一种肌肉协同模式下的多通道功能性电刺激方法与系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种肌肉协同模式下的多通道功能性电刺激方法与系统。
【背景技术】
[0002] 目前的多通道功能性电刺激训练系统绝大部分不考虑肌肉群自身具有的天然缩 张模式，其脉冲数调节方式很大程度依赖于经验，缺乏对肌肉协同信息的集成，还存在着如 下缺陷：
[0003] (1)多通道参数调节缺少肌电信号分解得到的肌肉协同模式信息，调节不是按照 正常人体肌肉的自然模式进行。
[0004] (2)电刺激所产生的力矩值不够稳定。
[0005] (3)不能够根据关节的运动状态进行电刺激通道切换，容易造成肌肉群的过度疲 劳。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种肌肉协同模式下的多通道功能 性电刺激方法与系统，改进目前多功能电刺激系统的缺少利用人体肌肉群自然协同模式的 刺激方式，减少全局肌肉疲劳度。
[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种肌肉协同模式下的多通道功能 性电刺激方法，包括以下步骤：
[0008] S1.对关节运动范围内所有肌肉群的肌电信号进行采集和预处理，得到多肌群肌 电信号U;
[0009] S2.对多肌群肌电信号U进行非负矩阵分解，得到肌群协同模式矩阵W和特征时间 序列向量Η;
[0010] S3.将肌群协同模式矩阵W中的每一个元素除以该元素所在列的元素之和，得到归 一化解，；
[0011]S4.进行多通道电刺激参数配比；
[0012] S5.根据多通道电刺激参数配比结果进行电刺激；
[0013] 所述的步骤S1包括以下子步骤：
[0014] S11.依次对关节运动范围内每个肌肉群进行相同时间的肌电信号采集，并对采集 到的肌电信号进行预处理；
[0015] S12.将每个肌肉群的肌电信号作矩阵中的一行，所有得到的肌肉群肌电信号在同 一个矩阵中进行表示，得到η行m列的多肌群肌电信号U，n代表肌电信号通道数，在数值上等 于关节运动范围内的肌肉群个数，m表示时间序列数。
[0016] 具体来说，在对每个肌群的肌电信号采集的过程中，采集时间和采集间隔都是一 样的，因此，每个肌肉群肌电信号中包括的肌电值个数也是一样的，而在本申请，采集的时 间间隔为ls，所以肌群肌电信号包含的肌电值个数就等于时间序列数。
[0017] 步骤S11中对每个肌肉群的肌电信号进行采集和预处理的步骤相同，均包括以下 子步骤：
[0018] S111.使肌肉群处于静息状态，并在肌肉群中选择s个采集点（一般为100~1000个 采集点)进行毛肌电信号采集并求出静息状态下毛肌电信号的平均值?;
[0019] S112.采集肌肉群在运动状态下的毛肌电信号X;
[0020] S113.对运动状态下的毛肌电信号X进行去直流分量处理，得到信号Υ: =
[0021] S114.使用带通滤波器对去信号Y进行滤波，得到信号x〃，这里采用截止频率2Hz 到50Hz的带通滤波器；
[0022] S115.对信号X"进行取绝对值操作，得到肌肉群的肌电信号。
[0023] 所述的步骤S2包括以下子步骤：
[0024] S21.给定非负矩阵分解的降维数1;
[0025] S22.对多肌群肌电信号U进行降维数为1的非负矩阵分解，得到η行1列的肌群协同 模式矩阵W和1行m列的特征时间序列向量Η。
[0026] 所述的步骤S4包括以下子步骤：
[0027] S41.根据关节不同的运动方向，设定两个与关节运动方向对应的基脉脉冲，；
[0028] S42.分别将每一个基脉脉冲分别与矩阵矿进行配比，得到两个不同的配比参数矩 阵。
[0029]所述的步骤S42中基脉脉冲与矩阵，进行配比的步骤包括:将基脉脉冲与矩阵矿 中的每一个元素相乘，得到多通道配比参数矩阵M;其中，多通道配比参数矩阵Μ的每一行对 应于一个电刺激通道的参数;基脉脉冲为常量(也可以是随着时间变化的变量，但在确定时 间点基脉脉冲的值是定值）。
[0030] 所述的步骤S5包括以下子步骤：
[0031] S51.为每一个配比参数矩阵，生成一个对应的电刺激模式，并设定电刺激模式切 换开关；
[0032] S52.根据关节的运动方向，切换到不同的电刺激模式，对主动肌群和拮抗肌群进 行电刺激。
[0033] -种肌肉协同模式下的多通道功能性电刺激系统，包括肌电信号采集模块、肌电 信号预处理模块、肌电信号特征分解模块、多通道电刺激参数比配模块和功能性电刺激模 块；
[0034] 所述的肌电信号采集模块用于对关节运动范围内所有肌肉群的肌电信号进行采 集；
[0035]所述的肌电信号预处理模块用于对采集到的信号进行预处理，得到多肌群肌电信 号；
[0036] 所述的多通道肌电信号特征分解模块用于对多肌群肌电信号进行非负矩阵分解， 得到肌群协同模式矩阵和特征时间序列向量，并对肌群协同模式矩阵求归一化解。
[0037] 所述的多通道电刺激参数比配模块用于根据肌群协同模式的归一化解，进行多通 道电刺激配比；
[0038] 所述的功能性电刺激模块用于根据多通道电刺激参数比配模块的配比结果进行 电刺激。
[0039] 本发明的有益效果是：（1)改进目前多功能功能性电刺激系统的缺少利用人体肌 肉群自然协同模式的刺激方式，提高了多通道电刺激效率和诱发关节运动稳定性，减少全 局肌肉疲劳度。
[0040] (2)通过使用非负矩阵分解的方法，对引起关节屈伸运动的相关肌肉群的多通道 肌电信号进行特征提取，得到在不同屈伸状态下的肌肉协同模式；
[0041 ] (3)针对关节的运动方向，设定电刺激切换开关，来实现相对应的电刺激模式的切 换，完成对主动肌群和拮抗肌群的电刺激。
【附图说明】
[0042]图1为本发明的流程图；
[0043]图2为本发明的系统原理框图。
【具体实施方式】
[0044]下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于 以下所述。
[0045] 如图1所示，一种肌肉协同模式下的多通道功能性电刺激方法，包括以下步骤：
[0046] S1.对关节运动范围内所有肌肉群的肌电信号进行采集和预处理，得到多肌群肌 电信号U;
[0047] S2.对多肌群肌电信号U进行非负矩阵分解，得到肌群协同模式矩阵W和特征时间 序列向量Η;
[0048] S3.将肌群协同模式矩阵W中的每一个元素除以该元素所在列的元素之和，得到归 一化解，；
[0049] S4.进行多通道电刺激参数配比；
[0050] S5.根据多通道电刺激参数配比结果进行电刺激；
[0051] 所述的步骤S1包括以下子步骤：
[0052] S11.依次对关节运动范围内每个肌肉群进行相同时间的肌电信号采集，并对采集 到的肌电信号进行预处理；
[0053] S12.将每个肌肉群的肌电信号作矩阵中的一行，所有得到的肌肉群肌电信号在同 一个矩阵中进行表示，得到η行m列的多肌群肌电信号U，n代表肌电信号通道数，在数值上等 于关节运动范围内的肌肉群个数，m表示时间序列数。
[0054]具体来说，在对每个肌群的肌电信号采集的过程中，采集时间和采集间隔都是一 样的，因此，每个肌肉群肌电信号中包括的肌电值个数也是一样的，而在本申请，采集的时 间间隔为ls，所以肌群肌电信号包含的肌电值个数就等于时间序列数。
[0055] 步骤S11中对每个肌肉群的肌电信号进行采集和预处理的步骤相同，均包括以下 子步骤：
[0056] S111.使肌肉群处于静息状态，并在肌肉群中选择s个采集点（一般为100~1000个 采集点)进行毛肌电信号采集并求出静息状态下毛肌电信号的平均值X;
[0057] S112.采集肌肉群在运动状态下的毛肌电信号X;
[0058]S113.对运动状态下的毛肌电信号x进行去直流分量处理，得到信号V ;
[0059] S114.使用带通滤波器对去信号Υ进行滤波，得到信号χ〃，这里采用截止频率2Hz 到50Hz的带通滤波器；
[0060] S115.对信号X"进行取