用于稳定肌电假肢手力量输出的电刺激诱发肌电反馈控制方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于稳定肌电假肢手力量输出的电刺激诱发肌电反馈控制方法及装置，属于肌电假肢控制【技术领域】。该方法包括以下步骤：1)实时检测假肢手使用者残肢肌肉的表面肌电信号；2)对检测到的电信号进行采集和分析，判断残肢肌肉收缩形成的肌电信号是否出现因注意力不集中、疲劳等因素引起的肌电活动水平下降；3)如果出现肌电活动水平下降，则启动电刺激装置刺激目标肌肉，使其收缩增强进而诱发更大的肌电信号，增强肌电活动水平；4)反复比较并调节电刺激的强度，直到目标肌肉肌电活动水平达到初始状态水平，从而确保假肢手收缩力量保持原有的水平。该方法既保证了用户具有较强参与感，又降低了对使用者注意力的要求从而减缓疲劳发生。
【专利说明】用于稳定肌电假肢手力量输出的电刺激诱发肌电反馈控制方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明属于肌电假肢控制【技术领域】，涉及一种用于稳定肌电假肢手力量输出的电刺激诱发肌电反馈控制方法及装置。
【背景技术】
[0002]因为战争、事故或者先天性疾病造成手部缺失的患者，在日常生活中遭受着巨大的不便。根据2006年全国残疾人数量统计显示，各类残疾人总量和占总人口比例都有所上升，而肢体残疾2412人，占残疾人总数的29.07%。为了肢体残疾人士能更好的融入社会，安装假肢是帮助他们补偿功能、改善状况最直接最有效的途径。具有运动功能的假肢手是一种极具有应用前景的上肢运动功能辅助装置，其相关研究在近几十年取得了很大的进步。肌电假肢手就是一种利用人体前臂的表面肌肉电信号(Surface Electromyography,sEMG)作为信息源，通过一定的信息解码策略，将人的控制意图转化为运动控制信息的康复装备。由于表面肌电信号简单、便利，肌电控制假肢的直接、自然，使得利用肌电控制的假肢已成为外部动力假肢中数量占绝对优势的一类。
[0003]早期的肌电假肢手一般只控制假手的张开和闭合，假肢手本身没有任何感觉反馈，存在以下不足:由于没有反馈信息，假肢手的张开和闭合依赖于残肢肌肉收缩的肌电信号，持续握持物体时需要持续的肌电输出，也就是残肢肌肉需要保持收缩状态；肌肉收缩状态的任何变化都将引起肌电信号改变，进而改变假肢手抓握力量或状态，可能导致被握物体松动、甚至滑落。为了解决这个问题，改善假肢手的使用性能，有必要进行感觉反馈的研究与应用。
[0004]目前常常采用的一种方法是在假肢手的手掌和手指上分布一些传感器，利用这些传感器及时检测假肢手上的触觉与滑觉，并将触觉信号和滑动觉信号传给控制器，由控制器分析处理这些信号并做出相应的决策，进而发出一定的指令控制假肢手握稳物体。如有人提出了一种拟人反射控制方法，该方法通过假肢手上的传感器来检测滑觉信息，并基于离散小波变化的细节信息系数信息得到滑动强度和滑动强度变化率，再根据滑动强度和滑动强度变化率计算出抓取握力的增量，将增量信息传递给控制器，驱动假肢手增加抓握力，实现被抓物体滑动时迅速抓稳物体的目的。虽然这种带有感觉反馈的肌电假肢手能够在物体滑动时迅速调整抓握力量并握稳物体，但是这种“感觉”信息直接反馈给微控制器，使用者本身难以直接参与对假肢手力量的控制和调节，假肢手及其控制器与使用者之间缺少信息连接，这类假肢手及其控制策略未实现真正的“人-机”接口，使用者的参与感较低。
[0005]为了让佩戴者更好的使用假手，提高假肢手的操作性能，有必要增加用户在使用假肢手的过程中的参与感，使得用户能够时刻感知物体的滑落状态并握稳物体。常常采用的一种方法是在假肢手上安装触觉传感器，并通过传感器时刻感知物体滑落状态，一旦物体滑落则驱动刺激装置对使用者进行刺激，提醒使用者进一步收缩残肢肌肉使之输出更强的肌电信号，以驱动假肢手有更大的力量输出以握稳物体。如有人提出了一种把电刺激作为感觉反馈的控制方法，该方法通过触觉传感器实时检测假肢手的握力大小，再根据假肢手的握力大小选择电刺激强度；不同刺激强度必然对应着不同电刺激感觉，从而建立假肢手抓取力大小与电刺激感觉强度的关系，根据电刺激电极对皮肤表面的刺激强度可区分为六个不同强度的刺激等级，可被用来对应假肢手抓取力大小的六个等级；经过一段时间的训练，用户就可以根据不同的电刺激感觉调整残肢肌肉收缩强度，驱动假肢手产生不同大小的握持力量，如用户受干扰分神时，假肢手的握力会明显变小，传感器检测到这种力量变化后以电脉冲刺激另一支健康手臂的皮肤提示用户要增大握力，用户增强残肢肌肉收缩，使其产生更大的肌电信号以增大假肢手的握力，使其握稳物体。也有人提出了一种以压力作为感觉反馈的控制方法，该方法通过触觉传感器实时检测假肢手的握力大小，再根据假肢手的握力大小选择压力强度，从而建立假肢手抓取力大小与压力感觉强度的关系；经过一段时间的训练，用户就可以根据不同的压力感觉调整残肢肌肉收缩强度，驱动假肢手产生不同大小的握持力量，如受外界干扰而导致假肢手的握力变小时，传感器可检测到这种力量变化并通过压力环施加压力刺激用户残肢的上臂皮肤提示用户要增大握力，用户通过增强残肢肌肉收缩，使其产生更大的肌电信号以增大假肢手的握力，握稳物体。此类假肢手控制策略将触觉传感器检测到的滑动信息反馈给用户感觉皮肤，其主要特征是由触觉传感器检测滑动信息并给予感觉刺激，假肢佩戴者依据感觉刺激强度主动收缩肌肉以增强肌电信号输出，形成了一种包含用户感觉系统的闭环控制过程，使用者一直参与假肢手力量的调节和控制，“人-机”接口特性有极大改善。但是，由于残肢肌肉感受能力的受限难以分辨精细的刺激强度，由上述刺激所建立起来的反馈也就无法精确调节握力大小；更为重要的是，由于假肢手的力量控制依靠残肢肌肉肌电信号，这就需要使用者持续收缩残肢肌肉，而且还需要根据反馈调整肌肉收缩强度，这要求使用者注意力高度集中，特别容易导致用户精神疲劳和肌肉疲劳，不利于假肢手的使用。
[0006]由此，改进假肢手的控制策略，既让使用者充分参与假肢手力量控制，又减缓假肢手控制过程中疲劳的发生，而且增强假肢手力量的闭环控制精度，对提高假肢手的实用性有重要意义。
【发明内容】
[0007]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于稳定肌电假肢手力量输出的电刺激诱发肌电反馈控制方法及装置，该方法和装置利用电刺激在残肢诱发肌电信号并以此控制假肢手输出力量，假肢使用者在抓握物体时无需持续集中注意力主动收缩残肢肌肉，而是依靠电刺激残肢神经肌肉引起肌肉收缩诱发肌电信号，既保证用户具有较强参与感，又降低了对使用者注意力的要求而减缓疲劳发生。
[0008]为达到上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0009]一种用于稳定肌电假肢手力量输出的电刺激诱发肌电反馈控制方法，包括以下步骤:
[0010]步骤一:实时检测假肢手使用者残肢肌肉的表面肌电信号；
[0011]步骤二:对检测到的表面肌电信号进行采集和分析处理，判断残肢肌肉收缩形成的肌电信号是否出现因注意力不集中、疲劳等因素引起的肌电活动水平下降；
[0012]步骤三:如果出现肌电活动水平下降，则启动电刺激装置刺激目标肌肉，使其收缩增强进而诱发更大的肌电信号，增强肌电活动水平；
[0013]步骤四:反复比较并调节电刺激的强度，直到目标肌肉肌电活动水平达到初始状态水平，从而确保假肢手收缩力量保持原有的水平，以使假肢手佩戴者能用恒定的力量握稳物体。
[0014]本发明还提供了一种用于稳定肌电假肢手力量输出的电刺激诱发肌电反馈控制装置，其特征在于:所述装置包括肌电信号检测电路、电刺激信号发生装置、假肢手驱动电路、特征比较电路和微控制器；
[0015]通过肌电信号检测电路实时检测使用者残肢肌肉的表面肌电信号，肌电信号经过处理后被传送至特征比较电路；特征比较电路根据接收到的电信号判断用户肌电活动水平是否降低，如果降低，则通过微控制器确定电刺激参数同时启动电刺激信号发生装置发出电刺激信号刺激目标神经肌肉，从而产生诱发肌电信号增强肌电活动水平，实现假肢手力量输出的闭环控制。
[0016]进一步，特征比较电路可采用肌电均方根、肌电积分值等时域特征进行比较，也可采用功率谱等频率特征进行比较或者其他时频域特征比较方法；刺激参数的确定可通过查表法直接确定电刺激参数，也可通过实时比较特征值并逐渐调整刺激参数来最终确定电刺激参数。
[0017]进一步，所述微控制器采用单片机或数字信号处理器。
[0018]本发明的有益效果在于:发明提出的一种新的假肢手控制方法，通过神经肌肉电刺激诱发肌电信号来增强肌电活动水平，解决表面肌电活动水平下降后假肢手无法正常工作的问题，避免了在假肢手上安装诸多传感器，系统实现简单；同时在假肢手的下行通路上电刺激来增强肌电活动水平，省去了佩戴者对故障信号的感知和处理环节，提高了系统处理速度，假肢反应迅速；系统通过神经肌肉电刺激诱发用户肌肉收缩，与真手在处理物体滑落时而用力收缩肌肉来握紧物体的情况相似，用户也能够通过电刺激肌肉收缩状态感知物体滑落状态，仿人效果好，用户参与感强；另外系统在用户肌电活动水平降低时，利用电刺激在残肢诱发肌电信号并以此控制假肢手输出力量，避免了用户必须时刻集中精神用力抓握的情况，能有效的缓解精神疲劳和肌肉疲劳；且通过调节刺激参数使得产生的诱发肌电信号能将目标肌肉肌电活动水平准确增强至初始状态水平，实现了假肢手力量精准控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明:
[0020]图1为本发明所述装置的结构示意图；
[0021]其中:1_采集电极、2-刺激电极、3-用户残肢、4-肌电信号检测电路、5-肌电信号比较电路、6-电刺激信号发生装置、7-假肢手驱动电路、8-假肢手；
[0022]图2为本发明所述装置的一种实施例的结构示意图；
[0023]其中:1_采集电极、2-刺激电极、3-用户残肢、4-肌电信号检测电路、6-电刺激信号发生装置、7-假肢手驱动电路、9-单片机、10-电刺激驱动程序；
[0024]图3为基于查表法确定电刺激参数的闭环电刺激诱发肌电反馈控制方法的示意图；
[0025]图4为本发明所述装置的一种实施例的结构示意图；
[0026]其中:1_采集电极、2-刺激电极、3-用户残肢、4-肌电信号检测电路、6-电刺激信号发生装置、7-假肢手驱动电路、10-电刺激驱动程序、I1-DSP ；
[0027]图5为实时检测调节电刺激参数的闭环电刺激诱发肌电反馈控制方法示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0029]如图1所示，本发明提供的一种用于稳定肌电假肢手力量输出的电刺激诱发肌电反馈控制装置的结构图，系统通过设置在用户前臂残肢的采集电极I获得表面肌电信号，经由肌电信号采集电路4实时检测使用者残肢表面肌电信号；由包含微控制器的比较电路5分析处理采集到的表面肌电信号并提取特征值，根据比较特征值判断用户肌电活动水平是否出现下降，所述微控制器可以是单片机、数字信号处理器(DSP)等处理器；如果出现下降则通过微控制器分析比较特征值确定电刺激参数，同时驱动电刺激信号发生装置6发出一定参数的电刺激信号；经由粘贴在用户目标神经肌肉的刺激电极施加电刺激，产生电刺激诱发肌电信号，增强佩戴者肌电活动水平下降时的肌电活动水平，再由微控制器分析处理增强后表面肌电信号，完成特征值计算和手势与力量水平识别，发出控制指令通过假肢手驱动电路7驱动相应的电极转动，控制假肢手8增加输出力量，使其握稳物体，完成闭环控制。
[0030]本发明的一个实施例如图2所不,是一种基于查表法来确定电刺激参数的闭环电刺激诱发肌电反馈控制方法及装置。本实例中，粘贴两组采集电极I于使用者前臂残余肌肉3上，其中采集电极放置在控制手指弯曲的指伸肌和指浅屈肌附近；通过肌电信号检测电路4对两组采集电极获得的表面肌电信号进行实时采集，并将采集到的表面肌电信号传入单片机9;由单片机分析处理得到的表面肌电信号计算其均方根值，并通过肌电活动水平判别程序判断用户肌电活动水平是否下降；如果出现肌电活动水平下降，则通过查表法确定电刺激参数，再由单片机发出控制指令到电刺激驱动程序10，由其驱动电刺激信号发生装置6发出相应参数的电刺激信号，并通过刺激电极2施加给用户目标神经与肌肉，诱发出假肢手力量控制所需的肌电信号，该肌电信号经过处理得到动作模式参数，发出控制指令通过假肢手驱动电路7驱动相应的电机转动，控制假肢手增加输出力量，使其握稳物体。这种基于查表法的电刺激假肢手反馈控制方法与装置，能够实现假肢手力量的稳定输出，系统通过查表发来直接确定电刺激参数，系统执行速度快，反应迅速；但是由于查表法需要在表格里寻找刺激参数，而表格里的数据并不是连续的，也就是说需要达到的肌电活动水平可能并不在数据库里，这样只能寻找与之最为接近的值所对应的刺激参数作为实际刺激参数，降低了假肢手输出力量的精度，适用于系统反应速度要求高，但是精度要求不太高的应用中。
[0031]如图3所示，为一种基于查表法来确定电刺激参数的闭环电刺激诱发肌电反馈控制方法的示意图，系统通过单片机实时采集自主肌电信号，根据肌电活动水平判别程序来判断用户残肢肌电活动水平是否降低，如果没有显著下降，则直接驱动假肢手电路，如果显著下降，则通过查表法确定刺激参数后驱动电刺激驱动程序。所述肌电活动水平判别程序由单片机实时采集屈肌自发肌电并提取其均方根，通过比较该时刻肌电均方根与参考肌电均方根，判断用户残肢肌电活动水平是否显著下降。其中参考肌电均方根是将初始稳定抓握时的自发肌电作为参考肌电并计算其均方根而获得的；肌电活动水平的显著下降是通过肌电均方根减小量是否超过预设阈值来判断的，若大于该阈值则认为肌电活动水平显著下降，否则认为肌电活动水平没有显著下降；预设阈值与假肢手力量输出精度有关，在肌电均方根变化量小于该阈值时，力量输出无变化。所述查表法是将参考肌电均方根在诱发肌电均方根数据库里面进行查找，找出与之对应的均方根值，根据对应的均方根来确定电刺激参数；当给予该参数的电刺激，可使肌电活动水平达到参考肌电活动水平。其中诱发肌电均方根数据库是在用户佩戴假肢手之前建立的，建立方法如下:选择不同刺激强度梯度的刺激参数对用户残肢目标神经肌肉施加电刺激，采集不同刺激参数所诱发的肌电信号，计算并提取均方根值，建立诱发肌电均方根数据库，其中每一个诱发肌电均方根对应着一个电刺激参数，可根据实际需要选择不同刺激参数。
[0032]本发明的另一个实例如图4所示，是一种实时检测调节电刺激参数的闭环电刺激诱发肌电反馈控制方法及装置。本实例中，通过两组表面肌电信号采集电极I获得使用者残肢前臂3的伸、屈肌表面肌电信号，经过肌电信号检测电路4实现表面肌电信号实时采集，同时将采集到的表面肌电信号传入数字信号处理器(DSP)Il ;由DSP实时计算表面肌电信号积分值，并通过肌电活动水平判别程序判断使用者肌电活动水平是否显著下降；如果出现肌电活动水平显著下降，则通过DSP驱动电刺激发生装置6，发出一个初始刺激参数的电刺激产生诱发肌电信号来增强肌电活动水平，并通过表面肌电信号的实时检测逐渐调整电刺激参数，直到诱发肌电达到假肢手力量控制所需的活动强度；最后通过DSP完成诱发肌电的特征值计算和手势与力量水平识别，发出控制指令通过假肢手驱动电路7驱动相应的电机转动，控制假肢手增加输出力量，使其握稳物体。这种实时检测调节电刺激参数的闭环电刺激诱发肌电反馈控制方法及装置，能够实现假肢手力量的稳定输出，系统通过实时检测对比肌电积分值，逐渐调节电刺激参数，使得肌电活动水平达到初始稳定抓握时的状态，能够实现假肢手力量的精准控制；但是由于系统需要对采集的肌电积分值反复比较与刺激参数的逐渐调节，最后才能确定刺激参数，耗时长，适用于输出力量精度要求高，但是系统反应周期要求不太严格的应用中。
[0033]如图5所示，为实时检测调节电刺激参数的闭环电刺激诱发肌电反馈控制方法示意图，系统由DSP实时采集自主肌电信号，并通过肌电活动水平判别程序判断用户残肢肌电活动水平是否显著下降，若没有显著下降则直接驱动假肢手电路；若显著下降，则选择一个初始参数的电刺激，产生电刺激诱发肌电并传回DSP，继续判断此时的肌电活动水平是否显著下降；若仍然显著下降，则通过调节刺激强度来增强电刺激诱发肌电，经DSP采集后继续判断此时的肌电活动水平是否显著下降；这样通过反复比较及电刺激强度的逐步调节，直到肌电活动水平不再显著下降，此时目标肌肉肌电活动水平达到初始状态水平。所述肌电活动水平判别程序由DSP实时采集屈肌肌电并提取其积分值，通过比较该时刻肌电积分与参考肌电积分来判断用户残肢肌电活动水平是否显著下降，其中参考肌电积分是将初始稳定抓握时的自发肌电作为参考肌电并计算其积分值而获得的。
[0034]最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
【权利要求】
1.一种用于稳定肌电假肢手力量输出的电刺激诱发肌电反馈控制方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤一:实时检测假肢手使用者残肢肌肉的表面肌电信号； 步骤二:对检测到的表面肌电信号进行采集和分析处理，判断残肢肌肉收缩形成的肌电信号是否出现因注意力不集中、疲劳等因素引起的肌电活动水平下降； 步骤三:如果出现肌电活动水平下降，则启动电刺激装置刺激目标肌肉，使其收缩增强进而诱发更大的肌电信号，增强肌电活动水平； 步骤四:反复比较并调节电刺激的强度，直到目标肌肉肌电活动水平达到初始状态水平，从而确保假肢手收缩力量保持原有的水平，以使假肢手佩戴者能用恒定的力量握稳物体。
2.一种用于稳定肌电假肢手力量输出的电刺激诱发肌电反馈控制装置，其特征在于:所述装置包括肌电信号检测电路、电刺激信号发生装置、假肢手驱动电路、特征比较电路和微控制器； 通过肌电信号检测电路实时检测使用者残肢肌肉的表面肌电信号，肌电信号经过处理后被传送至特征比较电路；特征比较电路根据接收到的电信号判断用户肌电活动水平是否降低，如果降低，则通过微控制器确定电刺激参数同时启动电刺激信号发生装置发出电刺激信号刺激目标神经肌肉，从而产生诱发肌电信号增强肌电活动水平，实现假肢手力量输出的闭环控制。
3.根据权利要求2所述的一种用于稳定肌电假肢手力量输出的电刺激诱发肌电反馈控制装置，其特征在于:特征比较电路可采用肌电均方根、肌电积分值等时域特征进行比较，也可采用功率谱等频率特征进行比较或者其他时频域特征比较方法；刺激参数的确定可通过查表法直接确定电刺激参数，也可通过实时比较特征值并逐渐调整刺激参数来最终确定电刺激参数。
4.根据权利要求2所述的一种用于稳定肌电假肢手力量输出的电刺激诱发肌电反馈控制装置，其特征在于:所述微控制器采用单片机或数字信号处理器。
【文档编号】A61B5/0488GK104398326SQ201410758634
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月10日 优先权日:2014年12月10日
【发明者】侯文生, 郭宇峰, 吴小鹰, 万小萍, 廖彦剑, 王子威, 王涛, 郑小林, 罗洪艳, 杨军 申请人:重庆大学