一種基於肌肉協同的步行能力計算方法和裝置製造方法

2023-10-07 07:15:54 4

一種基於肌肉協同的步行能力計算方法和裝置製造方法
【專利摘要】本發明提供了一種基於肌肉協同的步行能力計算方法和裝置。所述裝置包括多通道表面肌電採集模塊，數據解析存儲模塊，步態數據分析處理模塊；所述計算方法使用非負矩陣分解算法從步態周期表面肌電信號中提取步態肌肉協同，將成人步態肌肉協同模式作為標準模板，利用基於步態肌肉協同模式相似性的協同綜合計算（Synergy?Comprehensive?Calculation，SCC）模型，對受試者的肌肉協同模式進行評分獲得反映其步態的特徵參數。該方法從大腦中樞神經系統控制的角度揭示不同個體的步行能力差異，通過該方法可以獲得一個客觀的步行能力參數。該參數反映了中樞神經系統對步態控制的效果。
【專利說明】—種基於肌肉協同的步行能力計算方法和裝置
【技術領域】
[0001]本發明是基於傳感器技術和生物信號處理技術的步態分析技術，特指一種基於肌肉協同的步行能力計算方法和裝置，屬於傳感器技術和生物信號處理【技術領域】。
【背景技術】
[0002]步態分析已成為分析人體運動系統不可缺少的手段之一。目前三維步態分析技術存在兩大問題:首先步態分析系統採用專用視頻設備和計算機設備，價格昂貴，操作專業性強，難以普及。
[0003]表面肌電信號(Surface Electromyography, SEMG)是通過表面電極從體表獲得的肌電信號，基於表面肌電信號的步態數據獲取不需要專用的實驗場地，可以克服步態分析視頻採集設備容易受到環境幹擾的缺點；並且表面肌電信號不僅能提供步態的基本信息，還可以從表面肌電信號中提取肌肉協同，為步態計算提供客觀有效的參數。因此，提供一種基於肌肉協同的步行能力計算方法和裝置具有重要的意義。

【發明內容】

[0004]針對目前步態分析技術存在的不足，本發明旨在提出一種基於肌肉協同的步行能力計算方法和裝置。
[0005]一種基於肌肉協同的步行能力計算方法包括:
[0006](1)利用非負矩陣分解(Non-negative Matrix Factorization, NMF)算法從步態周期表面肌電信號(Surface Electromyography, SEMG)中提步雙腿的步態肌肉協同模式。具體指用NMF對受試者雙腿的步態周期包絡矩陣(步態周期包絡矩陣是預處理和步態周期分割之後的步態周期表面肌電信號)進行非負矩陣分解以提取左右腿肌肉協同矩陣L，R0將L, R分別表示為:
[0007]L = Ln×l={l1,l2,…l1}
[0008]R = Rm×r = {r1； r2，…rr}
[0009]其中列向量li,rj(i = 1,2-1; j = 1,2-r)分別表示左右腿的肌肉協同模式，1，r分別表示左右腿的步態肌肉協同數量，m表示步態分析中所選取的一組肌肉的數量；用成年人左右腿共有的肌肉協同模式建立標準模板集T:
[0010]T = Tm×s={t1，t2…ts}
[0011]其中列向量tk(k= 1，2…s)表示標準步態肌肉協同模式，即成年人雙腿共有的肌肉協同模式；S表示標準步態肌肉協同模式的數量，即成年人左右腿共有的肌肉協同模式
數量；
[0012](2)利用基於步態肌肉協同模式相似性的協同綜合計算(Synergy ComprehensiveCalculation, SCC)模型實現受試者步行能力指標的計算；SCC模型綜合考慮受試者步態肌肉協同模式的數量，結構以及左右腿在步行中表現出的對稱性三個因素；並且基於肌肉協同的步行能力計算方法，從神經系統控制的角度揭示了大腦對步態運動的協同控制策略，該模型的計算結果可以從本質上反映大腦對步態運動的協調控制能力。
[0013]所述SCC模型計算步行能力指標的方法，包括以下計算步驟:
[0014](I)用皮爾森相關係數計算公式R(x，y)計算受試者左右腿各個步態肌肉協同模式li，rj(i = I, 2...1; j = I, 2...y)與各個標準步態肌肉協同模式tk(k = I, 2...s)之間相關係數R(tk，1山R(tk，rj)。定義左右腿肌肉協同矩陣L，R與標準模板集T的相似程度Sim (T, L)，Sim (T, R)，其計算公式如下:
【權利要求】
1.一種基於肌肉協同的步行能力計算方法，其特徵在於，該步行能力計算方法先利用非負矩陣分解(Non-negative Matrix Factorization, NMF)算法從步態周期表面肌電信號(Surface Electromyography, SEMG)中提步雙腿的步態肌肉協同模式；然後利用基於步態肌肉協同模式相似性的協同綜合計算(Synergy Comprehensive Calculation, SCC)模型計算不同個體的步行能力；其中SCC模型是以成年人穩定的步態肌肉協同模式作為標準步態肌肉協同模式，綜合分析受試者左右腿肌肉協同模式與標準步態肌肉協同模式的相似性，以及左右腿在步態運動中表現出的對稱性，計算出反映步行能力的特徵參數。
2.如權利要求1所述的一種基於肌肉協同的步行能力計算方法，其特徵在於，所述步行能力計算方法具體包括如下步驟: (O利用非負矩陣分解NMF算法從步態周期表面肌電信號(SurfaceElectromyography, SEMG)中提步雙腿的步態肌肉協同模式，將提取的左右腿肌肉協同矩陣L, R分別表示為:
L = Lnixl = {11，12-11I
R = RmXr = Ir1, r2...rr} 其中列向量Ii, rj分別表示左右腿的肌肉協同模式,所述i = 1，2...I; j = I, 2…r, I, r分別表示左右腿的步態肌肉協同數量，m表示步態分析中所選取的一組肌肉的數量；將成年人雙腿共有的肌肉協同模式作為標準模板集T:
T = Tnixs = It1, v..ts} T是一個mX s的矩陣,列向量tk表示標準步態肌肉協同模式,所述k = 1，2夂8，s表示標準步態肌肉協同模式的數量； (2)利用基於步態肌肉協同模式相似性的協同綜合計算(Synergy ComprehensiveCalculation, SCC)模型,計算步行 能力指標S: 1)用皮爾森相關係數計算公式RU，y)計算受試者左右腿各個步態肌肉協同模式Ii,rj與各個標準步態肌肉協同模式tk之間相關係數R(tk，Tj);定義左右腿肌肉協同矩陣L，R與標準模板集T的相似程度Sim (T，L)，Sim (T, R)，其計算公式如下:
Sim(T,L) ^YjF(TJi)

/-1
Sim(T,R)

j=i
F(T, Ii) = max (R(tk, Ii)) k=l，2...s
F (T, Tj) = max (R(tk, r」))k=l，2...s F(T, Ii)，F(T, rj)分別表示左右腿肌肉協同模式Ii, rj與標準模板集T的相似程度，對每個F(IMi), F(T，rp乘上所述得分係數B= 100/s，則所述左右腿相似性得分S1, &分別為:
S1 = B氺Sim Cr，L)
Sr = B氺Sim Cr，R) S1, Sr的取值在0-100之間； 2)在SCC模型中用皮爾森相關係數計算公式R(x，y)計算受試者左右腿各個步態肌肉協同模式Ii, rj之間的相關係數R(h，Ii)並定義左右腿肌肉協同矩陣L，R之間的相似程度Sim (R, L)，其計算公式為:
3.一種基於肌肉協同的步行能力計算裝置，其特徵在於，所述計算裝置包括多通道表面肌電採集模塊(I)、數據解析存儲模塊(2)、步態數據分析處理模塊(3);其中多通道表面肌電採集模塊(I)與數據解析存儲模塊(2 )通信；步態數據分析處理模塊(3 )對數據解析存儲模塊(2)中存儲的步態數據進行分析處理，計算步行能力指標。
4.如權利要求3所述的步行能力計算裝置，其特徵在於，所述多通道表面肌電採集模塊(I)用於採集步態中雙腿的表面肌電信號，由於步態運動涉及多塊下肢肌肉，模塊應至少包含16通道的表面肌電電極；多通道表面肌電採集模塊的數據通過有線或無線的方式發送給數據解析存儲模塊(2);數據解析存儲模塊(2)實時地完成步態數據的解析存儲。
5.如權利要求3所述的步行能力計算裝置，其特徵在於，所述步態數據分析處理模塊(3)包括四個串行計算單元:步態數據預處理單元①、步態周期分割單元②、步態肌肉協同提取單元③、步行能力指標計算單元④；①一④作為步行能力指標計算的核心單元；此外還包括顯示控制單元⑤，其用於設置系統的工作參數，工作狀態，以及處理結果的顯示。
6.如權利要求5所述的步行能力計算裝置，其特徵在於，步態數據預處理單元①，該單元從數據解析存儲模塊(2)中加載原始步態SEMG信號，並完成每通道SEMG信號的平滑和濾波預處理，以消除步態數據採集中基線噪聲的影響，輸出的是SEMG的包絡信號。
7.如權利要求5所述的步行能力計算裝置，其特徵在於，步態周期分割單元②，該單元採用基於加速度信號的步態周期分割算法對預處理後SEMG的包絡信號進行步態周期的分割；分割後對所有步態周期每通道SEMG的幅值進行歸一化處理，以消除由電極放置位置等因素引起的不同受試者之間的信號幅值差異；最後將所有分割出的步態周期信號降採樣為統一長度，輸出步態周期包絡矩陣。
8.如權利要求5所述的步行能力計算裝置，其特徵在於，步態肌肉協同提取單元③，該單元採用非負矩陣分解NMF算法對雙腿步態周期包絡矩陣進行分解，以提取雙腿步態肌肉協同模式，並輸出左右腿的肌肉協同矩陣L，R及對應的協同模式數量1，r ;其關鍵在於利用NMF算法提取的協同矩陣重建步態模式，當重建步態模式與原始步態的誤差值滿足約束條件，則求得步態肌肉協同的數量和步態肌肉協同模式。
9.如權利要求5所述的步行能力計算裝置，其特徵在於，步行能力指標計算單元④，該單元首先加載標準模板集T，然後用SCC計算模型對步行能力指標進行計算，輸出計算結果O
10.如權利要求3所述的步行能力計算裝置，其特徵在於，所述數據解析存儲模塊(2)和步態數據分析處理模塊( 3)在普通電腦或者帶WIFI的智慧型手機，平板電腦上實現。
【文檔編號】G06F19/00GK103886215SQ201410136557
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月4日 優先權日:2014年4月4日
【發明者】劉玲, 李飛, 陳香 申請人:中國科學技術大學