本文關鍵詞： 腦癱患兒 表面肌電信號 慣性傳感器 肌肉協(xié)同 運動障礙 運動評估　出處：《中國科學技術大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：腦癱患兒由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)(Central NervousSystem,CNS)受損,導致神經(jīng)肌肉系統(tǒng)功能異常,主要臨床表現(xiàn)為運動功能障礙與姿勢異常。患兒康復治療過程中運動功能評估具有重要作用,一方面評估結果能夠?qū)崟r地反映患兒運動功能障礙程度,另一方面還可以輔助臨床診斷并指導個性化康復訓練方案的制定。目前,臨床上主要采用運動功能量表對患兒運動功能以及康復訓練效果進行評估,由于缺少量化評估標準,評估結果過于依賴醫(yī)生的經(jīng)驗與主觀感覺。近年來,隨著運動捕獲技術日漸改進,可穿戴傳感器被廣泛應用到運動分析與評估領域,為腦癱患兒運動障礙的客觀診斷以及量化評估提供了可能。腦癱患兒運功功能異常的根源是神經(jīng)系統(tǒng)損傷導致肌肉活動異常。表面肌電傳感器(Surface electromyography,sEMG)可獲取反映肌肉的活動狀態(tài)和強度的表面肌電信號,同時,慣性傳感器可捕獲腦癱患兒運動過程的空間姿態(tài)和軌跡信息。本論文一方面采用基于表面肌電的肌肉協(xié)同分析技術探索腦癱患兒上肢以及步態(tài)運動的神經(jīng)肌肉控制機制,解釋患兒運動異常的原因,并從神經(jīng)肌肉控制的角度提出了上肢、步態(tài)運動功能障礙的量化評估方法。另一方面,將基于sEMG信號和慣性傳感器信號的人體行為動作識別技術推廣到腦癱患兒下肢粗大運動功能量化評估領域,提出了下肢粗大運動功能障礙量化評估算法框架。本文開展的主要工作及取得的研究成果可概括如下:(1)腦癱患兒上肢運動功能障礙評估研究。此研究旨在探索基于多任務神經(jīng)肌肉控制差異的上肢運動功能障礙量化評估方法。主要研究工作包括及成果如下:1)以肩關節(jié)與肘關節(jié)活動為研究對象,設計了三個能反映兩關節(jié)運動功能的上肢任務;2)開展了包括健康成人、健康兒童、腦癱患兒在內(nèi)的上肢任務sEMG數(shù)據(jù)采集實驗以及三個上肢任務的肌肉協(xié)同提取和分析;3)提出了衡量多任務下協(xié)同結構、激活系數(shù)的相似性參數(shù),結合腦癱患兒病理信息發(fā)現(xiàn)基于協(xié)同結構相似性參數(shù)可以有效地反映上肢運動功能障礙程度;4)以多任務間協(xié)同結構差異為基礎,首次提出了一種腦癱患兒上肢運動能障礙程度的量化指標。通過對14名腦癱患兒的評估,發(fā)現(xiàn)該指標不僅可以有效地評估上肢運動功能障礙程度,還可以彌補量表對肌張力以及震顫引起運動功能異常評估的不足。(2)腦癱患兒步態(tài)運動功能障礙評估研究。此研究從中樞神經(jīng)控制角度探索腦癱患兒步態(tài)運動異常神經(jīng)控制策略,從腦癱患兒與健康兒童的肌肉協(xié)同激活差異及協(xié)同結構差異出發(fā),提出了一種新穎的伴有康復指導的量化評估方案。主要研究工作及成果包括:1)對三組人群合計36名受試者開展肌肉協(xié)同分析,發(fā)現(xiàn)健康受試者的肌肉協(xié)同間相似程度高,而腦癱患兒的肌肉協(xié)同差異大,表明腦癱患兒神經(jīng)肌肉控制策略與健康受試者不同;2)為探索步態(tài)功能與肌肉協(xié)同間的關系,本文提出了協(xié)同結構功能性映射概念,完成了健康兒童、腦癱患兒協(xié)同結構與步態(tài)運動功能間的映射;3)進一步地,從步態(tài)運動功能完整性出發(fā),探索腦癱患兒下行神經(jīng)控制信號、肌肉組合異常與步態(tài)異常程度的關系;4)一方面提出了用于評估由于下行神經(jīng)控制信號異常導致的患兒運動功能異常的量化評估指標,另一方面提出了基于協(xié)同數(shù)目以及協(xié)同結構差異的量化評估指標。結合上述兩種量化指標,可以全面實現(xiàn)步態(tài)運動功能的量化評估。(3)基于多傳感器的腦癱患兒下肢粗大運動功能量化評估研究。此研究以粗大運動功能量表走、跑、跳24項為參照,借助表面肌電和慣性傳感器在運動捕獲和姿勢檢測方面的優(yōu)勢,提出了一種融合慣性傳感器與表面肌電傳感器的腦癱患兒粗大運動功能評估方案。主要研究工作及成果包括:1)針對下肢粗大運動涉及的運動行為量化評估需求,確定了傳感器安放位置,搭建了下肢粗大運動功能量化評估測試平臺;2)提出了一套量化評估下肢粗大運動功能障礙的算法框架,包括:利用活動段內(nèi)合加速度的閾值判斷是否產(chǎn)生運動;利用豎直方向加速度對走、跑、跳、上下階梯等周期運動的敏感性實現(xiàn)運動周期檢測以及周期分割;根據(jù)前向加速度在交替與非交替步態(tài)上下階梯的差異提出基于動態(tài)時間規(guī)整距離的交替步態(tài)檢測;結合加速計與陀螺儀信號實現(xiàn)了基于四元素的轉(zhuǎn)身檢測;融合sEMG和慣性傳感器信號實現(xiàn)了基于雙流隱馬爾可夫模型的動態(tài)模式轉(zhuǎn)變檢測;3)對腦癱患兒下肢粗大運動功能的量化評估結果驗證了本文提出的評估方案的有效性。本研究工作促進了基于肌肉協(xié)同分析方法在神經(jīng)系統(tǒng)損傷病人的運動評估中的應用。同時,融合sEMG與慣性傳感器信息的腦癱患兒下肢功能量化評估研究也開啟了腦癱運動功能量化評估的新思路。
[Abstract]:This paper presents a quantitative evaluation method for motor dysfunction in children with cerebral palsy . ( 2 ) In order to explore the relationship between gait function and muscle synergy , a novel quantitative evaluation scheme with rehabilitation guidance was proposed . ( 3 ) The quantitative evaluation of the motion function of the lower limbs of children with cerebral palsy based on multi - sensor is studied .

【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TP212.9;R742.3

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