[发明专利]肌电信号与关节角度信息融合的下肢运动轨迹预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及康复医疗器械技术领域，具体讲，涉及肌电信号与关节角度信息融合的下肢运动轨迹预测方法。

背景技术

近年来，随着车祸、地震、战争、意外伤害的频繁发生以及骨肿瘤、糖尿病足和神经系统等疾病的不断蔓延，世界肢体残疾患者数目正以成倍的速度增长，残疾人已经成为亟待社会关注的特殊群体。假肢，也称“义肢”，是供截肢者使用以代偿缺损肢体部分功能的人造肢体，也是康复工程最早发展的一个领域，自1948年，R．Rect发明了世界上第一例肌电假肢以来，给数以万计的残疾者带来了自主生活的希望。然而目前，我国的康复辅具产业仍存在很大的空白，康复辅具产品无论是从品种数量上还是从科技含量上，与发达国家仍然有一定差距，总体水平大体落后30年。行业发展还处于初级阶段，严重制约了我国残疾人生活质量的提高。利用人工神经假体和假肢能够帮助患者重建损伤下肢的运动功能，使他们恢复自理生活能力并参加力所能及的活动，已经成为了康复工程领域两个重要的发展方向。

神经肌骨动力学模型是描述人体神经控制与肌骨运动之间的关系，建立神经控制信号与肌肉活性之间的数学描述，形成方程形式，并构建含神经控制的理论模型，主要用来分析人体系统的静力或者运动学之间的关系，利用EMG等生理电信号预测和控制生物系统的肌肉力量。神经肌骨动力学的研究对于肌电假肢的精确控制、瘫痪肌肉的有效功能性电刺激、以及探索患有中风、小儿麻痹的偏瘫患者肢体运动的中枢神经控制机理有着非常重要的意义。

利用截肢者本身肌肉所产生的电信号，通过电路的适当处理就可以控制假肢的动作，同时，通过装在假肢上的传感器所产生的电信号反馈给大脑又可调整假肢的动作。这种受意志控制的肌肉所产生的电位，对于假肢的控制是最理想的信号。因此深入研究神经肌骨动力学，探索肌电信号与关节角度的关系对于进一步提高多自由度肌电假肢控制的准确性有非常重要的意义。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，准确稳定实时地预测膝关节角度及运动轨迹。有效地提高肌电假肢运动稳定性，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，一种肌电信号与关节角度信息融合的下肢运动轨迹预测方法，其特征是，包括下列步骤：预先定义四种生活中最常见的下肢动作模式：行走、站起、下蹲和伸膝，提取运动期间下肢六块肌肉的肌电特征参数均方根值和空间三维运动坐标，六块肌肉：健侧腿股直肌，股中间肌、股二头肌、比目鱼、腓肠肌和胫骨前肌；计算侧腿膝关节角度信息；结合反馈的腿膝关节角度信息，利用人工神经网络ANN或支持向量机SVM，分别建立下肢神经肌骨动力学模型，预测下肢运动轨迹。

利用人工神经网络ANN采用BP算法，BP算法的具体步骤如下：

第一步，对权值和神经元阈值初始化；第二步，输入样本X，指定输出层各神经元的希望输出值，d1,d2,…,dM；

dj=+1,X∈wj-1,X∉wj,j=1,2,......,M]]>

式中，d_j为第j个神经元的期望输出，w_j代表第j个模式类，M为输入样本的个数；

第三步，依次计算每层神经元的实际输出，直到计算出输出层各神经元的实际输出y₁,y₂,…,y_M；

第四步，修正每个权值，从输出层开始，逐步向低层递推，直到第一隐层；