基于运动学特征的卒中协调稳定性运动功能评估装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开基于运动学特征的卒中协调稳定性运动功能评估装置，所述装置包括如下步骤：通过稳定裕度模型对患者步态进行计算生成患者步态稳定裕度特征；通过三维运动捕捉模块采集患者步态数据获得其下肢各关节角度数据信息；通过希尔伯特变换方法对采集患者的下肢各关节角度数据计算获得患者相应的关节相位角；通过如下公式对所述患者相应的关节相位角进行计算生成患者步态曲线CRP；按照功能性量表相关性提取患者步态稳定裕度的稳定特征与患者步态曲线CRP相匹配的协调特征建立脑卒中运动评估模型；本发明专利技术通过三维运动捕捉获得运动学参数，可以描述稳定裕度、连续相对时相法与功能性量表评分之间的关系，同时衡量患者协调稳定性与患病程度的关系，实现对脑卒中患者运动评估。运动评估。运动评估。

【技术实现步骤摘要】
基于运动学特征的卒中协调稳定性运动功能评估装置

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[0001]本专利技术属于疾病预估技术，尤其涉及一种基于运动学特征的卒中协调稳定性遇到功能评估装置。

技术介绍
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[0002]行走是日常生活中最常见的功能性运动，但对脑卒中患者是一个挑战。脑卒中患者存在运动功能障碍，70
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80％的患者通常表现为偏瘫，会直接影响其日常生活活动。实现稳定的行走需要在步态的整个阶段维持身体的相对平衡，脑卒中患者由于肌力下降、关节挛缩等原因，造成姿势控制能力差，平衡稳定能力较正常人更弱，在行走时会导致走跌倒的风险增加。对脑卒中患者进行运动能力评估尤为重要，可以帮助医护人员准确找到患者下肢存在的问题，定制更加详细的康复策略。医院通常通过报告以往病史及功能性量表，如Fugl
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Meyer感觉运动恢复量表、Berg平衡量表等对脑卒中患者进行运功功能评估。但这些方法往往存在分级不够精细，依赖医生的主观判断，缺乏数字上的细化。大量的研究证明步态分析在运功功能评估中具有准确性、精确性的优点，通过运动学特征可以客观评估患者的运动能力，并与疾病程度相关联，判断患者的康复情况。
[0003]行走过程中的平衡控制是通过不断调节身体的质心相对于脚所围成区域的位置来完成的，当身体质心落在支撑面内，则认为人体处于稳定状态。为了计算动态行走阶段的相对稳定性，Hof等人在2005年引入稳定裕度的定义为外推质心(XCoM)与支撑面(Base of support,BoS)极限之间的距离(图1)，计算公式为：
[0004]MoS＝BoS
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xCoM
[0005]通常会计算冠状面和矢状面的MOS值，当MOS的值为正时，认为外推质心处于支撑面内，反之MOS的值为负时，外推质心超出支撑面，认为处于不稳定的状态，其中xCoM同时考虑了质心的位置和速度，计算公式为：
[0006][0007]其中，CoM为身体质量中心的空间相对位置，vCoM为身体质心的速度，通过对CoM的位移进行微分得到，g是重力加速度，1是摆的高度，在人体中定义为腿的长度(有大腿大转子位置到地面的相对高度)。
[0008]稳定裕度从身体质量中心与支撑面之间的相对位置衡量人体的平衡能力，但稳定步态需要在神经系统和骨骼肌系统等诸多要素的参与下相互协调推进身体的前进。当面临迈步等自身干扰时，神经系统会通过激活肌肉，调节关节活动范围等实现身体质心的稳定。之前的研究中，常使用关节角度、角速度等运动学数据描述人体肢体的运动，但这些往往是单独衡量一个关节，无法对关节间的协调性能加以描述。
[0009]Barela等人在2000年提出，在运动过程中，下肢节段可以被视为一个耦合系统，各节段通过相互作用有效地改变了身体的位置，协调节律运动的稳定性主要受所需平均相对相位的影响。Rosen认为动态系统的行为可以通过绘制变量与其一阶导数的关系图来描述——这些图通常被称为相位图，并在分析人体运动时提供定性效用。行走作为连续动态
运动，可以通过连续相对时相法计算两个原始信号相位角差，表示下肢两个关节之间的协调耦合。基于希尔伯特变换的相位计算方法，可以从非正弦信号中产生分析信号，从而消除频率伪像，使其适合于研究人体运动中肢体间和肢体内的协调，计算方法如下：
[0010]ζ(t)＝x(t)+iH(t).
[0011]根据该方法，将随时间t变化的髋关节、膝关节或踝关节的关节角度x(t)通过希尔伯特变换得到虚部H(t)。通过反正切函数计算得到关节相位角
[0012][0013]通过从近端关节相位角中减去远端关节相位角来计算CRP：
[0014][0015]当两个关节同时处于其周期(相位)的同一点时，平均相对相位为0
°
，表征同相位，这是最稳定的状态。如果两个关节同时处于其周期中的相反点，则平均相对相位为180
°
或反相位，但也是一种稳定状态，尽管其稳定性低于0
°
时的同相。

技术实现思路
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[0016]本专利技术提出了一种基于运动学特征的脑卒中患者协调稳定性的运动功能评估装置。该研究通过三维运动捕捉系统，获取脑卒中患者在稳定步行阶段的运动学信息，通过连续相对时相法(Continuous relative phase,CRP)计算下肢关节间的协调性，通过稳定裕度(Margin of stability,MoS)计算人体的稳定性，将计算得到的特征通过与功能性量表评分构建运动学模型评估脑卒中患者的运动功能，实现对脑卒中患者身体协调能力与稳定能力的运动功能评估。该装置通过计算脑卒中患者在自我舒适的步态条件下，8米步行实验中的下肢协调性与稳定性参数，通过构建运动学参数与功能性量表之间的模型评估患者下肢的运动功能，有助于实现对患者下肢更精细的评估与制定更有针对性的康复治疗手段。
[0017]本专利技术采用如下技术方案予以实施：
[0018]基于运动学特征的卒中协调稳定性运动功能评估装置，包括如下步骤：
[0019]通过稳定裕度模型对患者步态进行计算生成患者步态稳定裕度特征；
[0020][0021]其中：CoM为身体质量中心的空间相对位置，vCoM为身体质心的速度，，g是重力加速度，l是摆(下肢)的高度，
[0022]通过三维运动捕捉模块采集患者步态数据获得时空参数和下肢各关节角度数据信息；
[0023]通过希尔伯特变换方法对采集患者的下肢各关节角度数据计算获得患者相应的关节相位角；
[0024]通过如下公式对所述患者相应的关节相位角进行计算生成患者步态曲线CRP；
[0025][0026]其中：为髋关节相位角，为膝关节相位角，通过相邻关节相位角之差，得到连续相对相位(CRP)，后续继续计算膝关节与踝关节的CRP值。
[0027]结合衡量脑卒中患者平衡能力的Berg平衡量表和衡量运动功能的Fugl
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Meyer运动功能评分量表，与患者步态稳定裕度特征与患者步态曲线CRP相匹配的协同特征进行皮尔逊相关性分析并找到相关性最大的表征稳定性和协调性的两个参数，同量表评分建立评估脑卒中运动模型，分析稳定性与协调性与脑卒中患者运动平衡能力的贡献程度。
[0028]Y＝β0+β1X1+β2X2
[0029]其中：β0为常数项，β1与β2为回归系数。自变量X1为一个协调性特征，X2为一个稳定性特征。
[0030]进一步，所述步态曲线CRP是通过平均步态周期的整体CRP曲线点的标准差来计算偏差，所述步态周期定义为在行走时一侧足跟着地到该侧足跟再次着地的过程；在步行路径的中间部分放上测力台，根据测力台的足底压力数据进行步态周期划分，标定患者偏瘫侧的脚后跟触地的时间点，通过时间插值的方法统一个步态周期内参数的时间长度，得到每次步行试验的3个步态周期的运动学参数。
[0031]有益效果：
[0032]本专利技术通过对脑卒中患者8米步行实验中与稳定性、协调性有关的运动学参数进行计算评估，通过与功能性量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于运动学特征的卒中协调稳定性运动功能评估装置，其特征在于，包括如下步骤：通过稳定裕度模型对患者步态进行计算生成患者步态稳定裕度特征；其中：CoM为身体质量中心的空间相对位置，vCoM为身体质心的速度，g是重力加速度，l是摆(下肢)的高度，通过三维运动捕捉模块采集患者步态数据获得时空参数和下肢各关节角度数据信息；通过希尔伯特变换方法对采集患者的下肢各关节角度数据计算获得患者相应的关节相位角；通过如下公式对所述患者相应的关节相位角进行计算生成患者步态曲线CRP；其中：为髋关节相位角，为膝关节相位角，通过相邻关节相位角之差，得到连续相对相位(CRP)，后续继续计算膝关节与踝关节的CRP值；按照功能性量表相关性提取患者步...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐瑞，刘佳雯，明东，孟琳，陈婧文，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：