一种肌肉协同模式下的多通道功能性电刺激方法与系统

摘要

本发明公开了一种肌肉协同模式下的多通道功能性电刺激方法与系统,包括以下步骤：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；S2.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；S3.将肌群协同模式矩阵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；S4.进行多通道电刺激参数配比；S5.根据多通道电刺激参数配比结果进行电刺激。本发明提供了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。

说明书

技术领域

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

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：

(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。

(2)电刺激所产生的力矩值不够稳定。

(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

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。

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：

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；

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H；

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W′；

S4.进行多通道电刺激参数配比；

S5.根据多通道电刺激参数配比结果进行电刺激；

所述的步骤S1包括以下子步骤：

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；

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n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。

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1s，所以肌群肌电信号包含的肌电值个数就等于时间序列数。

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：

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

S112.采集肌肉群在运动状态下的毛肌电信号x；

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x′：

S114.使用带通滤波器对去信号x′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；

S115.对信号x″进行取绝对值操作，得到肌肉群的肌电信号。

所述的步骤S2包括以下子步骤：

S21.给定非负矩阵分解的降维数l；

S22.对多肌群肌电信号U进行降维数为l的非负矩阵分解，得到n行l列的肌群协同模式 矩阵W和l行m列的特征时间序列向量H。

所述的步骤S4包括以下子步骤：

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，；

S42.分别将每一个基脉脉冲分别与矩阵W′进行配比，得到两个不同的配比参数矩阵。

所述的步骤S42中基脉脉冲与矩阵W′进行配比的步骤包括:将基脉脉冲与矩阵W′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M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)。

所述的步骤S5包括以下子步骤：

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；

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。

一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；

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；

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；

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。

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；

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。

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。

(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；

(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

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的系统原理框图。

具体实施方式

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。

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：

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；

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H；

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W′；

S4.进行多通道电刺激参数配比；

S5.根据多通道电刺激参数配比结果进行电刺激；

所述的步骤S1包括以下子步骤：

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；

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n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。

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1s，所以肌群肌电信号包含的肌电值个数就等于时间序列数。

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：

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

S112.采集肌肉群在运动状态下的毛肌电信号x；

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x′：

S114.使用带通滤波器对去信号x′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；

S115.对信号x″进行取绝对值操作，得到肌肉群的肌电信号。

所述的步骤S2包括以下子步骤：

S21.给定非负矩阵分解的降维数l；

S22.对多肌群肌电信号U进行降维数为l的非负矩阵分解，得到n行l列的肌群协同模式 矩阵W和l行m列的特征时间序列向量H。

关于非负矩阵分解算法，在给定待分解矩阵和降维数后，大致包括初始值设定步骤、迭 代计算步骤和迭代次数判断等步骤，在本领域中是非常成熟的算法，就不再进行叙述。

在本申请中只需要采用现有的非负矩阵分解算法，给定降维数和待分解矩阵即可进行运 算。

所述的步骤S4包括以下子步骤：

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，；

S42.分别将每一个基脉脉冲分别与矩阵W′进行配比，得到两个不同的配比参数矩阵。

所述的步骤S42中基脉脉冲与矩阵W′进行配比的步骤包括:将基脉脉冲与矩阵W′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M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)。

需要注意的是，基脉脉冲是与时间相关的脉冲，如果是一个常量，这个常量代表着脉冲 值，只需要将W′中的每一个元素与该脉冲值相乘即可得到多通道配比参数矩阵M。

如果基脉脉冲是随着时间变化的变量，则需要考虑矩阵W′中的元素的列数(也就是时间 序列数)，在与基脉脉冲相乘时，是与基脉脉冲中对应时间序列的脉冲值相乘。

由于矩阵W′是多肌群肌电信号U经过非负矩阵分解和归一化得到的，而在非负矩阵分解 和归一化的过程中，其行数n是没有变化的，每一行依然代表着一个肌电信号通道的对应的 数据；多通道配比参数矩阵M由W′中的每一个元素与基脉脉冲相乘得到；因此多通道配比 参数矩阵M的每一行代表着肌电信号通道对应的电刺激通道参数。

也可以将矩阵W′中的每一行看作一个整体，代表肌电信号经过非负矩阵分解和归一化后 得到的向量，将矩阵W′中所有元素与基脉脉冲(按照对应的时间序列)相乘，实质上就是由 矩阵W′中的每一行与基脉脉冲相乘(按照对应的时间序列相乘)来得到矩阵M，从这里来 看，多通道配比参数矩阵M的每一行也是对应于一个电刺激通道的参数。

所述的步骤S5包括以下子步骤：

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；

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。

如图2所示，一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；

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；

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；

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。

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；

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。