基于肌張力特征信息檢測(cè)的痙攣傳感器設(shè)計(jì)與應(yīng)用?

汪步云，魏壯壯，宋在杰，梁 藝，，汪志紅，許德章，

(1.安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖241000；2.蕪湖安普機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司研發(fā)部，安徽蕪湖241007；3.蕪湖安普機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司院士工作站，安徽 蕪湖241007)

從被動(dòng)輔助行走訓(xùn)練到下肢運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)這一階段，對(duì)腦卒中患者的康復(fù)療效至關(guān)重要[1]；在此療程，運(yùn)用步態(tài)康復(fù)機(jī)器人是一種重要的治療手段[2]。而這一階段，由于訓(xùn)練強(qiáng)度與康復(fù)狀況的不匹配，腦卒中患者容易被誘發(fā)痙攣，極易引起二次損傷，且痙攣發(fā)生有著較大的隨機(jī)性，造成患者有著極大的心理負(fù)擔(dān)[3]。因此，在步態(tài)康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練中融入客觀量化的痙攣評(píng)價(jià)及防范控制方法是康復(fù)臨床的迫切需求[4]。

康復(fù)過(guò)程中發(fā)生的痙攣，多數(shù)是由不同的中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病引起的，以肌肉的不自主收縮反應(yīng)和速度依賴性的牽張反射亢進(jìn)為特征的運(yùn)動(dòng)障礙，是上運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元綜合癥的一個(gè)組成部分[5－6]；亦是一種特定的運(yùn)動(dòng)障礙綜合癥，是腦卒中患者常見(jiàn)的并發(fā)癥[7]。其外在表現(xiàn)為肌肉間斷性或連續(xù)性抽搐并伴隨著嚴(yán)重的疼痛[8－9]。

當(dāng)前，臨床醫(yī)學(xué)上對(duì)痙攣的評(píng)定以主觀方法為主，改良 Ashworth量表法 MAS(Modified Ashworth Scale)，臨床痙攣指數(shù)CSI(Clinic Spasticity Index)等?？陀^的評(píng)定方法，如生物力學(xué)的擺動(dòng)試驗(yàn)方法和被動(dòng)牽張方法，但在實(shí)際推廣應(yīng)用比較困難，難以與康復(fù)機(jī)器人相結(jié)合而進(jìn)行定量準(zhǔn)確的評(píng)估[10]，更難以實(shí)時(shí)對(duì)痙攣?zhàn)龀鰟?dòng)態(tài)地評(píng)價(jià)并據(jù)此指導(dǎo)康復(fù)機(jī)器人對(duì)訓(xùn)練過(guò)程中可能出現(xiàn)痙攣?zhàn)龀龇婪犊刂频臎Q策[11]。

步態(tài)康復(fù)機(jī)器人當(dāng)前更著重于將患者的下肢肌肉生理信息與步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)學(xué)信息相互融合，對(duì)痙攣進(jìn)行在線檢測(cè)及防范控制。一方面可為下肢康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中提供評(píng)價(jià)與防范，另一方面可提供一種量化臨床實(shí)踐和醫(yī)學(xué)評(píng)價(jià)，使得下肢康復(fù)訓(xùn)練更合理。這是康復(fù)臨床的應(yīng)用趨勢(shì)，也有著重要研究意義[12]。針對(duì)這一需求，目前較多是根據(jù)下肢肌張力或者肌電信號(hào)獲取相關(guān)肌肉區(qū)域的生理信息。如Srdan Dordevic等人設(shè)計(jì)一種肌肉收縮的傳感器[13]，北京航空航天大學(xué)研制了一種皮膚肌張力測(cè)量裝置[14]，可用于肌張力的檢測(cè)及評(píng)定；合肥工業(yè)大學(xué)張秀峰研制了肢體痙攣評(píng)測(cè)傳感器并驗(yàn)證其評(píng)測(cè)方法[15]。上述研究在痙攣評(píng)測(cè)做出了積極有意義的探索，但目前與康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練評(píng)估與痙攣防范仍存在較大的應(yīng)用差距。

本文從肌張力的角度尋求下肢痙攣檢測(cè)機(jī)理及其特征信息表達(dá)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)探尋痙攣在線測(cè)評(píng)信息，探討外骨骼式步態(tài)機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中防范痙攣的特征閾值。

1 痙攣傳感器硬件系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 下肢肌肉痙攣的檢測(cè)機(jī)理

人體肌張力包含著較為豐富的信息，根據(jù)人群的區(qū)分，肌張力的特點(diǎn)有著較大的區(qū)別。如何將肌張力有效測(cè)量，并實(shí)時(shí)得出較為準(zhǔn)確的結(jié)果，是肌張力傳感器設(shè)計(jì)的首要考慮因素。

康復(fù)臨床研究普遍認(rèn)為痙攣是肌肉持續(xù)或斷續(xù)或肌群的非隨意收縮，是運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元損傷的綜合性的一部分，在痙攣發(fā)生時(shí)表現(xiàn)最明顯。根據(jù)下肢肌肉痙攣在康復(fù)臨床上的表現(xiàn)形式，主要分為三種[14]：即強(qiáng)直、陣攣、痛性痙攣。強(qiáng)直的典型特征是傳感信息上表現(xiàn)為肌張力突變并且顯著升高，陣攣則在肌張力出現(xiàn)抖動(dòng)，痛性痙攣前面二者信息兼而有之。有研究指出，下肢肌肉在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中，痙攣現(xiàn)象即將到來(lái)，相關(guān)信息將產(chǎn)生一系列有著規(guī)律的特征信號(hào)，這為痙攣檢測(cè)提供可能[16]。據(jù)此，可通過(guò)傳感器對(duì)康復(fù)患者的小腿后側(cè)的比目魚(yú)肌、大腿前側(cè)的四頭肌及其相關(guān)區(qū)域，測(cè)量相關(guān)肌張力及應(yīng)激反應(yīng)變化，通過(guò)激勵(lì)信號(hào)的幅值跳變、頻率變化及幅值－頻率交替變化，映射到病理性痙攣特征，通過(guò)肌張力的特征閾值以評(píng)測(cè)痙攣，并與臨床痙攣的主觀評(píng)定等級(jí)相關(guān)聯(lián)。

為了便于檢測(cè)肌張力，對(duì)小腿的肌群進(jìn)行了分析對(duì)比，痙攣在下肢上出現(xiàn)頻率較高的為：腓骨長(zhǎng)肌、脛前肌、比目魚(yú)肌、腓腸肌的外側(cè)等。根據(jù)這些痙攣在傳感信息上的特點(diǎn)，將著重檢測(cè)小腿后側(cè)的比目魚(yú)肌、大腿前側(cè)的腓腸肌等區(qū)域的生理學(xué)信息[17]，測(cè)量過(guò)程如圖1所示。

圖1 下肢肌肉痙攣評(píng)測(cè)過(guò)程

圖2 痙攣傳感器的爆炸圖

1.2 痙攣傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)痙攣檢測(cè)原理，設(shè)計(jì)痙攣傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。痙攣傳感器由肌張力傳遞模塊、力敏單元模塊、殼體模塊和控制模塊組成。

肌張力傳遞模塊是由頂柱(10)、頂柱板(8)、導(dǎo)向軸(11)、阻尼彈簧(9)、凸臺(tái)(7)、導(dǎo)套(12)和壓力傳感器(6)組成，頂柱及導(dǎo)向軸的上端通過(guò)螺紋與頂柱板相連，另一端經(jīng)過(guò)殼體中間板的通孔可進(jìn)行軸向滑動(dòng)，導(dǎo)向軸上匹配阻尼彈簧套，兩端分別與頂柱板和中間板相壓，凸臺(tái)與頂柱板通過(guò)螺釘固定，壓力傳感器通過(guò)軟膠固定在凸臺(tái)上，便于肌張力的采集。

力敏單元模塊是由調(diào)節(jié)螺釘(1、4)、螺釘(5)和上端蓋(2)組成，調(diào)節(jié)螺釘安裝在上端蓋中，圓臺(tái)與調(diào)節(jié)螺釘下端面固定，調(diào)節(jié)螺釘針對(duì)不同的患者進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到合適的肌肉測(cè)量位置。

殼體模塊由下端蓋(15)、殼體(13)、上端蓋(2)和綁帶組成，下端蓋通過(guò)螺釘與殼體固定，殼體與上端蓋通過(guò)螺紋連接固定，綁帶通過(guò)鉚釘與上端蓋固定。

在上述研究基礎(chǔ)上，本文介紹了課題組研制的肌張力傳感器，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 痙攣傳感器實(shí)物圖

1.3 痙攣傳感器控制模塊設(shè)計(jì)

痙攣傳感器控制模塊設(shè)計(jì)如圖4所示：傳感器內(nèi)部的壓力傳感器受到外部肌張力變化，所檢測(cè)到肌張力變化產(chǎn)生的激勵(lì)，通過(guò)激勵(lì)信號(hào)的幅值跳變、頻率變化及幅值－頻率交替變化，解析為病理性痙攣的三種特征，映射到病理性痙攣特征；經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳遞給主機(jī)模塊，通過(guò)無(wú)線模塊傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)處理分析后顯示痙攣的特征信息。

表1 痙攣傳感器主要技術(shù)指標(biāo)

圖4 痙攣傳感器硬件系統(tǒng)框架構(gòu)建

圖5 肌張力檢測(cè)原理圖

1.4 肌張力測(cè)量修正

痙攣傳感器通過(guò)綁帶的作用，使頂柱探頭前端壓入肌肉中，調(diào)節(jié)綁帶的松緊，可使肌張力傳感器的端面與肌肉始終保持接觸，其原理圖如圖5所示。

設(shè)下肢肌肉與頂柱探頭的壓力為Fd，綁帶的預(yù)緊力為Ft，在殼體內(nèi)阻尼彈簧所受的力為F1，由力平衡方程可得：

定義S為肌肉張力參數(shù)，單位HA。力學(xué)量傳感器通常用g表示，臨床上肌張力也用此表示。S與Fd、Ft的大小有關(guān)系，F(xiàn)d(g)表示頂柱所受力大小，F(xiàn)t(g)表示繃帶所施加力大小。經(jīng)過(guò)測(cè)試標(biāo)定、分析與計(jì)算，得出線性補(bǔ)償公式：(Ft－Fd)/Ft為非線性修正項(xiàng)，目的是降低預(yù)緊力的變化給檢測(cè)過(guò)程帶來(lái)的誤差，其中Ft＝Fd＋4F1代表阻尼彈簧所受力的大小，它與肌張力呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，且滿足力的平衡，平方項(xiàng)的出現(xiàn)表明負(fù)相關(guān)是非線性的，要進(jìn)行線性處理才能使用；Fd表示肌張力，S與頂柱壓力Fd之間的關(guān)系，從表2中可以看出，S與Fd之間呈正相關(guān)；由于傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)采用邵氏硬度計(jì)，精度不高，采用統(tǒng)計(jì)回歸方程的方進(jìn)行系數(shù)計(jì)算[18]，系數(shù)1/15和1是線性化處理后得出的。

表2 標(biāo)定數(shù)據(jù)

2 下肢痙攣檢測(cè)機(jī)理及其特征信息表達(dá)

2.1 痙攣等級(jí)的評(píng)定

改良后的Ashworth量表MAS(Modified Ashworth Scale)被廣泛運(yùn)用于肌肉痙攣臨床評(píng)定[18]。由于痙攣傳感器的檢測(cè)精度、患者下肢肌肉的恢復(fù)情況、年齡區(qū)分等因素影響會(huì)導(dǎo)致痙攣等級(jí)評(píng)定有一定的誤差。根據(jù)患者肌張力采集及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定，將痙攣傳感器評(píng)定等級(jí)分為3級(jí)，且將肌張力幅值在500 g、1 500 g，作為痙攣等級(jí)的臨界值。

當(dāng)檢測(cè)到的肌張力幅值在500 g以下時(shí)，則認(rèn)為為無(wú)痙攣發(fā)生，下肢能正常的運(yùn)動(dòng)；此外，由于肌肉的正常收縮，肌張力可能會(huì)在一定范圍波動(dòng)；當(dāng)檢測(cè)的肌張力的幅值在500 g～1 500 g區(qū)間，認(rèn)定為中等程度痙攣，其外在特征表現(xiàn)為：肌肉抖動(dòng)、肌肉繃緊并伴有疼痛，可以進(jìn)行簡(jiǎn)單關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)檢測(cè)到肌張力幅值高于1 500 g時(shí)，認(rèn)定為重度痙攣(包含強(qiáng)直與陣攣)，重度痙攣時(shí)下肢關(guān)節(jié)很難完成運(yùn)動(dòng)，肌肉可能僵死，給患者帶來(lái)較大痛苦，此時(shí)應(yīng)避免關(guān)節(jié)活動(dòng)以防止二次損傷[19]。

評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)及痙攣傳感器的相關(guān)參數(shù)，將痙攣壓力的等級(jí)劃分為3級(jí)，具體評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 各級(jí)痙攣壓力設(shè)定劃分

在參照主觀評(píng)定的MAS及對(duì)痙攣信號(hào)的估計(jì)[20－21]，本文設(shè)計(jì)的痙攣傳感器只分為三檔：強(qiáng)、中、弱，因此測(cè)試信號(hào)可以預(yù)定為以下式子表達(dá)。

①?gòu)?qiáng)直信號(hào)

式中：Kq為比例系數(shù)，F(xiàn)q為發(fā)生痙攣的臨界值，F(xiàn)為強(qiáng)直痙攣狀態(tài)下肌張力值，可將其測(cè)量范圍列的更寬；取 1＜Kq＜7，F(xiàn)q取值 500 g。

在參考臨床觸診和主觀評(píng)定痙攣等級(jí)CSS(Composite Spasticity Scale)，考慮佩戴或其他因素對(duì)痙攣信號(hào)的影響，將陣攣范圍擴(kuò)寬，綜上信息及對(duì)痙攣信號(hào)估計(jì)，可將其測(cè)量范圍列的更寬，如式(2)所示。

②陣攣信號(hào)

式中：Fz為陣攣初始值，A為發(fā)生痙攣的幅值大小，頻率為ω，θ為初相，F(xiàn)為陣攣狀態(tài)下肌張力值。幅值A(chǔ)的大小為｜F｜－Fz，ω與時(shí)間相關(guān)，根據(jù)肌肉正常的收縮與松弛，當(dāng)ω＞6 Hz，且Fz＞500 g時(shí)代表陣攣發(fā)生。

③痛性痙攣信號(hào)

痛性痙攣外在特征表現(xiàn)為強(qiáng)直和陣攣的結(jié)合，需要滿足強(qiáng)直和陣攣信號(hào)的閾值，超過(guò)臨界值時(shí)可以判斷痙攣的發(fā)生與否。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 肌張力對(duì)痙攣特征信息的表達(dá)測(cè)試

本研究所設(shè)計(jì)的肌張力傳感器經(jīng)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定后能穩(wěn)定的實(shí)時(shí)的獲取肌張力信息，通過(guò)對(duì)腦卒中患者下肢肌肉肌張力的檢測(cè)得出相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)。

對(duì)式(2)進(jìn)行特定值的分析，針對(duì)采集肌張力的頻率特征是否有明顯變化，以排除陣攣、痛性痙攣兩種特征，如圖6所示，若肌張力的值大于人體下肢肌肉正常狀態(tài)下的肌張力的值，且在30 ms以后F＞500 g，滿足痙攣發(fā)生的臨界信息，則可判定痙攣發(fā)生。 若 Kq取值：3＜Kq＜7，滿足 1＜Kq＜7 則可以判定強(qiáng)直發(fā)生。由于痙攣的復(fù)雜性及其多樣性，會(huì)導(dǎo)致其結(jié)果有一定誤差。

圖6 強(qiáng)直性痙攣信號(hào)

圖7 陣攣性痙攣信號(hào)

對(duì)式(3)采集的特定值進(jìn)行分析，肌張力若無(wú)幅值變化，則可以排除強(qiáng)直、痛性痙攣兩種痙攣特征，如圖7所示，痙攣傳感器測(cè)量值大于人體下肢肌張力正常狀態(tài)下的值，在30 ms以后F＞500 g滿足痙攣發(fā)生的臨界信息，則可判定痙攣發(fā)生，若幅值A(chǔ)取值：500＜A＜2 700，ω 大于 6 Hz，且 Fz＞500 g，判定痙攣發(fā)生的為陣攣。

根據(jù)以上對(duì)對(duì)痙攣的三種特征信息的分析，對(duì)式(2)、(3)、(4)進(jìn)行特定值的分析，若采集的肌張力即有幅值又有頻率的變化，進(jìn)一步排除強(qiáng)直、陣攣兩種痙攣特征，如圖8所示，肌張力的值大于人體下肢肌肉正常狀態(tài)下的肌張力的值，F(xiàn)＞500 g則判定痙攣發(fā)生，而幅值A(chǔ)的大小為500＜A＜2700，ω＞6 Hz，且 Fz＞500 g，Kq的取值 3＜Kq＜7，滿足 1＜Kq＜7，則判定痛性痙攣發(fā)生。

圖8 痛性痙攣信號(hào)

3.2 外部激勵(lì)下的肌張力測(cè)試

選取符合條件的受試者，使受試者保持站姿，肢體保持放松；受試者佩戴痙攣傳感器，檢查者施加均勻的手動(dòng)激勵(lì)在腓腸肌處并保持一段時(shí)間(激勵(lì)的大小應(yīng)均勻、等速)，采集到腓腸肌上的肌張力信號(hào)如圖9所示。

圖9 手動(dòng)激勵(lì)佩戴痙攣傳感器

圖10 手動(dòng)激勵(lì)肌張力信號(hào)

從圖10可以看出，佩戴開(kāi)始時(shí)，下肢關(guān)節(jié)還沒(méi)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，此時(shí)下肢肌肉測(cè)試區(qū)域肌張力的值較小，且不穩(wěn)定；當(dāng)手動(dòng)施加激勵(lì)，肌張力的值開(kāi)始變化，通過(guò)測(cè)得數(shù)據(jù)的觀察，數(shù)據(jù)總體呈現(xiàn)較大波動(dòng)，其肌張力大約分布在100 g～2 800 g，根據(jù)對(duì)痙攣特征信息進(jìn)行分類：肌張力大于1 500 g的數(shù)據(jù)占少數(shù)，發(fā)生痙攣為3等級(jí)的時(shí)間段較少。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)強(qiáng)直、陣攣、痛性痙攣的特征進(jìn)行在線測(cè)評(píng)。肌張力的值在500 g～1 500 g之間時(shí)，由于浮動(dòng)不大且較穩(wěn)定，根據(jù)強(qiáng)直的特點(diǎn)及Kz的大小(1＜Kz＜6)可以判斷出175 ms～260 ms時(shí)表現(xiàn)為強(qiáng)直特征，50 ms～90 ms表現(xiàn)為陣攣特征?？梢钥闯觯d攣傳感器測(cè)得的肌張力信號(hào)較為穩(wěn)定，但肌肉張緊度存在人群差異，進(jìn)而導(dǎo)致肌張力的大小也不盡相同。

結(jié)合課題組設(shè)計(jì)的外骨骼式下肢步態(tài)康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，人體下肢穿上外骨骼式步態(tài)康復(fù)機(jī)器人后，利用痙攣傳感器采集下肢腓腸肌的肌張力信號(hào)，如圖11所示。進(jìn)一步，康復(fù)機(jī)器人勻速施加激勵(lì)，拉伸受試者的膝關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，反復(fù)從站立的初始狀態(tài)拉伸至關(guān)節(jié)最大活動(dòng)范圍，腓腸肌區(qū)域的肌張力表現(xiàn)如圖12所示。

圖11 外骨骼機(jī)器人關(guān)節(jié)激勵(lì)下的肌張力信號(hào)

圖12 康復(fù)機(jī)器人激勵(lì)下的肌張力信號(hào)

根據(jù)痙攣傳感器采集的數(shù)據(jù)及其分布規(guī)律，可以看出：

(1)測(cè)得肌張力數(shù)據(jù)總體為矩形狀，其肌張力的大小分布在100 g～3 100 g，這與外骨骼式康復(fù)機(jī)器人勻速施加激勵(lì)的效果是一致的。

(2)當(dāng)受試者下肢沒(méi)有運(yùn)動(dòng)，則肌張力的值較小，且不穩(wěn)定；當(dāng)開(kāi)始關(guān)節(jié)被動(dòng)拉伸時(shí)，隨著下肢活動(dòng)的角度的改變，肌張力的值也在改變。

(3)根據(jù)痙攣特征信息在線評(píng)測(cè)結(jié)果，肌張力大于1 500 g的數(shù)據(jù)占多數(shù)，根據(jù)病理性痙攣的特征可以看出實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中均包含陣攣、強(qiáng)直、痛性痙攣的特點(diǎn)。若肌張力值在500 g～1 500 g之間時(shí)，肌張力的值雖有波動(dòng)但比較穩(wěn)定，根據(jù)強(qiáng)直特點(diǎn)及Kz取值(1＜Kz＜7)可判斷出在30 ms～240 ms表現(xiàn)為強(qiáng)直特征，240 ms～285 ms表現(xiàn)為陣攣。可以看出，康復(fù)機(jī)器人施加激勵(lì)，運(yùn)用痙攣傳感器評(píng)定肌張力及其特征較為準(zhǔn)確。通過(guò)對(duì)上述實(shí)驗(yàn)，所設(shè)計(jì)的痙攣傳感器可用于康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中肌張力在線測(cè)評(píng)與痙攣防范控制。

5 結(jié)論

本文從痙攣發(fā)生時(shí)的特征信息出發(fā)，結(jié)合康復(fù)醫(yī)學(xué)臨床評(píng)定痙攣等級(jí)的依據(jù)與方法，設(shè)計(jì)了一種可用于康復(fù)機(jī)器人在線測(cè)評(píng)肌張力的痙攣傳感器，將肌肉張力變化的激勵(lì)轉(zhuǎn)換為痙攣特征信息，揭示痙攣發(fā)生的臨界信息，為下肢肌肉的病理性痙攣提供客觀量化的評(píng)定依據(jù)。

參照康復(fù)醫(yī)學(xué)上對(duì)痙攣評(píng)定的相關(guān)量表，給出基于肌張力檢測(cè)的傳感器評(píng)定痙攣等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象采集的相關(guān)數(shù)據(jù)分析、處理和整理，區(qū)分出病理性痙攣的三種特征信息，驗(yàn)證了痙攣傳感器檢測(cè)的可行性及判斷痙攣等級(jí)的正確性。