[发明专利]基于多导肌电与脑电相干的卒中下肢运动康复评估方法

说明书

本发明公开了基于多导肌电与脑电相干的卒中下肢运动康复评估方法，该方法基于康复训练设备、脑电采集模块、表面肌电采集模块和相干性分析模块；所述相干性分析模块分别对脑电信号和下肢多导肌电信号滤波、降采样处理获得单一脑电信号和单一下肢多导肌电信号；对单一下肢多导肌电信号去除基线漂移、全波整流与均方根处理获得肌电包络信号；对肌电包络信号非负矩阵分解获得肌肉协同数据信息；提取肌肉协同数据信息中的激活系数，并与单一脑电信号进行相干处理，获得脑神经与多块肌肉组合之间的振荡曲线输出。本发明能够预测评估患者的康复潜力，从而帮助医生制定个性化康复方案，实现精准康复。

技术领域

本发明涉及运动分析与康复工程技术领域，具体涉及基于多导肌电与脑电相干的卒中下肢运动康复评估方法。

背景技术

卒中，又称“中风”，是一种急性脑血管疾病，中风后的运动障碍主要由脊髓下行的损伤引起，这种损伤使大脑失去对四肢的控制。偏瘫是脑卒中后最常见的功能障碍之一，在下肢主要表现为步行障碍，下肢的步行运动是人类进行其他一切社会活动的基础，下肢运动功能障碍将是患者重返社会及回归家庭的一大障碍。

近几年来，电生理信号的耦合分析已被广泛用于研究神经肌肉控制和异常的神经振荡，成为运动医学和康复工程等领域的研究热点。其中最重要的一个研究方法就是相干性分析。卒中患者表面肌电信号(Electromyography，EMG)与大脑皮层的脑电信号(Electroencephalogram，EEG)之间的相干性揭示了在连续的肌肉收缩过程中皮层与肌肉之间的功能连接，它有助于理解大脑如何控制肌肉组织以及肌肉组织如何对大脑产生影响。因此相干分析不仅为理解运动控制过程和运动障碍的病理机制奠定理论基础，而且可以为康复运动的功能评估提供重要的生物标记，对于揭示运动康复疗法的神经生理机制和康复运动中的神经系统功能特征具有理论研究和临床应用价值。

目前的研究已经揭示了卒中患者上肢运动过程中单块肌肉与皮质的功能连接，但是下肢的步行运动是人类进行其他一切社会活动的基础，并且人体任何一个关节的连续运动都不是由单块肌肉独立完成的，而是需要多块肌肉共同参与完成。中枢神经系统在规划和执行动作时需要从多种肌肉活动的组合中选择一种或者多种的组合，以完成某个特定任务。而肌肉协同则被认为是中枢神经系统控制骨骼肌完成各项动作任务的最小单元，肌肉协同的解析即是从多通道表面肌电信号中找出完成动作的肌肉协同以及控制这些肌肉协同的参数，通过肌肉协同内肌肉募集数量、每块肌肉活动特点等指标帮助理解神经肌肉控制策略和肌肉协调模式。因此研究多导肌电与皮质之间的相干性对于揭示大脑对多块肌肉整体的运动控制策略与协调模式具有重要意义。

肌肉协同理论模型将肌肉激活度矩阵分解为肌肉贡献度矩阵与激活系数矩阵：

M≈W×H (1)

其中，M∈R^n×T是待分解的肌肉激活度矩阵，n是肌电信号的通道数，T是整个运动过程的采样点数。行向量m_i(t)表示在整个运动过程中第i通道所对应肌肉的激活程度序列。每个行向量中的m_i(t)表示第t个采样点所在时刻第i通道肌肉的激活程度。

肌肉贡献度矩阵W∈R^n×K由列向量w_i组成，反映了各块肌肉在某一动作下的参与程度，K表示协同元的个数。w_i对应第i个协同元，其中每个元素w_ij表示第i块肌肉对第j个协同元的贡献度。

权重系数矩阵H∈R^K×T由行向量h_i(t)组成，反映了该协同模块随时间变化的激活程度，h_i(t)表示整个过程中第i个协同元随时间变化的激活系数序列。每个元素h_i(t)表示在t时刻第i个协同元的激活系数。