本发明涉及一种基于主从控制的手部功能重建装置及其实现方法，属于电子科学与康复机器人领域。
背景技术：
脑中风是一种突发性的脑血液循环障碍性疾病，偏瘫是中风最常见的表现之一，经常伴随着手部运动功能丧失，口齿不清以及同侧视觉受损等后遗症，导致生活不能自理。目前，针对偏瘫导致的手部功能重建方法有两种，一种是生物学的方法，即把受损神经的远侧断端缝合至邻近正常神经干侧壁上，由正常的神经干发出侧芽，轴突再生长入侧方缝合的损伤神经远侧内，使损伤的神经功能获得某种程度的恢复。第二种方法是利用人体的神经可塑性来进行手部功能重建，即通过康复训练或是功能性电刺激的方式重塑神经系统。对于重度偏瘫患者，康复训练的效果不尽如意。功能性电刺激的方式能诱发神经纤维产生动作电位，驱动肌肉收缩，因此在临床上应用更为广泛，效果也更好。
目前，市面上的功能性电刺激装置主要采用手动按键选择刺激参数，导致刺激模式单一，容易产生肌肉疲劳，而且不能满足患者的个性化需求。国外研究了一种从手套传感器传输的信号检测自主的手腕运动，用来控制肌肉的功能性电刺激装置，能刺激前臂肌肉实现手部的抓握和指伸动作，但是造价非常高，不适合大规模推广使用。对于只有一侧手部运动功能受损的患者来说，采用健侧前臂肌电信号来控制功能性电刺激的刺激参数，可以有效诱发患侧手产生的主动、重复性、具有任务导向性和近于正常运动模式的活动，促进大脑相应区域的功能重组，逐渐恢复手部运动能力。
技术实现要素：
为了解决目前电刺激系统控制方式缺乏灵活性、刺激方式容易引起肌肉疲劳的问题，本发明提出一种主从控制策略的手部功能重建装置及其实现方法。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种基于主从控制的手部功能重建装置，包括肌电信号采集模块、第一微处理器模块、动作解码模块、刺激脉冲编码模块、刺激波形生成模块、阵列刺激电极、电源模块、按键模块、显示模块、第二微处理器模块和存储器模块，其中，肌电信号采集模块、第一微处理器模块、动作解码模块、第二微处理器模块、刺激脉冲编码模块、刺激波形生成模块和阵列刺激电极顺序连接，第一微处理器模块、按键模块和第二微处理器模块顺序连接，显示模块和第一微处理器模块连接，肌电信号采集模块、存储器模块和第二微处理器模块顺序连接，第一微处理器模块、第二微处理器模块和刺激波形生成模块分别与电源模块连接。
所述刺激波形生成模块包括顺序连接的第二微处理器、DAC波形发生器、功率放大电路、多路固态继电器和电压电流转换电路。
所述阵列刺激电极有四个，采用2*2表面阵列电极，阵列电极内的大触点和小触点交叉排列，大触点为边长为14mm的正方形，小触点为边长为9mm的正方形，间距为2mm，每个电极内表面为水凝胶，外表面为无纺布。
一种基于主从控制的手部功能重建方法，包括如下步骤：
第一步：健侧手部在进行五指伸或四指屈动作时，通过肌电采集模块采集健侧前臂的指总伸肌、小指伸肌、指浅屈肌、指深屈肌的肌电信号，同样采集患侧同样位置的表面机电信号，分别将其储存在存储模块内；
第二步：存储模块的患侧肌电信号和健侧肌电信号的肌电积分值相互比较，确定采用功能重建模式还是普通刺激模式，并将其传送至显示模块；
第三步：读取显示模块的信息，若为普通刺激模式，则第一微处理器将信息传入按键模块，按键模块提示进行人工设定刺激信息；若为功能重建模式，将采集到的四路肌电信号送入第一微处理器和动作解码模块，解码出正在进行的手部动作，并将解码的动作信息送入第二微处理器；
第四步：第二微处理器读取第一微处理器的信息，若为普通刺激模式，则读取按键模块的信息，并将刺激信息传入刺激波形生成模块；若为功能重建模式，则根据读取第一微处理器的手部动作信息，打开和手部动作相关的刺激通道，并读取存储模块的肌电信号；
第五步：将读取的肌电信号通过刺激编码模块转化为刺激指令，促进手部功能重建的刺激脉冲生成，作用在相应的患侧前臂肌肉上，使患侧手像健侧手一样进行运动。
第三步中所述手部动作解码方法的具体过程如下：对肌电信号采集模块采集到的四通道表面肌电信号进行去噪、加窗处理，选择肌电信号的平均绝对值、波形长度、肌电积分值、样本熵构成特征向量，训练二叉树支持向量机分类器，实现手部动作的解码。
第五步中所述手部功能重建的刺激脉冲产生方法具体过程如下：
(1)：采用阈值检测法检测窗口内肌电信号幅值超出阈值的采样点，并以光栅图的方式显示出来，通过光栅图对刺激波形的强度进行编码；
(2)：对健侧前臂肌肉进行刺激，同时计算患者健侧手部同一动作采集的肌电信号各窗口的MAV，并通过手部功能重建装置的按键模块，不断调整跟手部运动相关的两个通道的刺激脉宽来刺激健侧手，实现MAV和刺激脉宽之间关系的拟合。
本发明的有益效果如下：
(1)改变了单一的刺激方式，避免肌肉疲劳。
(2)刺激通道的开关可控，避免在不相关的肌肉上输出刺激，提高了刺激的准确性。
(3)该方法相比于传统方法可以更好地提取自主肌肉的实时活化信息。
(4)加强了自主意识的实时控制，有助于增强中枢神经系统可塑性，从而加快了瘫痪病人肢体运动的康复速度。
附图说明
图1是本发明的总体结构图。
图2第一微处理器和第二微处理器的控制逻辑图。
图3是动作解码模块功能框图。
图4是刺激波形编码逻辑图。
图5刺激波形生成硬件电路原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造作进一步详细说明。
本发明提出一种基于主从康复策略的手部功能重建装置及方法，即应用健侧手部动作时的相应肌肉收缩产生的动作电位序列作为患侧肌肉电刺激通道、刺激脉宽、刺激强度的控制源，使电刺激后肌肉收缩更接近手部正常动作时的肌肉收缩，从而使患侧手像健侧手一样动作，经过不断的电刺激实现患侧手部功能重建。装置总体结构框图如图1所示，该手部功能重建装置主要肌电信号采集模块、显示模块、微处理器模块、动作解码模块、刺激脉冲编码模块、刺激波形生成模块、存储器模块、按键模块、刺激电极组成。这种模块化设计使对模块进行单独调试、修改变得简单方便，同时也使控制系统变得更加独立和灵活。
其中，微处理器模块由作为主控芯片STM32F103VET6的第一微处理器与作为信号处理芯片STM32F407VGT6的第二微处理器组成，各自实现的功能及控制逻辑如图2所示。第一微处理器中将患侧肌电信号和健侧肌电信号的肌电积分值(Integral EMG,iEMG)相互比较，若患侧肌电信号的积分值不能达到健侧肌电信号积分值的1/3，则采用普通电刺激模式，逐渐激活患侧前臂的肌肉活性。若是功能重建模式，则打开和肌电采集模块相连的I/O口，读取四通道表面肌电信号并进行A/D转换，然后对四通道肌电信号进行加窗、特征提取和训练动作分类器处理，并将分类器参数保存至存储器模块，用来识别手部动作，确定表面肌电(surface EMG)信号输入与刺激通道输出映射关系；若是普通电刺激模式，则和按键模块通信，获取刺激脉冲脉宽信息，对健侧手臂进行刺激以得到脉宽和肌电信号平均绝对值(Mean absolute value，MAV)的关系式，为下一步刺激脉宽编码做准备。第二微处理器作为信号处理芯片，用来和第一微处理器通信，获取刺激参数，并将刺激参数编码产生刺激波形。
肌电采集模块采集指总伸肌、小指伸肌、指浅屈肌、指深屈肌四通道上的表面肌电信号，采用2*2表面阵列电极，经过差分放大电路、工频陷波器、高通滤波和低通滤波电路处理后存储到SD卡内(Secure Digital Card)。
基于表面肌电信号的手部动作识别首先在上位机中完成，依次为信号加窗、特征提取、动作捕捉、特征向量形成、分类器训练五个阶段，然后将训练好的分类器的参数以及加窗处理、特征提取的程序写入第一微处理器中，在第一微处理器中实现手部动作解码，其主要流程如框图3所示。具体实现为，首先对肌电信号采集模块采集到的四通道表面肌电信号进行去噪和加窗处理，提取处理后的四通道表面肌电信号的时域特征平均绝对值(MAV)、波形长度(WL)，频域特征肌电积分值(iEMG)，非线性动力学特征样本熵(SampEn)构成特征向量，训练二叉树支持向量机分类器，实现手部动作的解码。手部动作解码相关的一些参数计算如下：
(1)为了防止肌电信号突变带来的干扰，在肌电信号加窗处理时要对窗口进行重叠。本文采用Farell提出系统的判别平均延时公式实现：
Ta为分析窗口时长，Tinc为窗口递增时长，Td为计算时长，D为实际窗口时长。为了使受控肢体不明显滞后于控制肢体，D一般小于300ms，因此Ta取150ms,Tinc取50ms；
(2)肌电信号的特征计算：
肌电信号平均绝对值：
肌电信号波长：
肌电信号积分值：
肌电信号样本熵：
其中N是分析窗口长度，i为窗口中第i个采样点，xi为i时刻的肌电电压值，xi+1为i+1时刻的肌电电压值，m为数列中连续抽取的数据个数，r为样本熵计算中两个数据距离的阈值，Bm(r)为采样点i≤N-m中d[x(i),x(j)]小于r的数目与距离总数N-m+1的比值的平均值，Bm+1(r)为连续抽取个数m+1时，采样点中d[x(i),x(j)]小于r的数目与距离总数N-m+1的比值的平均值，xi为i时刻的肌电电压值，xj为i时刻的肌电电压值。
(3)支持向量机二分类问题如下，设训练数据集为T＝{(x1,y1),(x2,y2),...,(xN,yN)},其中：x1、x2...xN选取的机电信号特征向量，y1、y2...yN为手部动作标签。
线性不可分的线性支持向量机问题学习问题即变为如下凸优化问题：
约束条件为：yi(w·xi+b)≥1-ξi
其中，i为第i个样本，xi为第i个样本点的特征向量，yi为第i个样本的标签，w为分离超平面法向量，C为惩罚因子，ξi为第i个样本点的松弛变量，b为超平面与坐标轴的相交的截距。
核函数选择需要先验信息较少的径向基函数：
其中σ为径向基核函数中的待定参数取1，xi第i个样本点的特征向量，xj第j个样本点的特征向量。
因此，支持向量机的参数为：
其中，w为分离超平面法向量，b为分离超平面位移项，αi为拉格朗日乘子，yi第i个样本点的类别标签。
刺激脉冲编码模块在第二微处理器中完成，第二微处理器接收第一微处理器的信息，确定功能模式。若为普通刺激模式，其刺激信息通过按键模块读入，直接传送至刺激波形产生模块，无需编码刺激波形；若为功能重建模式，则其主要控制流程如图4所示第二微处理器通过I/O口和第一微处理器通信，确定健侧手部动作模式，若为五指伸动作模式，则编码刺激指总伸肌和小指伸肌的通道；若为四指屈动作模式，则编码刺激指浅屈肌和指深屈肌的通道。确定刺激通道之后，根据通道的平均绝对值确定刺激频率、根据存储器中读取的肌电信号幅值和设定阈值确定刺激强度。其中阈值设定为3σn，σn为背景噪声标准差的估计值；平均绝对值和刺激频率的关系因人而异，需要对患者的健侧手部进行不同频率、同样强度的电刺激，然后测量其腕关节扭矩，使用非线性最小二乘法对归一化的刺激参数和扭矩进行拟合，得到两者的关系式；同样的方法，患者健侧手部在没有电刺激的情况下，使用同样的扭矩测量装置，在规定的扭矩下使手部动作，测量此时相应通道的肌电信号，并计算其平均绝对值，使用非线性最小二乘法对归一化的刺激参数和扭矩进行拟合，得到两者的关系式；结合两个关系式即可得出脉宽和平均绝对值之间的关系式。为了避免脉宽过窄导致在电刺激时产生不适感，影响手部功能恢复，根据表面肌电信号中动作电位爆发的时间间隔，设定不应期为500μs，即通过肌电信号的平均绝对值计算出的脉宽要大于不应期才能产生刺激序列。刺激强度是根据肌电信号的幅值大于阈值的幅值编码。
刺激编码完成后，第二微处理器将刺激波形的编码信息转换为刺激波形，其硬件电路原理图如图5所示，由第二微处理器、型号为TLV5638的DAC数模转换器、放大电路、多路固态继电器、电压电流转换电路组成。该手部功能重建装置有四个刺激通道，分别刺激指总伸肌、小指伸肌、指浅屈肌、指深屈肌。第二微处理器将编码信息转化为驱动指令，驱动双路12位双通道数模转换器TLV5638产生单边刺激波形，经过功率运算放大器OPA2544放大，然后通过控制多路固态继电器，得到预期的单周期的双边波形。结合电压电流转换电路，实现正负电荷平衡的电流激励，并通过阵列电极对肌肉进行刺激。其中阵列刺激电极有四个，采用2*2表面阵列电极，电极内的大触点和小触点交叉排列，大触点为边长为14mm的正方形，小触点为边长为9mm的正方形，间距为2mm，电极内表面为水凝胶，外表面为无纺布。该电刺激系统利用分时复用，将双边信号分配给不同的四个通道，以减小功能重建装置的体积。
电池管理模块包括12V锂电池、DC-DC变换器、线性稳压器(LDO)、升压电路构成，以产生5V、3.3V、15V的电压为按键模块、微处理器模块和刺激波形生成模块供电。