本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种基于表面肌电与运动模块的上肢康复评价系统及方法。
背景技术：
脑卒中患者上肢运动功能的恢复主要依赖康复治疗。在康复治疗中，治疗师只有正确理解了患者上肢运动动能的缺失，并给出相应的评价，才能对个体化的康复目标进行定位，然后再进行恰当的治疗，掌握正确的康复过程，达到提高康复效率的最终目的。正确评价脑卒中患者的上肢运动功能障碍，是上肢康复的关键所在。目前，上肢运动功能评价的方法主要包括：医学量表法、参数对比法、fitts定律法(费茨定律法)。量表法动作繁多、无定量测试，主观性很大，准确率不高；参数对比法采集的参数较少，现阶段的研究不够；fitts定律法成本较高，不仅受场地、成本的限制，其运算程度也叫复杂，较难临床推广。精确、客观的评估患者上肢运动的功能障碍，成为制定个性化康复治疗方案，观察治疗效果及分析预后的关键。现有康复治疗中，医生通过量表法评估患者的运动功能，这种方法效率低下，动作过多，且受医生主观影响大，限制了评价的精确性。
技术实现要素：
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于表面肌电与运动模块的上肢康复评价系统及方法，可自动采集训练者运动过程中运动参数和表面肌电信号进行分析，标评估上肢运动的顺畅性、强度和肌肉功能，通过对测试者实时反馈评价信息，减少了主观评价大量的时间与人力，简化了评价动作，适用于病情好转或后康复期病患。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于表面肌电与运动模块的上肢康复评价系统，包括一上位机、一单片机控制端、一表面肌电采集模块和一运动参数采集模块；所述表面肌电采集模块包括依次连接的两电极、低通滤波电路、共模抑制电路、放大电路和减法电路；所述上位机包括一显示器；所述减法电路和所述运动参数采集模块连接所述单片机控制端，所述单片机控制端连接所述上位机。
优选地，所述单片机控制端包括一模数转换模块和一数字滤波模块；所述减法电路、所述单片机控制端和所述上位机依次连接。
优选地，所述单片机控制端包括一atmega328p微处理器，所述atmega328p微处理器包括所述模数转换模块和所述数字滤波模块，所述减法电路的输出端连接所述atmega328p微处理器的模拟输入口，所述atmega328p微处理器通过串口连接所述上位机。
优选地，所述运动参数采集模块包括一加速度传感器，所述加速度传感器采用adxl345三轴加速度传感器，所述adxl345三轴加速度传感器的scl引脚和cs引脚连接所述atmega328p微处理器。
优选地，所述电极采用ag/agcl电极。
本发明的一种基于本发明所述的基于表面肌电与运动模块的上肢康复评价系统的上肢康复评价方法，包括步骤：
s1：利用所述运动参数采集模块采集患者的零负荷运动定向够物运动参数；
s2：利用所述运动参数采集模块采集所述患者的梯度负荷定向够物运动参数；
s3：利用所述表面肌电采集模块采集所述患者的表面肌电信号步骤；
s4：处理所述运动参数采集模块采集的数据，分析所述患者的运动平滑度指标和运动功能强度指标；
s5：处理所述表面肌电采集模块采集的数据，建立一平均功率/平均肌电值斜率关系曲线；
s6：将数据库中预存的标准运动数据与实际采集数据进行匹配，并根据所述患者的实际运动质量进行评估，所述患者提供相应的康复反馈。
优选地，所述s1步骤进一步包括步骤：
s11：让所述患者背部紧靠椅背地正坐于一座椅中，并让所述患者障碍一侧的手臂垂直于地面；
s12：将所述加速度传感器固定于所述患者的手腕处，使得所述患者的整个手臂无负荷；
s13：测试人员向所述患者给出开始的指示时，并开始记录运动过程中的第一运动参数，所述第一运动参数包括所述手腕处的三个轴向加速度值；
所述患者开始以常速尽可能平稳地上抬手臂，直到所述手臂在所述患者肩前驱90°时停止，所述患者的肘充分伸展并保持3秒钟；所述测试人员向所述患者给出结束指示，并结束记录运动过程中的运动参数；所述患者可放下所述手臂进行休息；
所述s2步骤进一步包括步骤：
让所述患者依次承载0kg、2kg、4kg和6kg的第一负荷量，并在承载每一所述第一负荷量时重复所述s1步骤；
所述s3步骤进一步包括步骤：
s31：刮除所述患者一被测手臂的上臂体毛并搽拭75％乙醇，在所述电极上涂抹导电膏，将一所述电极沿所述被测手臂的肌纤维走向平行固定在所述被测手臂的肱二头肌外侧肌腹上，将另一所述电极粘贴在肘关节旁的肌肉较少处；
s32：使所述患者按照任一顺序地分别以10n、20n、30n和40n的第二负荷量维持2min的弯举运动；所述弯举运动包括步骤：
将所述患者障碍一侧的手臂完全平卧于桌面作为初始位置；然后以肘关节为原点举起所述患者障碍一侧的手臂的上臂，直到该上臂与所述桌面垂直，再匀速放下该上臂回归所述初始位置；
每一次所述弯举运动结束后休息15min再进行后一次所述弯举运动。
优选地，所述s4步骤中，所述运动平滑度指标s的公式为：
其中，k为放大系数，jerkx为x轴方向上的加速度变化率，jerky为y轴方向上的加速度变化率，jerkz为z轴方向上的加速度变化率；
所述运动功能强度指标通过加速度均方根rms表示，所述加速度均方根rms的公式为：
其中，n表示所采集的数据量，i表示采样时刻，acci表示第i采样时刻加速度的模值。
优选地，所述s5进一步包括步骤：
s51：所述患者依次以5n、8n、15.5n和27n的第三负荷量维持2min的往复弯举运动，在所述往复弯举运动中要求所述患者尽量保持匀速，同时对所述患者的弯举次数进行计数，并将采集获得的表面肌电信号以txt格式保存；
s52：根据重力势能公式(3)和平均功率公式(4)计算所述患者的每次托举重物的平均功率p：
ep＝mgh(3)；
其中，ep是重力势能，m是托举物的质量，g是重力加速度，h是手臂的长度，n为所述患者的托举次数，t是时间；
s53：对采集到的所述表面肌电信号进行积分处理，计算获得10s内的平均肌电值，然后通过直线拟和得出所述平均肌电值与时间的关系曲线并确定其变化斜率，获得平均肌电值斜率；其中平均肌电值aemg的计算公式如下：
其中，emg(t)表示t时刻的表面肌电信号值；t为采样时间；
s54：以所述平均功率为纵轴，以平均肌电值斜率为横轴，建立所述平均功率/平均肌电值斜率关系曲线；以斜率增大作为肌肉开始出现疲劳的标志，在所述平均功率/平均肌电值斜率关系曲线上找到一斜率为零的点，将该点在所述纵轴上的截距值作为肌电疲劳阈值。
优选地，所述患者的实际运动质量包括所述运动平滑度指标s、所述加速度均方根rms和所述肌电疲劳阈值。
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
低通滤波电路和共模抑制电路的配合实现了更好的滤波效果。表面肌电采集模块用于采集人体表面肌电信号；运动参数采集模块用于采集运动参数。单片机控制端用于实现数据的模数转换和数字滤波。上位机用于数据的处理、存储和显示。区别传统的量表式上肢康复评价，本发明着眼于应用微电子技术的发展提出客观的上肢康复评价系统；并优化了滤波系统，提高了数据处理质量；同时具有操作便捷的优点，将肌电疲劳阈的应用领域扩展到上肢康复评价系统中。
附图说明
图1为本发明实施例的基于表面肌电与运动模块的上肢康复评价系统的总体结构示意图；
图2为本发明实施例的表面肌电采集模块的主体电路图；
图3为本发明实施例的表面肌电采集模块的电压跟随电路的电路图；
图4为本发明实施例的表面肌电采集模块的第二放大电路的电路图；
图5为本发明实施例的运动参数采集模块的电路图；
图6为本发明实施例的上肢康复评价方法的流程图；
图7为本发明实施例的单片机控制端数据处理流程示意图；
图8为本发明实施例的滑动平均滤波流程图；
图9为本发明实施例的防脉冲干扰平均滤波法流程图；
图10为本发明实施例的加速度传感器模块流程图。
具体实施方式
下面根据附图1～图5，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
请参阅图1～图5，本发明实施例的一种基于表面肌电与运动模块的上肢康复评价系统，包括一上位机1、一单片机控制端2、一表面肌电采集模块4和一运动参数采集模块3；表面肌电采集模块4包括依次连接的两电极41、低通滤波电路42、共模抑制电路43、放大电路44和减法电路45；上位机1包括一显示器(图中未示)；减法电路45和运动参数采集模块3连接单片机控制端2，单片机控制端2连接上位机1。
低通滤波电路42和共模抑制电路43的配合实现了更好的滤波效果。表面肌电采集模块4用于采集人体表面肌电信号；运动参数采集模块3用于采集运动参数。单片机控制端2用于实现数据的模数转换和数字滤波。上位机1用于数据的处理、存储和显示。
单片机控制端2包括一模数转换模块21和一数字滤波模块22；减法电路45、模数转换模块21、数字滤波模块22和上位机1依次连接。
电极41采集到的人体表面肌电信号依次经过低通滤波电路42、共模抑制电路43、放大电路44、减法电路45的初步滤波放大后，进入单片机控制端2，通过模数转换模块21转换为数字信号后，在通过数字滤波模块22进行进一步的滑动平均滤波和防脉冲干扰平均滤波处理。滑动平均滤波的流程图请参见图8，滑动平均滤波法的优点是对周期性干扰有良好的抑制作用适用于高频振荡的系统，但是其也有相关的缺点：灵敏度低，对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差；不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差，不适用于脉冲干扰比较严重的场合，在本发明的实施例中，由于不排除会出现脉冲性干扰，故在需要进一步采用防脉冲干扰平均滤波法(又名中位值平均滤波法)与其相结合，实现了更好的滤波效果；防脉冲干扰平均滤波的流程图请参见图9，防脉冲干扰平均滤波法融合了“中位值滤波法”与“算术平均滤波法”两种滤波法的优点，对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由其所引起的采样值偏差，对周期干扰有良好的抑制作用，正好弥补了滑动平均滤波的相关缺陷，通过这两种滤波程序相结合的肌电信号能够得到比较好的数据结果。
请返回图1～图5，单片机控制端2包括一atmega328p微处理器，atmega328p微处理器包括模数转换模块21和数字滤波模块22，减法电路45的输出端连接atmega328p微处理器的模拟输入口，atmega328p微处理器通过串口连接上位机1。
请参阅图5，运动参数采集模块3包括一加速度传感器、usb转串口电路p1和adxl345加速度模块p2，加速度传感器采用adxl345三轴加速度传感器31，adxl345三轴加速度传感器31的scl引脚和cs引脚连接atmega328p微处理器，用于与单片机控制端2的通讯，adxl345三轴加速度传感器31通过spi接口读取数字数据。本实施例中，电极41采用ag/agcl电极。
请参阅图1～图5，鉴于表面肌电信号的自身特点，本实施例中，首先对通过电极片41采集到的肌电原始信号进行适当的放大、滤波处理。同时为降低后续的识别算法在时间和空间上的复杂度，在系统的硬件部分加入低通滤波电路42。并通过减法电路45将滤波后的电压信号转化为单片机控制端2可以接受的电压信号，然后将电压信号通过模拟信号接口传至以atmega328p微处理器为核心的主控模块，通过主控模块自带的模/数转换模块转换成0-1023的10位数字信号，主控模块控制采集进程，并将采集到的数字表面肌电信号通过串口传输给usb接口或者蓝牙模块传送至上位机1采集程序。通过c++编写的上位机1程序，滤除工频干扰、显示并存储表面肌电信号、识别信号在显示器的界面上实时显示。由于表面肌电信号幅度0.05-5mv之间；频谱分布在0.02～500hz之间，主要能量集中在50～150hz之间。因此电极41采集到的信号首先采用低通的rc滤波电路，滤除电信号中的高频信号，滤除电极41采集到的高频信号。滤好后的信号通过由三个lm324ad芯片组成的共模抑制比电路43，实现输入信号的同相信号的抑制。由于表面肌电信号外部干扰很大，如果共模抑制比较低的话，在后端的放大电路44的放大信号会出现明显的线性失真，造成数据不准确，本实施例的共模抑制比最低为115db。共模抑制电路43的电信号需经过仪表放大器电路46的仪表放大器ad620n前级放大，再经过高通滤波、减法电路45后将模拟信号输出给atmega328p微处理器的模拟输入口通过数字滤波模块22进行数字滤波处理。
请参阅图1、图6～图10，本发明的一种基于本发明的基于表面肌电与运动模块的上肢康复评价系统的上肢康复评价方法，包括步骤：
s1：利用运动参数采集模块3采集患者的零负荷运动定向够物运动参数；
其中，s1步骤进一步包括步骤：
s11：让患者背部紧靠椅背地正坐于一座椅中，并让患者障碍一侧的手臂垂直于地面；
s12：将加速度传感器固定于患者的手腕处，使得患者的整个手臂无负荷；
s13：测试人员向患者给出开始的指示时，并开始记录运动过程中的第一运动参数，第一运动参数包括手腕处的三个轴向加速度值；
患者开始以常速尽可能平稳地上抬手臂，直到手臂在患者肩前驱90°时停止，患者的肘充分伸展并保持3秒钟；测试人员向患者给出结束指示，并结束记录运动过程中的运动参数；患者可放下手臂进行休息。
s2：利用运动参数采集模块3采集患者的梯度负荷定向够物运动参数；
s2步骤进一步包括步骤：
让患者依次承载0kg、2kg、4kg和6kg的第一负荷量，并在承载每一第一负荷量时重复s1步骤。
s3：利用表面肌电采集模块4采集患者的表面肌电信号步骤；
s3步骤进一步包括步骤：
s31：刮除患者一被测手臂的上臂体毛并搽拭75％乙醇，在电极41上涂抹导电膏，将一电极41沿被测手臂的肌纤维走向平行固定在被测手臂的肱二头肌外侧肌腹上，将另一电极41粘贴在肘关节旁的肌肉较少处；
s32：使患者按照任一顺序地分别以10n、20n、30n和40n的第二负荷量维持2min的弯举运动；弯举运动包括步骤：
将患者障碍一侧的手臂完全平卧于桌面作为初始位置；然后以肘关节为原点举起患者障碍一侧的手臂的上臂，直到该上臂与桌面垂直，再匀速放下该上臂回归初始位置；
每一次弯举运动结束后休息15min再进行后一次弯举运动。
s4：处理运动参数采集模块3采集的数据，分析患者的运动平滑度指标和运动功能强度指标；
其中，s4步骤中，运动平滑度指标s的公式为：
其中，k为放大系数，它由硬件系统的精确度所决定，每个系统的k值均为固定值，不会因为测试者不同而变化。jerkx为x轴方向上的加速度变化率，jerky为y轴方向上的加速度变化率，jerkz为z轴方向上的加速度变化率；加速度变化率由对应方向的加速度变化量除以时间获得。平滑度取整个运动过程中各时刻瞬时平滑度的均值得到。
运动功能强度指标通过加速度均方根rms表示，加速度均方根rms的公式为：
其中，n表示所采集的数据量，i表示采样时刻，acci表示第i采样时刻加速度的模值。
运动平滑度指标s用以评价整个运动过程中动作的流畅程度，加速度均方根rms用以评估整个运动过程的强度。运动平滑度指标s数值偏离正常范围越大及表明患者运动过程抖动的越厉害，肢体控制能力越差。运动强度即加速度均方根rms，代表着受试者运动的强度，或者负荷的大小，在康复领域中常用来表示患者运动能力的缺失程度。其数值往往低于正常人水平，可用来定量评估病患整体的运动功能。分别将患者与健康者的运动平滑度指标s和加速度均方根rms数据进行相关性分析，可得到相关系数和对应概率p值，将显著性水平设定为0.01，可看出患者与健康者的区别。健康者数据测试步骤同步骤s3，视为数据库标准数据；患者康复过程中反复记录步骤s3的数据，进行新旧数据的上述处理方式，通过对比，可以定量看出患者康复过程中动作的流畅程度、运动过程强度的改变程度。其中相关系数表示患者与健康者数据的相近程度，可通过welch方差分析获得。对应的概率p值与0.05对比，如果小于0.05，说明在0.05的显著性水平下，健康者、患者之间的平滑度或加速度均方根无显著性差异，即病患康复过程中动作的流畅程度、运动过程强度与健康者无显著性差异；如果大于0.05，说明差异很大，患者仍需要继续进行相应的康复训练或作出康复计划的调整。
s5：处理表面肌电采集模块4采集的数据，建立一平均功率/平均肌电值斜率关系曲线；
优选地，s5进一步包括步骤：
s51：患者依次以5n、8n、15.5n和27n的第三负荷量维持2min的往复弯举运动，在往复弯举运动中要求患者尽量保持匀速，同时对患者的弯举次数进行计数，并将采集获得的表面肌电信号以txt格式保存；
s52：根据重力势能公式(3)和平均功率公式(4)计算患者的每次托举重物的平均功率p：
ep＝mgh(3)；
其中，ep是重力势能，m是托举物的质量，g是重力加速度，h是手臂的长度，n为患者的托举次数，t是时间；
s53：对采集到的表面肌电信号进行积分处理，计算获得10s内的平均肌电值，然后通过直线拟和得出平均肌电值与时间的关系曲线并确定其变化斜率，获得平均肌电值斜率；其中平均肌电值aemg的计算公式如下：
其中，emg(t)表示t时刻的表面肌电信号值；t为采样时间；
s54：以平均功率为纵轴，以平均肌电值斜率为横轴，建立平均功率/平均肌电值斜率关系曲线；以斜率增大作为肌肉开始出现疲劳的标志，在平均功率/平均肌电值斜率关系曲线上找到一斜率为零的点，将该点在纵轴上的截距值作为肌电疲劳阈值。
s6：将数据库中预存的标准运动数据与实际采集数据进行匹配，并根据患者的实际运动质量进行评估，患者提供相应的康复反馈。
其中，患者的实际运动质量包括运动平滑度指标s、加速度均方根rms和肌电疲劳阈值。
与现有技术相比，本发明实施例的基于表面肌电与运动模块的上肢康复评价系统及方法具有以下有益效果：
区别传统的量表式上肢康复评价，本发明着眼于应用微电子技术的发展提出客观的上肢康复评价系统；本发明独立设计一种便携式表面肌电接收、放大处理装置，并优化了滤波系统；本发明独立设计数据接受处理界面，方便操作者使用；本发明将肌电疲劳阈的应用领域扩展到上肢康复评价系统中。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。