表面肌电信号在脑卒中患者手臂康复中的应用

1表面肌电信号在脑卒中患者手臂康复中的应用严良文叶帅陈善超余雪李邵鹏(上海大学机电工程与自动化学院上海200072，E-mail:[e-mail])摘要：为脑卒中患者手臂康复提供一种可视、有趣的游戏训练方式，有效的帮助患者恢复上肢运动功能。在建立一套良好的硬软件系统后，借助虚拟现实技术，将患者手臂肌肉的表面肌电信号SEMG和运动传感器信号结合起来完成游戏。患者在该游戏中得到了良好的视觉反馈，上肢康复效果明显，训练积极性增强。使用SEMG信号可以有效帮助脑卒中患者进行康复训练，使得康复活动不再依赖医院和医生，而且过程有趣实用。关键词：脑卒中;表面肌电信号;康复;虚拟现实1引言据介绍，脑卒中是中国居民第一死亡原因，其发病率正以每年8.7%的速度上升，在全国，每年新发病人150万-200万[1]，幸存患者中，有25％丧失劳动能力，15％严重残疾，不同程度的丧失独立生活能力及工作能力，给社会和家庭带来沉重的负担[2]。脑卒中康复治疗的主要目的是恢复患者的运动功能、言语能力和认知功能。传统的治疗方法有物理治疗、作业治疗、言语治疗、心理治疗等，缺乏治疗评价参数和康复效果之间关系的客观依据，训练的针对性较差，效果不直观，患者被动接受治疗，参与治疗的主动性不强。表面肌电(surfaceelectromyography，SEMG)是从肌肉表面通过电极引导，记录下来的神经肌肉系统活动时的生物电信号，是一种安全、容易掌握、非侵入性的记录肌电的办法，能使肌肉的能量客观量化。利用SEMG信号将虚拟现实技术融入到康复训练之中，使患者不依赖医生，不需要去医院，在家里经过简单的操作即可进行康复训练，而且训练效果要优于传统的康复手段。2.肌电信号采集实验平台的开发肌电信号采集实验平台需要实现信号的采集、分析、处理等功能。肌电信号采集设备经过多年发展，市面上已经有相当数量种类的商业化的国内外产品，例如芬兰的MEGA、美国的Noraxon公司和DELSYS公司都开发了非常完善的肌电采集产品，他们不仅功能强大，性能卓越，而且体积紧凑具备无线功能，携带使用非常方便，其配套的软件也十分全面，可以实现各类滤波、处理、分析等。然而这些进口产品及其零配件价格及其昂贵。国内品牌诺诚、海神也有类似产品，其各方面性能虽不能与进口产品相比拟，也实用可靠，但这些商用产品都有一个特点：数据采集系统自成体系，不向用户开放。另外，也不能找到能够读取其数据的第三方软件。因此，不得不进行试验平台的开发，考虑到开发灵活性、实验便利、资金等众多因素，最后决定采用购买现成的模拟放大器联合DSP的开发模式。前期借用成熟商业产品在医院进行患者样本采集，根据患者的信号特点来确定各项采集参数，最后将开发好的平台与成熟商业产品进行性能对比，衡量自行开发系统的各方面性能。2.1硬件平台搭建硬件部分结构如图1主要包括采集电极、前置放大器、加速度传感器、A/D转换模块、DSP以及PC部分构成。采集电极将皮肤表面的肌电信号通过电缆传导至放大器输入部分，放大后的信号经过调理电路的升压以适于DSP的AD模块信号接收范围，DSP经过运算后将需要的结果传输至PC。图1硬件部分结构(1)电极的选择：采用Ag-AgCl电极片作为肌电信号采集电极，可满足良好的采集性能，价格合理，使用也DSP加速度传感器PC采集电极前置放大器A/D转换调理电路2较为方便。(2)放大器的选择：在比较了国内一些厂商的模拟放大器后，选定南京鸿宾HB-854A型微弱信号放大器。(3)信号调理电路：经过模拟放大器放大后的信号电压幅值处于-1.5V—1.5V之间，而DSP的A/D模块可以接受的电压为0V—3V，如果直接将放大器的信号接入DSP则无法采集到0V以下的信号，因此在信号进入DSP之前，放置模拟电路将电压整体抬升。图2电路前半部分是一个由反相放大器构成的反向加法器，对多输入电压求和并倒相放大的一种模拟加法器，后半部分为一个反相电路。从而实现将输入电压幅值范围-1.5V—1.5V调整至DSP可以采集的0—3V的范围。图2信号调理电路原理图(4)DSP开发板选型：DSP的选型是非常重要的一个环节。DSP是整个系统的核心部件，合理的选择显得极为重要，针对这里的项目使用环境及要求我们选择TI公司的TMS320C2812系列，它是一款专门面向数字控制系统进行优化的通用可编程微处理器，特别是在数字信号处理方面，该DSP的应用十分广泛，它所具有的通信模块十分齐全。同时处理器的指令处理速度快，内部存储器丰富，适合于本系统。2.2DSP程序开发DSP的编程，通过DSP实现信号的采集，简单处理以及信号通过接口传输至PC机。开发工具同样使用TIDSP开发软件CodeComposerStudio3.3，CCS包含用于开发和调试嵌入式应用的整套工具，包括编译器、源码编辑器、项目构建环境、调试器、描述器、仿真器以及多种其它功能。整个程序大致包括：采集程序流程和ADC工作流程，如图3和图4。采集程序流程：程序首先对系统初始化，这一阶段中会实现包括关闭中断、清除中断标志位、初始化PIE单元、初始化PIE单元中断向量表、赋AD中断地址给中断向量表等功能，然后调用ADC初始化子程序，在AD初始化完毕后，检查AD转换是否空闲，如果转换器忙则进入等待状态，如果空闲，则完成AD转换，并将转换的结果读入寄存器，完成之后进入下一次转换。ADC工作流程：本系统里CONT_RUN置0，排序器工作于启动停止模式。首先对ADC寄存器初始化，初始化完成后发出ADC的触发信号，MAXCONVn的值传递给ADCASEQSR寄存器的SEQCNTRn位，执行转换，转换完成之后计数器减一，并将读取的结果转存到ADCRESULT寄存器中，通过对SEQCNTR3和SEQCNTR0的值判断所有的转换任务是否完成，如果未完成则继续重复上述过程，直到所有转换任务完成。通过以上两部分的工作，即可使用DSP对肌电信号进行数据采集及传输工作。3系统初始化关中断，清除中断标志初始化PIE单元初始化PIE单元中的中断向量表赋AD中断地址给中断向量表调用ADC初始化子程序开中断AD空闲启动AD转换AD中断服务子程序是否初始化ADC寄存器ADC触发SEQCNTRn位赋值执行转换转换结果存储到ADCRESULT寄存器SEQCNTR3-SEQCNTR0减1所有转换是否完成INTSEQn置位停止是否图3采集程序流程图图4ADC工作流程图3.单通道SEMG信号反馈辅助训练3.1训练方案设计使用DirectX3D，在VC++环境下建立了一个手臂康复训练的人际交互虚拟系统，以患者桡侧腕屈肌表面肌电信号的均方根值（RMS）作为训练指标，通过反复收缩并监测其RMS峰值，逐步提高患者肌力水平。首先对患者进行初次采集信号，医师通过动作示范引导患者尽力的做手腕外翻动作，并记录下其肌电信号，同时计算出该段信号RMS值的变化，根据测量RMS结果，选取一个合适的值作为下一次动作的目标。随后，开始正式的训练，患者边看屏幕显示，并努力完成动作，当目标小球达到指定高度时认为该次训练动作成功，成功次数达到设定目标次数后，进入下一阶段的训练，再次提高RMS的训练的目标，如此往复。通过针对RMS的动作训练，患者可以直观看到RMS值，并依靠小球的高度感觉到肌肉状态的变化，随着肌肉的RMS值在不断提高，肌肉的状态逐渐好转，从而达到康复效果。3.2信号处理流程如前所述，SEMG信号处理方法很多，可以得到的信号特征参数也很多，目前的研究表明肌电信号的特征的各类参数除少数外均未发现明确的物理意义，有证据表明的参数如：均方根（RMS）与肌力大小成正相关[i]，中值频率与肌肉疲劳程度有关等。这里选取肌电信号的RMS值作为反馈值，并记录患者动作中RMS值情况作为评价指标。211NiiRMSxN下面以肌力等级为Ⅱ级的王姓患者为例，第一次使用时，先进行初次测量，将采集电极布置于桡侧腕屈肌处，然后在医师的引导下，尽力的做手腕外翻动作，图5为原始信号序列图。采样率为1K，对每100个时间序列点求其RMS值得到图6。4图5单通道肌电信号时间序列图图6单通道肌电信号RMS图取其RMS中的最大值MAX=263.5作为训练的起点参数，以初次RMS最大值增加10%即MAX*110%=289.9为训练目标。进入正式训练后，信号按照图7的方式处理：经表面电极采集到的SEMG信号，先经过前置放大器的放大一千倍，然后对信号进行50Hz工频陷波，通过带宽为1Hz-1000Hz的滤波。干净的信号送入DSP的AD模块转化为数字量信号，并计算其RMS值，将计算后的结果送入PC，转化为形象的反馈显示给患者。图4-5中球的高度由患者的RMS决定，并规定，十次收缩过程中，有六次能达到既定目标，则认为患者通过该级训练进入下一级训练，在下一级别的训练中再次加大RMS目标参数。通过逐渐提高训练难度，逐步改善手腕外翻动作的力度和活动范围。图7信号处理流程图3.3PC游戏编制DSP计算后的RMS值通过USB通信可以传输给上位电脑，这时需要在VC平台下编写程序接受DSP传输上来的信号，以及将信号以动态图形的方式反馈给患者。程序流程如图8，系统运行之后，首先建立于DSP之间的通信，通信成功之后，进入登陆界面，患者使用自己的用户名和密码进入，系统对患者对训练进度进行读取，如果是第一次参加训练的患者，引导患者做握拳动作并记录下患者动作中SEMG最大值，取最大值的70%为触发阈值，即当信号特征超过此阈值时，游戏中的子弹发射一次，如果不是第一次训练，则直接调出患者的训练记录进入下一阶段的训练。训练开始，使用定时器周期性的通过通信端口读取DSP传输上来的肌电信号特征值与角度值，对肌电信号进行检测，当训练者开始动作后，比较特征值和阈值，如果动作开始后特征值一直小于阈值，认为当前动作无效，从新进入下一动作检测阶段，当特征值一旦超过阈值子弹按角度传感器的角度对应发射，发射后检验子弹是否击中，如果击中则计入成功计数，未击中则进入下一动作判断，发射命中率达到70%，认为该难度级别训练完成，提示患者进入下一难度级别。SEMG信号Ag-Cl电极前置放大器限波、滤波计算RMSPC显示器患者5开始与DSP建立通讯用户登录是否第一次训练难度级别选择进入游戏界面读取SEMG与角度信号动作开始判断信号特征大于阈值子弹按角度发射是否击中飞机成功次数计数训练达标引导患者动作记录SEMG设置触发阈值否是是否否否是图8PC程序流程图4.结论建成的系统针对不同程度的十位患者进行了测试，测试现场如图9。实验表明对于肌力级别处于三级及以上的患者均能良好的操纵游戏。和传统的康复治疗相比，虽然肌电信号只是在游戏中表现了一种效果，却能客观反映患者肌肉状况，不仅完成了康复动作的训练，而且充满趣味，患者也不再把这当作乏味的治疗而抵触治疗，而是当作游戏娱乐。经过一段时间的训练后，可以逐步提高患者的手臂力度、运动协调性、灵活性。图9患者现场训练图参考文献[1]新华网.辽宁脑卒中发病每年8.7%速度递增.沈阳晚报，2014,11[2]周士枋.脑卒中后大脑可塑性研究及康复进展[J].中华物理医学与康复杂志，2002，24：437—439.[3]曾艳芳，崔宏力，王洪芳.肌电生物反馈对脑梗死偏瘫早期康复的临床疗效观察[J].临床荟萃，2007，22：792.[4]姚滔涛，王宁华，陈卓铭.脑卒中运动功能训练的循证医学研究[J].中国康复医学杂志，2010，25(6)：35.[5]邱青菊.表面肌电信号的特征提取与模式分类研究[D].上海，上海交通大学，2009:28.6