[发明专利]基于生物运动信息的上肢肩肘腕关节运动功能评价方法

说明书

技术领域

本发明属于信号处理领域，涉及一种基于生物运动信息的上肢肩肘腕关节运动功能评价方法。

背景技术

目前针对神经肌肉损伤患者的运动功能评价研究，主要在临床医学和信息工程领域，通常采用一些反映肢体运动执行能力的动作或运动特征参数来开展运动功能的评价。

临床医学上常用的评价方法包括Fugl-Meyer评价量表、运动功能状态评分MSS、Barthel指数、功能独立性评价量表FIM、MAS等。这些方法存在受检测人员主观因素影响、检测的动作过多等缺点，而且由于大多是量表式的，无法体现肢体运动功能细微的进展变化。在信息工程领域对肢体运动功能的评价主要依赖于肢体动作时产生运动生物力学信息。Hall 等针对手部功能障碍患者，采集手部抓玩具时的握力信息，对手部肌肉功能进行定量的评估和检测。Knorr 等针对中风后引起的动作受损患者，采集伸手动作时受损一侧的加速度信号，利用其中的一些线性和非线性特征，对功能残缺和动作受损的严重性进行定量评估。Cesarelli 等利用上肢自由伸展运动时的位置和速度信息，进行特征提取和分析，实现对上肢康复训练效果的定量评价。除了运动力学信息外，近年来肌电信号（electromyogram, EMG）也开始被用于肢体运动功能障碍评估。EMG是与神经肌肉活动相关的生物电信号，其中蕴涵着很多与肢体运动相关联的信息,包含了反映运动模式和运动意愿的丰富信息。Shao提出基于表面肌电信号构建模型，对中风患者的肌肉力量和关节强度进行评估，取得了的较好的准确性。Nakano利用表面肌电信号对手部动作识别时的肌肉量进行估计。季林红等人利用最优Chirplet时频参数对运动损伤导致的肌强直症状进行定量评估。

上肢运动功能评价方法已经在临床实践上广泛应用，有很好的信息反馈和实践经验，但存在受检测人员主观因素影响、检测动作过多、病人容易疲劳等缺点，而且无法体现肢体功能细微的进展变化；信息工程领域的方法则缺乏系统的、综合的评价，在信息源和评价方法上都有待进一步研究。

发明内容

为了客观、定量、综合的实现对上肢运动功能障碍患者肩肘腕关节的运动功能进行评价，本发明提出了一种融合运动力学信息与生物电信息的综合性上肢肩肘腕关节运动功能评价方法。首先采集上肢动作时的加速度信号和肌电信号，对两类信号进行有效信号选择、特征提取和特征筛选。根据特征的典型性和可区分性，提取能反映动作模式和动作执行能力的信号特征，分别选择肌电信号的均方根特征和小波包能量特征以及加速度信号的均方根特征和基本尺度熵特征作为信号特征。然后利用两类信号在动作分析中的不同优势，以简式Fugl-Meyer评分值为标准，针对上肢不同动作构建多个线性回归模型，将信号的特征值进行优化组合。最终，以多元运动特征值的优化组合结果实现上肢肩肘腕关节运动功能的综合性评价，研究运动信号特征对上肢运动功能诊断的不同重要性并验证评价方法的有效性。

为了实现以上目的，本发明方法主要包括以下步骤：

1）获取人体上肢动作时的加速度信号和肌电信号样本数据，具体如下：通过二维加速度传感器检测上肢运动的加速度信号，表面肌电信号采集仪拾取人体上肢动作时相应肌肉的肌电信号，两类信号通过数据采集卡采集到PC机上，保证信号的同步性和一致性。

2) 确定1）中的两类信号的采样位置和周期信号：关于信号的采样位置，将二维加速度传感器置于上肢的小臂和大臂，分别测量上肢动作时小臂和大臂在不同方向的加速度信号。在肌电信号源位置的选择上，依据生物力学分析结果，按其在动作中的贡献大小来选择肌肉，通过反复实验，选择了小臂内侧的上肢尺侧腕屈肌、小臂外侧的尺侧腕伸肌和大臂内侧的肱二头肌的肌电信号。这三块肌肉分布在手臂的不同区域，在位置和信号区分度上都具有典型性。在确定周期信号时，肌电信号从能量的角度确定起止点，即在较小时间段内，信号的能量值大于一定阈值，则表示进行动作或保持动作。加速度信号则利用一段时间内加速度变化的累积量超过一定阈值来判定是否在进行动作。

3)对加速度信号和肌电信号进行特征提取。综合考虑信号的时域、频域特性以及计算量、实时性，选择均方根、小波包能量和基本尺度熵这几个线性和非线性的特征值。肌电信号的特征包括均方根、小波包能量和基本尺度熵，分别体现了动作的时域信号幅值、时频域信号能量和复杂度特性；而加速度的特征为均方根、信号导数的均方根和基本尺度熵，分别表示动作的时域信号幅值、动作平滑程度和复杂度特性。

（1）均方根(Root Mean Square, RMS):