基于肌電反饋的上肢訓練方法及系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于肌電反饋的上肢訓練方法及系統，該系統將信號采集，模式識別，生物反饋，及實時疲勞評價各模塊有序的結合，可以幫助用戶實現上肢運動功能的訓練。所述方法包括：在用戶為完成虛擬的游戲任務而進行相應的動作例如前臂旋轉、屈腕/伸腕的同時，采集用戶上肢關節的運動信號和肌電信號，利用基于用戶所采集到運動信號調整虛擬控制目標的運動參數，同時根據肌電信號中的特征參數識別出用戶的若干肌肉收縮模式，并將識別出的模式作為肌電反饋控制方法的選擇依據。另外，在整個交互訓練的同時系統根據采集到的肌電信號實時提取疲勞特征，分析肌肉的疲勞狀態以實現對肌肉疲勞判斷和報警。
【專利說明】基于肌電反饋的上肢訓練方法及系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及醫療【技術領域】，尤其涉及一種基于肌電反饋的上肢訓練方法及系統。
【背景技術】
[0002] 腦卒中（中風）是威脅人類健康的首要疾病之一，具有恢復緩慢，死亡數多，致殘率 高等特點，而且伴隨著人們生活水平日益提高，呈現患病率逐漸上升的趨勢。據調查顯示， 大多數中風用戶往往因中樞神經系受損而導致上下肢運動功能喪失，給用戶本身和家庭都 帶來了巨大的痛苦和損失，因此，中風用戶需要依靠康復訓練來重獲運動能力，以提高在日 常生活中的自理能力，為家庭和社會減少負擔。對于中風用戶的肢體功能康復，往往呈現出 下肢較上肢快、近端較遠端易的特點，30%_66%的腦卒中用戶遺留有不同程度的上肢功能障 礙，且有將近10%是重度致殘，所以上肢運動功能康復已經成為腦卒中用戶臨床康復的關 注熱點。而手關節以及腕關節的功能康復作為康復的重要分支，是以涉及復雜神經回路的 精細動作恢復為主，成為上肢大關節運動功能康復的有力補充。傳統的上肢康復方法包括 人工物理治療，反復作業療法，強制運動療法以及中醫學中的針灸醫術等，都在一定程度上 促進腦卒中用戶運動功能的恢復。近年來，人機交互作為一種結合了各種腦機接口技術，虛 擬現實技術，運動傳感技術，生物反饋技術等的新型康復手段，在中風康復領域發展迅速。 其中，利用肌肉電信號反饋控制以實現人機交互的方法不僅可以在康復訓練中通過人機交 互界面上虛擬游戲增加用戶的參與興趣，而且對中風用戶康復有助于對中風用戶神經功能 變化機理的探究，可以通過在復雜的生物電信號中提取有用的信息從本質上對中風用戶的 神經肌肉狀況進行跟蹤和評價，提高康復效率。調研得到的現有的新型手部及腕部康復裝 置包括，美國華盛頓國立康復醫院Brokaw在2010年提出的增強手部運動驅動彈力裝置 (HandSOME)是利用彈力繩的彈力抵抗屈肌的高張力的原理來實現康復效果。美國芝加哥伊 利諾伊大學的Iwamuro也在2011年提出一種X-Golve手套矯形裝置，并且在臨床試驗中利 用Wolf運動分級功能表進行了康復效果驗證。2011年新澤西醫學與牙科學研究院Merian 搭建的上肢功能康復機器人使中風患者在完成4項手部動作的同時進行康復訓練，來自香 港理工大學的Tong及Goldfrey等也利用手部和腕部的外骨骼機器人對中風患者患側前臂 進行輔助康復治療，另外，有文獻指出同一塊肌肉的肌電信號的大小可以反映出肌肉收縮 產生的力的大小，且成正相關的關系，基于這一點，2010年英國中央蘭開夏大學Ma利用了 肌電反饋的思路，控制虛擬射擊游戲，將處理的肌電信號用來控制游戲的動作，使患者在游 戲的同時，進行肩關節和手關節的運動。
[0003] 綜上所述，針對中風用戶上肢，尤其是以精細運動為主的手和腕關節的康復技術 仍處于相對早的階段，基本都為單關節的，低自由度的康復動作設計，且對于利用生物電信 號進行人機交互對游戲控制和利用模式識別進行反饋屬性切換的實例也相對較少，這一技 術在卒中患者手功能康復中已經得到應用，但是其機制還需進一步探索，大面積的推廣和 普及還需要更完善的理論基礎，以及相應的經濟和技術支持。另外，在訓練過程中，很多系 統也疏于對參與者肌肉疲勞情況進行實施監控，因此對康復訓練過程中，用戶患肢肌肉神 經情況的實時反饋也比較匱乏，不利于在訓練過程中對肌肉疲勞狀況進行評判以及在臨床 上對用戶提出進一步的康復策略。
【發明內容】
[0004] 本發明提出一種基于肌電反饋的上肢訓練方法及系統，利用上肢動作相關的運動 及肌電信號進行人機交互，對虛擬游戲進行控制，控制基于模式識別及生物肌電反饋進行， 來實現多關節參與訓練的效果，并對訓練過程中用戶的肌肉疲勞狀況進行跟蹤評價和報 警。
[0005] 本發明實施例提供一種基于肌電反饋的上肢訓練方法，其特征在于，包括步驟：
[0006] S1、在用戶為完成虛擬游戲中的任務以進行相應的上肢關節動作時，實時采集用 戶上肢關節的運動信號和肌電信號；
[0007] S2、利用基于采集到的所述運動信號調整虛擬控制目標的位置、速度、加速度等運 動參數，
[0008] S3、同時根據采集到的所述肌電信號中的特征參數識別出用戶的若干肌肉收縮模 式；
[0009] S4、將識別出的模式作為肌電反饋控制方式的選擇依據。
[0010] 優選的，在所述步驟S4中，所述肌電反饋控制方法至少包括有肌電幅值映射控制 及肌電幅值閾值判斷，所述有肌電幅值映射控制及肌電幅值閾值判斷都是通過對肌電信號 進行實時的處理，并與虛擬場景中的參數進行交互控制，其具體對應的虛擬游戲中控制的 參數根據游戲內容選擇。
[0011] 優選的，還包括步驟：
[0012] S5、在利用所述肌電反饋控制方法實現用戶的上肢訓練過程中，根據采集到的肌 電信號實時提取疲勞特征，通過對疲勞特征參數的跟蹤和記錄，分析肌肉的疲勞狀態以實 現對肌肉疲勞判斷和報警。
[0013] 優選的，在所述步驟S1前，還包括步驟：
[0014] S0、使用戶進行相應動作的最大自主收縮，根據采集到的肌電信號選擇肌電反饋 控制和疲勞特征判斷中的個性化閾值。
[0015] 優選的，在所述步驟S2中，通過以下步驟實現如何根據采集到的所述肌電信號中 的特征參數識別出用戶的若干肌肉收縮模式：
[0016] S31、利用一個平滑移動窗將采集到的肌電信號進行周期化分割，提取每個周期內 的肌電信號的特征參數，所述特征參數至少包括平均絕對值、信號持續時間、平均絕對值斜 率、波長法、過零次數法；
[0017] S32、將提取的特征參數作為輸入量輸入鍛煉好的分類器，從而反饋識別出用戶單 塊或多塊肌肉發力時的收縮模式，可以為對至少包括伸腕及屈腕的運動的識別，也可以為 對多塊肌肉在發力時的協同模式，其發送出相應的判別指令，識別的模式及其種類與交互 游戲選擇密切相關，可結合用戶需要進行更改。
[0018] 本發明還相應提供了一種基于肌電反饋的上肢訓練系統，包括：
[0019] 主機交互模塊，包括交互游戲界面，用于引導用戶進行相應的上肢關節動作以完 成虛擬游戲中的任務；
[0020] 信號采集模塊，用于在用戶進行相應的上肢關節動作時，實時采集用戶上肢關節 的運動信號和肌電信號；
[0021] 信號傳輸模塊，用于將所述信號采集模塊采集到的運動信號和肌電信號傳輸到主 機控制模塊以進行人機交互；
[0022] 主機控制模塊，分別與所述主機交互模塊和信號傳輸模塊連接，用于將所述信號 傳輸模塊傳輸的運動信號和肌電信號進行運算與處理，并將運算和處理結果輸出給所述主 機交互模塊以進行相應的游戲操作的參數設置，主要包括：
[0023] 接收存儲單元，用于接收所述信號傳輸模塊傳輸的運動信號和肌電信號并存儲；
[0024] 特征參數提取單元，用于將所述接收存儲單元中的肌電信號進行特征參數提取；
[0025] 運動參數設置單元，用于根據所述接收存儲單元接收到的運動信號調整所述主機 交互模塊中顯示的虛擬控制目標的運動參數；
[0026] 模式識別單元，根據所述特征參數提取單元提取的特征參數識別出用戶的若干肌 肉發力收縮模式；并將識別出的模式轉化成為指令輸出
[0027] 肌電反饋控制單元，接收所述模式識別單元輸出的指令，并根據所述指令作為選 擇不同肌電反饋控制方法的依據。
[0028] 優選的，所述主機控制模塊還包括：
[0029] 肌肉疲勞監控單元，用于對所述特征參數提取單元提取的特征參數進行實時監 控，當所述特征參數中能夠表征用戶肌肉疲勞的特征參數達到預設的疲勞閾值時，發出疲 勞警報。
[0030] 優選的，所述主機控制模塊還包括：
[0031] 初始閾值設定單元，用于將根據訓練前采集到的最大自主收縮測試結果的一定百 分比設定好的初始閾值進行確認和保存，可以有效的消除個體化的差異；
[0032] 訓練難度調節單元，利用系統將上肢運動設定不同的阻力；實現不同用戶的個性 化訓練強度配置和不同強度下的訓練過程。
[0033] 優選的，所述信號采集模塊具體包括：
[0034] 運動信號采集單元，通過運動信號測量裝置采集用戶上肢運動信號；
[0035] 肌電信號采集單元，通過表面電極提取采集用戶上肢運動相關肌肉的肌電信號， 并將采集到的多個通道的肌電信號進行至少包括放大和濾波的預處理。
[0036] 優選的，所述主機控制模塊還包括：
[0037] 肌電信號周期分割單元，利用一個平滑移動窗將采集到的肌電信號進行周期化分 害IJ，從而進行特征參數計算。
[0038] 本發明實施例提供的基于肌電反饋的上肢訓練方法及系統，將采集并預處理后的 肌電信號和運動信號進行反饋控制，與利用虛擬技術搭建的康復游戲進行交互，達到對虛 擬游戲動作的控制，并且在康復訓練的同時，利用采集到的肌電信號對訓練者運動量進行 實時的監控，從而對參與者肌肉疲勞情況進行判斷，并做出疲勞報警，以便對訓練任務進行 合理的調整。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0039] 圖1是本發明提供的基于肌電反饋的上肢訓練方法的流程示意圖；
[0040] 圖2是本發明提供的基于肌電反饋的上肢訓練方法中步驟S1的流程示意圖；
[0041] 圖3是本發明提供的基于肌電反饋的上肢訓練方法中步驟S3的流程示意圖；
[0042] 圖4是本發明提供的基于肌電反饋的上肢訓練系統的結構示意圖；
[0043]圖5是本發明提供的基于肌電反饋的上肢訓練系統的信號采集模塊的結構示意 圖；
[0044] 圖6是本發明提供的基于肌電反饋的上肢訓練系統的主機控制模塊的結構示意 圖；
[0045] 圖7是本發明提供的一個實施例游戲的交互和控制的示意圖。
【具體實施方式】
[0046] 下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0047] 參見圖1，是本發明提供的基于肌電反饋的上肢訓練方法的流程示意圖。
[0048] 本發明實施例提供一種基于肌電反饋的上肢訓練方法，包括以下步驟S1?S5 :
[0049] S1、在用戶為完成虛擬游戲中的任務以進行相應的動作時，包括完成前臂旋轉、屈 腕/伸腕，及手關節抓握的動作時采集用戶前臂的旋轉角度信號和相關肌肉的肌電信號；
[0050] 本發明旨在將采集到的肌電信號和角度信號進行反饋控制，與利用虛擬技術搭建 的康復游戲進行交互，達到對游戲動作的控制。而本發明的訓練方法通過使用自主設計的 上肢康復訓練裝置和肌電及運動信號采集模塊，將人體的肌電參數和前臂旋轉角度通過傳 輸模塊最終送入主機輸出參數，控制虛擬交互環境中的虛擬目標，虛擬交互游戲引導用戶 在康復訓練裝置的基礎上完成相關訓練。例如，若干實施例中的一個為攻擊型虛擬游戲， 虛擬環境包括大炮、炮彈、目標物三個模型，虛擬環境參數有大炮發射角度、發射初速度和 發射開關。從角度信息采集模塊采集的角度信息來驅動和實時改變虛擬環境中大炮模型角 度，利用肌電信號來驅動和實時修改炮彈發射與否的狀態和發射初速度。
[0051] 如圖2所示，所述步驟S1具體包括步驟：
[0052] S11、通過交互游戲界面引導用戶抓握操作把柄進行相應的前臂旋轉以將大炮瞄 準交互游戲界面顯示的虛擬目標；
[0053] S12、通過角度測量裝置采集用戶前臂旋轉角度信號；
[0054] 在該步驟中，所述角度測量裝置可以設計成一端為所述操作把柄、中間為固定的 旋轉阻尼計、另一端為編碼器；阻尼器可以調整用戶訓練強度，編碼器通過測量脈沖頻率或 周期的方法來測量前臂的角度信息；
[0055] S13、通過表面電極提取采集用戶前臂及手部抓握發力和手腕屈伸運動相關的兩 對肌肉的肌電信號，并將采集到的四個通道的肌電信號進行至少包括放大和濾波的預處 理。
[0056] 在該步驟中，利用表面電極提取肌肉表面微弱的肌肉電信號，通過屏蔽效果較好 的導聯線來實現原始肌電信號的提取。所用電極為三點式差動輸入電極。其中，一個為參 考地，另外兩個為肌電的輸入端，兩電極的距離均相等。
[0057] 通過表面電極提取采集用戶前臂及手部抓握發力和手腕屈伸運動相關的兩對肌 肉的肌電信號，包括有指淺屈肌（flexor digitorum supercifialis),指總伸肌（extensor digitorum)，燒側腕屈肌（flexor carpiradialis)，尺側腕伸肌（extensor carpiulnaris) 的肌電信號進行采集。
[0058] S2、在虛擬操作執行前，利用基于用戶所采集到角度信號調整虛擬控制目標的位 置、速度、加速度等運動參數。
[0059] S3、獲取所述采集的肌電信號中的特征參數，并根據獲取的特征參數識別出用戶 的前臂多塊肌肉的發力收縮模式。
[0060] 將肌電信號和運動信號送入主機后則可對肌電信號進行特征參數提取，以對肌肉 發力收縮動作進行模式識別，用于切換肌電反饋控制單元的相應控制方法。參考圖3,所述 步驟S3具體可包括步驟：
[0061] S31、利用一個平滑移動窗將采集到的肌電信號進行周期化分割；
[0062] 參與者在完成手部及腕部發力動作的時候，上述4塊肌肉會產生明顯的肌電信 號，利用移動窗的方法選取合適長度的數據段進行特征值提取，可以增強系統實時性和準 確性。
[0063] S32、提取每個分割數據段內的肌電信號的特征參數，并存儲。
[0064] 本實施例中，選擇的特征參數如下：平均絕對值、信號持續時間、平均絕對值斜 率、波長法、過零次數法、斜率過零次數、方差、中頻、平均頻率幅值、積分肌電和肌電幅值；
[0065] A、絕對平均值：
[0066]
【權利要求】
1. 一種基于肌電反饋的上肢訓練方法，其特征在于，包括： 51、 在用戶為完成虛擬游戲中的任務以進行相應的上肢關節動作時，實時采集用戶上 肢關節的運動信號和肌電信號； 52、 利用基于采集到的所述運動信號調整虛擬控制目標的運動參數； 53、 同時根據采集到的所述肌電信號中的特征參數識別出用戶的若干肌肉收縮模式； 54、 將識別出的模式作為肌電反饋控制方式的選擇依據。
2. 如權利要求1所述的基于肌電反饋的上肢訓練方法，其特征在于，在所述步驟S4中， 所述肌電反饋控制方法至少包括有肌電幅值映射控制及肌電幅值閾值判斷，所述有肌電幅 值映射控制及肌電幅值閾值判斷都是通過對肌電信號進行實時的處理，并與虛擬場景中的 參數進行交互控制，其具體對應的虛擬游戲中控制的參數根據游戲內容選擇。
3. 如權利要求1所述的基于肌電反饋的上肢訓練方法，其特征在于，還包括步驟： 55、 在利用所述肌電反饋控制方法實現用戶的上肢訓練過程中，根據采集到的肌電信 號實時提取疲勞特征，通過對疲勞特征參數的跟蹤和記錄，分析肌肉的疲勞狀態以實現對 肌肉疲勞判斷和報警。
4. 如權利要求2所述的基于肌電反饋的上肢訓練方法，其特征在于，在所述步驟S1前， 還包括步驟： so、使用戶進行相應動作的最大自主收縮，根據采集到的肌電信號選擇肌電反饋控制 和疲勞特征判斷中的個性化閾值。
5. 如權利要求1所述的基于肌電反饋的上肢訓練方法，其特征在于，在所述步驟S2中， 通過以下步驟實現如何根據采集到的所述肌電信號中的特征參數識別出用戶的若干肌肉 收縮模式： 521、 利用一個平滑移動窗將采集到的肌電信號進行周期化分割，提取每個周期內的肌 電信號的特征參數，所述特征參數至少包括平均絕對值、信號持續時間、平均絕對值斜率、 波長法、過零次數法； 522、 將提取的特征參數作為輸入量輸入鍛煉好的分類器，從而反饋識別出用戶單塊或 多塊肌肉發力時的收縮模式，可以為對至少包括伸腕及屈腕的運動的識別，也可以為對多 塊肌肉在發力時的協同模式，其發送出相應的判別指令，識別的模式及其種類與交互游戲 選擇密切相關，可結合用戶需要進行更改。
6. 如權利要求1所述的基于肌電反饋的上肢訓練方法，其特征在于，所述肌電幅值映 射控制是將特征參數中能夠表征用戶此時肌肉收縮的發力大小的肌電幅值濾波處理后得 到的峰值直接作為虛擬游戲的參數；所述肌電幅值閾值控制是將特征參數中能夠表征用戶 此時肌肉收縮的發力大小的肌電幅值濾波處理后得到的峰值與預設的肌電閾值進行比較， 并根據比較結果確定是/否執行相應的虛擬操作，且執行該虛擬操作前根據所述運動信號 調整虛擬目標的運動方向。
7. -種基于肌電反饋的上肢訓練系統，其特征在于，包括： 主機交互模塊，包括交互游戲界面，用于引導用戶進行相應的上肢關節動作以完成虛 擬游戲中的任務； 信號采集模塊，用于在用戶進行相應的上肢關節動作時，實時采集用戶上肢關節的運 動信號和肌電信號； 信號傳輸模塊，用于將所述信號采集模塊采集到的運動信號和肌電信號傳輸到主機控 制模塊以進行人機交互； 主機控制模塊，分別與所述主機交互模塊和信號傳輸模塊連接，用于將所述信號傳輸 模塊傳輸的運動信號和肌電信號進行運算與處理，并將運算和處理結果輸出給所述主機交 互模塊以進行相應的游戲操作的參數設置，主要包括： 接收存儲單元，用于接收所述信號傳輸模塊傳輸的運動信號和肌電信號并存儲； 特征參數提取單元，用于將所述接收存儲單元中的肌電信號進行特征參數提取； 運動參數設置單元，用于根據所述接收存儲單元接收到的運動信號調整所述主機交互 模塊中顯示的虛擬控制目標的運動參數； 模式識別單元，根據所述特征參數提取單元提取的特征參數識別出用戶的若干肌肉發 力收縮模式；并將識別出的模式轉化成為指令輸出； 肌電反饋控制單元，接收所述模式識別單元輸出的指令，并根據所述指令作為選擇不 同肌電反饋控制方法的依據。
8. 如權利要求6所述的基于肌電反饋的上肢訓練系統，其特征在于，所述主機控制模 塊還包括： 肌肉疲勞監控單元，用于對所述特征參數提取單元提取的特征參數進行實時監控，當 所述特征參數中能夠表征用戶肌肉疲勞的特征參數達到預設的疲勞閾值時，發出疲勞警 報。
9. 如權利要求6所述的基于肌電反饋的上肢訓練系統，其特征在于，所述主機控制模 塊還包括： 初始閾值設定單元，用于將根據訓練前采集到的最大自主收縮測試結果的一定百分比 設定好的初始閾值進行確認和保存； 訓練難度調節單元，利用系統將上肢運動設定不同的阻力；實現不同用戶的個性化訓 練強度配置和不同強度下的訓練過程。
10. 如權利要求6所述的基于肌電反饋的上肢訓練系統，其特征在于，所述信號采集模 塊具體包括： 運動信號采集單元，通過運動信號測量裝置采集用戶上肢運動信號； 肌電信號采集單元，通過表面電極提取采集用戶上肢運動相關肌肉的肌電信號，并將 采集到的多個通道的肌電信號進行至少包括放大和濾波的預處理。
【文檔編號】A61B5/0488GK104107134SQ201310669597
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年12月10日 優先權日:2013年12月10日
【發明者】宋嶸, 敖迪, 楊錦 申請人:中山大學