基于表面肌电和运动传感器的肌痉挛量化评估

发布时间：2020-06-06 14:05

【摘要】：痉挛是一种由上运动神经元功能受损导致的临床症状,多发生于脑卒中、脊髓损伤、脑瘫、多发性硬化等患者,其评估对于患者的临床管理和治疗具有很重要的意义。当前对于痉挛的量化评估主要包括临床量表、生物力学和电生理学三种方法,但是这些方法分别存在着主观性强、设备复杂以及评估片面的问题。因此,本研究致力于实现一种基于表面肌电和运动传感器的肌痉挛量化评估方法,为临床提供客观的评估方式。本研究以肱二头肌或肱三头肌痉挛为研究对象,针对肘关节设计了一系列不同速度下的被动牵拉运动,通过表面肌电和运动传感器捕获肌肉的牵张反射活动以及肘关节被动牵拉运动状态。基于采集的实验数据,本研究分别建立了 λ模型和运动模型。λ模型利用中枢神经系统对于牵张反射的调控,建立了牵张反射阈值与牵拉速度之间的线性模型,并提取方程的截距用于痉挛评估;运动模型基于急动度不变的假设,对实验人员意图的牵拉运动进行重构,并提取了运动轨迹之间的相关系数和角加速度信号的中值频率,分别表示运动曲线之间的相似性和牵拉运动的稳定性。利用两种模型所提取的参数,本研究分别采用单模型和模型融合两种方法实现痉挛评估,并以受试者的临床痉挛MAS(modified Ashworth scale)评估为标准,采用对所有受试者评估结果的均方误差MSE(mean squared error)作为痉挛评估方法性能的评价指标。研究结果表明基于模型融合的痉挛评估算法能够获得比单模型更好的评估效果。此外针对模型参数融合,本研究采用了多种算法实现痉挛评估,其中基于径向基核函数的支持向量回归算法在模型超参数优化的条件下得到了最小的评估MSE。本研究所提出的基于模型参数融合的方法能够实现对于痉挛客观的量化评估,并且利用便携式的表面肌电和运动传感器有助于其在临床、社区及家庭康复的应用。痉挛的量化评估能够提供对于患者治疗效果的准确反馈,对于临床医生制定科学合理的治疗计划具有非常大的意义。
【图文】：

轴惯性,运动传感器,电极

逑九轴惯性传感器（ＭＰＵ９２５０）是三种传感器的组合，包括３轴的加速度计、３轴逡逑的陀螺仪以及３轴的磁力计，如图２．３所示。九轴惯性运动传感器用于运动状态逡逑的跟踪，被广泛应用于手势控制、体感游戏以及可穿戴的智能设备等领域。在本逡逑实验中，需要利用３轴陀螺仪（测量范围ｄ＝２０００７ｓ，满足实验需要）实现对于肘逡逑关节被动牵拉运动的跟踪，并通过矢量计算获得肘关节实际的被动牵拉角速度。逡逑图２．１实验采集设备逡逑；ｗｌ＾ｍ邋ｕｙ逡逑图２．２表面肌电电极逦图２．３九轴惯性运动传感器逡逑２．邋２．邋２传感器位置设计逡逑本实验针对上肢肱二头肌或者肱三头肌痉挛患者进行实验数据采集，实验中逡逑采用一个表面肌电差分电极和一个九轴惯性运动传感器。表面肌电电极用于采集逡逑肌肉的电信号，获取肌肉实时的活动情况。惯性运动传感器用于捕获肘关节实时逡逑的牵拉运动情况。为了能够检＿到信号质量最好的肌电信号，，需要将表面肌电电逡逑极放置于肱二头肌或肱三头肌的肌腹位置，运动传感器被放置于手腕内侧，具体逡逑１３逡逑

采集设备

逑九轴惯性传感器（ＭＰＵ９２５０）是三种传感器的组合，包括３轴的加速度计、３轴逡逑的陀螺仪以及３轴的磁力计，如图２．３所示。九轴惯性运动传感器用于运动状态逡逑的跟踪，被广泛应用于手势控制、体感游戏以及可穿戴的智能设备等领域。在本逡逑实验中，需要利用３轴陀螺仪（测量范围ｄ＝２０００７ｓ，满足实验需要）实现对于肘逡逑关节被动牵拉运动的跟踪，并通过矢量计算获得肘关节实际的被动牵拉角速度。逡逑图２．１实验采集设备逡逑；ｗｌ＾ｍ邋ｕｙ逡逑图２．２表面肌电电极逦图２．３九轴惯性运动传感器逡逑２．邋２．邋２传感器位置设计逡逑本实验针对上肢肱二头肌或者肱三头肌痉挛患者进行实验数据采集，实验中逡逑采用一个表面肌电差分电极和一个九轴惯性运动传感器。表面肌电电极用于采集逡逑肌肉的电信号，获取肌肉实时的活动情况。惯性运动传感器用于捕获肘关节实时逡逑的牵拉运动情况。为了能够检＿到信号质量最好的肌电信号，需要将表面肌电电逡逑极放置于肱二头肌或肱三头肌的肌腹位置，运动传感器被放置于手腕内侧，具体逡逑１３逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212;R318.04

【参考文献】