[發明專利]一種基于肌肉協同的步行能力分析方法和裝置

有效

• 申請號: 201410136557.8
• 申請日: 2014-04-04
• 公開（公告）號: CN103886215B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發明（設計）人: 劉玲;李飛;陳香
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;G06K9/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 楊學明,顧煒

技術領域

本發明是基于傳感器技術和生物信號處理技術的步態分析技術，特指一種基于肌肉協同的步行能力計算方法和裝置，屬于傳感器技術和生物信號處理技術領域。

背景技術

步態分析已成為分析人體運動系統不可缺少的手段之一。目前三維步態分析技術存在兩大問題：首先步態分析系統采用專用視頻設備和計算機設備，價格昂貴，操作專業性強，難以普及。

表面肌電信號（Surface?Electromyography,SEMG）是通過表面電極從體表獲得的肌電信號，基于表面肌電信號的步態數據獲取不需要專用的實驗場地，可以克服步態分析視頻采集設備容易受到環境干擾的缺點；并且表面肌電信號不僅能提供步態的基本信息，還可以從表面肌電信號中提取肌肉協同，為步態計算提供客觀有效的參數。因此，提供一種基于肌肉協同的步行能力計算方法和裝置具有重要的意義。

發明內容

針對目前步態分析技術存在的不足，本發明旨在提出一種基于肌肉協同的步行能力計算方法和裝置。

一種基于肌肉協同的步行能力計算方法包括：

（1）利用非負矩陣分解(Non-negative?Matrix?Factorization,NMF)算法從步態周期表面肌電信號（Surface?Electromyography,SEMG）中提步雙腿的步態肌肉協同模式。具體指用NMF對受試者雙腿的步態周期包絡矩陣（步態周期包絡矩陣是預處理和步態周期分割之后的步態周期表面肌電信號）進行非負矩陣分解以提取左右腿肌肉協同矩陣L,R。將L,R分別表示為：

L＝L^m×l＝{l₁,l₂…l_l}

R＝R^m×r＝{r₁,r₂…r_r}

其中列向量l_i,r_j(i＝1,2…l;j＝1,2…r)分別表示左右腿的肌肉協同模式，l,r分別表示左右腿的步態肌肉協同數量，m表示步態分析中所選取的一組肌肉的數量；用成年人左右腿共有的肌肉協同模式建立標準模板集T：

T＝T^m×s＝{t₁,t₂…t_s}

其中列向量t_k(k＝1,2…s)表示標準步態肌肉協同模式，即成年人雙腿共有的肌肉協同模式；s表示標準步態肌肉協同模式的數量，即成年人左右腿共有的肌肉協同模式數量；

（2）利用基于步態肌肉協同模式相似性的協同綜合計算（Synergy?Comprehensive?Calculation，SCC）模型實現受試者步行能力指標的計算；SCC模型綜合考慮受試者步態肌肉協同模式的數量，結構以及左右腿在步行中表現出的對稱性三個因素；并且基于肌肉協同的步行能力計算方法，從神經系統控制的角度揭示了大腦對步態運動的協同控制策略，該模型的計算結果可以從本質上反映大腦對步態運動的協調控制能力。

所述SCC模型計算步行能力指標的方法，包括以下計算步驟：

（1）用皮爾森相關系數計算公式R(x,y)計算受試者左右腿各個步態肌肉協同模式l_i,r_j(i＝1,2…l;j＝1,2…r)與各個標準步態肌肉協同模式t_k(k＝1,2…s)之間相關系數R(t_k,l_i),R(t_k,r_j)。定義左右腿肌肉協同矩陣L,R與標準模板集T的相似程度Sim(T,L),Sim(T,R)，其計算公式如下：

Sim(T,L)=Σi=1lF(T,li)]]>