基于数字化膝关节支具的训练评估系统和膝关节训练评估方法

技术领域

本发明属于康复训练器械技术领域，具体涉及一种基于数字化膝关节支具的训练评估系统和膝关节训练评估方法。

背景技术

骨与关节损伤是一种古老的疾病，在全球范围内都是导致人类残疾乃至死亡的主要原因。对骨与关节损伤开展有效治疗和康复技术研发，不仅能显著提升人民的生活质量，而且可以极大降低医疗资源成本，对提高人民健康水平和经济效益上作用巨大。

目前治疗肌肉废用性萎缩的对策有两种，一种是运动疗法，通过重新施加机械负重锻炼是恢复肌肉质量、增加肌细胞核数量、卫星细胞(Satellite Cell,SC)数量和再生能力的最有效方法，负重锻炼带来的阻尼运动可增加肌肉质量，并通过增加肌肉上的负荷来激活通路并增加蛋白质合成。但据Oates B R在2010的一篇主题为低容量阻力运动可缓解与固定相关的力量和肌肉质量的下降的文献报道，通过传统支具进行肢体固定等废用性萎缩模型中，单独的阻尼运动可以减少但不能完全缓解肌肉损失。

另一种方法是物理疗法，其中电刺激疗法是目前最流行的物理疗法，它能够强化患侧肌肉收缩来预防和治疗废用性肌萎缩，

中国专利CN109107039A公开了一种肌电反馈与电刺激辅助式下肢康复训练器，包括椭圆机主体、第一、二盘式电机、第一、二踏步连杆、第一、二踏板摆杆、第一、二足踏板、电气模块和触摸显示屏；所述椭圆机主体设有底座、电机架、第一滑轨、第二滑轨和显示器架；所述电气模块包括上位机、微处理器控制模块、肌电采集模块和功能性电刺激模块。本发明可以让使用在安全舒适的情况下进行椭圆步行轨迹的下肢训练，由触摸显示屏提供虚拟训练场景，并利用使用者自身的肌电信号评估其运动能力，调控电机输出与功能性电刺激来做出运动补偿，帮助使用者完成训练，提高了训练安全性，主、被动结合的训练方式使训练效率更高。

但是由于个体生理特性的差异性，电刺激的参数选择是一个比较困难的问题，经常只能依靠医生的经验以及患者的主观感受。此外，持续的电刺激也会带来肌肉疲劳的问题，如何有效精准地实施个性化的电刺激是目前主要需解决的问题。另外，单一电刺激产生的转矩比较小，很难让患者实现精确的动作。

发明内容

本发明提供了一种基于数字化膝关节支具的训练评估系统，通过该系统能够基于不同的恢复阶段，有效、准确和个性化的对患侧肌肉不同区域进行合适强度的电刺激进而减少肌肉疲劳，同时能够通过准确调节膝关节支具减少肌肉的损失。

一种基于数字化膝关节支具的训练评估系统，包括：

肌电采集模块，用于采集健侧和患侧肌肉的sEMG信号，并将sEMG信号输入至上位处理模块；

IMU模块，用于采集健侧和患侧肌肉的原始运动状态数据；

上位处理模块，用于实时获得患侧肌肉sEMG信号，并得到患侧肌肉sEMG信号的RMS值，基于患侧肌肉RMS值向关节支具模块发送关节支具角度调节指令；还用于当患侧肌肉RMS值达到动运动阶段RMS阈值后，基于健侧肌肉和患侧肌肉的RMS偏差值和患侧肌肉RMS值得到品质因数，基于品质因数的最大值和最小值构建电刺激强度信号，并向功能性电刺激模块发送电刺激强度信号；还用于当患侧肌肉RMS值达到动运动阶段RMS阈值后，对原始运动状态数据进行数据融合和互补滤波得到实时三轴姿态角，基于实时三轴姿态角通过设定的三轴姿态角与刺激位点的对应关系得到刺激位点信号，向功能性电刺激模块发送所述刺激位点信号；还用于当患侧肌肉RMS值达到动运动阶段RMS阈值后，将原始运动状态数据中的角速度和加速度分别与品质因数相乘得到运动状态数据，并向关节支具模块发送所述运动状态数据；

功能性电刺激模块，用于基于电刺激强度信号和刺激位点信号向患侧肌肉的具体位置进行给定强度电刺激；

关节支具模块，用于基于关节支具角度调节指令调节关节支具的角度；还用于基于运动状态数据调节关节支具的角速度和加速度。

所述肌电采集模块包括肌电采集电极和机电信号处理单元，所述肌电采集电极用于采集健侧和患侧肌肉表面的sEMG信号，所述机电信号处理单元通过信号线接收健侧和患侧肌肉表面的sEMG信号，并将所述sEMG信号发送至上位处理模块。

所述IMU模块包括陀螺仪、加速度计、磁力计和IMU信号处理单元，通过所述陀螺仪采集关节支具的初始角速度，通过所述加速度计采集关节支具的初始加速度，通过磁力计对所述初始角速度和初始加速度进行修正得到原始运动状态数据，通过IMU信号处理单元将原始运动状态数据发送至上位处理模块。

所述基于健侧肌肉和患侧肌肉的RMS偏差值和患侧肌肉RMS值得到品质因数Q为：

RMS

其中，RMS

所述基于品质因数的最大值和最小值构建电刺激强度信号Ir为：

其中，I

所述将原始运动状态数据中的角速度和加速度分别与品质因数相乘得到角速度信号V

V

A

Q

其中，V为原始运动状态数据中的角速度，A为原始运动状态数据中的加速度，Q为品质因数。

所述功能性电刺激模块接收的电刺激强度信号包括电刺激的脉宽、频率和幅度。

所述基于数字化膝关节支具的训练评估系统还包括可视模块，用于接收实时三轴姿态角，将所述实时三轴姿态角作为关节模型的参数以动态的展示关节的动态轨迹，所述关节模块包括表示髋关节、膝关节和踝关节的球体，以及连接各个关节的连杆。

所述基于数字化膝关节支具的训练评估系统还包括电源模块，用于向所述肌电采集模块、IMU模块、功能性电刺激模块和关节支具模块供电。

一种采用所述基于数字化膝关节支具的训练评估系统对膝关节训练的评估方法，其特征在于，包括：

通过关节支具对膝关节进行角度固定，并通过肌电采集模块采集健侧和患侧肌肉的sEMG信号，并将所述sEMG信号输入至上位处理模块，所述上位处理模块实时获得患侧肌肉sEMG信号，并得到患侧肌肉sEMG信号的RMS值，基于患侧肌肉RMS值向关节支具模块发送关节支具角度调节指令，所述关节支具模块基于关节支具角度调节指令调节关节支具的角度；

当患侧肌肉RMS值达到动运动阶段RMS阈值时，上位处理模块实时获得健侧和患侧肌肉的sEMG信号，基于健侧肌肉和患侧肌肉的RMS偏差值和患侧肌肉RMS值得到品质因数，基于品质因数的最大值和最小值构建电刺激强度信号，并向功能性电刺激模块发送电刺激强度信号；上位处理模块还实时接收来自IMU模块的原始运动状态数据，对原始运动状态数据进行数据融合和互补滤波得到实时三轴姿态角，基于实时三轴姿态角通过设定的三轴姿态角与刺激位点的对应关系得到刺激位点信号，向功能性电刺激模块发送所述刺激位点信号；功能性电刺激模块基于电刺激强度信号和刺激位点信号向患侧肌肉的具体位置进行给定强度电刺激；上位处理模块将原始运动状态数据中的角速度和加速度分别与品质因数相乘得到运动状态数据，并向关节支具模块发送所述运动状态数据，所述关节支具模块基于运动状态数据调节关节支具的角速度和加速度。

当品质因数达到品质因数阈值时，上位处理模块停止向关节支具模块输入运动状态数据和实时三轴姿态角，而向可视模块发送实时三轴姿态角，可视模块将实时三轴姿态角作为关节模型的参数以动态的展示关节的动态轨迹，所述关节模块包括表示髋关节、膝关节和踝关节的球体，以及连接各个关节的连杆，从而向患者提供了三维关节动态轨迹图。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过实时接收患侧肌肉和健侧肌肉的sEMG信号，以及原始运动状态数据，在恢复初期，基于患侧sEMG信号的RMS值调节关节支具的角度以减少肌肉损失，在运动阶段，通过实时接收的SEMG调节电刺激强度和电刺激位点从而能够针对不同时刻的患侧特定区域进行合理强度的电刺激进而能够准确的对肌肉进行训练，同时实时接收的SEMG实现对关节支具实时进行角速度和加速度的调节，基于上述两点调节实现了减少肌肉损失的同时尽量避免肌肉疲劳的技术效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于数字化膝关节支具的训练评估系统的系统框图；

图2为本发明实施例提供的采用基于数字化膝关节支具的训练评估系统对膝关节训练的评估方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的基于数字化膝关节支具的训练评估系统的上位机处理模块的功能设置界面图；

图4为本发明实施例提供的基于数字化膝关节支具的训练评估系统中功能性电刺激模块的电刺激位点图；

图5为本发明实施例提供的基于数字化膝关节支具的训练评估系统中肌电采集模块采集得到的健侧原始sEMG信号和处理过后的实时数据图；

图6为本发明实施例提供的基于数字化膝关节支具的训练评估系统中肌电采集模块采集得到的患侧原始sEMG信号和处理过后的实时数据图；

图7为本发明实施例的基于数字化膝关节支具的训练评估系统的可视模块三维关节动态轨迹图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本发明提供了一种基于数字化膝关节支具的训练评估系统，如图1所示，包括：肌电采集模块、IMU模块、功能性电刺激模块、关节支具模块、电源模块、上位机处理模块和视觉模块。

肌电采集模块包括肌电采集电极和机电信号处理单元，所述肌电采集电极用于采集健侧和患侧肌肉表面的sEMG信号，机电信号处理单元通过信号线接收健侧和患侧肌肉表面的sEMG信号，并将sEMG信号发送至上位处理模块。

IMU模块包括陀螺仪、加速度计、磁力计和IMU信号处理单元，通过陀螺仪采集关节支具的初始角速度，通过加速度计采集关节支具的初始加速度，通过磁力计对所述初始角速度和初始加速度进行修正得到原始运动状态数据，通过IMU信号处理单元将原始运动状态数据发送至上位处理模块。

上位处理模块用于实时获得患侧肌肉sEMG信号，并对sEMG信号进行滤波，将滤波后的sEMG信号进行均方根得到对应的RMS值(Root Mean Square，RMS)，基于患侧肌肉RMS值通过设定的患侧肌肉RMS值与关节支具角度的映射关系得到关节支具角度调节指令，向关节支具模块发送关节支具角度调节指令；

上位处理模块还用于当患侧肌肉RMS值达到运动阶段RMS阈值后，基于健侧肌肉和患侧肌肉的RMS偏差值和患侧肌肉RMS值得到品质因数，基于品质因数的最大值和最小值构建电刺激强度信号，并向功能性电刺激模块发送电刺激强度信号。

本发明提供的品质因数Q为：

RMS

其中，RMS

本发明提供的电刺激强度信号Ir为：

其中，I

上位处理模块还用于当患侧肌肉RMS值达到动运动阶段RMS阈值后，对原始运动状态数据进行数据融合和互补滤波得到实时三轴姿态角，基于实时三轴姿态角通过设定的三轴姿态角与刺激位点的映射关系得到刺激位点信号，向功能性电刺激模块发送所述刺激位点信号。

上位处理模块还用于当患侧肌肉RMS值达到动运动阶段RMS阈值后，将原始运动状态数据中的角速度和加速度分别与品质因数相乘得到运动状态数据，并向关节支具模块发送所述运动状态数据。

本发明提供的角速度信号V

V

A

Q

其中，V为原始运动状态数据中的角速度，A为原始运动状态数据中的加速度，Q为品质因数。

如图3所示，上位处理模块的功能设置界面由三个功能窗口组成，分别是肌电反馈电刺激界面、关节反馈电刺激界面和关节三维动态展示界面；肌电反馈电刺激界面初始化需要设置初始电刺激强度、要触发最大电刺激强度去协助完成动作的品质因数阈值Q

功能性电刺激模块用于接收电刺激强度信号和刺激位点信号，基于电刺激强度信号获得电刺激的强度，基于刺激位点信号获得刺激患侧肌肉的具体位置，从而能够根据上位处理模块的输入信号来准确的患侧肌肉进行电刺激；电刺激强度信号包括电刺激的脉宽、频率和幅度。

关节支具模块用于在修复初期，基于关节支具角度调节指令调节关节支具的固定角度，固定角度的范围为-10°到120°；还用于当患侧肌肉RMS值达到动运动阶段RMS阈值后，基于运动状态数据调节关节支具的角速度和加速度。

可视模块用于接收实时三轴姿态角，将实时三轴姿态角作为关节模型的参数以动态的展示关节的动态轨迹，关节模块包括表示髋关节、膝关节和踝关节的球体，以及连接各个关节的连杆。

电源模块用于向所述肌电采集模块、IMU模块、功能性电刺激模块和关节支具模块。向肌电采集模块、IMU模块、功能性电刺激模块和关节支具模块提供电压，其中，电源模块起始供电电压为+7.4V。+1.8V、+3.3V和+5V通过LDO芯片进行稳压分别给IMU模块、肌电采集模块和功能性电刺激模块进行供电；+40V的电通过压采样DC-DC升压电路进行升压，最大升压比能够达到10倍，提供给功能性电刺激模块需要的最大电刺激电压。

本发明还采用所述基于数字化膝关节支具的训练评估系统对膝关节训练的评估方法，用于对膝关节的康复治疗，如图2所示，包括：

(1)初期固定康复治疗阶段，包括：

在术后2周内时间，该时间是基于对患侧肌肉sEMG信号的RMS值达到动运动阶段RMS阈值之前的时间进行判断的，处于初期固定康复治疗阶段，使用关节支具模块的固定模式进行相应角度的关节固定。

本发明提供的关节支具模块的初始固定角度为伸直位固定，同时控制肌电采集模块采集健侧和患侧肌肉的sEMG信号，并将健侧和患侧肌肉的sEMG信号输入至上位处理模块，上位处理模块根据实际测量得到的sEMG信号的均方根值RMS来判断患侧恢复的实际情况，即通过RMS和固定角度的关系向关节支具发出关节支具角度调节指令，关节支具模块基于关节支具角度调节指令调节关节支具的固定角度。通过基于患侧肌肉sEMG信号实时固定角度的调节减少了患侧肌肉的损失，有利于患侧肌肉的恢复。

(2)中期被动运动康复治疗阶段，包括：

术后3到6周的时间处于被动运动康复治疗阶段，该时间是基于品质因数阈值进行确定的，当患侧肌肉RMS值达到动运动阶段RMS阈值后，而品质因数达到品质因数阈值前为被动运动康复治疗阶段。

对患侧肌肉进行被动运动辅助电刺激治疗，包括：当患侧肌肉RMS值达到动运动阶段RMS阈值时，在做关节屈伸运动动作时，控制肌电采集模块分别采集人体两侧中的健侧和患侧肌肉的sEMG信号，上位处理模块实时获得健侧和患侧肌肉的sEMG信号，通过20-500Hz的带通滤波处理后，基于处理后的健侧肌肉和患侧肌肉sEMG信号的RMS偏差值和患侧肌肉RMS值得到品质因数，基于品质因数的最大值和最小值构建电刺激强度信号，并向功能性电刺激模块发送电刺激强度信号。上位处理模块还实时接收来自IMU模块的原始运动状态数据，对原始运动状态数据进行数据融合和互补滤波得到实时三轴姿态角，基于实时三轴姿态角通过设定的三轴姿态角与刺激位点的对应关系得到刺激位点信号，向功能性电刺激模块发送所述刺激位点信号。功能性电刺激模块基于电刺激强度信号和刺激位点信号向患侧肌肉的具体位置进行给定强度电刺激。

上位处理模块将原始运动状态数据中的角速度和加速度分别与品质因数相乘得到运动状态数据，并向关节支具模块发送所述运动状态数据，所述关节支具模块基于运动状态数据调节关节支具的角速度和加速度。

本发明根据测试得出关节在不同的三轴姿态角时的发力肌肉，而实时选择发力肌肉进行电刺激可更好顺应人体发力规律达到良好的治疗效果，因此本发明根据关节在不同的三轴姿态角时的发力肌肉确定了三轴姿态角与刺激位点的对应关系。以膝关节为例，测量的确定三轴姿态角与刺激位点的对应关系，膝关节从屈曲到伸直的过程中，主要是依靠股四头肌进行发力。当膝关节弯曲角度为0°到20°时，主要是依靠股内侧肌进行发力，因此刺激股内侧肌的刺激位点，当弯曲角度为20°到90°时，主要是依靠股外侧肌发力，因此刺激股外侧肌的刺激位点，当弯曲角度为90°到140°时，主要依靠股直肌发力，因此刺激股直肌的刺激位点，如图4所示。

如图5所示，膝关节从屈曲到伸直的过程中，健侧的一次完整治疗动作持续60s发力时间的原始sEMG信号、滤波后的sEMG信号和RMS信号，一次发力动作为完整关节屈伸动作，发力时间10s，然后休息10s，继续完成三次发力动作，能够明显看到三次发力动作的RMS值在50到150uv浮动。

如图6所示，患侧的一次完整治疗动作得到的原始sEMG信号和处理过后的实时数据图，包含了图5中的原始sEMG信号、滤波后的sEMG信号和RMS信号外，还包含了反馈电刺激参数Ir和反馈系数Q，通过肌电反馈算法获得这两个实时数据，能够明显看到患侧三次发力动作的RMS值在25到100uv浮动，较健侧对比明显发力能力减弱，还可以看出反馈电刺激参数Ir是随着品质因数Q的改变而改变，所以可以通过控制品质因数Q去限制反馈电流的阈值，实现安全有效的电刺激治疗。作为优选，品质因数Q

(3)后期主动运动康复治疗阶段，包括：

术后6到12周的时间处于被动运动康复治疗阶段，将品质因数达到品质因数阈值之后，达到患侧肌肉不需要电刺激去协助完成动作的品质因数阈值Q

当处于后期主动运动康复治疗阶段时，上位处理模块停止向关节支具模块输入运动状态数据和实时三轴姿态角，而向可视模块发送实时三轴姿态角，可视模块将实时三轴姿态角作为关节模型的参数以动态的展示关节的动态轨迹，所述关节模块包括表示髋关节、膝关节和踝关节的球体，以及连接各个关节的连杆，从而向患者提供了三维关节动态轨迹图，通过实时关节动态展示可以给患者良好的视觉反馈，促进患者完成主动运动康复治疗。

如图7所示，三维关节动态轨迹图中设置三个球体Coxa、Knee和Ankle分别代表髋关节、膝关节和踝关节，设置两个连杆分别代表大腿和小腿连接各个关节，通过IMU模块得到的运动状态数据的实时三轴姿态角参数值作为输入，模拟出患侧三维关节动态轨迹，动图变化速率根据IMU模块采样率改变，本系统约为1KSps。

经过测试后发现恢复期在14周左右的骨折轻微患者在通过本系统康复治疗评估系统后恢复时间减少到12周以内，恢复期在28周左右的严重骨折患者在通过本系统康复治疗评估系统后恢复期减少到24周以内。该测试结果说明该康复治疗评估系统的三个阶段治疗方式可以很好的根据患者个体的特殊性进行适当强度和适当方式的康复治疗，肌电反馈电刺激模式能够很好的根据患者sEMG信号去调节电刺激强度，同时根据关节角度反馈电刺激模式的实时关节角度数据实现关节反馈效果，实时控制电刺激强度和电刺激位点，达到智能调控康复治疗强度和形式的效果，最后通过关节三维动态展示模式实时绘制患者关节三维动态轨迹，达到良好的视觉反馈效果，促进患者完成主动运动康复治疗。

本发明提供的系统根据术后不同阶段定义不同的康复治疗方式，相较于传统康复治疗方式更加准确，可根据患者处于的恢复阶段实时改变康复治疗方式，精确评估患者恢复状况。

本发明提供的系统形成了多模块康复治疗评估，相较于传统单一康复治疗方式更加多样，加入了肌电采集模块对患者的患侧肌肉实时监控，功能性电刺激模块对患者进行准确适当的电刺激辅助治疗，关节支具模块对患者进行被动和主动康复运动，有效的减少了单一治疗方式带来的肌肉疲劳的问题。

本发明提供的系统加入了反馈康复治疗方式，相较于传统治疗方式更符合每个人不同个体的实际肌萎缩情况，加入了肌电采集反馈电刺激模式，根据患侧实时肌电数据设置电刺激参数大小，加入了关节角度反馈电刺激模式，根据患侧关节角度设置电刺激位点，有效避免了不同个体生理性差异导致的康复治疗困难的现状，解决了传统康复治疗无法解决的问题。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。