基于中枢与外周疲劳协同监测的运动疲劳干预系统的制作方法

本发明涉及运动医学与神经工程领域，尤其涉及一种基于中枢与外周疲劳协同监测的运动疲劳干预系统。

背景技术：

1、根据发生位置，运动疲劳可分为中枢神经系统调控能力降低（中枢疲劳）和外周肌肉代谢失衡（外周疲劳）。其中，中枢疲劳主要表现为由肌肉疲劳引起的多发性硬化症、帕金森病和脑血管疾病等神经系统疾病；外周疲劳主要表现为肌肉疲劳，其典型症状是无法及时产生或维持运动所需的力量，导致降低训练或康复效果显著降低。长时间的高强度运动可导致肌肉疲劳积累，有可能引发严重的肌肉衰竭，增加受伤风险。研究表明，超过60%的神经肌肉疾病患者会经历严重的肌肉疲劳，甚至低强度的重复性手臂运动也会导致疲劳，进而加重患者的病情。因此，对肌肉疲劳进行检测和分析可以有效减轻疲劳引起的肌肉损伤，通过对目标运动肌群信息的实时监测、评估肢体运动的疲劳状况以及进行适当的疲劳缓解，避免过度疲劳的产生。

2、但目前还没有成熟的设备可同时用于人体运动肌群的疲劳检测和疲劳缓解。现有疲劳干预技术存在检测单一化、干预粗放化、协同性不足等缺陷，表现为多数系统仅关注外周肌电信号或主观疲劳量表，缺乏中枢疲劳的客观监测；现有电刺激设备多采用固定参数，无法根据疲劳类型动态调整；针对中枢与外周疲劳并存的场景，缺乏磁电联合刺激的闭环调控方案。

技术实现思路

1、为解决现有运动疲劳的检测多以量表和力量检测为主，缺乏中枢神经疲劳和外周肌肉疲劳的联动检测的问题，本发明提供一种基于中枢与外周疲劳协同监测的运动疲劳干预系统，通过将中枢和外周疲劳检测相融合，形成中枢-外周的闭环疲劳检测。

2、根据本发明说明书的一方面，提供一种基于中枢与外周疲劳协同监测的运动疲劳干预系统，包括：

3、中枢疲劳监测模块，通过近红外光谱技术实时检测大脑皮层氧合血红蛋白浓度变化，识别中枢疲劳特征；

4、外周疲劳监测模块：通过采集表面肌电信号，结合深度机器学习的多注意力和卷积网络提取表面肌电疲劳特征；

5、动态干预模块：基于中枢疲劳特征和表面肌电疲劳特征，自适应选择外周电刺激或磁电联合刺激。

6、作为进一步的技术方案，所述中枢疲劳监测模块，还包括：

7、近红外光源探头阵列，其中相邻的光源和探头构成一个近红外监测通道，用于实时监测外周电刺激过程中脑皮层的光信号时间序列，并将采集的光信号传输至预处理模块；

8、中枢疲劳预处理模块，用于对接收的光信号进行数据预处理，将预处理后每一通道的氧合血红蛋白浓度均值传输至显示模块；

9、中枢疲劳显示模块，用于接收中枢疲劳预处理模块处理的每一通道的氧合血红蛋白浓度均值，进行光源探头空间位置对标，以每一通道的氧合血红蛋白浓度均值进行空间插值计算，并实时呈现脑皮层激活图，同时还用于干预刺激结束时显示训练参数。

10、作为进一步的技术方案，所述中枢疲劳监测模块，还包括：

11、中枢疲劳反馈模块，用于判断中枢磁刺激训练过程中脑皮层特定区域的氧合血红蛋白浓度均值是否超出正常的幅值范围，若氧合血红蛋白浓度均值低于或高于正常的幅值范围，则反馈至中枢磁刺激系统降低或升高刺激强度，以自适应调整磁刺激参数。

12、作为进一步的技术方案，所述外周疲劳监测模块，还包括：

13、检测模块，覆盖出现肌肉疲劳的区域且电极片作用于疲劳肌肉上，用于实时检测产生的肌电信号并传输给肌电信号预处理模块；

14、肌电信号预处理模块，用于对传输的肌电信号进行信号增益与噪声去除；

15、信号处理模块，用于结合深度机器学习的多注意力和卷积网络提取表面肌电疲劳特征，对肌肉疲劳状态进行三重分类，再实时传输给外周电刺激系统，并将初次疲劳的疲劳特征作为疲劳基线；

16、肌电信号显示模块，用于接收肌电信号预处理模块处理的每时程的肌电信号，进行实时监控。

17、作为进一步的技术方案，所述信号处理模块，还用于执行如下指令：

18、根据预处理后的肌电信号，依次进行基于滑动窗口的时间注意力计算、多尺度卷积计算和通道空间注意力计算，提取表面肌电疲劳特征；

19、根据提取的表面肌电疲劳特征，采用三层全连接网络进行疲劳状态分类，输出不同疲劳状态的表面肌电疲劳特征。

20、作为进一步的技术方案，所述外周疲劳监测模块，还包括：

21、反馈模块，用于判断外周电刺激训练过程中特定区域的表面肌电信号是否处于正常的激活范围，若表面肌电信号低于或高于正常的激活范围，则同步反馈至外周电刺激系统降低或升高刺激强度，以自适应调整电磁刺激参数。

22、作为进一步的技术方案，所述动态干预模块，还包括：

23、特征提取模块，用于根据中枢疲劳监测模块和外周疲劳监测模块的疲劳处理结果，进行统计分析并进行指标的特征提取；

24、特征分类模块，用于根据特征提取的指标结果分别对中枢疲劳监测模块和外周疲劳监测模块的疲劳处理结果进行分类；

25、刺激模块，用于根据分类结果判断采用哪种干预方式对疲劳肌肉进行刺激，若只出现外周肌肉疲劳，则激活外周电刺激系统，对外周肌肉进行电刺激；若只出现中枢肌肉疲劳，则激活磁刺激系统，对中枢神经系统进行磁刺激；若同时出现外周肌肉疲劳与中枢肌肉疲劳，则同时激活外周电刺激系统与中枢磁刺激系统，对疲劳肌肉进行磁电联合刺激。

26、作为进一步的技术方案，所述动态干预模块，还包括：

27、存储模块，用于存储多次刺激的参数，包括引起刺激的参数、训练的参数以及训练之后的参数，以全流程进行干预前、干预中与干预后的训练数据存储。

28、根据本发明说明书的一方面，提供一种基于中枢与外周疲劳协同监测的运动疲劳干预方法，采用所述的系统实现，所述方法包括：

29、获取通过近红外光谱技术实时检测的大脑皮层氧合血红蛋白浓度变化，并根据所述大脑皮层氧合血红蛋白浓度变化识别中枢疲劳特征；

30、获取采集的表面肌电信号，结合深度机器学习的多注意力和卷积网络提取表面肌电疲劳特征；

31、基于中枢疲劳特征和表面肌电疲劳特征，自适应选择外周电刺激或磁电联合刺激。

32、根据本发明说明书的一方面，提供一种基于中枢与外周疲劳协同监测的运动疲劳干预设备，用于实现所述的方法，所述设备包括：

33、近红外光源探头阵列，其中相邻的光源和探头构成一个近红外监测通道，用于实时监测外周电刺激过程中脑皮层的光信号时间序列，并将采集的光信号传输至数据处理装置；

34、外周肌电检测装置，覆盖出现肌肉疲劳的区域且电极片作用于疲劳肌肉上，用于实时检测产生的肌电信号并传输给数据处理装置；

35、数据处理装置，用于根据采集的光信号获取大脑皮层氧合血红蛋白浓度变化，并根据所述大脑皮层氧合血红蛋白浓度变化识别中枢疲劳特征；以及根据采集的表面肌电信号，结合深度机器学习的多注意力和卷积网络提取表面肌电疲劳特征；

36、中枢磁/外周电刺激装置，用于基于中枢疲劳特征和表面肌电疲劳特征，自适应选择外周电刺激或磁电联合刺激。

37、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

38、本发明根据中枢—外周通路、神经环路重建和脑可塑性原理，利用光信号、电信号及磁信号各自具备的相对优势和技术特点，以功能性近红外光谱成像与肌电为导向，实现自动确认刺激强度基线、自适应调节磁电刺激参数和评价康复训练效果等功能，并提供视觉反馈，让中枢/外周信号采集与磁电刺激训练过程更加具有自适应性和柔顺性，为训练者提供更加精准有效的电刺激训练方式和设备，提高训练者的康复质量和效率。