[发明专利]步行器助行安全监测中的稳定性与疲劳度模糊融合方法

说明书

技术领域

本发明涉及康复辅具技术的安全监测，具体讲涉及步行器助行安全监测中的稳定性与疲劳度模糊融合方法。 

背景技术

由于自然灾害、交通事故的频发，以及社会老龄化的加剧，神经功能障碍或肢体损伤的范围逐年扩大。康复辅具如步行器、拐杖等的使用也越来越普遍。随之而来的就是康复辅具使用的安全性问题。 

据调查显示，从2001年到2006年，美国每年约有47000人(不小于65岁)因为步行器和拐杖使用不当而摔伤。其中，87％是由步行器的使用不当造成的。可见，步行器，作为辅助患者运动的一种重要工具，却因为使用不当造成了患者的二次损伤，给患者心理和生理上造成了不良的影响。 

对步行器力学参数的获取，可以实时监控使用者的运动状态，有效防止患者在使用步行器过程中摔伤。鉴于此，很多学者为获取步行器的力学参数提出了不同的方法研究。 

1996年，英国University College London的Donalson和Yu首次提出了柄反作用矢量(HRV)的概念，将患者在站立行走过程中对辅具的作用合成简化为集中载荷，分别用位于左右手柄中点横截面形心处的两个力学矢量来表示。HRV(Handle Reaction Vector)在三个轴上的分量就可以来表征辅具提供给患者的力平衡、力推进和力支持水平。其中，在手柄处定义坐标系中x，y，z轴的正向分别为患者的右向，前向，上向。HRV的具体公式如下： 

HRV＝[F_lx，F_ly，F_lz，F_rx，F_ry，F_rz]^T                            (1) 

公式中下标l代表的的是左手柄，r代表右手柄。 

在动力辅具系统从稳定到倾翻之前的过程中其手柄受力不断变化。而当系统不稳定后，也就是发生倾翻后，辅具悬空那一侧的某几路传感器的输出电压不再随着手柄受力的增大而变化，即HRV中的某几个分量不再变化。所以，可以将HRV作为判断辅具安全与否的一项参数。 

仅依靠对HRV的分析，并不能很好地提供预警信息。本专利加入使用者上肢的疲劳评价参数，能够实时获得步行器使用者的疲劳状况，避免由于步行康复过程中由于疲劳导致的二次损伤，以及合理安排康复训练的运动量。 

肌肉收缩的一个结果就是代谢产物乳酸浓度的升高。净乳酸浓度除了与主要肌肉纤维的类型和大小有关，更重要的是，它还与力量水平和收缩类型(静态收缩还是动态收缩)有关。当肌肉收缩时，血流受到肌肉压力阻挡，肌肉因此缺血缺氧。肌肉内乳酸盐浓度升高，改变了细胞内的酸碱度，使得肌肉纤维的传导速度降低，直接改变了运动单元动作电位的波形。表面肌电信号可以看作所有运动单元动作电位在皮肤表层干涉叠加的结果，因而肌肉疲劳改变了表面肌电信号的特征。1991年，Brody等人发现pH的降低决定了肌肉纤维传导速度的降低，结果导致中值频率的降低。 

发明内容

为克服现有技术的不足，提供一种防止倾翻的方法，在防止倾翻过程中，考虑疲劳的影响，另一方面可以通过疲劳评价，合理安排康复训练的训练量，为达上述目的，本发明采取的技术方案是，一种步行器助行安全监测中的稳定性与疲劳度模糊融合方法，包括以下步骤： 

1)采集上臂肱三头肌处的表面肌电信号，对信号进行1～1000Hz滤波、50Hz及其倍频陷波、放大的预处理；

2)对于每个时间点，提取之前1s的肌电信号，按中值频率的定义公式 计算此段肌电信号的中值频率，其中，P(f)是信号的功率谱函数； 

3)在已知步行器标定矩阵的情况下，由步行器上的应变片输出电压得到柄反作用矢量HRV，并计算辅具倾翻指数WTI； 

4)通过实验，利用主观经验法得到的所有WTI和MDF取值情况下，其隶属度U_S、U_D的值，得到WTI和MDF的隶属度函数； 

5)由模糊识别算法，根据隶属度最大原则，分别判定WTI和MDF所处的状态，若有一个参数被判定为危险，则说明步行器有倾翻可能，或者步行器使用者应该停止康复训练，进行适当休息。 

辅具倾翻指数WTI具体为：