CN106821308A - 一种骨骼肌刺激下收缩活动评估的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种骨骼肌刺激下收缩活动评估的方法和装置，包括多模态数据采集模块、数据预处理模块，骨骼肌收缩活动指标提取和显示模块、以及报警模块；所述多模态数据采集模块将数据进行采集，所采集到的数据经所述数据预处理模块进行预处理，预处理的数据经所述骨骼肌收缩活动指标提取和显示模块进行提取并对其指标进行评估，当治疗效果不理想时，报警模块会发出警报信号并引起医师的注意，最后由医师确认是否继续治疗和调整刺激治疗仪的参数设置等。本发明的有益效果是：实时监测和评估刺激治疗下，骨骼肌的收缩活动，进而实时并客观地评价刺激治疗效果。医师可根据客观量化的指标，为受试者制定个性化的刺激治疗方案。
Description
技术领域
本发明属于运动医学技术、信号处理技术领域和康复仪器技术领域。涉及一种基于多模态数据的受刺激下的骨骼肌的收缩活动的实时评估方法和装置。
背景技术
肢体运动或控制障碍的症状常见于偏瘫患者。据统计，在三甲医院，偏瘫患者占康复科住院量50％以上，约80％的偏瘫患者治疗后仍遗留肢体运动障碍。临床上，对肢体运动控制障碍的治疗，常采用外界刺激的治疗方案，采用力、声、磁或电等物理手段刺激相关骨骼肌等，使对应骨骼肌产生被动收缩活动，旨在阻止骨骼肌萎缩和改善骨骼肌收缩功能并达到神经重塑的效果。但目前临床上对于刺激治疗的刺激强度和刺激时间两种参数的设定尚缺乏可量化评估的手段。例如，临床上，偏瘫患者康复的过程中，常采用电针治疗；其中，电针治疗的刺激强度主要依靠医生与患者在治疗开始时的沟通、调节、再沟通、再调节等环节，最终选择患者达到感觉阈和痛阈之间的4/5处，由于偏瘫患者的感觉相比健康人本就比较迟钝、不敏感，即使通过医师与患者反复的沟通与交流，也不能确定实际上患者的骨骼肌所能承受的刺激强度；电针治疗的刺激时间更依赖于医生的主观经验。目前，在人体运动控制障碍的刺激治疗中，骨骼肌具体是怎样收缩活动的，尚缺少可靠的量化评估手段，而且刺激治疗的刺激强度和刺激时间在治疗过程中是引起肌肉疲劳的直接因素。如果在治疗过程中，患者出现肌肉疲劳，将会导致“误用综合征”，进而导致刺激治疗的治疗效果差，甚至出现逆差效果。因此，人体肢体运动控制障碍的刺激治疗中骨骼肌收缩活动的研究具有重要意义。
多数情况下骨骼肌通过肌腱附在骨骼的两端，骨骼和关节自身并没有运动能力，须借力于骨骼肌的收缩，牵动骨骼产生围绕关节的各种运动。人体骨骼系统是一个力学的杠杆系统，刺激治疗亦采用了该运动原理。刺 激治疗通过刺激骨骼肌等，实现骨骼肌的收缩活动，最终产生相应的肢体活动。因此，骨骼肌的收缩与肢体运动二者息息相关，量化分析刺激治疗下骨骼肌收缩的活动将是运动康复治疗中的难点与重点。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供一种能够自动实时采集、监测和评估刺激治疗下，基于多模态数据的骨骼肌收缩活动实时评估装置，包括多模态数据采集模块、数据预处理模块，以及骨骼肌收缩活动指标提取和显示模块；所述多模态数据采集模块将数据进行采集，所采集到的数据经所述数据预处理模块进行预处理，预处理的数据经所述骨骼肌收缩活动指标提取和显示模块进行提取并对其指标进行评估。并且，该模块可实现多种模态数据实时地、同步地、独立地采集。
本发明中的“多种模态数据”是指多模态数据采集模块所采集的数据，该多模态数据包括反应骨骼肌收缩活动时空间形态结构变化的数据、反映骨骼肌收缩活动时的力学振动情况的数据以及反应骨骼肌收缩活动而引起的肢体运动信息的数据。典型的反应骨骼肌收缩活动的空间形态结果变化的技术如超声影像技术，典型的反应骨骼肌收缩活动的力学振动情况的技术如肌动图技术，典型的反应由于骨骼肌收缩活动而引起肢体运动的技术如惯性传感技术。其中，超声影像技术是一种实时、无创的成像方法，自面世以来已经被广泛地应用在医学科研领域，超声可以准确的反映骨骼肌运动过程中的空间形态变化，是研究骨骼肌运动形态特性非常有效的工具，利用超声仪器获取人体肌肉图像并分析得到肌肉的空间结构参数，以此评估肌肉的收缩活动；肌动图是一种力学的、机械的信号，其主要是运动神经元通过激活运动单位引发肌纤维收缩而产生的力学振动，较为直观的反映了骨骼肌收缩活动的整体情况；惯性传感器技术主要用于捕获人体运动信息，具有稳定性高、精准度高、集成度高等优点。
本发明采用以上技术方案，其优点在于，本发明提供一种集成化技术，将骨骼肌收缩活动的空间形态结构采集模块、力学振动信号采集模块和其引起的肢体运动信息采集模块集成化，能够方便、实时、同步、独立地采集骨骼肌收缩活动中分别表征其肌肉空间结构的变化、肌肉力学振动、骨骼肌收缩引起肢体功能运动的多种模态的信号，获得了更丰富的有关骨骼肌收缩活动的信息。
优选的，本装置还包括报警模块，所述骨骼肌收缩活动指标提取和显示模块所提取的数据不在参考量范围内，则通过所述报警模块进行报警。
本发明进一步采用以上技术特征，其优点在于，所述骨骼肌收缩活动指标提取和显示模块为临床上肢体受试者刺激治疗的效果提供客观量化的参考量，辅助医师为受试者制定个性化的刺激治疗方案。当刺激治疗效果不理想时，该装置可向医师发出报警信号，可辅助医师为受试者设定个性化的刺激治疗方案，使受试者在刺激治疗中获得最佳治疗效果。为临床上肢体受试者刺激治疗的效果提供客观量化的参考量，辅助医师为受试者制定个性化的刺激治疗方案。
本发明利用反映骨骼肌收缩活动时空间形态结构变化的技术、反映骨骼肌收缩活动时的力学振动情况的技术以及反映骨骼肌收缩活动而引起的肢体运动的技术，并将三种技术融合集成，提供一个实时、同步、独立的采集骨骼肌收缩活动的各个信号，并实时评估肌肉收缩活动的集成化装置，为临床上肢体受试者刺激治疗的效果提供客观量化的参考量，如骨骼肌形态结构(如肌肉厚度)变化的周期性下降，骨骼肌力学振动信号和反应骨骼肌收缩活动的肢体运动信息的时域特征出现下降平缓等，辅助医师为受试者制定个性化的刺激治疗方案。
优选的，所述多模态数据采集模块采用超声影像数据采集模块、肌动图数据采集模块和惯性传感数据采集模块中的至少一种。
目前，已有多种技术被广泛应用在骨骼肌收缩活动的量化评估。量化评估骨骼肌收缩活动技术主要有反映骨骼肌收缩活动时空间形态结构变化的技术(如超声影像技术等)、反映骨骼肌收缩活动时的力学振动情况的技术(如肌动图等)、反映骨骼肌收缩活动时的电活动的技术(如肌电图等)以及反映骨骼肌收缩活动而引起的肢体运动的技术(如惯性传感技术等)等其他技术。本发明均可以采用相关的技术进行骨骼肌收缩活动的量化评估，使受试者在刺激治疗中获得最佳治疗效果。
优选的，多模态数据采集模块采用骨骼肌收缩活动的空间形态结构采集模块、力学振动信号采集模块和其引起的肢体运动信息采集模块中的至少一种。
优选的，预处理的参数预处理的参数采用提取肌肉空间结构参数、肌肉收缩速度、肌力、力学振动信号(如肌动图数据等)的时域和变换域的参数中的至少一种。
优选的，对预处理后的惯性传感数据提取表征由于肌肉收缩而引起骨骼运动功能的参数。
优选的，所述数据预处理模块包括骨骼肌收缩活动的空间形态结构数据预处理(如超声影像等数据预处理)、力学振动信号预处理(如肌动图等数据预处理)和其引起的肢体运动信息数据预处理(如惯性传感等数据预处理)中的至少一种。
本发明利用反映骨骼肌收缩活动时的空间形态结构变化的技术、反映骨骼肌收缩活动时的力学振动情况的技术以及反映骨骼肌收缩活动而引起的肢体运动的技术，并将三种技术融合集成，提供一个实时、同步、独立的采集骨骼肌收缩活动的各个信号，并实时评估肌肉收缩活动的集成化装置。
优选的，所述预处理包括：对采集的骨骼肌收缩活动的空间形态结构数据(如超声影像图序列)逐帧地自动提取感兴趣的图像信息并进行增强，去噪等处理、力学振动信号(如肌动图等数据)和其引起的肢体运动信息数据(如惯性传感等数据)进行滤波去噪和分帧等处理。
本发明还提供了一种基于多模态数据的骨骼肌收缩活动实时评估的实时评估方法，包括如下步骤：
步骤(1)数据预处理：对采集骨骼肌收缩活动的空间形态结构信息、力学振动信号和其引起的肢体运动信息数据进行初步处理；
步骤(2)提取骨骼肌收缩活动的评估指标：对预处理后的数据分别提取表征由于肌肉收缩而引起骨骼运动功能的参数；
步骤(3)对参数进行评估：对提取的骨骼肌收缩活动的参数进行评估，并依据参数评价刺激治疗效果。
优选的，所述参数包括：预处理后的骨骼肌收缩活动的空间形态结构信息、力学振动信号和其引起的肢体运动信息数据分别提取表征由于肌肉收缩而引起骨骼运动功能的参数。
本发明的有益效果是：实时监测和评估刺激治疗下，骨骼肌的收缩活动，进而实时并客观地评价刺激治疗效果。医师可根据客观量化的指标，为受试者指定个性化的刺激治疗方案，使受试者在刺激治疗中获得最佳治疗效果。
附图说明
图1刺激治疗下，骨骼肌收缩活动评估方法和装置框图。
图2多模态数据采集模块。
图3数据预处理模块。
图4刺激治疗下，骨骼肌收缩活动评估流程图。
图5刺激治疗下，数据采集环境模拟图。
图6肌肉厚度示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明：
实施例1
多模态数据采集模块包括骨骼肌收缩活动的空间形态结构采集模块、力学振动信号采集模块和其引起的肢体运动信息采集模块，该模块可实现多种模态的数据实时地、同步地、独立地采集。
一种骨骼肌收缩活动的实时评估方法，包括如下步骤：
步骤1：数据预处理：对采集骨骼肌收缩活动的空间形态结构信息、力学振动信号和其引起的肢体运动信息数据进行初步处理；
步骤2：提取骨骼肌收缩活动的评估指标：对预处理后的骨骼肌收缩活动的空间形态结构信息、力学振动信号和其引起的肢体运动信息数据分别提取表征由于肌肉收缩而引起骨骼运动功能的参数。而后依据参数评价刺激治疗效果。
报警模块主要功能是当刺激治疗效果不理想时，多模数据反映的技术指标变化趋缓甚至反复，指示治疗效果不佳或者骨骼肌过度疲劳，例如骨骼肌形态结构(如肌肉厚度)变化的周期性下降，骨骼肌力学振动信号和反应骨骼肌收缩活动的肢体运动信息的时域特征出现下降平缓等,报警模块会发出报警信号并引起治疗医师的注意，最后由医师确认是否继续治疗和调整刺激治疗仪的参数设置等。
实施例2
本发明中该集成化装置的结构框图如图1所示，具体如下：
步骤1：多模态数据采集模块
本实施实例中，该模块包含了超声影像数据采集模块、肌动图数据采集模块、惯性传感数据采集模块，如图2所示。超声影像数据反映了肌肉 空间结构的变化；肌动图反映了肌肉横向机械振动，惯性传感数据反映了骨骼肌收缩引起肢体功能运动。本模块可从不同角度反映骨骼肌的收缩活动。该模块将三种独立的采集模块集成化，不仅能够实现三种模态的数据实时地、同步地、独立地采集，同时也避免了传统上采集过程的复杂，更体现了技术集成化、便携化的发展理念。
步骤2：数据预处理模块
本实施实例中，本模块主要是同步地、独立地对上述模块采集到的三种模态的数据进行预处理，以便于后续的处理，如图3所示，该模块可由超声影像数据预处理、肌动图数据预处理和惯性传感数据预处理三个模块组成。其中，对采集的超声影像数据，逐帧地自动提取感兴趣的图像信息并进行增强，去噪等，对采集的肌动图数据和惯性传感数据进行滤波去噪和分帧。
步骤3：骨骼肌收缩活动指标提取和显示模块
本实施实例中，该模块主要是对预处理的数据进行量化指标提取并将量化指标提取结果显示，该结果可作为骨骼肌收缩活动的量化评估，据此，为刺激治疗的效果提供可量化的评估手段。其中，对预处理后的超声影像数据，提取肌肉空间结构参数、肌肉收缩速度、肌力等参数；对预处理后的肌动图数据可提取其时域和变换域的参数等；对预处理后的惯性传感数据提取表征由于肌肉收缩而引起骨骼运动功能的参数等。
步骤4：报警模块
当刺激治疗效果不理想时，多模数据反映的技术指标变化趋缓甚至反复，指示治疗效果不佳或者骨骼肌过度疲劳，例如骨骼肌形态结构(如肌肉厚度)变化的周期性下降，骨骼肌力学振动信号和反应骨骼肌收缩活动的肢体运动信息的时域特征出现下降平缓等，报警模块会发出报警信号并引起治疗医师的注意，最后由医师确认是否继续治疗和调整刺激治疗仪的参数设置等。
实施例3
本实施实例的具体实施的流程如图4所示，详细步骤如下：
步骤1：接受刺激治疗的偏瘫受试者，需平躺在病床上，由医师在特定穴位扎毫针，本实例中的穴位为阳陵泉和足三里，如图5所示。
步骤2：固定超声探头、肌动图采集模块和惯性传感采集模块的位置，如图5所示。其中超声探头与胫前肌肌纤维方向平行，并选取胫前肌肌腹 最丰厚部位，约平腓骨小头至外踝尖连线中的上三分之一交点处，胫骨前缘旁开一横指部位；肌动图采集模块置放在胫前肌肌腹超声探头旁边2-3厘米处；由于骨骼系统的杠杆作用，该刺激治疗时，会引起脚背屈运动，因此，此处的惯性传感采集模块置放在脚拇趾头处，此处的惯性传感器采集模块采集的数据包含3轴的加速度数据和3轴的角速度数据。
步骤3：医师调整刺激治疗仪器的参数，临床上刺激治疗时，电针刺激频率为2HZ，电针刺激波形为连续脉冲矩形波，电针刺激强度选择受试者达到感觉阈和痛阈之间的4/5处，电针刺激时间一般设置为20min。
步骤4：待一切准备工作就绪后，刺激治疗仪开始工作，同时开始多模态数据同步采集。
步骤5：对同步采集的多模态数据进行预处理。
步骤6：提取骨骼肌收缩活动的评估指标。
以下，将对肌肉厚度的变化幅度(一种骨骼肌收缩活动的空间形态结构参数)、均方根(一种肌动图的时域参数)、平均功率频率(一种肌动图的频域参数)、踝关节相对角度的变化幅度(一种基于惯性传感器的角速度数据的而计算的肢体运动信息参数)这四种骨骼肌收缩活动的指标提取的计算过程做详细说明。
肌肉厚度是指骨骼肌上下筋膜之间的距离，如图6所示。并依据肌肉厚度计算肌肉厚度随时间变化的幅度。
肌动图的均方根(Root Mean Square,RMS)计算方法如公式(1)所示，该计算方法主要依据于帕塞瓦尔定理。其中，公式(1)中的MMGw指对采集的肌动图数据进行分帧处理，w指分帧的窗长，这里设定的w为肌动图采集模块的采样频率。FFTi是指第i个MMGw的快速傅里叶变换。n是快速傅里叶变换的点数。
肌动图的平均功率频率的计算方法如公式(2)所示。其中，公式(2)中的PDSi是指第i个MMGw的功率谱密度。
踝关节相对角度的计算方法主要依据对四元数微分方程的求解。此处， 对四元数微分方程的求解采用Picard逐次逼近法。踝关节相对角度的具体计算步骤如下：
a.设预处理后的角度为(gx,gy,gz)。
b.四元数的微分方程为:其中
c.设初始四元数为Q0，并令Q0＝[1000]。
d.采用Picard逐次逼近法求解四元数微分方程的结果为：
其中，
e.踝关节相对角度为：angle(n)＝2*arccos(Qn(1))。
f.计算踝关节相对角度的变化幅度。
步骤7：依据客观评估指标，估计刺激治疗的效果。
步骤8：如治疗效果出现不理想时，报警模块发出报警声音，由医师决定后续治疗方案。此处，将以肌肉厚度的变化幅度这一指标的变化简要说明报警模块何时开始工作。方法为：
a.设在t-1秒到t秒(t≥1)时间范围内，肌肉厚度的变化幅度记为x(t)。
b.令y(t)＝x(t+1)-x(t)，如果在t秒到t+30秒范围内，对应的从y(t)
一直到y(t+30)持续小于等于0，则报警模块发出报警声音。
步骤9：若医师经过调整刺激治疗仪参数等继续治疗，则重复步骤6-步骤8。
步骤10：治疗结束。
需要说明的
1.本发明中提出的量化评估骨骼肌的收缩活动的方法，不仅可适用于肢体运动控制障碍人群的刺激治疗时骨骼肌的收缩活动，同时也适用于健康等人群的骨骼肌在其他情况下的收缩活动的评估。
2.本发明中，采集的数据主要表征了刺激治疗下胫前肌的收缩活动。量化评估任何刺激治疗下其他骨骼肌的收缩活动也在本专利的保护范围内。
3.本发明中，报警模块何时发出报警声音的触发方法不仅仅局限于实施实例中所提及的方法，凡在此基础上和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
4.基于本发明中的实施实例，本发明涉及的领域的技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获的所有其他实施实例，都属于本专利保护的范围。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种骨骼肌刺激下收缩活动评估装置，其特征在于，包括多模态数据采集模块、数据预处理模块，以及骨骼肌收缩活动指标提取和显示模块；所述多模态数据采集模块将数据进行采集，所采集到的数据经所述数据预处理模块进行预处理，预处理的数据经所述骨骼肌收缩活动指标提取和显示模块进行提取并对其指标进行评估。
2.如权利要求1所述的骨骼肌刺激下收缩活动评估装置，其特征在于，本装置还包括报警模块，所述骨骼肌收缩活动指标提取和显示模块所提取的数据不在参考量范围内，则通过所述报警模块进行报警。
3.如权利要求1或2所述的骨骼肌刺激下收缩活动评估装置，其特征在于，所述多模态数据采集模块采用超声影像数据采集模块、肌动图数据采集模块和惯性传感数据采集模块中的至少一种。
4.如权利要求1或2所述的骨骼肌刺激下收缩活动评估装置，其特征在于，多模态数据采集模块采用骨骼肌收缩活动的空间形态结构采集模块、力学振动信号采集模块和其引起的肢体运动信息采集模块中的至少一种。
5.如权利要求1或2所述的骨骼肌刺激下收缩活动评估装置，其特征在于，预处理的参数采用提取肌肉空间结构参数、肌肉收缩速度、肌力、力学振动信号的时域和变换域的参数中的至少一种。
6.如权利要求1或2所述的骨骼肌刺激下收缩活动评估装置，其特征在于，对预处理后的骨骼肌收缩活动而引起的肢体运动信息数据提取表征由于肌肉收缩而引起骨骼运动功能的参数。
7.如权利要求1或2所述的骨骼肌刺激下收缩活动评估装置，其特征在于，所述数据预处理模块包括骨骼肌收缩活动的空间形态结构数据预处理、力学振动信号预处理和其引起的肢体运动信息数据预处理中的至少一种。
8.如权利要求1或2所述的骨骼肌刺激下收缩活动评估装置，其特征在于， 所述预处理包括：对采集的骨骼肌收缩活动的空间形态结构数据逐帧地自动提取感兴趣的图像信息并进行增强，去噪等处理、力学振动信号和其引起的肢体运动信息数据进行滤波去噪和分帧等处理。
9.一种骨骼肌刺激下收缩活动评估的实时评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤（1）数据预处理：对采集骨骼肌收缩活动的空间形态结构信息、力学振动信号和其引起的肢体运动信息数据进行初步处理；
步骤（2）提取骨骼肌收缩活动的数据参数：对预处理后的数据分别提取表征由于肌肉收缩而引起骨骼运动功能的参数；
步骤（3）对参数进行评估：对提取的骨骼肌收缩活动的参数进行评估，并依据参数评价刺激治疗效果。
10.如权利要求9所述的骨骼肌刺激下收缩活动评估的实时评估方法，其特征在于， 所述参数包括：预处理后的骨骼肌收缩活动的空间形态结构信息、力学振动信号和其引起的肢体运动信息数据分别提取表征由于肌肉收缩而引起骨骼运动功能的参数。
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