；
[0032] 训练难度调节单元，利用系统将上肢运动设定不同的阻力；实现不同用户的个性 化训练强度配置和不同强度下的训练过程。
[0033] 优选的，所述信号采集模块具体包括：
[0034] 运动信号采集单元，通过运动信号测量装置采集用户上肢运动信号；
[0035] 肌电信号采集单元，通过表面电极提取采集用户上肢运动相关肌肉的肌电信号， 并将采集到的多个通道的肌电信号进行至少包括放大和滤波的预处理。
[0036] 优选的，所述主机控制模块还包括：
[0037] 肌电信号周期分割单元，利用一个平滑移动窗将采集到的肌电信号进行周期化分 害IJ，从而进行特征参数计算。
[0038] 本发明实施例提供的基于肌电反馈的上肢训练方法及系统，将采集并预处理后的 肌电信号和运动信号进行反馈控制，与利用虚拟技术搭建的康复游戏进行交互，达到对虚 拟游戏动作的控制，并且在康复训练的同时，利用采集到的肌电信号对训练者运动量进行 实时的监控，从而对参与者肌肉疲劳情况进行判断，并做出疲劳报警，以便对训练任务进行 合理的调整。

【专利附图】

【附图说明】
[0039] 图1是本发明提供的基于肌电反馈的上肢训练方法的流程示意图；
[0040] 图2是本发明提供的基于肌电反馈的上肢训练方法中步骤S1的流程示意图；
[0041] 图3是本发明提供的基于肌电反馈的上肢训练方法中步骤S3的流程示意图；
[0042] 图4是本发明提供的基于肌电反馈的上肢训练系统的结构示意图；
[0043]图5是本发明提供的基于肌电反馈的上肢训练系统的信号采集模块的结构示意 图；
[0044] 图6是本发明提供的基于肌电反馈的上肢训练系统的主机控制模块的结构示意 图；
[0045] 图7是本发明提供的一个实施例游戏的交互和控制的示意图。

【具体实施方式】
[0046] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047] 参见图1，是本发明提供的基于肌电反馈的上肢训练方法的流程示意图。
[0048] 本发明实施例提供一种基于肌电反馈的上肢训练方法，包括以下步骤S1?S5 :
[0049] S1、在用户为完成虚拟游戏中的任务以进行相应的动作时，包括完成前臂旋转、屈 腕/伸腕，及手关节抓握的动作时采集用户前臂的旋转角度信号和相关肌肉的肌电信号；
[0050] 本发明旨在将采集到的肌电信号和角度信号进行反馈控制，与利用虚拟技术搭建 的康复游戏进行交互，达到对游戏动作的控制。而本发明的训练方法通过使用自主设计的 上肢康复训练装置和肌电及运动信号采集模块，将人体的肌电参数和前臂旋转角度通过传 输模块最终送入主机输出参数，控制虚拟交互环境中的虚拟目标，虚拟交互游戏引导用户 在康复训练装置的基础上完成相关训练。例如，若干实施例中的一个为攻击型虚拟游戏， 虚拟环境包括大炮、炮弹、目标物三个模型，虚拟环境参数有大炮发射角度、发射初速度和 发射开关。从角度信息采集模块采集的角度信息来驱动和实时改变虚拟环境中大炮模型角 度，利用肌电信号来驱动和实时修改炮弹发射与否的状态和发射初速度。
[0051] 如图2所示，所述步骤S1具体包括步骤：
[0052] S11、通过交互游戏界面引导用户抓握操作把柄进行相应的前臂旋转以将大炮瞄 准交互游戏界面显示的虚拟目标；
[0053] S12、通过角度测量装置采集用户前臂旋转角度信号；
[0054] 在该步骤中，所述角度测量装置可以设计成一端为所述操作把柄、中间为固定的 旋转阻尼计、另一端为编码器；阻尼器可以调整用户训练强度，编码器通过测量脉冲频率或 周期的方法来测量前臂的角度信息；
[0055] S13、通过表面电极提取采集用户前臂及手部抓握发力和手腕屈伸运动相关的两 对肌肉的肌电信号，并将采集到的四个通道的肌电信号进行至少包括放大和滤波的预处 理。
[0056] 在该步骤中，利用表面电极提取肌肉表面微弱的肌肉电信号，通过屏蔽效果较好 的导联线来实现原始肌电信号的提取。所用电极为三点式差动输入电极。其中，一个为参 考地，另外两个为肌电的输入端，两电极的距离均相等。
[0057] 通过表面电极提取采集用户前臂及手部抓握发力和手腕屈伸运动相关的两对肌 肉的肌电信号，包括有指浅屈肌（flexor digitorum supercifialis),指总伸肌（extensor digitorum)，烧侧腕屈肌（flexor carpiradialis)，尺侧腕伸肌（extensor carpiulnaris) 的肌电信号进行采集。
[0058] S2、在虚拟操作执行前，利用基于用户所采集到角度信号调整虚拟控制目标的位 置、速度、加速度等运动参数。
[0059] S3、获取所述采集的肌电信号中的特征参数，并根据获取的特征参数识别出用户 的前臂多块肌肉的发力收缩模式。
[0060] 将肌电信号和运动信号送入主机后则可对肌电信号进行特征参数提取，以对肌肉 发力收缩动作进行模式识别，用于切换肌电反馈控制单元的相应控制方法。参考图3,所述 步骤S3具体可包括步骤：
[0061] S31、利用一个平滑移动窗将采集到的肌电信号进行周期化分割；
[0062] 参与者在完成手部及腕部发力动作的时候，上述4块肌肉会产生明显的肌电信 号，利用移动窗的方法选取合适长度的数据段进行特征值提取，可以增强系统实时性和准 确性。
[0063] S32、提取每个分割数据段内的肌电信号的特征参数，并存储。
[0064] 本实施例中，选择的特征参数如下：平均绝对值、信号持续时间、平均绝对值斜 率、波长法、过零次数法、斜率过零次数、方差、中频、平均频率幅值、积分肌电和肌电幅值；
[0065] A、绝对平均值：
[0066]

【权利要求】
1. 一种基于肌电反馈的上肢训练方法，其特征在于，包括： 51、 在用户为完成虚拟游戏中的任务以进行相应的上肢关节动作时，实时采集用户上 肢关节的运动信号和肌电信号； 52、 利用基于采集到的所述运动信号调整虚拟控制目标的运动参数； 53、 同时根据采集到的所述肌电信号中的特征参数识别出用户的若干肌肉收缩模式； 54、 将识别出的模式作为肌电反馈控制方式的选择依据。
2. 如权利要求1所述的基于肌电反馈的上肢训练方法，其特征在于，在所述步骤S4中， 所述肌电反馈控制方法至少包括有肌电幅值映射控制及肌电幅值阈值判断，所述有肌电幅 值映射控制及肌电幅值阈值判断都是通过对肌电信号进行实时的处理，并与虚拟场景中的 参数进行交互控制，其具体对应的虚拟游戏中控制的参数根据游戏内容选择。
3. 如权利要求1所述的基于肌电反馈的上肢训练方法，其特征在于，还包括步骤： 55、 在利用所述肌电反馈控制方法实现用户的上肢训练过程中，根据采集到的肌电信 号实时提取疲劳特征，通过对疲劳特征参数的跟踪和记录，分析肌肉的疲劳状态以实现对 肌肉疲劳判断和报警。
4. 如权利要求2所述的基于肌电反馈的上肢训练方法，其特征在于，在所述步骤S1前， 还包括步骤： so、使用户进行相应动作的最大自主收缩，根据采集到的肌电信号选择肌电反馈控制 和疲劳特征判断中的个性化阈值。
5. 如权利要求1所述的基于肌电反馈的上肢训练方法，其特征在于，在所述步骤S2中， 通过以下步骤实现如何根据采集到的所述肌电信号中的特征参数识别出用户的若干肌肉 收缩模式： 521、 利用一个平滑移动窗将采集到的肌电信号进行周期化分割，提取每个周期内的肌 电信号的特征参数，所述特征参数至少包括平均绝对值、信号持续时间、平均绝对值斜率、 波长法、过零次数法； 522、 将提取的特征参数作为输入量输入锻炼好的分类器，从而反馈识别出用户单块或 多块肌肉发力时的收缩模式，可以为对至少包括伸腕及屈腕的运动的识别，也可以为对多 块肌肉在发力时的协同模式，其发送出相应的判别指令，识别的模式及其种类与交互游戏 选择密切相关，可结合用户需要进行更改。
6. 如权利要求1所述的基于肌电反馈的上肢训练方法，其特征在于，所述肌电幅值映 射控制是将特征参数中能够表征用户此时肌肉收缩的发力大小的肌电幅值滤波处理后得 到的峰值直接作为虚拟游戏的参数；所述肌电幅值阈值控制是将特征参数中能够表征用户 此时肌肉收缩的发力大小的肌电幅值滤波处理后得到的峰值与预设的肌电阈值进行比较， 并根据比较结果确定是/否执行相应的虚拟操作，且执行该虚拟操作前根据所述运动信号 调整虚拟目标的运动方向。
7. -种基于肌电反馈的上肢训练系统，其特征在于，包括： 主机交互模块，包括交互游戏界面，用于引导用户进行相应的上肢关节动作以完成虚 拟游戏中的任务； 信号采集模块，用于在用户进行相应的上肢关节动作时，实时采集用户上肢关节的运 动信号和肌电信号； 信号传输模块，用于将所述信号采集模块采集到的运动信号和肌电信号传输到主机控 制模块以进行人机交互； 主机控制模块，分别与所述主机交互模块和信号传输模块连接，用于将所述信号传输 模块传输的运动信号和肌电信号进行运算与处理，并将运算和处理结果输出给所述主机交 互模块以进行相应的游戏操作的参数设置，主要包括： 接收存储单元，用于接收所述信号传输模块传输的运动信号和肌电信号并存储； 特征参数提取单元，用于将所述接收存储单元中的肌电信号进行特征参数提取； 运动参数设置单元，用于根据所述接收存储单元接收到的运动信号调整所述主机交互 模块中显示的虚拟控制目标的运动参数； 模式识别单元，根据所述特征参数提取单元提取的特征参数识别出用户的若干肌肉发 力收缩模式；并将识别出的模式转化成为指令输出； 肌电反馈控制单元，接收所述模式识别单元输出的指令，并根据所述指令作为选择不 同肌电反馈控制方法的依据。
8. 如权利要求6所述的基于肌电反馈的上肢训练系统，其特征在于，所述主机控制模 块还包括： 肌肉疲劳监控单元，用于对所述特征参数提取单元提取的特征参数进行实时监控，当 所述特征参数中能够表征用户肌肉疲劳的特征参数达到预设的疲劳阈值时，发出疲劳警 报。
9. 如权利要求6所述的基于肌电反馈的上肢训练系统，其特征在于，所述主机控制模 块还包括： 初始阈值设定单元，用于将根据训练前采集到的最大自主收缩测试结果的一定百分比 设定好的初始阈值进行确认和保存； 训练难度调节单元，利用系统将上肢运动设定不同的阻力；实现不同用户的个性化训 练强度配置和不同强度下的训练过程。
10. 如权利要求6所述的基于肌电反馈的上肢训练系统，其特征在于，所述信号采集模 块具体包括： 运动信号采集单元，通过运动信号测量装置采集用户上肢运动信号； 肌电信号采集单元，通过表面电极提取采集用户上肢运动相关肌肉的肌电信号，并将 采集到的多个通道的肌电信号进行至少包括放大和滤波的预处理。
【文档编号】A61B5/0488GK104107134SQ201310669597
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年12月10日 优先权日:2013年12月10日
【发明者】宋嵘, 敖迪, 杨锦 申请人:中山大学