[发明专利]一种功能性电刺激表面肌电信号的滤波方法

说明书

技术领域

本发明属于康复工程与智能控制领域，特别涉及一种功能性电刺激表面肌电信号的滤波方法。

背景技术

近年来，脊髓损伤以及中风等脑血管病导致瘫痪的发病率呈显著上升趋势，不但给个人和家庭都带来较大的负担，也成为日益沉重的社会问题。2011年我国召开的国务院常务会议指出，力争到2015年，使我国残疾人生活总体达到小康，参与和发展状况显著改善，初步实现残疾人“人人享有康复服务”目标。

肢体功能重建是对截瘫患者进行康复治疗时关注的一个重点与难点，这关系到日常生活活动能力和生活质量的提高问题。目前在截瘫患者行走能力恢复方面,FES(Functional Electrical Stimulation，功能性电刺激)被普遍认为是一种比较有效的临床工具。FES是利用某种特定的电流(或电压)信号刺激易兴奋的肌肉、组织或器官，以改善其肌肉性能、恢复或重建由神经损伤而丧失的肢体活动功能的技术。20世纪60年代，Liberson首次成功地利用电刺激腓神经矫正了偏瘫患者足下垂的步态，开创了功能性电刺激用于运动和感觉功能康复治疗的新途径。

在FES中，利用神经细胞对电刺激的响应来传递外加的人工控制信号，通过外电流的作用，神经细胞能产生一个与自然激发引起的动作电位相似的神经冲动，使其支配的肌肉纤维产生收缩，从而获得运动的效果。尽管随着了解的不断深入，FES已被应用于康复的许多领域，但是与其广阔的应用前景相比，很多新的FES技术还只局限于实验室阶段，临床应用的FES刺激模式以及达到的效果都非常有限，其原因之一就是对于FES作用的机理方面的研究还有所欠缺。细胞水平的解释只能说明FES刺激肌肉收缩产生运动的原因，却不能在宏观上说明在FES刺激下目标肌肉的功能活动和状态。而骨骼肌的收缩和舒张活动和状态是人体各种运动的基础，肢体运动主要是由骨骼肌产生舒张和长度缩短的机械性反应即动力来完成的，骨骼肌的结构是功能活动的首要决定因素。所以，要想利用FES达成骨骼肌功能重建以完成特定动作甚至运动的目的，并使其得到快速发展和广泛应用，就必然需要对FES作用下骨骼肌的结构及其功能活动与状态的机理进行更深入的探究。

sEMG(surface electromyography，表面肌电信号)是反应肌肉活动的电生理参数，是当前用来评价肌肉活动信息的最常用方法，已经广泛的应用于假肢的开关控制，sEMG具有简单、无损和实时性好等优点。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下的缺点和不足：

当刺激作用肌肉和诱发肌电同时发生并且刺激电极和记录电极的位置相近时，sEMG混有刺激干扰，影响了纯净肌电信号的采集；FES的幅值是mV范围，比sEMG的幅值大许多倍；FES信号的输出会感染敏感的肌电采集系统，造成闭环神经假体控制的刺激干扰问题。

发明内容

本发明提供了一种功能性电刺激表面肌电信号的滤波方法，本方法实现了在采集肌肉的神经电生理活动时减弱或抑制FES干扰，获取比较纯净的表面肌电信号，详见下文描述：

一种功能性电刺激表面肌电信号的滤波方法，所述方法包括以下步骤：

(1)通过无线肌电系统采集伸膝过程中功能性电刺激下目标肌肉的第一表面肌电信号，同时采集一组自主伸膝过程中目标肌肉的第二表面肌电信号S(n)；

(2)通过所述第一表面肌电信号构建FES模板信号r(n)；

(3)通过所述第二表面肌电信号S(n)，所述FES模板信号r(n)和滤波器权重获取噪声信号v(n)的估计值

(4)通过所述噪声信号v(n)的估计值获取滤波器的估计误差e(n),对滤波器权重进行更新；

(5)判断所述估计误差e(n)是否满足预设标准，如果是，停止迭代，执行步骤(7)；如果否，执行步骤(6)；

(6)n→n+1，重复步骤(4)和步骤(5)，直至达到设定的迭代次数，执行步骤(7)；

(7)对滤波器的收敛参数μ、阶数M和加权初值w_m(0)进行染色体编码，分别获取编码后收敛参数μ、阶数M和加权初值w_m(0)的初始值；

(8)根据所述估计误差e(n),估计偏差的变化率和所述第二表面肌电信号S(n)构建最优指标J，通过所述最优指标J获取适度函数F；

(9)通过遗传算法对所述编码后收敛参数μ、阶数M和加权初值w_m(0)的初始值进行寻优,输出多个适度函数F，通过所述多个适度函数F绘制适度函数曲线；