聲肌信號控制手功能開環功能性電刺激控制方法
2023-06-05 04:29:36 1
專利名稱：聲肌信號控制手功能開環功能性電刺激控制方法
技術領域：
本發明涉及一種聲肌信號控制手功能開環功能性電刺激的技術，具體是利用超聲 獲取前臂相關骨骼肌的肌肉厚度變化信息，然後利用此厚度變化控制手功能開環功能性電 刺激的工作。
背景技術：
功能性電刺激是應用於四肢麻痺、中風和脊髓損傷的殘疾患者的最普遍的一種康 復設備之一，它能幫助恢復或者提高已經喪失的某些機體功能，使他們能儘可能的獨立生 活。其中，手功能的功能性電刺激主要針對C6、C5級的患者，幫助患者實現手指的張合功 能。自從上世紀60年代美國醫生Liberson首先利用電刺激腓伸肌，成功地矯正了偏 癱患者的足下垂的步態以後，功能性電刺激在運動和感覺功能的恢復、刺激呼吸、大小便控 制等方面取得了成功的應用。手功能的功能性電刺激有兩個最主要的目的，一是能產生一個可靠的能持續長時 間的緊握，另外就是能具有一個精細操控小物品的能力。手功能運動神經假體系統中的控 制命令是從患者身體其它部位殘存功能發出來的信號中提取出來的，如肩部的上下及前後 運動、頭部運動、手腕運動、呼吸、語音、肌電信號、腦電信號等。在這些控制策略中，較常用 的是肩部運動、肌電信號和腦電信號。其中肩部運動產生的控制信號是較傳統的方法，患者 經短期訓練後可獲得良好的控制效果，但裝置很麻煩，必須使用外部配線，而且裝配的不同 會影響執行效果。腦電信號控制的方法只允許動態的手功能，即轉化高電位到一個狀態命 令來打開手，或者轉化低電位到一個狀態命令來合攏手，功能比較簡單。表面肌電信號是一 種可選擇的命令信號，它從殘餘的肌肉中提取肌電活動作為命令信號，是目前肌電類的手 功能運動神經假體中研究和應用最普遍的。使用功能性電刺激的患者由於受到電刺激，會 在體內存在一個感應電壓噪聲，數量級要比表面肌電信號大的多，這就需要去噪提取出正 確的受刺激肌肉的自主肌電行為，存在著難度。骨骼肌是生物學中非常典型的結構——功能關係的例子，骨骼肌的結構形態是決 定骨骼肌功能的主要因素之一。骨骼肌的運動、損傷與疾病不僅體現在肌肉所產生的力或 功能的改變，其結構形態也會發生變化。隨著利用前臂的厚度變化信息控制假肢手指張合 功能的逐步實現，利用骨骼肌的厚度變化來控制功能性電刺激也成為可能。由於超聲成像技術對人體的軟組織具有很高的分辨能力，是研究骨骼肌結構形態 的首選工具，已經廣泛應用於測量肌束(肌纖維)長度、肌肉厚度、肌肉生理橫截面積或解剖 橫截面積、羽狀肌的羽肌角度等參量。我們將超聲掃描骨骼肌得到的有關骨骼肌結構的空 間形態變化信息定義為「聲肌圖(sonomyography)",簡寫成SMG，這一個概念是對將超聲成 像技術應用於骨骼肌運動形態學中產生的一種新的肌肉運動形態參量的定義。由於超聲可 以穩定可靠的檢測骨骼肌的結構形態變化信息，因此，利用超聲獲取上肢相關骨骼肌的肌 肉厚度變化的聲肌信號，是可以控制手功能的開環功能性電刺激。
發明內容
本發明的目的在於針對已有技術的缺陷，提供一種聲肌信號控制手功能的開環功 能性電刺激控制方法，利用聲肌信號作為一種新的功能性電刺激的控制源，實現手功能的 開環功能性電刺激，以刺激患者的手指張合。為達到上述目的，本發明採用下屬技術方案
一種聲肌信號控制手功能的開環功能性電刺激方法，其特徵在於操作步驟如下
1)將超聲探頭——A型超聲探頭或者B型超聲探頭——安裝在上肢前臂的屈肌或者伸 肌肌肉處，利用超聲測量儀來獲取超聲探頭測得的肌肉超聲信號；對於A超信號，使用A超 信號發射/接收儀；而對於B超信號，採用醫用超聲設備；
2)通過採集卡將獲取的超聲信號採集存入計算機內。對於B超圖像，通過視頻捕獲卡 採集到計算機內；而對於A超信號，利用數據採集卡採集數據到計算機內；
3)利用塊匹配跟蹤算法或改進的快速塊匹配跟蹤算法實現聲肌信號的模式識別信號 提取計算；
4)利用提取出的聲肌信號的正信號值對應於手腕伸展，而負信號值對應於手腕彎曲， 分別確定啟動電刺激的正負閾值，對於超過正負閾值的聲肌信號，持續啟動刺激器產生電 刺激脈衝序列；
5)電刺激脈衝通過貼在前臂對應肌肉出的表面電極刺激前臂神經，控制手指的張合。
所述步驟3中的模式識別信號提取計算的方法是
1)對於B超圖像，利用塊匹配跟蹤算法或改進的快速塊匹配跟蹤算法跟蹤伸肌上下沿 運動軌跡；對於A超信號，利用互相關跟蹤算法跟蹤伸肌的運動軌跡；然後計算肌肉厚度變 化率聲肌值；
2)快速塊匹配跟蹤算法，還採用了英特爾的SSE(StreamingSIMD Extensions)指令集 進行並行算法加速；
3)A超信號的互相關跟蹤算法，其跟蹤模板的確定，是人工定位A超聲線中的肌肉—— 骨骼界面反射回波信號包絡作為模板，其特徵為幅度明顯大於一般的A超信號；或者是將 從受試者已經實驗採集到的A超信號中的特徵信號保存作為模板，通過自動模式識別的方 法由計算機自動地定位這個回波信號包絡。所述步驟4)中的確定啟動電刺激的正負閾值的方法是
通過計算機從數據採集卡的模擬信號輸出口輸出計算得到的聲肌信號，將此聲肌信號 轉換成對應幅值的電壓信號，利用此電壓信號去觸發電刺激器，直至刺激器能參數符合要 求的電刺激脈衝為止。利用此方法確定正負閾值，對應於控制手指的張合功能。
本發明與現有控制信號源相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點 1)聲肌信號具有魯棒性和穩定性，不易受到外部幹擾噪聲的影響，如皮膚阻抗、運動偽 影、脂肪厚度等。 2)聲肌信號能獲取空間定位信息，無損檢測不同深度和位置的肌肉厚度變化信 息，並且不受相鄰肌肉的串擾幹擾。
3)聲肌信號易於檢測，不需要使用者很強烈的精神努力去有意識地運動。4)只需在一處肌肉位置即可獲取伸肌信號作為控制源。聲肌信號作為一種新的信號源控制手功能開環功能性電刺激，豐富了功能性電刺 激的研究，為實現更多、更複雜功能的功能性電刺激提供了潛在的有效途徑，促進功能性電 刺激研究的發展。
圖1為手腕屈伸對應的前臂骨骼肌的伸肌信號值控制電刺激的示意圖； 圖2為聲肌信號控制手功能開環功能性電刺激控制方法的程序框圖。
具體實施例方式本發明的優選實例結合
如下
實施例一參見圖1和圖2，本聲肌信號控制手功能開環功能性電刺激控制方法，其操 作步驟如下
1)將超聲探頭——A型超聲探頭或者B型超聲探頭——安裝在上肢前臂的屈肌或者 伸肌肌肉處，利用超聲測量儀來獲取超聲探頭測得的肌肉超聲信號；對於A超信號，使用A 超信號發射/接收儀；而對於B超信號，採用醫用超聲設備；
2)通過採集卡將獲取的超聲信號採集存入計算機內。對於B超圖像，通過視頻捕獲 卡採集到計算機內；而對於A超信號，利用數據採集卡採集數據到計算機內；
3)利用塊匹配跟蹤算法或改進的快速塊匹配跟蹤算法實現聲肌信號的模式識別信 號提取計算；
4)利用提取出的聲肌信號的正信號值對應於手腕伸展，而負信號值對應於手腕彎 曲，分別確定啟動電刺激的正負閾值，對於超過正負閾值的聲肌信號，持續啟動刺激器產生 電刺激脈衝序列；
5)電刺激脈衝通過貼在前臂對應肌肉的表面電極刺激前臂神經，控制手指的張合。實施例二 本實施例與實施例一基本相同，特別之處如下所述步驟3中的模式識 別信號提取計算的方法是
1)對於B超圖像，利用塊匹配跟蹤算法或改進的快速塊匹配跟蹤算法跟蹤伸肌上下 沿運動軌跡；對於A超信號，利用互相關跟蹤算法跟蹤伸肌的運動軌跡；然後計算肌肉厚度 變化率聲肌值；
2)快速塊匹配跟蹤算法，還採用了英特爾的SSE(MreamingSIMD Extensions)指令 集進行並行算法加速；
3)A超信號的互相關跟蹤算法，其跟蹤模板的確定，是人工定位A超聲線中的肌 肉——骨骼界面反射回波信號包絡作為模板，其特徵為幅度明顯大於一般的A超信號；或 者是將從受試者已經實驗採集到的A超信號中的特徵信號保存作為模板，通過自動模式識 別的方法由計算機自動地定位這個回波信號包絡。所述步驟4)中的確定啟動電刺激的正負閾值的方法是通過計算機從數據採集 卡的模擬信號輸出口輸出計算得到的聲肌信號，將此聲肌信號轉換成對應幅值的電壓信 號，利用此電壓信號去觸發電刺激器，直至刺激器能參數符合要求的電刺激脈衝為止。利用
5此方法確定正負閾值，對應於控制手指的張合功能。實施例三首先確定患者的手功能缺失程度，本算法主要針對C6、C5級患者。如 果是前臂伸肌相對萎縮，則採集聲肌信號的位置為前臂屈肌；如果是前臂屈肌相對萎縮， 則採集聲肌信號的位置為前臂伸肌。當採集的是超聲圖像時，由B型超聲診斷儀完成圖像 的獲取，然後由視頻捕獲卡進行二次採集，將圖像由B超設備傳送至計算機，一般採樣率為 12Hz^20Hz之間。當採集的是A超信號時，由A超測量儀獲取超聲信號，再由數據採集卡採 集傳送至計算機，採樣率一般在50MHz以上。然後進行模式識別，再利用跟蹤算法來進行聲 肌信號的提取計算。對於B超圖像，可先人工在對應骨骼肌的上下沿選取合適位置，設定兩 個矩形框作為跟蹤模板，兩個框中心點之間的距離就作為肌肉厚度。再利用互相關跟蹤算 法(計算最大互相關係數來確定模版移動)或者是改進的快速塊匹配算法(各種快速搜索尋 優的塊匹配算法)尋找新一幀圖像中的最佳匹配位置，同時把第二幀圖像內的最佳匹配位 置處的矩形框內的圖像更新為新的模板，進行下一幀圖像的匹配，以此類推直到最後一幀B 超圖像。對於得到的每幀圖像中的肌肉厚度，再計算其肌肉厚度變化率。而對於A超信號， 則只需人工定位A超聲線中連續的2個回波信號包絡作為模板。這2個連續的回波信號包 絡分別對應於肌肉——脂肪界面和肌肉——骨骼界面，其特徵為幅度明顯大於一般的A超 信號。或者是將從受試者已經實驗採集到的A超信號中的特徵信號保存作為模板，通過自 動模式識別的方法由計算機自動地定位這2個連續的回波信號包絡。然後採用互相關跟蹤 算法對這兩個模板進行搜索匹配，尋找最佳匹配位置，並將2個連續模板中心之間的距離 作為肌肉厚度來計算肌肉厚度變化率。我們讓受試者進行一定節拍下的手腕屈伸實驗，分 別採集A超信號和B超圖像。不同受試者的A超信號和B超圖像均顯示了相似的特徵，而 他們的肌肉厚度變化率聲肌信號也都顯示了相似的波形。確定啟動電刺激的正負閾值。先通過計算機從數據採集卡的模擬信號輸出口輸出 計算得到的聲肌信號，將此聲肌信號轉換成對應幅值的電壓信號，利用此電壓信號去觸發 電刺激器，直至刺激器能參數符合要求的電刺激脈衝為止。利用此方法確定正負閾值，對應 於控制手指的張合功能。當手腕屈伸產生超過閾值的聲肌信號時，即開始啟動電刺激器產生連續的電刺激 脈衝序列，電脈衝通過貼在前臂對應肌肉處的表面電極刺激相關的神經，從而控制手指的 張合，實現手功能的開環功能性電刺激。
權利要求
1.一種聲肌信號控制手功能的開環功能性電刺激控制方法，其特徵在於操作步驟如下a.將超聲探頭——A型超聲探頭或者B型超聲探頭——安裝在上肢前臂的屈肌或者伸 肌肌肉處，利用超聲測量儀來獲取超聲探頭測得的肌肉超聲信號；對於A超信號，使用A超 信號發射/接收儀；而對於B超信號，採用醫用超聲設備；b.通過採集卡將獲取的超聲信號採集存入計算機內，對於B超圖像，通過視頻捕獲卡 採集到計算機內；而對於A超信號，利用數據採集卡採集數據到計算機內；c.利用塊匹配跟蹤算法或改進的快速塊匹配跟蹤算法實現聲肌信號的模式識別信號 提取計算；d.利用提取出的聲肌信號的正信號值對應於手腕伸展，而負信號值對應於手腕彎曲， 分別確定啟動電刺激的正負閾值，對於超過正負閾值的聲肌信號，持續啟動刺激器產生電 刺激脈衝序列；e.電刺激脈衝通過貼在前臂對應肌肉的表面電極刺激前臂神經，控制手指的張合。
2.根據權利要求1所述的聲肌信號控制手功能的開環功能性電刺激控制方法，其特徵 在於所述步驟c中的模式識別信號提取計算的方法是a.對於B超圖像，利用塊匹配跟蹤算法或改進的快速塊匹配跟蹤算法跟蹤伸肌上下沿 運動軌跡；對於A超信號，利用互相關跟蹤算法跟蹤伸肌的運動軌跡；然後計算肌肉厚度變 化率聲肌值；b.快速塊匹配跟蹤算法，還採用了英特爾的SSE(MreamingSIMD Extensions)指令集 進行並行算法加速；c.A超信號的互相關跟蹤算法，其跟蹤模板的確定，是人工定位A超聲線中的肌肉—— 骨骼界面反射回波信號包絡作為模板，其特徵為幅度明顯大於一般的A超信號；或者是將 從受試者已經實驗採集到的A超信號中的特徵信號保存作為模板，通過自動模式識別的方 法由計算機自動地定位這個回波信號包絡。
3.根據權利要求1所述的聲肌信號控制手功能的開環功能性電刺激控制方法，其特徵 在於所述步驟d中的確定啟動點刺激的正負閾值的方法是通過計算機從數據採集卡的模 擬信號輸出口輸出計算得到的聲肌信號，將此聲肌信號轉換成對應幅值的電壓信號，利用 此電壓信號去觸發電刺激器，直至刺激器能參數符合要求的電刺激脈衝為止，利用此方法 確定正負閾值，對應於控制手指的張合功能。
全文摘要
本發明涉及一種聲肌信號控制手功能的開環功能性電刺激控制方法。本方法是利用超聲獲取前臂相關骨骼肌的肌肉厚度變化信息，然後利用此厚度變化控制手功能開環功能性電刺激啟動產生相應的電刺激脈衝，從而實現C6、C5級患者的手指張合功能。本方法包括以下步驟超聲信號採集、聲肌信號獲取計算、確定電刺激啟動閾值、利用聲肌信號的上升沿和下降沿實現手功能開環功能性電刺激的工作。
文檔編號G06F19/00GK102125724SQ20101060826
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月28日 優先權日2010年12月28日
發明者施俊, 鄭永平 申請人:上海大學