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

本发明属于康复训练器械，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：

1、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。

2、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。

3、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，

4、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。

5、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。

技术实现思路

1、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。

2、一种基于数字化膝关节支具的训练评估系统，包括：

3、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；

4、imu模块，用于采集健侧和患侧肌肉的原始运动状态数据；

5、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；

6、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；

7、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。

8、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。

9、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。

10、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：

11、

12、rmsbias＝rmsunaffected-rmsaffected

13、其中，rmsunaffected为健侧肌肉rms值，rmsaffected为患侧肌肉rms值，rmsbias为rms偏差值，对采集健侧和患侧肌肉的semg信号进行过滤和平方根处理分别得到rmsbias和rmsunaffected，通过品质因数q表示患侧肌肉相对于健侧肌肉的无力程度。

14、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：

15、

16、其中，imax为治疗过程中预先设定的最大刺激强度，qmin为患侧肌肉不需要电刺激去协助完成动作的品质因数阈值，即品质因数最小值，qmax为需要触发最大电刺激强度去协助完成动作的品质因数阈值，即品质因数最大值。

17、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vr和加速度信号ar分别为：

18、vr＝v×qs

19、ar＝a×qs

20、qs＝1-q

21、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。

22、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。

23、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。

24、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。

25、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：

26、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；

27、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。

28、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。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

30、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。