一種下肢康復系統(tǒng)中主動參與度的生物量化評估方法
【專利說明】一種下肢康復系統(tǒng)中主動參與度的生物量化評估方法 【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于康復醫(yī)學、心理學和信息學科交叉技術領域，涉及一種下肢康復系統(tǒng) 中主動參與度的生物量化評估方法。 【【背景技術】】
[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極大的不便。目前傳統(tǒng)的運動康復訓練是在理療 師的幫助下對患者"手把手"的步行康復訓練，但是這樣的康復訓練需要患者大量的時間且 效率低下，而且也存在理療師不足，無法保證充分訓練時間和強度，訓練過程缺乏吸引力、 難以得到客觀的康復指標等問題，因此機器人康復的智能化、有效化以及人機交互顯得越 來越重要。機器人康復訓練中的主動康復的康復效果比被動康復的要顯著，能讓患者能主 動的意愿參與到康復訓練中，是提高康復訓練的一個重要手段。然而機器人康復雖然能提 供精確的輔助運動和重復性好，但是不能及時客觀的量化的評估康復效果，缺少了康復訓 練中吸引患者主動參與訓練的能力，從一定程度上影響康復訓練的效果。
[0003] 目前，評估康復效果主要是靠理療師根據Brunnstrom運動功能恢復、Hoiden步行 功能和PRPS康復參與量表對患者進行下肢康復評價。根據患者在步態(tài)康復訓練中主動參 與的表現(xiàn)給出評級分數，但是人為的評價存在評分主觀，評分標準不易統(tǒng)一，受記憶等多種 個人因素的影響，增加了評估的不確定因素，很難做到客觀和定量化，也耗費理療師大量的 時間去觀察，記錄并進行相應的統(tǒng)計，然后進行相應的統(tǒng)計學分析，獲得相關的下肢康復訓 練評價指標，才能把康復效果反饋給患者。這樣的評價機制不能讓患者自己實時掌握自己 的康復狀況，在一定程度上降低了患者主動參與康復訓練的積極性?；谌梭w自身的電信 號的生物反饋技術已經廣泛的應用到肢體的功能性損傷主動康復治療中，能實時的給出客 觀的生物量化指標。在康復臨床上也表明患者的主動參與性能夠顯著的影響其運動功能 的康復，因此把患者的運動意愿及訓練效果能實時的反饋給患者，才能調動患者的康復訓 練的主動參與性，恢復患者進行康復訓練的自信心。生理學指標是借助人體的生理信號來 間接評估，根據人的任何心理狀態(tài)和生理狀態(tài)都是有直接關系的。從人的大腦發(fā)的控制信 號不僅控制肢體的運動，而且還能傳遞腦電信號（EEG信號）和肌電信號（EMG信號），這些 信號中含有節(jié)律和幅值等豐富的信息。下肢康復系統(tǒng)中主動參與度也是一種特定的心理感 覺，可通過采集EEG信號和表面EMG信號，能客觀準確地計算出下肢康復訓練中主動參與度 的生物量化指標，能大大的提高患者在康復訓練中的主動參與性。
[0004] 因此，亟待需要開發(fā)出一種利用生物電的方法來測量患者在下肢康復系統(tǒng)中主動 參與度的量化評估方法，以解決現(xiàn)有在康復機器人中過度依賴康復理療師對患者下肢康復 訓練評估，存在耗費理療師大量的時間且工作強度大，同時存在評分主觀并且評分標準不 易統(tǒng)一，理療師不可能一直伴隨患者的整個康復訓練過程，也不能實時反應出評估結果等 問題，使康復訓練中的評估系統(tǒng)能把康復訓練的主動參與度指標實時、客觀、準確、穩(wěn)定的 反饋給患者。 【
【發(fā)明內容】
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[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供一種下肢康復系統(tǒng)中主動參與 度的生物量化評估方法，該方法具有應用性強、操作簡單方便、可隨時隨地客觀準確的反應 患者的主動參與度。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案包括以下步驟：
[0007] 1)患者在進行康復訓練前，頭部連接6導腦電電極，下肢連接4導肌電電極；6導 腦電電極和4導肌電電極分別與腦電儀和肌電儀相連，并利用在Windows平臺下設計的基 于VC++的可視化接口程序，實現(xiàn)EEG信號和EMG信號的同步采集；
[0008] 2)患者在康復訓練行走時，基于采集到的EMG信號，以十步為一個步態(tài)事件，當患 者行走一個步態(tài)事件后，接口程序自動運行并在顯示器上輸出一個平均后的主動參與度的 生物量化指標；
[0009] 3)基于Morlet小波變換來對一步時間段內的EEG信號進行分解，提取EEG信號 的基本波中的Alpha頻段、Beta頻段和Theta頻段，同時提供在時間和頻率的二維面的EEG 信號的能量的分布，計算時頻域的各個頻段的能量分布；
[0010] 4)根據步驟3)的結果計算注意度R和參與度P，再根據一步時間內的EMG信號進 行預處理并歸一化處理，由其結果計算激活度D;
[0011] 5)根據步驟4)得到的R、P和D，結合理療師根據在步態(tài)康復訓練中主動參與度的 評價標準給出評級分數和多元線性回歸模型綜合評定出主動參與度的生物量化指標：
[0012] ap"=k'o+riR+r2p+r3d ⑴
[0013] 式⑴中，AP"為主動參與度的生物量化指標，K'1、K'2、K'3為回歸系數，K'。為常 數項，最后檢驗并評價回歸方程及各自變量的大小，調整參數K'。、K' ^K' 2以及K' 3，得到新 的主動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，K。為常數項，經過調整的主動參與度的生物量化 指標符合患者訓練的真實康復狀況；對主動參與度的生物量化指標AP'進行歸一化處理， 得到主動參與度：
[0016] AP=100X(AP/ -AP/nin)/(AP/nax-AP/nin) (3)
[0017] 式⑶中AP'、AP分別為轉換前、后主動參與度的值，AP' _、AP' _分別為主 動參與度的最大值和最小值，歸一化后的下肢康復訓練中主動參與度AP的取值范圍為0~ 100;患者在步態(tài)康復訓練一個步態(tài)事件后，康復系統(tǒng)會自動的通過一個顯示器實時顯示主 動參與度AP，能及時自動的反饋給患者，更有利于患者積極且主動參與到下肢康復訓練中。
[0018] 本發(fā)明進一步的改進在于：
[0019] 所述步驟2)中，基于采集到的EMG信號計算步態(tài)事件的具體方法如下：
[0020] 選擇干擾最少的通道中EMG信號來計算步態(tài)事件，該EMG信號會在步態(tài)行走中處 于強烈的激活狀態(tài)下，此時EMG信號經過預處理、濾波之后能夠看到腳尖離地時有一個波 峰，在腳尖著地時有一個波峰，從一個波谷經過兩個波峰到達下一個波谷為完整的一步，最 終以十步為一個步態(tài)事件。
[0021] 所述步驟3)中，在EEG信號中提取基本波的三個主要成分為Alpha頻段、Beta頻 段和Theta頻段。
[0022] 所述步驟4)中，注意度的計算方法如下：
[0023] 根據步驟3)得到的Alpha和Beta頻段的功率譜計算出兩個頻帶的能量比值作為 患者在下肢康復訓練中的注意度，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；
[0026] 對一個步態(tài)事件的十步的R'求均值，得到平均后的if,然后對冢進行歸一化處 理：
[0027] J? = 100x(歹-盡_)/(Rw、
[0028]式（5)中;^、R分別為轉換前、后注意度的值，R_、