一種肌電功能性電刺激幹擾濾除方法

2023-05-19 12:30:31 2

專利名稱：一種肌電功能性電刺激幹擾濾除方法
技術領域：
本發明屬於生物電信號處理技術領域，特別是涉及一種基於兩點波峰閾值檢測的 肌電功能性電刺激信號的幹擾濾除方法。
背景技術：
目前，肌電生理活動信號的採集對於神經康復工程學的研究具有重要的意義。肌 電信號的採集和分析是以預兆、診斷和治療為目的的理解肌肉活動的有效的技術。功能性 電刺激(functional electrical stimulation，FES)，通過電流脈衝序列來刺激肢體運動 肌群及其外周神經，能夠有效地恢復或重建截癱患者的部分運動功能。癱瘓肌肉受FES作 用時，如果建立了電生理活動和被刺激肌肉的力之間的關係，那麼FES作用肌肉產生的電 生理誘發信號也是有益的。但是，記錄肌電信號存在著很多技術上的難題，尤其當刺激作用 肌肉和誘發肌電同時發生並且刺激電極和記錄電極的位置相近時。其中一個最常見的問題 是肌電信號混有刺激幹擾，會影響到純淨肌電信號的採集。一股來說，FES的幅值是mV範 圍，比肌電信號幅值大許多倍。強大的刺激電信號輸出會感染敏感的肌電採集系統，造成閉 環神經假體控制的刺激幹擾問題。因此，在採集肌肉的神經電生理活動時減弱或抑制FES 幹擾是十分必要的。儘管減弱FES幹擾的實驗方法已經逐漸發展起來，但這些方法總是不可避免的殘 留刺激幹擾，這將阻礙肌電信號的分析。採集肌電過程中的減弱或抑制刺激技術已經見於 相關文獻，主要分為消隱和剪除兩種。消隱方法是在刺激作用時期斷開肌電採集放大器的 輸入端。但是這種技術也會消除刺激時期的部分有用信號。剪除方法的基本原理是從混有 刺激的肌電信號中剪除掉相關的刺激模板信號。它需要記錄下純淨的刺激信號作為模板， 這一過程增加了實驗的複雜性。

發明內容
基於上述技術問題，本發明提出了一種肌電濾除功能性電刺激幹擾方法，基於兩 點波峰閾值檢測的，對採集信號中混有的FES幹擾進行濾除，本方法通過建立高電平和低 電平閾值來識別、隔離和濾除FES刺激信號，同時留下完整的肌電信號，利用新的FES幹擾 濾除算法濾除了 FES刺激信號全部的正波峰、負波峰和指數衰減部分，從而有效地濾除FES 幹擾獲得乾淨的肌電信號，並獲得可觀的社會效益和經濟效益。一種肌電功能性電刺激幹擾濾除方法，基於根據數據絕對值設定初始高電平和初 始低電兩點波峰閾值，從而檢測出混有FES刺激幹擾的原始信號中正的和負的刺激波峰， 將相應的序列置零達到幹擾濾除。該方法的一種處理流程，還包括以下步驟步驟1，將採集的混合刺激幹擾的肌電信號作為輸入信號；步驟2，計算並濾除採集信號中的波形偏移量；步驟3，掃描採集信號的絕對值矩陣並計算該矩陣中的最大值，這個最大值對應著刺激峰值幅值，根據該最大值設定分別兩個初始閾值即一個高電平HT，為檢測到的最大 波峰值除以二；以及一個低電平LT，為最大波峰值的1/20 ；步驟4，掃描採集信號的數據矩陣； 步驟5，直到該數據矩陣以增長的趨勢經過初始低電平的幅值，即經過 1-LT/2-HT/2-HT/1-LT閾值，則此時檢測到刺激信號波峰；步驟6，記錄這個初始低電平的矩陣下標，從起始2-LT到最終1-LT，將這一系列矩 陣置零，從而濾除檢測到的這一段刺激信號；步驟7，繼續觀測該矩陣以確定矩陣是否繼續增長並經過I-LT閾值，此時檢測到 肌電波形；步驟8，如果矩陣超過初始低電平後，數據值減小並再次經過初始低電平，那麼這 個點是肌電信號或者零星的噪聲，處理中將其當作有效的肌電信號，忽略掉這個點，繼續掃 描矩陣來檢測FES波峰。該方法的另一種處理流程，還包括以下步驟如果經過初始低電平值後，數據矩陣的幅值繼續增大並超過了高電平值，那麼以 初始低電平值的起始點開始標記這段數據矩陣的序列值，將該段數據矩陣作為檢測到一個 有效的FES幹擾波峰；監控數據矩陣，當經過初始高電平或初始低電平，標記並記錄這個刺激序列的長 度，從初始低電平經過點的矩陣下標到最終低電平經過點的矩陣下標，期間為檢測到的有 效波峰；用零向量(或是肌電信號基線)代替這段刺激幹擾序列。當所述混有FES刺激幹擾的原始信號為多倍數據的成批處理的數據文件時，該方 法還包括以下步驟對記錄的數據文件給予編碼文件名；加載了數據文件進入存儲條，去掉文件名提取出濾除數據；建立預測FES波峰數目的公式SAP = AxBx(—)
D其中，A是時間上的佔空係數中的分子比列；B是FES頻率；C，數據採集時間；還有 D，時間上的佔空係數的分子和分母比例的和；預期得到的數量的誤差在5%以內，那麼檢測波峰的過程成功，執行濾除處理；如果檢測到的幹擾波峰數量超出了 5%誤差增加高/低電平值然後重新運行算法；如果濾除刺激幹擾的數量仍然過大，超過5%誤差，繼續增加高/低電平值的閾 值；相反，如果濾除刺激幹擾的數量過少，誤差超過預測值的5 %，程序減小高/低電 平值然後重新運行算法，直到刺激波峰的預測值與檢測到的波峰數量相近到誤差範圍 以內。改變高/低電平值通過改變以下公式的分母來進行HT = MAX/X
LT = MAX/Y其中HT/LT為高/低電平，MAX是數據矩陣最大值，X初始設置為2，根據每次重複 的反饋來改變；Y初始設置為20，根據每次反饋來改變；這一過程繼續進行直到濾除的刺激波數量達到預期刺激波形數量，誤差控制在 5%以內；根據檢測刺激波峰數量是否在達到預期刺激波峰之前以及預測FES波峰數目的 誤差控制在5%以內，這兩個因素停止上述的重複運行算法。所述重複運行算法允許的最多反饋重複運行次數為20次；大多數數據文件的檢 測數量達到預期刺激數量，即誤差5%時；在10次重複以內。錯誤控制處理，包括以下步驟進行錯誤校驗刺激波形濾除數量=經驗公式預期數量(允許5%誤差)；濾除掉 刺激幹擾的輸出純淨的肌電信號。所述編碼文件名包括受試者的名前綴字母，FES刺激頻率以及FES脈寬。與現有技術相比，本發明可有效地濾除FES幹擾獲得純淨肌電信號，並獲得可觀的社會效益和經濟效益。最佳實施方案擬採用專利轉讓、技術合作或產品開發。


圖1為本發明的肌電濾除功能性電刺激幹擾方法流程圖；圖2為本發明的肌電濾除功能性電刺激幹擾方法的輸入信號之一示意圖；圖3為本發明的肌電濾除功能性電刺激幹擾方法的輸入信號之二示意圖；圖4為本發明的肌電濾除功能性電刺激幹擾方法的輸出信號示意圖；圖5為本發明的輸出圖表和調度日誌文件格式示意圖；圖6為本發明的FES實驗場景示意圖；圖7為本發明的FES實驗在40mA電流刺激的濾噪效果8為本發明的FES實驗在50mA電流刺激的濾噪效果圖。
具體實施例方式本發明的主旨是提出一種新的基於兩點波峰閾值檢測的肌電濾除功能性電刺激 幹擾方法，根據數據絕對值設定波峰的高電平和低電平，從而檢測出正的和負的刺激波峰， 將相應的序列置零達到濾除的目的。本發明利用實驗採集數據進行算法的驗證，首先利用程序處理單一數據文件，高/ 低電平閾值可通過輸出波形視覺反饋進行手動調整，以達到100%刺激幹擾的濾除。為了驗 證成批處理多倍文件的有效性，程序逐一處理20個文件，手動調整閾值，將刺激波形濾除 數量與公式1預測數量相比較，確定誤差在5%以內。確定了公式(1)反饋方法的正確性之 後，200個數據文件進行成批處理。程序成功地濾除了這200個數據文件中的所有刺激波 形。本方法通過建立高電平和低電平閾值來識別、隔離和濾除FES刺激信號同時留下 完整的肌電信號，程序採用MATLAB編寫。FES幹擾通常是一個大的尖峰波形。它的幅值和時間常數受一些因素共同控制，包括刺激輸出電流、放大器設計、電極位置、刺激模式和刺激皮膚表皮等因素。如果肌電信號採集電極放置的足夠遠離刺激電極，那麼刺激幹擾和誘發肌電信號不會混疊。以下結合附圖對本發明提出的基於兩點波峰閾值檢測的肌電濾除功能性電刺激 幹擾方法進行詳細地介紹。如圖1所示，為本發明的基於兩點波峰閾值檢測算法的肌電採集信號混有的FES 幹擾濾除方法的流程首先，將採集的混合刺激幹擾的肌電信號作為輸入信號，步驟100 ；計算並濾除採 集信號中的波形偏移量，步驟102 ；掃描一遍採集信號的絕對值矩陣並計算該矩陣中的最 大值，這個最大值對應著刺激峰值幅值，根據該最大值設定分別兩個初始閾值即一個高 電平(HT)，為檢測到的最大波峰值除以二；以及一個低電平(LT)，為最大波峰值的1/20，步 驟103 ；使用絕對值矩陣可以使正和負的幹擾信號都用相同的高/低電平值處理。本程序 每檢測到一個波峰就隨之濾除，因此可以濾除單一和複合相位的刺激幹擾波。掃描採集信號的數據矩陣，步驟104 ；直到該數據矩陣以增長的趨勢經過初始低 電平的幅值，即經過1-LT/2-HT/2-HT/1-LT閾值，則此時檢測到刺激信號波峰(這個點可能 是一個FES波峰的起始點)，步驟104 ；記錄這個初始低電平的矩陣下標，從起始2-LT到最 終1-LT，將這一系列矩陣置零，從而濾除檢測到的這一段刺激信號，步驟105 ；繼續觀測該 矩陣以確定矩陣是否繼續增長並經過I-LT閾值，此時檢測到肌電波形，步驟106 ；如果矩陣 超過初始低電平後，數據值減小並再次經過初始低電平，那麼這個點是肌電信號或者零星 的噪聲，處理中將其當作有效的肌電信號，因此，程序將忽略掉這個點，繼續掃描矩陣來檢 測FES波峰，步驟107 ；進行錯誤校驗刺激波形濾除數量=經驗公式預期數量(允許5%誤 差)，步驟108 ；濾除掉刺激幹擾的輸出純淨的肌電信號，步驟109。上述流程的兩種輸入信號分別如圖2和圖3所示，即肌電刺激的幹擾信號的兩種 波形，輸出如圖4所示，即去除幹擾之後的肌電刺激信號。本發明的另一種處理流程，如果經過初始低電平值後，數據矩陣的幅值繼續增大 並超過了高電平值，那麼標記這段數據矩陣的序列值(開始於初始低電平值的起始點)，也 就是將該段數據矩陣作為檢測到一個有效的FES幹擾波峰；程序繼續監控數據矩陣，當它 經過初始高電平(以減小的趨勢)或初始低電平(以增加的趨勢)，標記並記錄這個刺激序 列的長度(從初始低電平經過點的矩陣下標到最終低電平經過點的矩陣下標，期間為檢測 到的有效波峰)；程序繼而用零向量(或是肌電信號基線)代替這段刺激幹擾序列。確定從初始低電平到初始高電平的標記矩陣用零矩陣代替是不可或缺的步驟，這 樣刺激波峰部分會濾除掉。但是，刺激信號的指數衰減部分同樣需要濾除。因此，程序繼續 掃描矩陣，監控數據系列過程直到刺激幹擾幅值下降到高電平和低電平以下。當應用到多倍數據的成批處理時，本發明還提供了一種有效濾除FES幹擾的方 法，具體描述如下對記錄的肌電數據文件給予編碼文件名，例如CB25H150。「CB」表示受試者的名前 綴字母，「25H」表示FES刺激頻率(25Hz)，「150」表示FES脈寬。FES作用10s，佔空比是 1 9，刺激波形是不對稱的正負極性兩階段的。根據觀察多倍數據的經驗信息可以建立一 個估算任意記錄數據文件中的FES數目的公式。這個預測FES波峰數目的公式(1)如下所 示
&4戶=JxjSXC^)公式(1)其中A是時間上的佔空係數中的分子比列；B是FES頻率；C，數據採集時間；還有 D，時間上的佔空係數的分子和分母比例的和。使用上述採集IOs數據的例子，程序將預測 1X25X 1 = 25個FES波峰。因為預測到的刺激波峰數量不是絕對的，如果檢測到的波峰數 量與公式(1)預期得到的數量的誤差在5%以內，那麼檢測波峰的過程就認為是成功的。取 5%的誤差為可接受的系統誤差是由經驗確定的，通過對檢測波峰數量比公式預測數量誤 差小於或等於5%的數據文件的濾波後輸出的檢驗而確定。當算法加載了數據文件進入存 儲條，去掉文件名提取出需要的數據。對提取出的數據矩陣計算預測波峰數量值，程序將這 個數值與實際檢測隔離的幹擾波峰數量相比較，如果檢測到的幹擾波峰數量超出了 5%誤 差，那麼程序會自動適當的改變高電平和低電平的值，重新掃描矩陣，執行重複過程如下如果刺激幹擾的數量濾除的過多(誤差超過預測值的5%)，程序增加高/低電平 值然後重新運行算法。如果濾除刺激幹擾的數量仍然過多，繼續增加高/低電平值的閾 值。相反的，如果濾除刺激幹擾的數量過少(誤差超過預測值的5%)，程序減小高/低電 平值然後重新運行算法，直到刺激波峰的預測值與檢測到的波峰數量相近到誤差範圍 以內。程序通過改變公式(2)和(3)中的分母來改變高/低電平值HT = MAX/X 公式(2)LT = MAX/Y 公式(3)其中HT/LT為高/低電平，MAX是數據矩陣最大值，X初始設置為2，根據每次重複 的反饋來改變；Y初始設置為20，根據每次反饋來改變。這一過程繼續進行直到濾除的刺激 波數量達到預期刺激波形數量(誤差控制在5%以內)。為了避免程序的無限循環以及肌 電數據的損失，程序檢測刺激波形數量在達到預期刺激波峰(誤差控制在5%以內)之前根 據兩個因素也會停止這一反覆運行過程。程序允許的最多反饋重複運行次數為20次。大多數數據文件的檢測數量達到預 期刺激數量(誤差5%)時在10次重複以內。程序不能持續降低高/低電平的閾值，這樣有可能為了達到預期刺激波峰目標數 量而濾除掉肌電信號。因此程序中有一個錯誤控制，計算純淨m-波的平均最大值，控制高 電平值不能下降到這個幅值以下。這樣避免了重要的m-波數據進入閉環反饋的重複，同時 使濾除刺激波程序運行的效率達到最大化。本發明的上述流程允許成批處理多倍數據文件而無需檢驗每一個文件。程序自動 產生輸出圖表和調度日誌文件如圖5所示。兩者都給用戶程序運行的反饋重複信息(lo_th 表示低電平閾值；hi_th表示高電平閾值)。程序輸出文件顯示預期刺激波形數量是25(士， 少於或等於5% )。因此，程序接受24-26個範圍內的刺激波峰數量為有效結果。根據初始 條件設置高電平和低電平閾值後，第一次重複找到18個刺激波峰。經過接下來的一些重 復，程序繼續降低高/低電平閾值直到第四次重複，此時程序找到了全部25個刺激波形。程 序將試圖濾除掉預期的刺激波峰數量，但會接受5%誤差數量內的結果。但是，這並不意味 著程序達到了預期數量的5%誤差範圍以 內就停止了掃描，而總是在不超出前述錯誤控制 準則的情況下盡力找到最大數量的刺激波峰。下面具體描述本發明的具體實施例
本實驗使用sigmedics公司生產的FES parast印_1型。刺激電極和肌電採集電 極放置的相對位置對於減弱刺激幹擾獲得良好信號是至關重要的。實驗開始前刺激的皮膚 表面要預先使用磨砂膏去掉汗毛，從而確保更好的皮膚接觸表面，提高導電性。實驗時受試 者安坐於測試臺上，將刺激電極固定於股四頭肌的兩端位置，未施加電刺激時小腿放鬆、保 持垂直懸空狀態(定義此時為初始角度Oo)，FES實驗場景如圖6所示。電刺激脈衝序列採 用經典的Li 1 Iy波形，脈衝頻率為25Hz、脈寬150μ s，脈衝電流在O 120m範圍內可調。EMG 採集電極放置於股直肌肌腹處，位置處於刺激正負電極連線之間。本實驗中肌電採集系統 是由北京祥雲計算機技術公司生產的隔離肌電放大器EMG-200uV和NI公司的NI6024E構 成，肌電放大器的增益為5000。由於存在較強的刺激幹擾和電力線幹擾，放大器需要有高共 模抑制比(> 120db)。A/D採集卡8路差分模擬輸入，200KS/S採樣率。採集到的肌電數據 用LABVIEW軟體記錄到電腦中保存。
為了確保全部信號被採集，採樣率越高越好。數據的頻譜分析顯示肌電混合刺激 信號在4kHz以上沒有明顯的譜分量了，因此選擇一個稍低的採樣率可以減小處理複雜度 和數據文件大小同時還保持著信號完整性。數據以IkHz被採樣。實驗中分別採用了 40mA 和50mA電流。圖7和圖8分別顯示了 40mA電流和50mA電流刺激的濾噪結果。圖7所示 的採集信號、圖8所示的原始信號為混有刺激幹擾的原始肌電波形，兩圖中的濾噪信號為 濾除幹擾之後的乾淨肌電信號波形，可以看出刺激波峰濾除的效果很好，獲得純淨的肌電 信號。
權利要求
一種肌電功能性電刺激幹擾濾除方法，基於根據數據絕對值設定初始高電平和初始低電兩點波峰閾值，從而檢測出混有FES刺激幹擾的原始信號中正的和負的刺激波峰，將相應的序列置零達到幹擾濾除。
2.如權利要求1所述的肌電功能性電刺激幹擾濾除方法，還包括以下步驟 步驟(1)，將採集的混合刺激幹擾的肌電信號作為輸入信號； 步驟(2)，計算並濾除採集信號中的波形偏移量；步驟(3)，掃描採集信號的絕對值矩陣並計算該矩陣中的最大值，這個最大值對應著刺 激峰值幅值，根據該最大值設定分別兩個初始閾值即一個高電平HT，為檢測到的最大波 峰值除以二；以及一個低電平LT，為最大波峰值的1/20 ； 步驟(4)，掃描採集信號的數據矩陣；步驟(5)，直到該數據矩陣以增長的趨勢經過初始低電平的幅值，即經過 1-LT/2-HT/2-HT/1-LT閾值，則此時檢測到刺激信號波峰；步驟(6)，記錄這個初始低電平的矩陣下標，從起始2-LT到最終1-LT，將這一系列矩陣 置零，從而濾除檢測到的這一段刺激信號；步驟(7)，繼續觀測該矩陣以確定矩陣是否繼續增長並經過1-LT閾值，此時檢測到肌 電波形；步驟(8)，如果矩陣超過初始低電平後，數據值減小並再次經過初始低電平，那麼這個 點是肌電信號或者零星的噪聲，處理中將其當作有效的肌電信號，忽略掉這個點，繼續掃描 矩陣來檢測FES波峰。
3.如權利要求1所述的肌電功能性電刺激幹擾濾除方法，還包括以下步驟如果經過初始低電平值後，數據矩陣的幅值繼續增大並超過了高電平值，那麼以初始 低電平值的起始點開始標記這段數據矩陣的序列值，將該段數據矩陣作為檢測到一個有效 的FES幹擾波峰；監控數據矩陣，當經過初始高電平或初始低電平，標記並記錄這個刺激序列的長度， 從初始低電平經過點的矩陣下標到最終低電平經過點的矩陣下標，期間為檢測到的有效波 峰；用零向量(或是肌電信號基線)代替這段刺激幹擾序列。
4.如權利要求1所述的肌電功能性電刺激幹擾濾除方法，當所述混有FES刺激幹擾的 原始信號為多倍數據的成批處理的數據文件時，該方法還包括以下步驟對記錄的數據文件給予編碼文件名； 加載了數據文件進入存儲條，去掉文件名提取出濾除數據； 建立預測FES波峰數目的公式SAP = AxBx(—) D其中，A是時間上的佔空係數中的分子比列；B是FES頻率；C，數據採集時間；還有D，時 間上的佔空係數的分子和分母比例的和；預期得到的數量的誤差在5%以內，那麼檢測波峰的過程成功，執行濾除處理； 如果檢測到的幹擾波峰數量超出了 5%誤差 增加高/低電平值然後重新運行算法；如果濾除刺激幹擾的數量仍然過大，超過5%誤差，繼續增加高/低電平值的閾值； 相反，如果濾除刺激幹擾的數量過少，誤差超過預測值的5%，程序減小高/低電平值 1 %然後重新運行算法，直到刺激波峰的預測值與檢測到的波峰數量相近到誤差範圍以內。 改變高/低電平值通過改變以下公式的分母來進行 HT = MAX/X LT = MAX/Y其中HT/LT為高/低電平，MAX是數據矩陣最大值，X初始設置為2，根據每次重複的反 饋來改變；Y初始設置為20，根據每次反饋來改變；這一過程繼續進行直到濾除的刺激波數量達到預期刺激波形數量，誤差控制在5%以 內；根據檢測刺激波峰數量是否在達到預期刺激波峰之前以及預測FES波峰數目的誤差 控制在5%以內，這兩個因素停止上述的重複運行算法。
5.如權利要求1所述的肌電功能性電刺激幹擾濾除方法，所述重複運行算法允許的最 多反饋重複運行次數為20次；大多數數據文件的檢測數量達到預期刺激數量，即誤差5% 時；在10次重複以內。
6.如權利要求2、3或4所述的肌電功能性電刺激幹擾濾除方法，還包括錯誤控制處理， 包括以下步驟進行錯誤校驗刺激波形濾除數量=經驗公式預期數量(允許5%誤差)；濾除掉刺激 幹擾的輸出純淨的肌電信號。
7.如權利要求4所述的肌電功能性電刺激幹擾濾除方法，所述編碼文件名包括受試者 的名前綴字母，FES刺激頻率以及FES脈寬。
全文摘要
本發明公開了一種肌電功能性電刺激幹擾濾除方法，基於根據數據絕對值設定初始高電平和初始低電兩點波峰閾值，從而檢測出混有FES刺激幹擾的原始信號中正的和負的刺激波峰，將相應的序列置零達到幹擾濾除。與現有技術相比，本發明與現有技術相比，本發明可有效地濾除FES幹擾獲得純淨肌電信號，並獲得可觀的社會效益和經濟效益，所提供的批量數據文件處理大幅度提高了工作效率，在保證信號質量的同時，具有很大的實用性和應用推廣性。
文檔編號A61B5/0488GK101862189SQ201010200508
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月13日 優先權日2010年6月13日
發明者萬柏坤, 劉秀雲, 張希, 徐立峰, 明東, 綦宏志 申請人:天津大學