[发明专利]一种调控关节力矩和刚度的功能性电刺激系统和方法

说明书

本发明提供一种调控关节力矩和刚度的功能性电刺激系统和方法，包括了给电刺激器发送强度信号的控制模块、产生电刺激脉冲电流的电刺激器模块和采集力学、肌电与位置信号的数据采集模块。数据采集模块将力学和位置信号传给控制模块，控制模块建立关节力矩和刚度和主动肌和拮抗肌电刺激强度的映射表，并通过插值查表法计算得出产生关节力矩和刚度所需的两块或者多块肌肉的电刺激强度，电刺激器模块根据所需的刺激强度调节电刺激脉冲的幅值或脉宽，实现对关节力矩和刚度的调控。

技术领域

本发明涉及功能性电刺激(FES)技术领域，更具体的，涉及一种调控关节力矩和刚度的功能性电刺激系统和方法。

背景技术

近年来，功能性电刺激技术的发展受到越来越多的关注，它通过外电流的作用，使神经细胞产生一个与自然激发引起的动作电位完全一样的神经冲动，让其支配的肌肉纤维产生收缩，从而获得运动的效果。为了获得期望的关节运动，并尽可能减小康复训练中疲劳产生的影响，需要设计并实现功能性电刺激自适应控制系统，以产生恰当、稳定的肌肉力及相应关节力矩。在功能性电刺激自适应控制系统中，获得实时准确关节力矩信号是关键。很多研究为了简化控制系统的硬件机械部分和使用复杂度，建立了模型来模拟电刺激肌肉所产生的关节力矩。Hunt在带有FES的鲁棒控制系统中使用线性二阶模型估计电刺激产生的肌肉力矩来帮助受试者保持稳定的站姿。Freeman等人在FES控制系统中建立了Hammerstein模型估计电刺激产生的肌肉力矩，以帮助受损对象完成椭圆轨迹跟踪任务。

另一方面，关节刚度作为关节力矩的主要组成部分，主要由同时激活的拮抗肌肉对来调节，会随着人体运动而变化。前人发现同时激活一对拮抗肌肉可以增加关节刚度，但也会减少净关节力矩。在步态中，踝关节刚度在下肢功能，包括姿势稳定、推进、转向和运动过程中的能量吸收起到重要作用。目前有研究基于肌电信号建立模型来估计关节刚度，用于变刚度的康复机器人的研究。关节刚度的调控对于抵抗外界环境的干扰、适应外界环境的变化和维持自身关节的稳定十分重要。

公开号为CN109106339A的中国发明专利申请于2019年1月1日公开了一种功能性电刺激下肘关节力矩的在线估计方法，通过离线采集电刺激下关节力矩、角度、角速度数据，对肌肉骨骼模型进行预建模，然后实时采集电刺激下关节角度和角速度信号，对预建模的肌肉骨骼模型系统参数进行实时自适应更新，实现对力矩的在线估计。但其主要是通过离线数据构建在线预测模型，通过在线预测模型实现对肘关节力矩信号的在线估计，缺乏量化电刺激对关节力矩和刚度作用的模型，无法对关节刚度进行调控，在实际应用中稳定性不足。

发明内容

本发明为克服现有的功能性电刺激技术在应用过程中，存在无法对关节刚度进行调控，稳定性不足的技术缺陷，提供一种调控关节力矩和刚度的功能性电刺激系统和方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种调控关节力矩和刚度的功能性电刺激系统，可以通过电刺激一对主动肌和拮抗肌，产生期望的力矩和刚度，具体包括控制模块、电刺激器模块、数据采集模块；其中：

所述控制模块用于实时为所述电刺激器模块发送强度信号，其中包括一个关节力矩和刚度的预测模型，用于生成关节力矩和刚度和主动肌和拮抗肌电刺激强度的映射表，还包括一个插值查找表算法，寻找目标关节角度和关节力矩所需要的电刺激强度，并将此电刺激强度信号传给电刺激器模块；

所述电刺激器模块主要由电刺激器和电极片及其配套的导线构成，用于产生电刺激脉冲电流传递给人体肌肉；

所述数据采集模块用于采集关节的肌电、力矩和角度信号并传输至所述控制模块；

在所述控制模块上的关节力矩和刚度的预测模型包括以下4个子模型：刺激电流强度到肌肉兴奋性映射模型、肌肉骨骼几何模型、肌力模型和关节模型；其中：

所述刺激电流强度到肌肉兴奋性映射模型根据所述电刺激器模块所产生的电刺激强度进行计算，得到肌肉兴奋性；