一種下肢康復(fù)系統(tǒng)中主動(dòng)參與度的生物量化評(píng)估方法
【專利說(shuō)明】一種下肢康復(fù)系統(tǒng)中主動(dòng)參與度的生物量化評(píng)估方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于康復(fù)醫(yī)學(xué)、心理學(xué)和信息學(xué)科交叉技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種下肢康復(fù)系統(tǒng) 中主動(dòng)參與度的生物量化評(píng)估方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 腦損傷（腦卒中、腦外傷、腦腫瘤、脊髓損傷）常常造成肢體的功能性損傷，特別是 下肢的功能性障礙給患者的日常生活帶來(lái)極大的不便。目前傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練是在理療 師的幫助下對(duì)患者"手把手"的步行康復(fù)訓(xùn)練，但是這樣的康復(fù)訓(xùn)練需要患者大量的時(shí)間且 效率低下，而且也存在理療師不足，無(wú)法保證充分訓(xùn)練時(shí)間和強(qiáng)度，訓(xùn)練過(guò)程缺乏吸引力、 難以得到客觀的康復(fù)指標(biāo)等問(wèn)題，因此機(jī)器人康復(fù)的智能化、有效化以及人機(jī)交互顯得越 來(lái)越重要。機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練中的主動(dòng)康復(fù)的康復(fù)效果比被動(dòng)康復(fù)的要顯著，能讓患者能主 動(dòng)的意愿參與到康復(fù)訓(xùn)練中，是提高康復(fù)訓(xùn)練的一個(gè)重要手段。然而機(jī)器人康復(fù)雖然能提 供精確的輔助運(yùn)動(dòng)和重復(fù)性好，但是不能及時(shí)客觀的量化的評(píng)估康復(fù)效果，缺少了康復(fù)訓(xùn) 練中吸引患者主動(dòng)參與訓(xùn)練的能力，從一定程度上影響康復(fù)訓(xùn)練的效果。
[0003] 目前，評(píng)估康復(fù)效果主要是靠理療師根據(jù)Brunnstrom運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)、Hoiden步行 功能和PRPS康復(fù)參與量表對(duì)患者進(jìn)行下肢康復(fù)評(píng)價(jià)。根據(jù)患者在步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練中主動(dòng)參 與的表現(xiàn)給出評(píng)級(jí)分?jǐn)?shù)，但是人為的評(píng)價(jià)存在評(píng)分主觀，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)不易統(tǒng)一，受記憶等多種 個(gè)人因素的影響，增加了評(píng)估的不確定因素，很難做到客觀和定量化，也耗費(fèi)理療師大量的 時(shí)間去觀察，記錄并進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)，然后進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，獲得相關(guān)的下肢康復(fù)訓(xùn) 練評(píng)價(jià)指標(biāo)，才能把康復(fù)效果反饋給患者。這樣的評(píng)價(jià)機(jī)制不能讓患者自己實(shí)時(shí)掌握自己 的康復(fù)狀況，在一定程度上降低了患者主動(dòng)參與康復(fù)訓(xùn)練的積極性?；谌梭w自身的電信 號(hào)的生物反饋技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到肢體的功能性損傷主動(dòng)康復(fù)治療中，能實(shí)時(shí)的給出客 觀的生物量化指標(biāo)。在康復(fù)臨床上也表明患者的主動(dòng)參與性能夠顯著的影響其運(yùn)動(dòng)功能 的康復(fù)，因此把患者的運(yùn)動(dòng)意愿及訓(xùn)練效果能實(shí)時(shí)的反饋給患者，才能調(diào)動(dòng)患者的康復(fù)訓(xùn) 練的主動(dòng)參與性，恢復(fù)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的自信心。生理學(xué)指標(biāo)是借助人體的生理信號(hào)來(lái) 間接評(píng)估，根據(jù)人的任何心理狀態(tài)和生理狀態(tài)都是有直接關(guān)系的。從人的大腦發(fā)的控制信 號(hào)不僅控制肢體的運(yùn)動(dòng)，而且還能傳遞腦電信號(hào)（EEG信號(hào)）和肌電信號(hào)（EMG信號(hào)），這些 信號(hào)中含有節(jié)律和幅值等豐富的信息。下肢康復(fù)系統(tǒng)中主動(dòng)參與度也是一種特定的心理感 覺(jué)，可通過(guò)采集EEG信號(hào)和表面EMG信號(hào)，能客觀準(zhǔn)確地計(jì)算出下肢康復(fù)訓(xùn)練中主動(dòng)參與度 的生物量化指標(biāo)，能大大的提高患者在康復(fù)訓(xùn)練中的主動(dòng)參與性。
[0004] 因此，亟待需要開(kāi)發(fā)出一種利用生物電的方法來(lái)測(cè)量患者在下肢康復(fù)系統(tǒng)中主動(dòng) 參與度的量化評(píng)估方法，以解決現(xiàn)有在康復(fù)機(jī)器人中過(guò)度依賴康復(fù)理療師對(duì)患者下肢康復(fù) 訓(xùn)練評(píng)估，存在耗費(fèi)理療師大量的時(shí)間且工作強(qiáng)度大，同時(shí)存在評(píng)分主觀并且評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)不 易統(tǒng)一，理療師不可能一直伴隨患者的整個(gè)康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程，也不能實(shí)時(shí)反應(yīng)出評(píng)估結(jié)果等 問(wèn)題，使康復(fù)訓(xùn)練中的評(píng)估系統(tǒng)能把康復(fù)訓(xùn)練的主動(dòng)參與度指標(biāo)實(shí)時(shí)、客觀、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的 反饋給患者。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種下肢康復(fù)系統(tǒng)中主動(dòng)參與 度的生物量化評(píng)估方法，該方法具有應(yīng)用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單方便、可隨時(shí)隨地客觀準(zhǔn)確的反應(yīng) 患者的主動(dòng)參與度。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：
[0007] 1)患者在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練前，頭部連接6導(dǎo)腦電電極，下肢連接4導(dǎo)肌電電極；6導(dǎo) 腦電電極和4導(dǎo)肌電電極分別與腦電儀和肌電儀相連，并利用在Windows平臺(tái)下設(shè)計(jì)的基 于VC++的可視化接口程序，實(shí)現(xiàn)EEG信號(hào)和EMG信號(hào)的同步采集；
[0008] 2)患者在康復(fù)訓(xùn)練行走時(shí)，基于采集到的EMG信號(hào)，以十步為一個(gè)步態(tài)事件，當(dāng)患 者行走一個(gè)步態(tài)事件后，接口程序自動(dòng)運(yùn)行并在顯示器上輸出一個(gè)平均后的主動(dòng)參與度的 生物量化指標(biāo)；
[0009] 3)基于Morlet小波變換來(lái)對(duì)一步時(shí)間段內(nèi)的EEG信號(hào)進(jìn)行分解，提取EEG信號(hào) 的基本波中的Alpha頻段、Beta頻段和Theta頻段，同時(shí)提供在時(shí)間和頻率的二維面的EEG 信號(hào)的能量的分布，計(jì)算時(shí)頻域的各個(gè)頻段的能量分布；
[0010] 4)根據(jù)步驟3)的結(jié)果計(jì)算注意度R和參與度P，再根據(jù)一步時(shí)間內(nèi)的EMG信號(hào)進(jìn) 行預(yù)處理并歸一化處理，由其結(jié)果計(jì)算激活度D;
[0011] 5)根據(jù)步驟4)得到的R、P和D，結(jié)合理療師根據(jù)在步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練中主動(dòng)參與度的 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)給出評(píng)級(jí)分?jǐn)?shù)和多元線性回歸模型綜合評(píng)定出主動(dòng)參與度的生物量化指標(biāo)：
[0012] ap"=k'o+riR+r2p+r3d ⑴
[0013] 式⑴中，AP"為主動(dòng)參與度的生物量化指標(biāo)，K'1、K'2、K'3為回歸系數(shù)，K'。為常 數(shù)項(xiàng)，最后檢驗(yàn)并評(píng)價(jià)回歸方程及各自變量的大小，調(diào)整參數(shù)K'。、K' ^K' 2以及K' 3，得到新 的主動(dòng)參與度的生物量化公式為：
[0014] AP，=K〇+K1R+K2P+K3D (2)
[0015] 式⑵中，Ki、K2、K3為回歸系數(shù)，K。為常數(shù)項(xiàng)，經(jīng)過(guò)調(diào)整的主動(dòng)參與度的生物量化 指標(biāo)符合患者訓(xùn)練的真實(shí)康復(fù)狀況；對(duì)主動(dòng)參與度的生物量化指標(biāo)AP'進(jìn)行歸一化處理， 得到主動(dòng)參與度：
[0016] AP=100X(AP/ -AP/nin)/(AP/nax-AP/nin) (3)
[0017] 式⑶中AP'、AP分別為轉(zhuǎn)換前、后主動(dòng)參與度的值，AP' _、AP' _分別為主 動(dòng)參與度的最大值和最小值，歸一化后的下肢康復(fù)訓(xùn)練中主動(dòng)參與度AP的取值范圍為0~ 100;患者在步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練一個(gè)步態(tài)事件后，康復(fù)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的通過(guò)一個(gè)顯示器實(shí)時(shí)顯示主 動(dòng)參與度AP，能及時(shí)自動(dòng)的反饋給患者，更有利于患者積極且主動(dòng)參與到下肢康復(fù)訓(xùn)練中。
[0018] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：
[0019] 所述步驟2)中，基于采集到的EMG信號(hào)計(jì)算步態(tài)事件的具體方法如下：
[0020] 選擇干擾最少的通道中EMG信號(hào)來(lái)計(jì)算步態(tài)事件，該EMG信號(hào)會(huì)在步態(tài)行走中處 于強(qiáng)烈的激活狀態(tài)下，此時(shí)EMG信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理、濾波之后能夠看到腳尖離地時(shí)有一個(gè)波 峰，在腳尖著地時(shí)有一個(gè)波峰，從一個(gè)波谷經(jīng)過(guò)兩個(gè)波峰到達(dá)下一個(gè)波谷為完整的一步，最 終以十步為一個(gè)步態(tài)事件。
[0021] 所述步驟3)中，在EEG信號(hào)中提取基本波的三個(gè)主要成分為Alpha頻段、Beta頻 段和Theta頻段。
[0022] 所述步驟4)中，注意度的計(jì)算方法如下：
[0023] 根據(jù)步驟3)得到的Alpha和Beta頻段的功率譜計(jì)算出兩個(gè)頻帶的能量比值作為 患者在下肢康復(fù)訓(xùn)練中的注意度，則患者注意度為：
[0024] R' =KA(Ea/Ep) (4)
[0025] 式⑷中，
EEG的frep頻帶下的能量 值，KA為放大比例系數(shù)；
[0026] 對(duì)一個(gè)步態(tài)事件的十步的R'求均值，得到平均后的if,然后對(duì)冢進(jìn)行歸一化處 理：
[0027] J? = 100x(歹-盡_)/(Rw、
[0028]式（5)中;^、R分別為轉(zhuǎn)換前、后注意度的值，R_、