CN110522459B - 基于红外光谱检测肌氧含量评估外骨骼助力效果测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于红外光谱检测肌氧含量评估外骨骼助力效果测试方法，不穿戴外骨骼装备，调节运动负荷，主动肌承担负荷运动；进行统计学处理，将参数进行多项式函数拟合，近似得到不同负载和对应的肌氧含量之间的函数关系；穿戴外骨骼装备，调节运动负荷，主动肌承担负荷运动，外骨骼装备提供助力；将不同负重下对应的平均肌氧含量值代入函数关系中，得到外骨骼助力下所感知的运动负荷；计算每一级负荷下的助力效率并记录；将数据进行多项式函数拟合近似得到不同负载和对应的助力效率之间的函数关系；将函数关系在区间[0，8]求定积分，再除以区间长度得到助力效率均值；对助力效率均值进行分析评估外骨骼助力效果。科学地评估外骨骼助力效果。

Description

基于红外光谱检测肌氧含量评估外骨骼助力效果测试方法

技术领域

本发明属于人机工程学技术领域，具体涉及一种基于红外光谱检测肌氧含量评估外骨骼助力效果测试方法。

背景技术

根据相关研究表明，当前我国正处于老龄化严重的时期，每年会增加大约十万因身体机能退化而导致严重运动障碍的老年人。在医疗领域方面，尤其是在运动障碍患者的康复治疗中，外骨骼助力装备的康复疗法正全面取代传统的人工康复方式，为病患带来更加高效便捷的康复疗法的同时，也减轻了医务人员的工作强度，一定程度上缓解了医疗资源的相对紧缺。在保健领域方面，外骨骼助力装备提供了老年人的生活协助和残疾人的功能辅助，完善补齐了相应的市场空白，为老年人和残疾人的正常生活带来了新的希望。外骨骼的助力过程为：识别静态保持时的负重，控制外骨骼输出对应扭矩进行助力。从结构上来说，外骨骼装备可分为上肢外骨骼装备、下肢外骨骼装备以及全身外骨骼装备三个主要类型。

然而，就使用外骨骼装备进行效果评估，我国在该领域的研究成果不多。

常用的方法有：测量肌电信号。实验研究表明，肌电信号是一个非常微弱的信号，不具有平滑性。其振幅范围为100～5000uV，峰值一般在0～6mV范围内，均方根值一般在0～1.5mV范围内。一般来说，有用的信号频率分量在0到500Hz的范围内，主要能量集中在50到150Hz的范围内。这种方法存在许多不足，比如个体肌电信号差异大、极其容易受外界环境干扰，而导致测量结果的不准确。

另一种常用方法为：采集微量末梢指尖血液，进行血乳酸浓度测定。血乳酸浓度的一个关键指标是乳酸阈值，它能反映骨骼肌的代谢水平和有氧能力。血乳酸速度曲线可用于评价运动员在血乳酸达到4mmol/L时的有氧运动能力，相应的速度越高，有氧运动能力越强。对ATP-CP供电系统容量的评估受功率的影响：工作量大、乳酸值低表明，ATP-CP系统具有较高的储备量，反之，表明ATP-CP系统具有较低的储备量。正常人处于安静状态时，血乳酸浓度低于2mol/L。血乳酸浓度的测定方法是采用体外损伤检测，不能实时监测，间隔时间较长，严重影响被收集血液的人的情绪。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于红外光谱检测肌氧含量评估外骨骼助力效果测试方法，能够对外骨骼装备进行有效评估。

本发明采用以下技术方案：

基于红外光谱检测肌氧含量评估外骨骼助力效果测试方法，包括以下步骤：

S1、不穿戴外骨骼装备，调节运动负荷分别为0kg、2kg、4kg、6kg和8kg，主动肌承担负荷运动；

S2、所有数据进行统计学处理，结果用平均数表示，将参数输入到Matlab中进行多项式函数拟合，近似得到不同负载和对应的肌氧含量之间的函数关系；

S3、穿戴外骨骼装备，调节运动负荷分别为0kg、2kg、4kg、6kg和8kg，主动肌承担负荷运动，外骨骼装备提供助力；

S4、将对0kg、2kg，4kg、6kg和8kg的负重下对应的平均肌氧含量值代入步骤S2所求出的函数关系中，得到外骨骼助力下所感知的运动负荷；

S5、计算每一级负荷下的助力效率，并记录；

S6、将步骤S5所得数据输入到Matlab中进行多项式函数拟合，近似得到不同负载和对应的助力效率之间的函数关系；

S7、将步骤S6所得函数关系在区间[0，8]求定积分，再除以区间长度得到助力效率均值；

S8、对助力效率均值进行分析评估外骨骼助力效果。

具体的，步骤S1中，使用红外光谱仪测量主动肌肌氧含量，上述过程进行100次，对0kg、2kg，4kg、6kg和8kg的负重下分别进行20次，数据记录到EXCEL表。

具体的，步骤S3中，使用红外光谱仪测量主动肌肌氧含量，上述过程进行100次，对0kg、2kg，4kg、6kg和8kg的负重下分别进行20次，数据记录到EXCEL表。

具体的，步骤S5中，每一级负荷下的助力效率为：

具体的，步骤S7中，助力效率均值具体为：

具体的，步骤S8中，若助力效率≤0，外骨骼装备未起到助力作用，须对其改进；若助力效率＞0，外骨骼装备起到助力作用，依据需要选择改进。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明基于红外光谱检测肌氧含量评估外骨骼助力效果测试方法是一种无损、持续、实时、不影响情绪的检测方法；相比于测量肌电信号的方法，具有准确、不易受外界环境干扰以及克服个体差异的优点；使用流程简单明了、效率提高以及准确率提高，易于评估外骨骼装备的助力效果。

进一步的，使用红外光谱仪测量主动肌肌氧含量，获取不穿戴外骨骼装备时不同负载和对应的肌氧含量之间函数关系的数据来源。

进一步的，步骤S3能够获取穿戴外骨骼装备后的不同负载和对应的肌氧含量之间函数关系的数据来源。

进一步的，通过步骤S5计算得到不同负荷下对应的助力效率。

进一步的，通过步骤S7能够得到助力效率均值，该数值为定积分与区间长度之商，而不是简单的算数平均，因此能准确表征外骨骼的助力效率。

进一步的，步骤S8根据助力效率均值的大小，明确一种外骨骼助力效果的评价方法：当助力效率均值≤0，外骨骼装备未起到助力作用，须对其改进；若助力效率＞0，外骨骼装备起到助力作用，依据需要选择改进。

综上所述，本发明使用红外光谱技术测定递增负荷运动中主动肌的肌氧含量变化情况，探索不同负载和对应的肌氧含量之间的函数关系，为科学地评估外骨骼助力效果提供无损、无创且方便快捷的监测技术与评价方法。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明流程示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于红外光谱检测肌氧含量评估外骨骼助力效果测试方法，针对现有对外骨骼装备助力效果测试研究的需要，通过红外光谱成像仪来无损、实时监测使用外骨骼装备的肢体部分的肌氧含量，来对外骨骼装备的助力效果进行评估。本发明与现有技术相比具有明显的优势，本发明使用流程简单明了、效率提高以及准确率提高，不影响实验者情绪，易于评估外骨骼装备的助力效果及计算助力效率，并可根据此结果去改进外骨骼装备。

本发明一种基于红外光谱检测肌氧含量评估外骨骼助力效果测试系统，包括外骨骼装备、红外光谱成像仪以及用于调节运动负荷的装置。

外骨骼装备穿戴于主动肌之上识别静态保持时的负重，控制外骨骼输出对应扭矩进行助力。红外光谱成像仪可放置在平整工作台上无线监测主动肌肌氧含量。运动负荷调节装置放置在主动肌上，可以根据需要调节主动肌承担的运动负荷大小。

红外光谱成像仪的主要指标如下：分辨率优于0.5cm^-1，光谱范围为7500-350cm^-1。使用红外光谱成像仪连续监测主动肌肌氧含量变化，其中采样频率设置为10Hz。实验时，皮肤与红外光谱成像仪的探头间的位置接触是实验数据采集是否准确的关键。

本发明一种基于红外光谱检测肌氧含量评估外骨骼助力效果测试方法，包括以下步骤：

S1、不穿戴外骨骼装备，调节运动负荷分别为0kg、2kg、4kg、6kg和8kg，主动肌承担负荷运动。使用红外光谱仪测量主动肌肌氧含量，上述过程进行100次(5×20次)，对0kg、2kg，4kg、6kg和8kg的负重下分别进行20次，数据记录到EXCEL表；

S2、所有数据进行统计学处理，结果用平均数表示，将参数输入到数学软件Matlab中进行多项式函数拟合，近似得到不同负载和对应的肌氧含量之间的函数关系；

S3、穿戴外骨骼装备，调节运动负荷分别为0kg、2kg、4kg、6kg、8kg，主动肌承担负荷运动，外骨骼装备提供助力。使用红外光谱仪测量主动肌肌氧含量，上述过程进行100次(5×20次)，对0kg、2kg，4kg、6kg和8kg的负重下分别进行20次，数据记录到EXCEL表；

S4、所有数据进行统计学处理，结果用平均数表示。将对0kg、2kg，4kg、6kg和8kg的负重下对应的平均肌氧含量值代入步骤S2所求出的函数关系中，得到外骨骼助力下所感知的运动负荷；

S5、计算每一级负荷下的助力效率，并记录在EXCEL表中，计算公式如下：

S6、将步骤S5所得数据输入到数学软件Matlab中进行多项式函数拟合，近似得到不同负载和对应的助力效率之间的函数关系

S7、将步骤S6所得函数关系在区间[0,8]求定积分，再除以区间长度得到助力效率均值，公式如下：

S8、对助力效率均值进行分析评估外骨骼助力效果。若助力效率≤0，说明外骨骼装备未起到助力作用，必须对其改进；若助力效率＞0，说明外骨骼装备起到助力作用，可以依据需要选择改进。

通过对实验数据分析后认为：随着运动负荷的递增，运动肌肌氧含量呈下降趋势，而且运动负荷越大，肌氧含量下降越快。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

曲线拟合(curve fitting)是指选择适当的曲线类型来拟合观测数据，并用拟合的曲线方程分析两变量间的关系。使用Matlab进行曲线拟合可以使用ployfit来拟合多项式。

进一步运动负荷的数值和级数可根据外骨骼装备的具体结构可以调节；

进一步实验次数可根据对外骨骼装备的助力效率的精度的需要进行调整；

综上所述，本发明实时监测主动肌肌氧含量，能够无损的检测体内HbO2的变化，实时性和动态性较好。可以用于评估骨骼肌组织中氧消耗和氧传递之间的平衡，并用于反应运动时机体组织的有氧和无氧的代谢状态。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (2)

1.基于红外光谱检测肌氧含量来得到外骨骼助力效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、不穿戴外骨骼装备，调节运动负荷分别为0kg、2kg、4kg、6kg和8kg，主动肌承担负荷运动，使用红外光谱仪测量主动肌肌氧含量，在0kg、2kg，4kg、6kg和8kg的负荷下分别进行20次肌氧含量测量，整个过程总共进行100次测量，肌氧含量的测量数据记录到EXCEL表中；

S2、对步骤S1得到的测量数据进行统计学处理，用平均数表示肌氧含量测量结果，将肌氧含量测量结果输入到Matlab中进行多项式函数拟合，近似得到不同运动负荷和对应的肌氧含量之间的函数关系；

S3、穿戴外骨骼装备，调节运动负荷分别为0kg、2kg、4kg、6kg和8kg，主动肌承担负荷运动，外骨骼装备提供助力，使用红外光谱仪测量主动肌肌氧含量，在0kg、2kg，4kg、6kg和8kg的负荷下分别进行20次肌氧含量测量，整体过程总共进行100次测量，肌氧含量的测量数据记录到EXCEL表中；

S4、将在0kg、2kg，4kg、6kg和8kg的负荷下对应的平均肌氧含量值代入步骤S2所得到的函数关系中，得到外骨骼助力下所感知的运动负荷；

S5、计算外骨骼装备在每一级负荷下的助力效率，并记录在EXCEL表中；

S6、将步骤S5所得的助力效率数据输入到Matlab中进行多项式函数拟合，近似得到不同运动负荷和对应的助力效率之间的函数关系；

S7、将步骤S6所得运动负荷和对应的助力效率之间的函数关系在区间[0，8]求定积分，将定积分再除以区间长度得到助力效率均值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中，每一级负荷下的助力效率为：

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