腿部电刺激助行装置、肌电信号预测输出方法及使用方法

1.本发明属于助行装置技术领域，具体涉及腿部电刺激助行装置、肌电信号预测输出方法及使用方法。


背景技术：

2.当下我国人口老龄化趋势日益明显。同时，随着医疗保健水平的不断提升，老年人的死亡率也大大降低。因此，在现在如何使老年人健康地生活，提升老年人的生活品质成为了最主要的一个问题。老年人随着年纪的日益增长，腿部的肌肉力量会逐渐减弱。非惯用腿的肌肉力量减弱相比较于惯用腿更加的明显。因此，老年人在步行时经常出现不自然、不对称的步态。老年人的不对称步态让老年人在正常行走时存在诸多的隐患。因此，帮助老年人尽快恢复正常对称的自然步态，是辅助老年人行走，提升老年人生活品质的一个重点。
3.功能电刺激是辅助老年人行走的一种重要辅助方式。现有的功能电刺激辅助老年人行走，大多数通过在行走前刺激老年人肌力不足侧的肌肉，让老年人感受肌肉收缩的感觉，以此来辅助老年人在步行时更好地进行肌肉收缩。但是，这样的训练方式并没有办法在老年人进行正常行走时给予足够的力量支撑。因此，如何将功能电刺激应用在老年人行走训练和辅助当中，是亟待解决的一个问题。
4.同时，老年人的不对称步态形成往往不只是一块肌肉导致的，因此针对造成其非正常步态的多块肌肉进行根据步态周期的联合电刺激。可以有效地辅助老年人在行走过程当中达成对称合理的步态。
5.表面肌电信号是相对比较容易取得的人体生理信号。由于人体在正常走路时获取到的几块肌肉的肌电信号数据量大，同时变化非常的快速。通过人为的方式去进行处理编程需要花费大量的时间。因此，现有的深度学习当中的双向长短期记忆网络在处理长时间序列有着其独特的优势。对于一些长时间序列，双向长短期记忆网络可以选择性地记录或遗忘相应的数据，并且根据先前得到的数据对之后的数据进行预测，非常适合用于表面肌电信号的预测。现在已经有很多的应用将长短期记忆网络应用于人体步行时的角度，摆动角速度等物理信号的预测。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种结合深度学习的腿部电刺激助行装置、肌电信号预测输出方法以及助行装置的使用方法。
7.本发明提供如下技术方案：腿部电刺激助行装置，包括电刺激输出装置及腿部肌电采集装置；所述电刺激输出装置包括主体外壳上盖及主体外壳下盖，主体外壳上盖与主体外壳下盖之间形成安装空间，所述安装空间内设有电刺激输出控制模块、供电电池及电刺激输出模块。
8.进一步的，所述主体外壳下盖上设有总开关按钮、调节按钮及腰带卡扣。
9.进一步的，所述腿部肌电采集装置包括采集装置外壳上盖、采集装置外壳下盖及
设置在采集装置外壳上盖与采集装置外壳下盖之间的无线肌电采集装置。
10.进一步的，所述电刺激输出模块包括基板及设置在基板上的电池插口、总开关、芯片、通道调节按钮、复位按钮及电刺激输出接口；所述电刺激输出控制模块通过杜邦线与电刺激输出模块连接，供电电池连接于电刺激输出模块的电池插口；所述总开关按钮与总开关相连接；所述调节按钮与电刺激输出模块上的各通道调节按钮相连接，通过按压调节按钮对各通道的电刺激强度进行调节。
11.进一步的，所述电刺激输出模块包括以下两种应用方式：1）在预留接口有控制板接入的情况下，可以采用控制板当中输入的指令进行电刺激大小输出控制；2）在预留接口没有控制板接入的情况下，可以通过调节各通道调节按钮来进行调节各通道的电磁输出大小。
12.进一步的，所述电刺激输出模块的电刺激强度通过电刺激的频率进行改变，其支持电刺激频率在0到100赫兹之间的调整；电刺激输出模块的输出波形为正负双向的方波。
13.肌电信号预测输出方法，所述电刺激输出控制模块采用双向长短期记忆网络的方法进行肌电信号的预测输出，具体包括以下步骤：1）将肌电信号进行预处理：采集老年人健侧及肌力不足侧的肌电信号，并对采集到的肌电信号进行滤波，保留5到50赫兹之间的肌电信号，确保肌电信号保留其特征波形变化；2）进行手动特征提取，将电信号进行平均肌电值的处理；3）搭建双向长短期记忆网络，并进行训练，实现控制肌肉的表面肌电信号对肌力不足侧肌肉以及健侧肌肉的步行肌电信号曲线的预测；4）将健侧肌肉的预测信号和同周期下肌力不足侧的预测信号做差值，得到肌力不足侧肌肉与健侧肌肉的肌电差值曲线，用作各块肌肉控制电刺激输出频率大小的控制曲线。
14.进一步的，所述步骤3）中，搭建的神经网络结构包括数据输入层、双向长短期记忆网络层、双向长短期记忆网络层、一个dropout层、一个全连接层及一个回归层；所述数据输入层用于将采集后处理的数据通过矩阵的形式输入神经网络，其的输入数据为经过处理的控制肌肉数据以及一块步行肌肉的肌电数据；输入数据被划分为训练集及测试集；所述数据归一化层用于消除特异性样本对训练结果的影响；所述双向长短期记忆网络层用于读取单个时刻的输入数据，并进行预测并输出下一时刻的数据，并与实际的下一时刻输出数据进行比对，其隐藏的神经元数量根据不同的人体以及不同的肌肉需要进行不同的设置；所述dropout层以概率p随机筛选神经元，使神经元不输出，减轻过拟合现象；所述p值根据不同的人体以及不同的肌肉需要进行不同的设置；所述全连接层用于分类并判断数值是否输出，其选择relu作为激活函数；所述回归层用于输出预测的肌电数值。
15.腿部电刺激助行装置的使用方法，包括以下步骤：1）老年人佩戴好腿部电刺激助行装置后，在跑步机上根据老年人合适的步行速度
进行步行行走；采集肌力不足侧步行肌肉，健侧步行肌肉以及股外侧肌的肌电信号；2）将肌电信号进行滤波及平均肌电值的特征提取；使用matlab将进行处理后的肌电信号用于双向长短期记忆网络的神经网络的训练；3）将相应的滤波代码，特征提取代码以及训练好的双向长短期记忆网络输入的控制板；4）连接电刺激输出控制模块和电刺激输出模块；5）老年人佩戴连接好的电刺激系统进行步行即可正常使用。
16.进一步的，所述步骤5）中，在有外部控制板接入的情况下，腿部肌电采集装置将采集到的肌电信号传给电刺激输出控制模块的控制板，并通过电刺激输出控制模块控制板当中的滤波以及神经网络程序进行处理。进而针对不同肌肉在对应通道独立输出频率大小不同的电刺激；通过肌肉联合电刺激的作用，辅助老年人进行更好的行走。
17.通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明采用双向长短期记忆网络通过人体的肌电信号去对相关肌肉的肌电信号进行相应的预测；将深度学习应用到老年人电刺激辅助的器械当中；采用更轻量化、更智能的方式帮助老年人尽快进行老年人的步态辅助。
附图说明
18.图1为本发明的使用流程示意图；图2为本发明的神经网络结构示意图；图3为本发明的整体结构示意图；图4为本发明的爆炸结构示意图；图5为本发明的电刺激输出模块示意图；图6为本发明的腿部肌电采集装置示意图。
具体实施方式
19.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
20.相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
21.请参阅图1-6，腿部电刺激助行装置，该产品可实现单通道的肌电信号采集，根据收集到的肌电信号预测肌力不足侧肌肉的腿部肌电，并根据大小输出相应大小的补偿性电刺激。其具体结构由图4、6的部件组成。
22.其包括电刺激输出装置1及腿部肌电采集装置2。电刺激输出装置1包括主体外壳上盖3、电刺激输出控制模块4、供电电池5、lcd显示屏6、电刺激输出模块7、主体外壳下盖8、总开关按钮9、调节按钮10及腰带卡扣11。
23.腿部肌电采集装置2包括无线肌电采集装置18，采集装置外壳上盖19，采集装置外
壳下盖20。
24.具体的，主体外壳上盖3与主体外壳下盖8之间形成安装空间，电刺激输出控制模块4、供电电池5、lcd显示屏6、电刺激输出模块7设置在内；总开关按钮9、调节按钮10及腰带卡扣11设置在主体外壳下盖8上；具体的，电刺激输出模块7是采用stm32f103r8t6作为主控制器的开发板，主要包括基板及设置在基板上的电池插口12、，总开关13、stm32f103r8t6芯片14、各通道调节按钮15、复位按钮16、电刺激输出接口17。
25.具体的，电刺激输出控制模块4通过杜邦线与电刺激输出模块7进行连接，连接于电刺激输出模块7预留的接口上；供电电池5连接于电刺激输出模块7的电池插口12；lcd显示屏选用1.8寸tft彩屏，其连接于电刺激输出模块7的预留接口上；电刺激输出控制模块4采用nano-v3.0开发板进行程序烧写控制。
26.具体的，主体外壳上盖3和主体外壳下盖8将上述电刺激输出控制模块4，供电电池5，lcd显示屏6，电刺激输出模块7进行包裹覆盖。总开关按钮9与总开关13进行连接。调节按钮10与电磁机输出模块上的各通道调节按钮15进行连接。通过按压调节按钮10对各通道的电刺激强度进行调节。
27.具体的，电刺激输出模块7基于stm32f103r8t6开发板自行设置的输出板；其设有四个独立的输出通道；电刺激输出接口17的每一个通道均可单独进行输出。
28.具体的，电刺激输出模块7其特征在于各通道的电磁输出强度可以通过各通道调节按钮15进行调节。
29.具体的，电刺激输出模块7为用于控制的电刺激输出控制模块4预留了连接接口；支持arduino板等控制板的输入以及控制，为开发提供了更多的可能性。
30.具体的，电刺激输出模块7电刺激强度通过电刺激的频率进行改变。支持电刺激频率在0到100赫兹之间的调整。电刺激输出的电流大小为15毫安。
31.具体的，电刺激输出模块7有两种应用方式：1）在预留接口有控制板接入的情况下，可以采用控制板当中输入的指令进行电刺激大小输出；2）在预留接口没有控制板接入的情况下，可以通过调节各通道调节按钮15来进行调节各通道的电磁输出大小，通过按键以10hz为区间调整输出脉冲的频率，电刺激频率在0到100赫兹之间的调整。
32.具体的，无线肌电采集装置18可以通过蓝牙连接的方式将肌电信号传输给其他设备；其采用hc-05 主从机一体蓝牙串口，用于传输测量肌肉的表面肌电信号。供电电池5采用的是200毫安时的锂电池，并可通过type c充电口进行充电；电刺激输出接口17，其尺寸匹配的是3.5毫米的理疗线接口。
33.电刺激输出控制模块4采用双向长短期记忆网络的方法进行肌电信号的预测输出，肌电信号预测输出方法具体包括以下步骤：1）将肌电信号进行预处理：将采集到的老年人健侧，肌力不足侧各四块主要步行肌肉（股二头肌，股直肌，胫骨前肌，腓骨短肌），以及控制肌肉（股外侧肌）的肌电信号共八条肌电信号通过巴斯特沃滤波器进行滤波；保留5到50赫兹之间的肌电信号，确保肌电信号保留其最主要的特征波形变化。
34.2）进行手动特征提取将电信号进行平均肌电值的处理；平均肌电值的计算运算量小，且反应表面肌电在当下时刻对肌肉的支配输出。
35.3）搭建双向长短期记忆网络并进行训练，实现控制肌肉的表面肌电信号对四块肌力不足侧肌肉以及健侧四块肌肉的步行肌电信号曲线的预测。
36.4）将健侧四块肌肉的预测信号和同周期下肌力不足侧的预测信号做差值，得到肌力不足侧肌肉与健侧肌肉的肌电差值曲线，用作各块肌肉控制电刺激输出频率大小的控制曲线。
37.其中，步骤3）中，搭建的神经网络结构包括数据输入层、双向长短期记忆网络层、双向长短期记忆网络层、一个dropout层、一个全连接层及一个回归层；数据输入层用于将采集后处理的数据通过矩阵的形式输入神经网络，其的输入数据为经过处理的控制肌肉数据以及一块步行肌肉的肌电数据；划分百分之八十的数据为训练集，百分之二十的数据为测试集；数据归一化层用于消除特异性样本对训练结果的影响；双向长短期记忆网络层用于读取单个时刻的输入数据，并进行预测并输出下一时刻的数据，并与实际的下一时刻输出数据进行比对，其隐藏的神经元数量根据不同的人体以及不同的肌肉需要进行不同的设置；dropout层以概率p随机筛选神经元，使神经元不输出，减轻过拟合现象；p值根据不同的人体以及不同的肌肉需要进行不同的设置；全连接层用于分类并判断数值是否输出，其选择relu作为激活函数；回归层用于输出预测的肌电数值应用本实施例腿部电刺激助行装置的使用方法，包括以下步骤：1）老年人佩戴好腿部电刺激助行装置后，在跑步机上根据老年人合适的步行速度进行步行行走；采集肌力不足侧步行肌肉，健侧步行肌肉以及股外侧肌的肌电信号；2）将肌电信号进行滤波及平均肌电值的特征提取；使用matlab将进行处理后的肌电信号用于双向长短期记忆网络的神经网络的训练；3）将相应的滤波代码，特征提取代码以及训练好的双向长短期记忆网络输入的控制板；4）连接电刺激输出控制模块4和电刺激输出模块7；5）老年人佩戴连接好的电刺激系统进行步行即可正常使用其中，步骤5）中，在有外部控制板接入的情况下，腿部肌电采集装置2将采集到的肌电信号传给电刺激输出控制模块4的控制板，并通过电刺激输出控制模块4控制板当中的滤波以及神经网络程序进行处理。进而针对不同肌肉在四个通道独立输出频率大小不同的电刺激；通过肌肉联合电刺激的作用，辅助老年人进行更好的行走。
38.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。