[發(fā)明專利]一種功能性電刺激下肘關(guān)節(jié)力矩的在線估計方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811006795.1
• 申請日: 2018-08-31
• 公開（公告）號: CN109106339A
• 公開（公告）日: 2019-01-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李玉榕;陳文鑫;陳軍
• 申請（專利權(quán)）人: 福州大學(xué)
• 主分類號: A61B5/00
• 分類號: A61B5/00;A61B5/11
• 代理公司: 福州元創(chuàng)專利商標(biāo)代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學(xué)俊

本發(fā)明涉及一種功能性電刺激下肘關(guān)節(jié)力矩的在線估計方法，通過離線采集電刺激下關(guān)節(jié)力矩、角度、角速度數(shù)據(jù)，對肌肉骨骼模型進(jìn)行預(yù)建模，然后實時采集電刺激下關(guān)節(jié)角度和角速度信號，對預(yù)建模的肌肉骨骼模型系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行實時自適應(yīng)更新，實現(xiàn)對力矩的在線估計。本發(fā)明通過實時采集關(guān)節(jié)角度和角速度信號實現(xiàn)對力矩的在線估計。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及功能性電刺激技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種功能性電刺激下肘關(guān)節(jié)力矩的在線估計方法。

背景技術(shù)

近年來，脊髓損傷以及中風(fēng)等腦血管疾病導(dǎo)致癱瘓的發(fā)病率呈顯著上升趨勢，這類病癥導(dǎo)致了組織損傷，而組織受損的不同程度與不同位置會引起不同程度的運動損傷，這不僅給個人和家庭都帶來較大的負(fù)擔(dān)，也成為日益沉重的社會問題。人體上肢運動過程中，肘關(guān)節(jié)及其附屬肌肉起到了至關(guān)重要的作用，肘關(guān)節(jié)可完成屈伸、前臂內(nèi)旋和外旋等相關(guān)動作。肘關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練對于提高偏癱患者的日常生活能力具有重要作用。目前在偏癱患者康復(fù)訓(xùn)練中，功能性電刺激被普遍認(rèn)為是一種比較有效的臨床工具。功能性電刺激通過電刺激控制關(guān)節(jié)運動的目標(biāo)肌肉，誘發(fā)非自主肌肉運動或誘發(fā)肌肉模擬正常的自主運動，來進(jìn)行患者的康復(fù)訓(xùn)練，改善進(jìn)而恢復(fù)被刺激肌肉的性能。為了獲得期望的關(guān)節(jié)運動，并盡可能減小康復(fù)訓(xùn)練中疲勞產(chǎn)生的影響，需要設(shè)計并實現(xiàn)功能性電刺激自適應(yīng)控制系統(tǒng)，以產(chǎn)生恰當(dāng)、穩(wěn)定的肌肉力及相應(yīng)關(guān)節(jié)力矩。在功能性電刺激自適應(yīng)控制系統(tǒng)中，實時準(zhǔn)確地測量關(guān)節(jié)力矩信號是關(guān)鍵。

由于人體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，關(guān)節(jié)力矩測量是生物力學(xué)研究中最具挑戰(zhàn)性的技術(shù)之一。力矩的測量不僅可應(yīng)用于康復(fù)訓(xùn)練，而且可應(yīng)用于運動員的訓(xùn)練評估，假肢及矯形器設(shè)計等領(lǐng)域，這促進(jìn)了力矩測量方法的發(fā)展。目前已經(jīng)發(fā)表的文獻(xiàn)和公開的技術(shù)中，關(guān)節(jié)力矩測量有直接和間接測量方法。直接測量即通過笨重的力矩測量系統(tǒng)直接測量運動時的關(guān)節(jié)力矩。間接測量方法有測力法、反向生物力學(xué)分析法和正向生物力學(xué)分析法。測力法存在由于重力導(dǎo)致的檢測結(jié)果不正確和應(yīng)用場景受限等問題。反向生物力學(xué)分析法檢測結(jié)果受限于肌肉骨骼模型，且檢測場地要求比較大，設(shè)備昂貴。正向生物力學(xué)方法同樣檢測結(jié)果受限于肌肉骨骼模型，且優(yōu)化參數(shù)過多，時間復(fù)雜度高等。現(xiàn)有無論直接還是間接測量方法，均無法實現(xiàn)在功能性電刺激控制系統(tǒng)中對力矩信號的在線測量。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提出一種功能性電刺激下肘關(guān)節(jié)力矩的在線估計方法，通過實時采集關(guān)節(jié)角度和角速度信號實現(xiàn)對力矩的在線估計。

本發(fā)明采用以下方案實現(xiàn)：一種功能性電刺激下肘關(guān)節(jié)力矩的在線估計方法，包括以下步驟：

步驟S1：離線采集在功能性電刺激下肘關(guān)節(jié)的力矩、角度和角速度信號，并對其進(jìn)行預(yù)處理；將處理后的力矩、角度、角速度信號作為校正量，結(jié)合功能性電刺激強(qiáng)度變化，利用擴(kuò)展型卡爾曼濾波器對肘關(guān)節(jié)肌肉骨骼模型系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)辨識，對肘關(guān)節(jié)肌肉骨骼模型進(jìn)行離線預(yù)建模；

步驟S2：通過在線采集肘關(guān)節(jié)在功能性電刺激下的角度和角速度信號，并同時對其進(jìn)行預(yù)處理，然后將處理后的角度、角速度信號作為校正量，結(jié)合功能性電刺激強(qiáng)度變化，將步驟S1預(yù)建模辨識的參數(shù)作為初值，利用擴(kuò)展型卡爾曼濾波器對預(yù)建模的肘關(guān)節(jié)肌肉骨骼模型系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行實時自適應(yīng)更新，實現(xiàn)對肘關(guān)節(jié)力矩信號的在線估計。

進(jìn)一步地，所述肘關(guān)節(jié)肌肉骨骼模型的狀態(tài)空間方程的狀態(tài)變量x，輸入u分別為：

x＝[x₁ x₂ x₃ x₄ x₅ x₆]′；