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专利名称：一种通道复用型肌电-电刺激一体化主动康复装置

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202311443655.1

专利申请（专利权）人：哈尔滨工业大学
权利人地址：黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号

专利发明（设计）人：杨大鹏,陈嘉琛,刘晨东,彭椿皓,戴一鸣

专利摘要：本发明提出一种通道复用型肌电?电刺激一体化主动康复装置，所述装置由多个设备端和一个接收端构成。所述的设备端是可提供运动康复功能的独立设备，其包括肌电?电刺激一体功能板和主控核心板。所述的接收端则作为设备的上位机，其有着实时监控各端口的sEMG信号、电刺激参数与发出指令调整设备端的电刺激参数功能。所述装置具有肌电生物反馈噪声小、实时性高的优点，且在达到相同肌电反馈的功能时可以有效节省所需电极数目和布置空间。

主权利要求：
1.一种通道复用型肌电?电刺激一体化主动康复装置，其特征在于，所述装置由多个设备端和一个接收端构成；所述的设备端是可以独立提供肌电采集与电刺激的设备单元，每个设备端有四个电极通道，且每个通道都能通过通道选择电路配置为表面肌电信号sEMG采集功能或者功能电刺激FES功能；同时，所述的设备端都带有CAN总线接口，用于连接多个设备以拓展通道数与功能范围；每个设备端上带有一个ESP32用于使用wifi/蓝牙向上位机发送指令与数据；所述的接收端则作为设备的上位机，其有着实时监控各设备端的sEMG信号、电刺激参数与发出指令调整设备端的电刺激参数功能；
所述的设备端是可提供运动康复功能的独立设备，其包括肌电?电刺激一体功能板和主控核心板；
所述的肌电?电刺激一体功能板用于采集表面肌电信号sEMG与执行功能电刺激FES；采集表面肌电信号包括对肌电信号的提取、放大和带通模拟信号滤波处理；执行功能电刺激指的是使用所设计的压控恒流源生成双极性刺激波，该刺激波直接作用于人体患病肌群用于运动康复治疗；
所述的主控核心板用于采集肌电?电刺激功能板所调理后的肌电模拟信号与控制电刺激波的波形、频率与刺激强度；主控核心板将运行对侧闭环控制系统算法用于指导患者进行运动康复训练，主控核心板上还包括wifi/蓝牙模块，其主控为ESP32C3芯片，该模块用于向接收端设备进行通讯，用于向接收端设备发送肌电信号及设备状态数据与接收接收端的指令；并且，主控核心板上有着CAN总线通讯模块，可以实现多个模块通讯；
所述对侧闭环控制系统算法包括以下步骤：
步骤1、桥接人体的健康肢体与运动功能障碍的肢体，并保证相应的肌肉群是一一对应的；
步骤2、对侧闭环运动康复开始；
步骤3、患者上肢双侧同时施力并执行上肢某动作，保持同样的运动模式，同时只观察自己健肢的运动状态；
步骤4、利用对侧闭环运动康复算法将健肢的肌电信号转化为患肢的电刺激辅助运动参数，使患者患肢能够跟随健肢的运动模式；
步骤5、动作恢复后，康复设备停止工作10秒钟，患者同时休息10秒钟；
步骤6、如果患者未感到肌肉疲劳时，再返回步骤3开始循环，否则结束；
所述步骤4中对侧闭环运动康复算法具体步骤为：
I、健肢上的一个设备端采集4通道上20ms的肌电信号；
II、计算每个通道上20ms窗口内肌电信号的均方根；
III、通过神经网络动作分类器对健肢动作进行分类；
IV、分类后使用生物力学模型计算出对应的电刺激参数作为前馈电刺激参数；
V、调用分时复用电刺激算法刺激一段时间，刺激后断开光耦，等待10ms以平复电刺激噪声；
VI、健肢上的设备端与患肢上的设备端的通道切换为肌电采集模式，采集10ms的肌电信号；
VII、计算该10ms内的肌电信号的均方根；
VIII、通过比例微分PD控制器，以步骤II中和步骤VII中的均方根之差作为输入，再进一步调整电刺激参数；
IX、在本次康复动作结束前，重复步骤V?VIII之间的步骤；
所述分时复用电刺激算法具体为：
①、根据前置运动分类模型，获取需要同时刺激肌群的待刺激通道序号；
②、根据优先级将序号放入待刺激队列中；
③、取队列首对应通道，按照模型计算的电刺激参数进行电刺激一定时间；
④、弹出队首元素，如果队列为空进行下一步，否则重复步骤③?④；
⑤、设备延时10ms后，对所有通道进行肌电信号采集，采集窗口大小为10ms；
⑥、在一个康复动作结束前，重复步骤②?⑤。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述通道选择电路包括通用电极、继电器、通道切换电路、肌电采集电路、功能电刺激电路、电源管理电路和主控电路；所述继电器有两组独立开关，且每组开关都有单刀双掷的选通特性；电极座通过所述继电器的单刀双掷开关分别连接所述肌电采集电路与所述功能电刺激电路；所述继电器的控制端则通过主控电路连接主控的IO引脚。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的通道切换电路由电极座、光继电器、三极管与一个用于防电压方向突变的续流二极管组成；通道的切换由主控的GPIO控制，通道默认与肌电采集电路相连，通道功能可在控制指令发出3ms内得到切换。 说明书 : 一种通道复用型肌电?电刺激一体化主动康复装置技术领域[0001] 本发明涉及电刺激理疗仪技术领域，尤其涉及一种通道复用型肌电?电刺激一体化主动康复装置。背景技术[0002] 功能电刺激(functionalelectricalstimulation，FES)是一种利用低频脉冲电流来刺激神经肌肉，诱发或模拟正常的运动功能的技术。其不仅可以改善或恢复肢体和器官的功能，还可以促进人体运动神经网络的重塑，提高中枢神经系统的可塑性，可用于治疗包括脑卒中等疾病造成的人体运动功能障碍。[0003] 表面肌电信号(sEMG)可以用于评估肌肉功能。通过分析sEMG信号的特征，可以了解肌肉的收缩情况、疲劳程度、协调性等。对于评估肌肉功能、制定康复计划、调整训练强度等都有很大的帮助。通过分析sEMG信号的变化，可以直接了解患者肌群的激活情况进而揭示患者的运动意图强度。[0004] 简单的开环FES运动康复功能都属于连续被动活动(ContinuousPassiveMotion，CPM)式的康复，其不包括检测患者主观运动意图的反馈环节。近年来大量研究表明：融合了主动运动意图的被动运动康复会比简单的CPM产生更好的神经肌肉康复效果。相关研究也深入讨论了CPM的康复效果不足与融入了患者主观意图的运动康复控制器能够为患者康复的效果带来显著提升。可知对于未来的运动康复器械，无论是医疗康复机器人还是电理疗仪，融合了患者的主观运动意图的控制器与被动协同运动康复硬件结合必然是现阶段的研究主流方向之一。但目前作为能够直接提取运动意图的非侵入式脑机接口技术，仍存在以下缺陷：相关技术尚未成熟，有着成本高、开发难度大、患者使用不便、临床普及困难的缺点。[0005] 目前市面上大部分电刺激理疗仪属于开环输出设备，不包含肌电采集反。庋娜钡阍谟诘绱碳ど柚镁饶岩员Ｖ。[0006] 部分包含肌电助力的电理疗仪则一般会将肌电采集电极额外引出。因为每处肌群都至少要安置两对电极，在进行多肌群协同康复时电极密度过大，患者体感上会感到不舒服。其次，因为硬件上肌电采集于电刺激未隔离开来，因为放大器饱和等问题，所采集到的肌电信号含有大量噪声，往往需要滤波算法来过滤肌电信号，降低了系统实时性的同时也提高了成本。[0007] 同时，市面上几乎全部的电理疗仪几乎都采用闭源生态，在功能拓展性与通道数拓展性上表现不足。通道数目有限导致设备无法提供多关节、多肌群的协同运动康复模式；缺少必要开放接口导致电理疗仪无法与脑机接口、医用外骨骼等其他康复设备进行协同康复控制，进而导致设备通用性不足。[0008] 简单的开环FES运动康复功能都属于连续被动活动(ContinuousPassiveMotion，CPM)式的康复，其不包括检测患者主观运动意图的反馈环节。其缺点在于让患者接受被动的电刺激可能会使患者肌肉产生拮抗作用，进而使肌肉快速进入疲惫状态，使治疗效果降低。开环电刺激治疗原理可见图1所示，其相当于被动激活了病患肌肉的大部分运动单元和部分感觉反馈神经。[0009] 现有的电理疗仪大多需要患者自行输入调整电刺激参数，经过反复调整才能得到最终的适宜的电刺激参数，人机交互复杂且不友好。同时，因为患者的误操作可能出现同时刺激某关节的主动肌与拮抗肌的情况，这会是患者待治疗肌群快速进入疲劳状态，大大降低康复效果。[0010] 同时，对于现有的同侧肌电?电刺激设备，因为直接在患肢上同时进行肌电信号采集与电刺激，会对肌电采集引入较大噪声，难以真正实现低成本的闭环控制方案。[0011] 综上所述，对于一款用于治疗运动功能障碍的电理疗仪，现阶段缺少硬件上噪声小、具有实时肌电反馈功能、通用性强；康复算法方案上缺少成本低，能够充分融合患者主观运动意图、人机交互简单的集成系统产品。发明内容[0012] 本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种通道复用型肌电?电刺激一体化主动康复装置。以解决现有电理疗仪存在的治疗效果不足、使用不方便、信噪比低、拓展性差的问题。[0013] 本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种通道复用型肌电?电刺激一体化主动康复装置，所述装置由多个设备端和一个接收端构成；所述的设备端是可以独立提供肌电采集与电刺激的设备单元，每个设备端有四个电极通道，且每个通道都能通过通道选择电路配置为sEMG采集功能或者FES功能；同时，所述的设备端都带有CAN总线接口，用于连接多个设备以拓展通道数与功能范围；每个设备端上带有一个ESP32用于使用wifi/蓝牙向上位机发送指令与数据；所述的接收端则作为设备的上位机，其有着实时监控各端口的sEMG信号、电刺激参数与发出指令调整设备端的电刺激参数功能。[0014] 进一步地，所述通道选择电路包括通用电极、继电器、通道切换电路、肌电采集电路、功能电刺激电路、电源管理电路和主控电路；所述继电器有两组独立开关，且每组开关都有单刀双掷的选通特性；电极座通过所述继电器的单刀双掷开关分别连接所述肌电采集电路与所述功能电刺激电路；所述继电器的控制端则通过主控电路连接主控的IO引脚。[0015] 进一步地，所述的通道切换电路由电极座、光继电器、三极管与一个用于防电压方向突变的续流二极管组成；通道的切换由主控的GPIO控制，通道默认与肌电采集电路相连，通道功能可在控制指令发出3ms内得到切换；通过该通道切换电路，将待采集肌电信号的通道与电刺激通道隔离开来，有效地减少了电刺激给肌电采集通道中引入的噪声。[0016] 进一步地，所述的设备端是可提供运动康复功能的独立设备，其包括肌电?电刺激一体功能板和主控核心板；[0017] 所述的肌电?电刺激一体功能板用于采集表面肌电信号sEMG与执行功能电刺激FES；所述的采集表面肌电信号功能包括对肌电信号的提取、放大和带通模拟信号滤波处理；所述的执行功能电刺激功能指的是使用所设计的压控恒流源生成双极性刺激波，该刺激波直接作用于人体患病肌群用于运动康复治疗；[0018] 所述的主控核心板用于采集肌电?电刺激功能板所调理后的肌电模拟信号与控制电刺激波的波形、频率与刺激强度；主控核心板将运行对侧闭环控制系统算法用于指导患者进行运动康复训练，主控核心板上还包括wifi/蓝牙模块，其主控为ESP32C3芯片，该模块用于向接收端设备进行通讯，用于向接收端设备发送肌电信号及设备状态数据与接收接收端的指令；并且，主控核心板上有着CAN总线通讯模块，可以实现多个模块通讯。[0019] 进一步地，所述对侧闭环控制系统算法包括以下步骤：[0020] 步骤1、桥接人体的健康肢体与运动功能障碍的肢体，并保证相应的肌肉群是一一对应的；[0021] 步骤2、对侧闭环运动康复开始；[0022] 步骤3、患者上肢双侧同时施力并执行上肢某动作，保持同样的运动模式，同时只观察自己健肢的运动状态；[0023] 步骤4、利用对侧闭环运动康复算法将健肢的肌电信号转化为患肢的电刺激辅助运动参数，使患者患肢能够跟随健肢的运动模式；[0024] 步骤5、动作恢复后，康复设备停止工作10秒钟，患者同时休息10秒钟；[0025] 步骤6、如果患者未感到肌肉疲劳时，再返回步骤3开始循环，否则结束。[0026] 进一步地，所述步骤4中对侧闭环运动康复算法具体步骤为：[0027] I、健肢上的一个设备端采集4通道上20ms的肌电信号；[0028] II、计算每个通道上20ms窗口内肌电信号的均方根；[0029] III、通过神经网络动作分类器对健肢动作进行分类；[0030] IV、分类后使用生物力学模型计算出对应的电刺激参数作为前馈电刺激参数；[0031] V、调用分时复用电刺激算法刺激一段时间，刺激后断开光耦，等待10ms以平复电刺激噪声；[0032] VI、健肢上的设备端与患肢上的设备端的通道切换为肌电采集模式，采集10ms的肌电信号；[0033] VII、计算该10ms内的肌电信号的均方根；[0034] VIII、通过PD控制器，以步骤I中和步骤VI中的均方根之差作为输入，再进一步调整电刺激参数；[0035] IX、在本次康复动作结束前，重复步骤V?VIII之间的步骤。[0036] 进一步地，所述分时复用电刺激算法具体为：[0037] ①、根据前置运动分类模型，获取需要同时刺激肌群的待刺激通道序号；[0038] ②、根据优先级将序号放入待刺激队列中；[0039] ③、取队列首对应通道，按照模型计算的电刺激参数进行电刺激一定时间；[0040] ④、弹出队首元素，如果队列为空进行下一步，否则重复步骤③?④；[0041] ⑤、设备延时10ms后，对所有通道进行肌电信号采集，采集窗口大小为10ms；[0042] ⑥、在一个康复动作结束前，重复步骤②?⑤。[0043] 本发明具有的有益效果是：[0044] (1)本发明设计了一款用于实时反馈的通道复用型电理疗仪硬件架构，具有肌电生物反馈噪声小、实时性高的优点，且在达到相同肌电反馈的功能时可以有效节省所需电极数目和布置空间。同时，通过该设备的CAN总线接口，可以较为简易地实现设备之间的协同控制，也能实现设备与其他康复装置(如外骨骼机器人等)的协同控制，具有极强的拓展性与通用性；[0045] (2)本发明的肌电采集电路与电刺激电路简单可靠，且有充分的医疗安全考虑；电路集成度高的同时成本较低，便于临床大量普及；[0046] (3)本发明对装置的可穿戴性与易用性提升也进行了相关设计，在保证设备小巧的同时还设计了可穿戴织物用于提示电极布置位置，如果患者电极布置不正确将难以穿戴上所设计的织物，故可有效防止患者因误操作电极布置而对肌肉造成疲劳与损伤；[0047] (4)本发明的对侧闭环控制系统包含前馈环节与反馈环节，保证系统具有极佳的快速性与准确性，可以有效减缓患者肌肉疲劳，延长治疗时间。[0048] (5)所使用的闭环对侧控制方案保证了能够实时提取患者主观运动意图的需要；同时前馈环节中的动作分类器可以探测患者的肢体运动情况，避免患者的主观运动趋势与电理疗仪的被动运动产生对抗，大大提升了舒适性与治疗效果。附图说明[0049] 图1为现有开环电刺激技术的原理示意图。[0050] 图2为本发明的实施例1的系统硬件架构示意图。[0051] 图3为本发明的实施例2通道切换电路的电路示意图。[0052] 图4为本发明的实施例3康复装置的使用示意图。[0053] 图5为本发明的实施例4对侧闭环控制系统的控制系统框图。[0054] 图6为本发明的实施例5改进的Harmmerstein前馈模型示意图。[0055] 图7为本发明的对侧主动运动康复的流程图。[0056] 图8为本发明的肌电?电刺激对侧闭环控制算法流程图。[0057] 图9为上位机界面示意图。具体实施方式[0058] 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。[0059] 实施例1[0060] 参阅图2，本发明提出一种通道复用型肌电?电刺激一体化主动康复装置，所述装置由多个设备端和一个接收端构成；所述的设备端是可以独立提供肌电采集与电刺激的设备单元，每个设备端有四个电极通道，且每个通道都能通过通道选择电路配置为sEMG采集功能或者FES功能；同时，所述的设备端都带有CAN总线接口，用于连接多个设备以拓展通道数与功能范围；通过使用CAN总线技术，解决了传统电刺激设备通道数量固定、难以与其他设备协同控制、拓展性差的痛点，使设备具有极佳的通用型；每个设备端上带有一个ESP32用于使用wifi/蓝牙向上位机发送指令与数据；所述的接收端则作为设备的上位机，其有着实时监控各端口的sEMG信号、电刺激参数与发出指令调整设备端的电刺激参数功能。[0061] 所述的设备端是可提供运动康复功能的独立设备，其包括肌电?电刺激一体功能板和主控核心板；针对需要不同算力的场景及功能应用，可以通过更换使用不同算力的MCU来对设备成本与性能进行调整。[0062] 所述的肌电?电刺激一体功能板用于采集表面肌电信号sEMG与执行功能电刺激FES；所述的采集表面肌电信号功能包括对肌电信号的提取、放大和带通模拟信号滤波处理；所述的执行功能电刺激功能指的是使用所设计的压控恒流源生成双极性刺激波，该刺激波直接作用于人体患病肌群用于运动康复治疗；[0063] 所述的主控核心板用于采集肌电?电刺激功能板所调理后的肌电模拟信号与控制电刺激波的波形、频率与刺激强度；主控核心板将运行对侧闭环控制系统算法用于指导患者进行运动康复训练，主控核心板上还包括wifi/蓝牙模块，其主控为ESP32C3芯片，该模块用于向接收端设备进行通讯，用于向接收端设备发送肌电信号及设备状态数据与接收接收端的指令；并且，主控核心板上有着CAN总线通讯模块，可以实现多个模块通讯。[0064] 所述的接收端实际上指的是包含wifi/蓝牙接收设备的上位机，其一般为PC主机或者linux单板。接收端的作用为实时监控各个设备端的状态与接收肌电信号数据；其也可作为人机交互界面，用于向设备端发送调整电刺激参数等相关指令。[0065] 实施例2[0066] 所述通道选择电路包括通用电极、继电器、通道切换电路、肌电采集电路、功能电刺激电路、电源管理电路和主控电路；所述继电器有两组独立开关，且每组开关都有单刀双掷的选通特性；电极座通过所述继电器的单刀双掷开关分别连接所述肌电采集电路与所述功能电刺激电路；所述继电器的控制端则通过主控电路连接主控的IO引脚。[0067] 所述的通道切换电路由电极座、光继电器、三极管与一个用于防电压方向突变的续流二极管组成；通道的切换由主控的GPIO控制，通道默认与肌电采集电路相连，通道功能可在控制指令发出3ms内得到切换；通过该通道切换电路，将待采集肌电信号的通道与电刺激通道隔离开来，有效地减少了电刺激给肌电采集通道中引入的噪声。[0068] 见图3，本实施例提供了电极通道的功能切换电路，该电路是实现通道复用功能的核心。该电路包括继电器K1、二极管D1、电阻R1、R2与R3、三极管Q1。继电器K1的单刀双掷开关分别与肌电采集与电刺激电路相连，开关另一端与电极接口相连。二极管D1为续流二极管，其和电阻R1串连后与继电器K1并联用于快速降低继电器切换开关时产生的反电势，使得继电器能够快速切换通道。三极管与电阻R2、R3共同组成了继电器的控制电路。单片机的引脚直接与电阻R2串联后连接三极管Q1的基极，从而能够直接控制继电器的所选通道。默认情况下单片机未输出高电平控制信号时，继电器的开关将电极座与肌电采集电路相连，即CH1+与SEMG1+相连、CH1?与SEMG?相连；单片机输出高电平控制信号后，继电器的开关将在3ms电极座与电刺激电路相连，即CH1+与FES+相连、CH1?与FES?相连，完成通道切换。[0069] 实施例3[0070] 见图4，本实施例提供了对侧闭环运动康复设备的使用原理图，其包括镶嵌有电极接口的可穿戴织物1、康复装置2和电极连接导线3。使用时，首先分别在待康复的患病肌群与对应健康肌群上上贴好电极并佩戴好可穿戴织物1；接着将对应肌群的电极导线连接到到康复装置上；然后便可开始运动康复训练。所述的镶嵌有电极接口的可穿戴织物1实际上便是在编织时固定电极连接口的位置，且织物上标出了该电极的所属通道，方便患者快速穿戴设备与验证所治疗位点不会存在较大偏移。[0071] 实施例4[0072] 对侧闭环电刺激控制系统框图见图5。该控制系统的目标是使得患肢上的肌肉力能够跟踪健肢对应肌肉群上的肌肉力，进而使得健患肢能够实现同步动作。宏观上便是通过健肢的肌电信号提取患者主动运动意图的强度，并根据该强度电刺激患肢。该流程使患者完成了产生意图动?完成动作的闭环神经回路。现对该控制系统的部分环节进行介绍：提取健康肢体的肌电信号后进行了倍率为K的调整，其中0＜K≤1，该环节主要是考虑到不同病患程度的患者能产生的最大肌力有限，故为了提升训练的效果，此处对跟踪肌力的比例进行了一定调整。[0073] 该系统中的前馈环节包含了一个神经网络动作分类器和生物力学模型前馈。神经网络动作分类器主要是为了对患者的健肢动作进行识别，避免后续电刺激所产生的辅助运动与患者的主动运动意图所拮抗。生物力学则是用于快速计算出所需要的电刺激强度参数，使得患肢能够快速跟踪上健肢动作。该系统的反馈环节主要包含了PD控制器，该控制器的作用是在前馈环节后健患肢之间动作仍然有一定误差时快速纠偏，提升健患肢动作之间的一致性。[0074] 实施例5[0075] 所述的前馈通道中，所使用的生物力学模型为如图6的改进Harmmerstein模型，其有着精确度高、计算方便等优点；又因为肌电幅值大小直接与肌肉收缩强度成正相关，故可以直接建立肌电信号到电刺激参数强度之间的关系以快速配置电刺激参数。Hammerstein模型本质上是建立电刺激强度到肌肉产生力的生物力学模型，本发明的改进Hammerstein模型流程包括磁滞非线性环节、二阶线性环节和时间滞后环节三个环节。[0076] Hammerstein非线性环节一般使用多项式进行拟合，前期实验发现电刺激强度增加与减少时对应的肌电值变化会产生一定的偏移，故可取电刺激强度上升和下降时对应的肌电平均值作为最终的电刺激强度?肌电大小关系，表达式如式(1)所示。[0077][0078] 其中f1(u)与f2(u)分别表示的是电刺激强度在上升和下降时非线性环节肌电值大小的变化,u则是电刺激强度(一般为电刺激电压、电流或者脉宽的大。痉⒚髦衭为电刺激电流大小)。前期实验表明，当q＝3，即使用3次多项式来建模时效果较好。[0079] 后续的线性环节和时间滞后环节则决定了整个关节系统后续的运动情况。线性环节的公式如式(2)所示。一般取n＝2，即使用二阶系统来对肌肉模型建模。[0080][0081] 时间滞后环节则是体现了电刺激一段时间后关节才能产生运动的环节，该环节的模型如公式(3)所示。[0082] TDealy＝e?τs(3)[0083] τ为延迟时间常数，经实验确认，电刺激后肌肉的反应时间延迟一般在0.01秒左右，模型的参数辨识则是在是在试验后使用最小二乘法得到关键参数。在已经得到了关键参数之后，使用前馈来对模型进行补偿：[0084] 根据控制工程原理，前馈环节中非线性环节的补偿使用f?1(sEMG)，线性环节的补偿使用 理论上能够达到最小误差和最快调节速度。而PD控制器本上包含有一阶微分项，而二阶微分项前馈会引入系统震荡，故最终前馈环节中对刺激电流幅值的计算如公式(4)所示。其中Lamp、Uamp则分别是在预实验中得到的使人能够产生运动的最低电流大小和使人感受到疼痛的安全电流限制，Kp为比例放大系数，通过手动整定。[0085][0086] 实施例6[0087] 见图7，本实例详细介绍了使用本发明所提供的装置进行运动康复的整个流程，该流程包含以下步骤：桥接人体的健康肢体与由运动功能障碍的肢体，并尽量保证相应的肌肉群是一一对应的。[0088] 在运动康复算法上，本发明的目的是提供一种通用性强，解决了传统开环电刺激康复效果差，患者使用困难的问题，也解决了市面上普通肌电助力电刺激反馈性能差、肌电采集噪声大的问题。[0089] 所述对侧闭环控制系统算法包括以下步骤：[0090] 步骤1、桥接人体的健康肢体与运动功能障碍的肢体，并保证相应的肌肉群是一一对应的；[0091] 步骤2、对侧闭环运动康复开始；[0092] 步骤3、患者上肢双侧同时施力并执行上肢某动作，保持同样的运动模式，同时只观察自己健肢的运动状态；[0093] 步骤4、利用对侧闭环运动康复算法将健肢的肌电信号转化为患肢的电刺激辅助运动参数，使患者患肢能够跟随健肢的运动模式；[0094] 步骤5、动作恢复后，康复设备停止工作10秒钟，患者同时休息10秒钟；[0095] 步骤6、如果患者未感到肌肉疲劳时，再返回步骤3开始循环，否则结束。[0096] 所述的步骤1中的桥接指的是分别在患者患肢上的病患肌肉群和对应健肢上肌肉群上穿戴上集成电极织物，并将电极连接到本发明的装置上。如果通道数不足，可以使用CAN总线通道拓展本装置的电极通道数。[0097] 实施例7[0098] 见图8，本实施例系统阐述了对侧电刺激康复算法流程，该流程具体如下：[0099] 所述步骤4中对侧闭环运动康复算法具体步骤为：[0100] I、健肢上的一个设备端采集4通道上20ms的肌电信号；出现偏差较大的数值则直接删除；[0101] II、计算每个通道上20ms窗口内肌电信号的均方根；[0102] 均方根的计算公式如式(5)所示:[0103][0104] 其中xi为所采集的第i个肌电电压值；[0105] III、通过神经网络动作分类器对健肢动作进行分类；[0106] 所使用的神经网络分类器介绍如下：[0107] 将II中的均方根作为神经网络的输入，输出为四种动作的独热编码，且根据分布式计算特点，每个独立的主控最多只处理四种分类；[0108] 网络有两层隐藏层，且每个隐藏层有10个神经元；[0109] 神经元的激活函数使用ReLU函数；[0110] IV、分类后使用生物力学模型计算出对应的电刺激参数作为前馈电刺激参数；[0111] V、调用分时复用电刺激算法刺激一段时间，刺激后断开光耦，等待10ms以平复电刺激噪声；[0112] VI、健肢上的设备端与患肢上的设备端的通道切换为肌电采集模式，采集10ms的肌电信号；[0113] VII、计算该10ms内的肌电信号的均方根；[0114] VIII、通过PD控制器，以步骤I中和步骤VI中的均方根之差作为输入，再进一步调整电刺激参数；[0115] IX、在本次康复动作结束前，重复步骤V?VIII之间的步骤。[0116] 所述的算法步骤V中的一段时间范围大概在50?100ms，所用的电刺激载波在20?50Hz之间，占空比一般不超过20％。[0117] 所述的分时复用的通道复用肌电采集?电刺激技术与本发明的硬件架构相关，其目的是进一步抑制噪声与保证电刺激不会出现多个电极对之间发生“串电”现象。[0118] 所述分时复用电刺激算法具体为：[0119] ①、根据前置运动分类模型，获取需要同时刺激肌群的待刺激通道序号；[0120] ②、根据优先级将序号放入待刺激队列中；[0121] ③、取队列首对应通道，按照模型计算的电刺激参数进行电刺激一定时间；[0122] ④、弹出队首元素，如果队列为空进行下一步，否则重复步骤③?④；[0123] ⑤、设备延时10ms后，对所有通道进行肌电信号采集，采集窗口大小为10ms；[0124] ⑥、在一个康复动作结束前，重复步骤②?⑤。[0125] 所述步骤③中的电刺激一定时间同之前的V中所述，其取决于患者所需电刺激强度。[0126] 所述步骤②中的优先级指的是在生物力学上，对于某特定动作各参与肌肉的贡献量排名，一般来说，作为主要贡献的肌肉群较大，需要优先进行强度较大的电刺激。[0127] 实施例8[0128] 见图9，本实例为对应的上位机界面。其包括以下几个部分：1为通讯配置区域，可选择串口、蓝牙、TCP/IP三种通讯方式之一并进行参数配置；2为电刺激参数配置区域，可用于直接配置电刺激参数并进行发送；3为四通道信号显示坐标系；4为接收数据、信息显示窗口，并且还可以通过该部分实时录制接收到的数据，便于下一步对肌电数据进行数据处理等操作。通过该上位机，能够较为方便地对系统进行调试与使用。

专利地区：黑龙江

专利申请日期：2023-11-02

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN117563131B