一种高密度的肌电采集与电刺激装置及其控制方法与流程

本发明涉及肌电信号处理，尤其涉及一种高密度的肌电采集与电刺激装置及其控制方法。

背景技术：

1、肌电信号是肌肉在神经系统控制下收缩时产生的人体生理电信号，信号幅值与肌肉发力程度存在正相关关系。通过分析肌电信号，可以观察肌肉发力情况，观察肌肉神经传导情况与肌肉本身功能状态。随着肌电信号应用的快速发展，研究者开始对肌电信号的空间分辨率提出更高的要求。因此人们在多通道肌电采集设备的基础上提出了高密度肌电的概念，通过将采集电极设计为二维阵列式电极，可以分析肌肉在不同位置的活动情况，提升肌肉活动的分析效果，功能性电刺激是一种通过外部电流刺激肌肉从而引起肌肉收缩的技术。将功能性电刺激技术应用于患有运动障碍患者，可以刺激患者运动功能受损部位的肌肉组织产生收缩，模拟正常自主运动。规律的功能性电刺激治疗可以帮助患者缓解肌肉疼痛与肌肉痉挛，改善因偏瘫、截瘫导致的肌肉萎缩。通过实时分析人体表面肌电信号，得到当前肌肉活动情况，通过功能性电刺激方法针对当前肌肉活动施加适当的刺激电流，可以进一步提升偏瘫、截瘫患者的康复效果；然而，当前大多数高密度肌电采集设备与功能性电刺激设备是两个独立设备。因为多数商用设备并不开放二次编程的接口，将高密度肌电采集设备与功能性电刺激设备联动调试较为困难，无法实现肌电信号作为反馈信号，调节功能性电刺激的电流强度的应用；

2、当前现有技术对于实现高密度肌电采集设备与功能性电刺激设备的集成，是通过分时复用的方式将高密度肌电采集设备的阵列式电极复用为功能性电刺激设备的输出电极。由于功能性电刺激效果对电极大小较为敏感，过大的刺激电极会导致刺激电流导通至其他肌肉，引起非目标肌肉收缩。而复用为功能性电刺激设备输出电极的数量与区域只能通过人工手动调节。这给设备的使用者提出的较高的要求。使用者需要熟练掌握系统解剖学知识，以避免不当的电极选择导致非目标肌肉受到刺激电流影响产生非自主收缩。此外，当前的技术并不能实时检测电极的接触情况。当电极复用为功能性电刺激设备输出电极时，电极接触不良将会给患者带来刺痛、灼烧等不适感，引发患者的抗拒心理。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种高密度的肌电采集与电刺激装置及其控制方法，能够通过检测识别肌肉的位置信息并将肌电信号作为反馈信号，提高输出刺激电流的质量。

2、本发明所采用的第一技术方案是：一种高密度的肌电采集与电刺激装置，包括高密度电极阵列模块、连接fpc模块和主控单元模块，所述高密度电极阵列模块、所述连接fpc模块和所述主控单元模块依次连接，其中：

3、所述高密度电极阵列模块用于获取患者肌肉表面的肌电信号并接收所述主控单元模块生成的刺激电流信号；

4、所述连接fpc模块用于将所述肌电信号传输至所述主控单元模块；

5、所述主控单元模块用于接收所述肌电信号并进行感知处理，输出所述刺激电流信号。

6、进一步，所述高密度电极阵列模块包括若干电极对，所述电极对通过连接fpc模块与所述主控单元模块连接。

7、进一步，所述主控单元模块包括复用单元模块、高密度肌电传感器模块、功能性电刺激模块和微控制器模块，所述复用单元模块的输出端与所述连接fpc模块连接，所述复用单元模块的第一输入端与所述高密度肌电传感器模块的输出端连接，所述复用单元模块的第二输入端与所述功能性电刺激模块的输出端连接，所述高密度肌电传感器模块的输入端与所述微控制器模块的第一输出端连接，所述功能性电刺激模块的输入端与所述微控制器模块的第二输出端连接，其中：

8、所述复用单元模块用于控制所述高密度电极阵列模块中每一个电极的连接方式；

9、所述高密度肌电传感器模块用于对所述肌电信号进行放大和采样操作处理，生成数字信号并传输至所述微控制器模块；

10、所述功能性电刺激模块用于生成具有特定幅值与特定频率的刺激电流信号；

11、所述微控制器模块用于控制所述高密度肌电传感器模块与所述功能性电刺激模块的工作并进行患者肌肉位置检测与功能性电刺激反馈调节。

12、进一步，所述复用单元模块包括第一开关k1和第二开关k2，所述第一开关k1的第一端与所述高密度电极阵列模块的正电极端连接，所述第一开关k1的第二端选择性连接至所述高密度肌电传感器模块的第一端或所述功能性电刺激模块的正极端，所述第二开关k2的第一端与所述高密度电极阵列模块的负电极端连接，所述第二开关k2的第二端选择性连接至所述高密度肌电传感器模块的第二端或所述功能性电刺激模块的负极端。

13、进一步，所述高密度肌电传感器模块包括第一二极管d1、第二二极管d2、前置放大器、电流源和a/d转换芯片adc，所述电流源的第一端、所述第一二极管d1的负极端、所述前置放大器的正极输入端与所述第一开关k1的第二端连接，所述电流源的第二端、所述第二二极管d2的正极端、所述前置放大器的负极输入端与所述第二开关k2的第二端连接，所述前置放大器的输出端与所述a/d转换芯片adc的输入端连接，所述a/d转换芯片adc的输出端与所述微控制器模块连接，所述第一二极管d1的正极端与所述第二二极管d2的负极端均接地，其中：

14、所述第一二极管d1用于保护所述前置放大器的正输入端；

15、所述第二二极管d2用于保护所述前置放大器的负输入端；

16、所述前置放大器用于对所述肌电信号进行放大处理，生成放大后的肌电信号；

17、所述电流源用于生成0.1ma-1ma的微弱电流并进行电极间阻抗检测；

18、所述a/d转换芯片adc用于将所述放大后的肌电信号转换为数字信号并传输至所述微控制器模块。

19、进一步，所述微控制器模块包括第一通讯总线与第二通讯总线，所述第一通讯总线与所述高密度肌电传感器模块连接，所述第二通讯总线与所述功能性电刺激模块连接，其中：

20、所述第一通讯总线用于获取所述肌电信号；

21、所述第二通讯总线用于控制所述功能性电刺激模块输出所述刺激电流信号。

22、进一步，所述连接fpc模块与所述主控单元模块之间通过屏蔽接头模块进行连接，其中，所述屏蔽接头模块用于消除所述肌电信号在采集过程中的噪声。

23、本发明所采用的第二技术方案是：一种高密度的肌电采集与电刺激装置的控制方法，包括以下步骤：

24、基于所述高密度电极阵列模块获取患者的肌电信号；

25、通过所述连接fpc模块将所述肌电信号传输至所述主控单元模块；

26、基于所述主控单元模块，对所述肌电信号进行肌肉位置检测，获取患者的肌肉位置信息；

27、根据所述肌肉位置信息，所述主控单元模块对所述肌电信号进行感知处理，生成所述刺激电流信号；

28、通过所述高密度电极阵列模块将所述刺激电流信号作用于患者皮肤表面，刺激患者表面肌肉收缩。

29、进一步，所述基于所述主控单元模块，对所述肌电信号进行肌肉位置检测，获取患者的肌肉位置信息这一步骤，其具体包括：

30、当所述主控单元模块的微控制器模块接收到所述肌电信号，所述微控制器模块启动肌肉位置检测程序，动作组的执行次数i初始化为0，所述动作组包括若干执行动作；

31、患者根据所述执行动作依次执行，所述高密度电极阵列模块采集对应执行动作产生的肌电信号，并将所述执行动作的肌电信号保存至所述微控制器模块；

32、直至患者执行完所有所述执行动作，所述微控制器模块将保存的所述执行动作的肌电信号与模板信号进行匹配处理，选取匹配系数最高的模板信号；

33、根据所述匹配系数最高的模板信号确定患者的肌肉位置，得到获取患者的肌肉位置信息。

34、进一步，还包括通过所述高密度肌电传感器模块中的电流源判断所述高密度电极阵列模块是否与患者的皮肤接触。

35、本发明装置及控制方法的有益效果是：本发明通过高密度电极阵列模块获取患者肌肉表面的肌电信号，进一步基于主控单元模块接收肌电信号并进行感知处理，在主控单元模块中集成复用单元模块、高密度肌电传感器模块和功能性电刺激模块，设备体积减小，提升了设备的便携性，且高密度电极阵列中的电极可复用为功能性电刺激电极与高密度肌电采集电极，电极阵列得到充分利用，进一步主控单元模块增加了电流源，在电极阻抗异常增加或电极脱落时可以及时提醒使用者处理，进一步联立高密度电极阵列模块和主控单元模块实现肌肉位置检测识别，可以自主调节连接到功能性电刺激模块的电极位置与数量，根据肌肉大小与电刺激大小，自适应调节功能性电刺激区域与电极数量，避免肌肉因高强度电刺激快速疲劳影响实验效果，或因为刺激电极过大影响其他肌肉发力。