基于紅外熱圖邊界分割方法的康復(fù)機(jī)器人抗阻訓(xùn)練肌肉激活狀態(tài)評估①

張珝， 李益斌， 徐東， 徐晗， 孫亞， 李曉龍， 傅建明

1.同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院 奧克蘭·同濟(jì)康復(fù)設(shè)備研究中心，浙江 嘉興 314051；2.嘉興學(xué)院 附屬第二醫(yī)院，浙江 嘉興 314001

運(yùn)動功能障礙是神經(jīng)系統(tǒng)疾病或肢體損傷后的常見后遺癥，在這當(dāng)中，又以上肢功能障礙最為常見，嚴(yán)重影響了患者的日常生活[1-3]． 利用康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行訓(xùn)練是上肢運(yùn)動功能障礙患者進(jìn)行肌力訓(xùn)練的重要方法之一[4]，康復(fù)機(jī)器人的抗阻訓(xùn)練模式能夠激發(fā)患者患肢的自主收縮力，是患者恢復(fù)期增強(qiáng)肌力的重要措施[5]． 因此，合適的評估策略能夠有效地量化康復(fù)抗阻訓(xùn)練的效率． 臨床康復(fù)評估多以評估量表為主，如Brunnstrom量表、 Fugl-Meyer量表等，但是，這些方法均為康復(fù)醫(yī)師主觀評定方法，且評定結(jié)果無法定量分析；康復(fù)機(jī)器人可以通過搭載各式傳感器對使用者肢體的位移、 (加)速度等運(yùn)動學(xué)參數(shù)進(jìn)行定量測量[6-8]，但是，不同的康復(fù)機(jī)器人會對不同的運(yùn)動學(xué)參數(shù)進(jìn)行測量，無法形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；等速肌力測試系統(tǒng)、 高速攝像機(jī)和三維測力系統(tǒng)等設(shè)備能夠基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對肌力、 平衡、 關(guān)節(jié)運(yùn)動角度等運(yùn)動學(xué)參數(shù)進(jìn)行精確測量[9-10]，但是，這些設(shè)備因過于龐大而不便于使用，且造價昂貴；表面肌電信號(sEMG)作為人體的生理信號，能夠有效地評估不同肌肉對于康復(fù)訓(xùn)練過程所造成的影響以及肌肉疲勞程度等[11-12]，然而，表面肌電測量需要在目標(biāo)肌肉上放置有線表面電極，這會阻礙受試者在訓(xùn)練期間的運(yùn)動，且電極之間的距離以及電極的大小也會影響測量的結(jié)果．

紅外熱成像技術(shù)具有無損、 非接觸和非侵入性等特點(diǎn)，近年來被廣泛地應(yīng)用到臨床醫(yī)學(xué)當(dāng)中，通常被用作疾病治療前后熱效應(yīng)的評估以及部分疾病的診斷[13-16]． 當(dāng)人體處于疾病或者運(yùn)動狀態(tài)時，皮膚表面溫度就會出現(xiàn)差異，早些時候的一項(xiàng)研究也表明，長時間的運(yùn)動會增加肌肉熱量的擴(kuò)散[17]，因此，不少研究都在探尋運(yùn)動期間肌肉的溫度變化關(guān)系． González-Alonso等[18]利用熱敏電阻來研究劇烈運(yùn)動后肌肉局部溫度的變化，但是，該方法是侵入式測量，熱敏電阻需要插入受試者的靜脈，對受試者造成了一定的傷害；Zagrodny等[19]通過對步態(tài)分析下肌肉的激活表明了sEMG信號和皮膚表面熱特性之間的相關(guān)性；Daud等[20]通過對上肢不同運(yùn)動的分析也表明了sEMG信號與熱成像測量的皮膚溫度之間的相關(guān)性． 上述的研究證明，熱成像測量的皮膚表面溫度變化與肌肉激活狀態(tài)高度相關(guān)，抗阻訓(xùn)練會造成血液流速的加快以及肌肉的收縮從而產(chǎn)生大量的散熱，并以此確認(rèn)了紅外熱像技術(shù)作為評估手段的可能性，而康復(fù)抗阻訓(xùn)練效果的評估對于判斷患者肌力的恢復(fù)以及后續(xù)的康復(fù)策略制定至關(guān)重要，因此，有必要研究出一種基于康復(fù)抗阻訓(xùn)練下肌肉激活狀態(tài)的評估方法．

本文旨在研究紅外熱成像技術(shù)在上肢協(xié)調(diào)康復(fù)機(jī)器人抗阻訓(xùn)練模式下肌肉激活狀態(tài)評估的應(yīng)用． 在不同的訓(xùn)練條件下，獲取不同訓(xùn)練階段下的紅外熱圖，并對圖像進(jìn)行相應(yīng)的處理和分析，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)肌肉區(qū)域激活狀態(tài)的可視化，同時實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)激活狀態(tài)定量分析． 這項(xiàng)研究的優(yōu)點(diǎn)是，通過利用以非侵入性和非接觸方式獲取的熱圖像，可以有效地評估康復(fù)訓(xùn)練中肌肉的激活狀態(tài)．

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)步驟

1.1 紅外熱像設(shè)備

本研究所采用的紅外熱像設(shè)備是基于美國FLIR公司Boson 320長波紅外熱像儀機(jī)芯研發(fā)而成(圖1)，該機(jī)芯搭載了9.1 mm焦距的光學(xué)鏡頭，分辨率為640×512，通過USB接口與電腦連接，用于對紅外熱像圖(NIR)的捕捉(圖1)．

圖1 紅外熱像設(shè)備

1.2 上肢協(xié)調(diào)康復(fù)機(jī)器人

上肢協(xié)調(diào)康復(fù)機(jī)器人是由同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院奧克蘭·同濟(jì)康復(fù)醫(yī)療設(shè)備研究中心自主研發(fā)、 具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代康復(fù)醫(yī)療設(shè)備． 該康復(fù)機(jī)器人主要適用于腦卒中、 外傷等引起的上肢功能障礙患者，且具備多級阻力變化的抗阻訓(xùn)練模式[21-22]，能夠有效地針對不同康復(fù)階段的患者進(jìn)行抗阻肌力訓(xùn)練(圖2)．

圖2 上肢協(xié)調(diào)康復(fù)機(jī)器人

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟時，考慮到實(shí)驗(yàn)中部分阻力等級較大，不易驅(qū)動，因此，實(shí)驗(yàn)選取了5名健康男性參與者參與實(shí)驗(yàn)，他們的年齡為(30±4)歲，身高為(175.20±5.36)cm，體重為(74.80±7.95)kg，每位參與者都簽署了《實(shí)驗(yàn)知情同意書》． 參與者上肢部位肌肉或骨頭沒有遭受過結(jié)構(gòu)性損傷，且24 h內(nèi)未進(jìn)行過激烈的體力運(yùn)動，保證上肢部位狀態(tài)的正常；同時，為了盡量保證紅外熱像測量的精確性，實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)室溫度和濕度始終保持在(21±1)℃和(45±5)%． 圖3顯示了本次實(shí)驗(yàn)的流程： 實(shí)驗(yàn)主要基于上肢協(xié)調(diào)康復(fù)機(jī)器人(本文簡稱機(jī)器人)完成，參與者將以右上臂作為參考肌肉群，在接受紅外熱圖采集前，將手臂暴露在空氣中10 min，用于擺脫因?yàn)橐挛镎趽鯇?dǎo)致的溫度差異；每位參與者坐在離紅外熱像設(shè)備約1 m的位置，根據(jù)不同參與者身高的差異調(diào)整座椅高度，手臂自然下垂以保證被測部位完整地出現(xiàn)在紅外熱像鏡頭中央；為了最大限度地減小環(huán)境帶來的影響，參與者手臂需要穿過帶有方形孔的紙板，以此屏蔽除被測部位外的其他肢體部位． 實(shí)驗(yàn)開始時，采集參與者被測部位自然狀態(tài)下的紅外熱圖作為基礎(chǔ)參照圖像(Bs)，然后選擇合適的位置坐于機(jī)器人前，機(jī)器人訓(xùn)練平臺向上傾角為30°． 實(shí)驗(yàn)期間，參與者將基于機(jī)器人抗阻訓(xùn)練模式下3種不同阻力等級(L1，L5，L8，阻力等級由小至大)分別進(jìn)行推、 拉兩種肌力訓(xùn)練各5 min；單次訓(xùn)練結(jié)束后，參與者擁有5 min的恢復(fù)時間，考慮L8級阻力較大，在L8級訓(xùn)練結(jié)束后，參與者擁有10 min的休息時間以盡可能地保證目標(biāo)區(qū)域狀態(tài)的完全恢復(fù)；最后，分別采集參與者右上臂3種狀態(tài)下： 訓(xùn)練剛完成(0 min)、 訓(xùn)練完成后1 min、 訓(xùn)練完成后3 min的紅外熱圖，并進(jìn)行對比分析．

圖3 實(shí)驗(yàn)步驟

2 實(shí)驗(yàn)分析方法

2.1 基于歸一化互相關(guān)算法的圖片重新定位

重新定位在圖像處理中非常重要． 在很多情況下，人們對原始圖像中感興趣區(qū)域(region of interest, ROI)的結(jié)果更感興趣． 但是，手動選擇相同的ROI較為麻煩且很難定位準(zhǔn)確，因此，本研究采用了一種基于歸一化互相關(guān)算法的重新定位技術(shù)． 當(dāng)?shù)谝环鶊D像確認(rèn)選擇的ROI后，重新定位技術(shù)將自動在后續(xù)圖像中找到與ROI匹配度最高的位置．

如果用矩陣R表示ROI區(qū)域，用矩陣T表示目標(biāo)圖像，首先對矩陣R進(jìn)行歸一化：

(1)

式中：Rmax和Rmin是矩陣R的最大值和最小值，RN是矩陣R歸一化后形成的新的矩陣，同樣，矩陣TN是矩陣T歸一化后得到的． 矩陣RN和矩陣TN的互相關(guān)性為：

(2)

式中：i和j是矩陣的大小，RM是RN的平均值，TM是TN的平均值． 結(jié)果Corr可以幫助找出兩個矩陣的最佳相關(guān)性，這將是原始圖像R中ROI區(qū)域在目標(biāo)圖像T中的位置(圖4)．

紅色方框?yàn)榛谠紙D像(original)選取ROI后續(xù)圖像的定位

2.2 灰度圖像彩色化處理

紅外熱圖的灰度圖像沒法很好地看出圖像間的變化，為了使圖像可視化更加清晰，需要對灰度圖像彩色化處理． 彩色化處理是將灰度值矩陣中的每一個值拆分成3色(red green bule，RGB)通道，同時定義一個映射函數(shù)，用來對灰度圖像值進(jìn)行區(qū)分：

(3)

式中，R(x，y)代表RGB的任意一個通道矩陣，X(x，y)代表灰度矩陣于，Rc1和Rc2表示自定義RGB單一通道矩陣下顏色強(qiáng)弱區(qū)分的閾值，Gc1和Gc2表示自定義灰度矩陣區(qū)分的閾值，灰度矩陣根據(jù)(3)式進(jìn)行變換，結(jié)合另外兩個通道形成新的RGB矩陣，完成灰度圖像的彩色化處理．

2.3 基于邊界輪廓的圖像分割方法

在本實(shí)驗(yàn)中，不同肌肉區(qū)域內(nèi)目標(biāo)位置基于灰度值變化的對比度非常重要． 為了突出這項(xiàng)變化，本研究采用了一種基于邊界輪廓的圖像分割方法，對圖像進(jìn)行一種模糊增強(qiáng)，從而達(dá)到增強(qiáng)灰度值對比度的目的．

首先，利用圖像二值化對目標(biāo)圖像進(jìn)行處理：

(4)

式中，G(x，y)表示目標(biāo)圖像灰度矩陣，Tg表示分割閾值． 將小于Tg的像素變?yōu)楹谏?0)，將大于Tg的像素變?yōu)榘咨?255)，完成圖像的黑白轉(zhuǎn)化，從而突出圖像的邊界，考慮圖像不同位置Tg不同，本研究將目標(biāo)灰度圖像切成4份，通過不同的Tg來對圖像邊界精確劃分，最后通過將圖像合并回原始圖像：

(5)

式中，Gi為G切割中的一部分．

黑白圖像邊緣輪廓可視為一條二維封閉的邊緣曲線L，且可以表示為有限個點(diǎn)的集合P={P1，P2，…，Pk}，P∈[0，L]，集合的坐標(biāo)表達(dá)式為：

(6)

式中：pi為邊界Pi(pi，qi)的x坐標(biāo)；qi為該點(diǎn)的y坐標(biāo)；

接下來，先將圖像在縱向進(jìn)行分割，之后以縱向分割為基礎(chǔ)對圖像進(jìn)行橫向分割，以此得到新的包含邊界的網(wǎng)格交點(diǎn)坐標(biāo)：

P′=(p′s，q′s，v)

(7)

式中：

(8)

式中：s為新分割圖像橫坐標(biāo)，s∈[0，m]，m為縱向網(wǎng)格數(shù)量，v為基于s的縱坐標(biāo)，v∈[0，n]，n為橫向網(wǎng)格數(shù)量．

由此，目標(biāo)圖像被分割成新[m×n]的圖像，然后通過計(jì)算每個網(wǎng)格的平均灰度值來生成新的圖像．

2.4 目標(biāo)圖像處理

原始目標(biāo)圖像如圖5a所示，利用2.1的重新定位方法修剪右上臂ROI區(qū)域(圖5b)． 應(yīng)用移動平均濾波器后，采用大津的全局閾值法[23]突出ROI區(qū)域(圖5c)． 然后將ROI區(qū)域利用2.3所述的圖像分割方法將圖片平均分為20個水平部分和45個垂直部分(圖5d)． 通過計(jì)算ROI區(qū)域中每個分割的網(wǎng)格平均灰度值生成模擬熱圖(圖5e)，并使用彩色圖顯示(圖5f)． 為了定量評估肌肉不同條件下的激活狀態(tài)，將以圖5e為基準(zhǔn)提取相對灰度值進(jìn)行分析．

圖5 圖像處理過程

2.5 相對灰度值

在紅外熱像技術(shù)中，紅外熱圖的灰度值與目標(biāo)溫度成正相關(guān)線性關(guān)系[24]，被測目標(biāo)溫度的高低可以使用紅外熱圖的灰度值大小來表示，同樣，基于灰度值變換而來的彩色熱圖也能通過不同顏色的區(qū)分來表示溫度的變化． 本研究采用的紅外熱像設(shè)備能夠很好地顯示被測目標(biāo)溫度的高低，但是，由于該設(shè)備并未進(jìn)行過校準(zhǔn)，被測目標(biāo)的灰度值會隨著測試范圍內(nèi)溫度上限的變化而發(fā)生變化(目標(biāo)溫度并未發(fā)生變化)，灰度值能夠表示目標(biāo)溫度的變化卻不能表示絕對溫度． 為了解決這個問題，本研究采用了一種相對灰度值的表示方法(圖6)，即提取目標(biāo)兩個相鄰位置的灰度值之差作為該位置對比度變化的相對灰度值：

rGS=GS1-GS2

(9)

式中：GS1表示相鄰位置區(qū)域1，GS2表示相鄰位置區(qū)域2．

為了有效地評估肌肉激活狀態(tài)，本實(shí)驗(yàn)基于上臂運(yùn)動時主要參與的肌肉并結(jié)合生理解剖學(xué)將目標(biāo)部位劃分為3塊區(qū)域，即三角肌區(qū)域、 肱二頭肌區(qū)域和肱三頭肌區(qū)域(圖6a)，每個區(qū)域提取一個相對灰度值(rGS)作為肌肉激活狀態(tài)參數(shù)(圖6b中1，2，3)，并利用2.1所述方法重新定位其他圖像的相同區(qū)域(圖6c)． 為了更好地識別相對灰度值，本研究選取了以各個訓(xùn)練狀態(tài)下訓(xùn)練剛完成時(0 min)的圖像作為目標(biāo)圖像進(jìn)行定位．

圖6 相對灰度值選取

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1顯示了5名參與者在進(jìn)行推、 拉力抗阻模式訓(xùn)練下3種阻力等級下3塊肌肉區(qū)域平均相對灰度值在Bs—0 min—1 min—3 min時的變化．

表1 抗阻訓(xùn)練模式下參與者平均相對灰度值

可以看到的是，在推、 拉力抗阻訓(xùn)練中，所有訓(xùn)練剛結(jié)束時(0 min)與基礎(chǔ)參照圖像(Bs)相比，3個肌肉區(qū)域的相對灰度值都(rGS)有了較明顯的提升，之后訓(xùn)練完成1 min和訓(xùn)練完成后3 min階段，rGS逐漸下降．

為了了解抗阻模式訓(xùn)練下目標(biāo)區(qū)域熱圖的變化，圖7選取了其中一名參與者推力抗阻訓(xùn)練模式L8阻力等級下的完整訓(xùn)練狀態(tài)彩色熱圖．

圖7a-圖7d表示目標(biāo)肌肉區(qū)域Bs—0 min—1 min—3 min的彩色熱圖變化． 以2.5中的區(qū)域劃分為參照，可以看到的是，0 min(圖7b)彩色熱圖中，3個肌肉區(qū)域相對灰度值對比度較之Bs(圖7a)相同區(qū)域有明顯的提升，而在1 min((圖7c))時，3個肌肉區(qū)域?qū)Ρ榷扔兴档?，最后? min((圖7d))時，三角肌區(qū)域和肱二頭肌區(qū)域?qū)Ρ榷壤^續(xù)下降，而肱三頭肌區(qū)域?qū)Ρ榷扔兴嵘?/p>

圖7 一名參與者L8推力抗阻訓(xùn)練模式下彩色熱圖集

不同的阻力等級可能產(chǎn)生不同的熱圖變化． 圖8展示了同一名參與者在推力和拉力抗阻訓(xùn)練模式下阻力等級L1和L8 3個肌肉區(qū)域在0 min時顏色對比度的變化．

圖8 抗阻訓(xùn)練模式下阻力等級L1和L8彩色熱圖對比

圖8a，b兩圖中均可以看出，阻力等級L8在3個肌肉區(qū)域的顏色對比度變化均比阻力等級L1更強(qiáng)；而從所有參與者在肱三頭肌區(qū)域平均相對灰度值(rGS)的比較來看，在推力抗阻訓(xùn)練模式下，阻力等級L8在0 min的rGS變化比阻力等級L1更高(圖9a)；然而在拉力抗阻訓(xùn)練模式下，L1在0 min的rGS變化比L8更高(圖9b)．

圖9 抗阻訓(xùn)練模式下阻力等級L1和L8的相對灰度值在肱三頭肌區(qū)域的比較

為了對比推力和拉力抗阻訓(xùn)練模式下，3個肌肉區(qū)域彩色熱圖的變化，圖10選取了同一參與者在推、 拉力抗阻訓(xùn)練模式下阻力等級L8 3個肌肉區(qū)域在0 min時顏色對比度的變化．

圖10 推/拉力抗阻訓(xùn)練模式下阻力等級L8彩色熱圖對比

從圖11中可以看出，推力和拉力抗阻訓(xùn)練模式下，3個肌肉區(qū)域的顏色對比度都有所增強(qiáng)，在推力抗阻訓(xùn)練中，肱三頭肌區(qū)域?qū)Ρ榷仍鰪?qiáng)更為明顯，拉力抗阻訓(xùn)練模式下，肱二頭肌區(qū)域?qū)Ρ榷仍鰪?qiáng)更為明顯；在從所有參與者3個肌肉區(qū)域平均相對灰度值(rGS)的比較來看，0 min下的rGS均有增加，推力抗阻訓(xùn)練模式下，肱三頭肌區(qū)域rGS增加最大(圖11a)，而拉力抗阻訓(xùn)練模式下，肱二頭肌區(qū)域rGS增加最大(圖11b)．

圖11 推/拉力抗阻訓(xùn)練模式下的rGS在三肌肉區(qū)域的比較

3.2 討論

肌力訓(xùn)練是康復(fù)運(yùn)動療法中的一種重要方法，是指在肌肉收縮時給予阻力可以使肌肉隨時間產(chǎn)生適應(yīng)而增加肌力[25]． 在Brunnstrom肌力分級理論中，在3級肌力到4級肌力進(jìn)展時，應(yīng)該進(jìn)行阻力等級自小而大的抗阻訓(xùn)練． 本研究中的上肢協(xié)調(diào)康復(fù)機(jī)器人能夠提供不同等級的抗阻訓(xùn)練，能夠有效地對上肢肌肉進(jìn)行肌力訓(xùn)練． 因此，本研究也將上臂三塊主要肌肉所在的區(qū)域選為目標(biāo)觀察區(qū)域；同時，選取3個由小至大的阻力等級進(jìn)行實(shí)驗(yàn)也符合肌力康復(fù)訓(xùn)練循序漸進(jìn)的康復(fù)理論．

抗阻訓(xùn)練過程中，是訓(xùn)練時和訓(xùn)練后肌肉即時變化為負(fù)荷、 恢復(fù)的過程，在負(fù)荷階段能量物質(zhì)被大量消耗，代謝產(chǎn)物被蓄積起來，人體功能下降，產(chǎn)生疲勞；停止運(yùn)動后，到了恢復(fù)階段，機(jī)體內(nèi)環(huán)境(熱、 酸堿和水)開始恢復(fù)平衡，肌肉內(nèi)的消耗得到了補(bǔ)充[26]． 如表1所示，所有肌肉區(qū)域在訓(xùn)練狀態(tài)下0 min時的相對灰度值(rGS)均出現(xiàn)明顯的提升，因?yàn)楫?dāng)抗阻訓(xùn)練剛結(jié)束時，整個上肢肌肉區(qū)域的肌肉產(chǎn)生熱量打破了體內(nèi)平衡，進(jìn)入恢復(fù)狀態(tài)后產(chǎn)生散熱而導(dǎo)致溫度的提升，表明了訓(xùn)練時3個區(qū)域的肌肉均處于激活狀態(tài)；到1 min和3 min狀態(tài)時，rGS逐漸下降，肌肉從激活狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)，圖7也很好地說明了這一點(diǎn)；但是，部分訓(xùn)練狀態(tài)下(拉力抗阻訓(xùn)練L5和L8)，出現(xiàn)了rGS上升的情況，這可能是因?yàn)榧∪猱a(chǎn)生熱量并緩慢地通過皮膚灌注引起激活肌肉附近血管擴(kuò)張，這種熱傳遞會導(dǎo)致皮膚表面溫度變化的延遲，而L5和L8級的抗阻訓(xùn)練負(fù)荷更大，造成產(chǎn)熱更大，因而導(dǎo)致在3 min這段監(jiān)測時間內(nèi)，熱量一直持續(xù)散出．

相對灰度值(rGS)結(jié)合彩色紅外熱圖能夠更好地表現(xiàn)出肌肉的激活狀態(tài)． 結(jié)合上面的理論，當(dāng)阻力越大，肌肉運(yùn)動產(chǎn)生的負(fù)荷越大，散熱量也越大，肌肉的激活程度越高，圖8在推、 拉力抗阻訓(xùn)練下阻力等級L8比L1下肌肉的激活程度更高，圖9(a)肱三頭肌區(qū)域rGS的變化也說明了這一點(diǎn)；但是在圖9(b)中，出現(xiàn)了肱三頭肌區(qū)域阻力等級L1的肌肉激活程度高于L8的情況，這可能是因?yàn)椴糠謪⑴c者在L8訓(xùn)練狀態(tài)下選取rGS區(qū)域時，并未選取到對比度最大的位置，導(dǎo)致rGS在取平均值的過程中，出現(xiàn)了偏差；圖10反映了在兩種相反的抗阻訓(xùn)練(阻力等級L8)下3個肌肉區(qū)域的激活情況，從圖10上能夠看出，三角肌的激活狀態(tài)相差不大，在推力抗阻訓(xùn)練時，肱三頭肌區(qū)域激活程度更高，而在拉力抗阻訓(xùn)練時，肱二頭肌區(qū)域激活程度更高，這是因?yàn)橥屏棺栌?xùn)練時，更加側(cè)重于伸肌(肱三頭肌)的發(fā)力，而拉力抗阻訓(xùn)練時，更加側(cè)重于屈肌(肱二頭肌)的發(fā)力，二者互為主動/拮抗肌，在做兩組相反的運(yùn)動時，產(chǎn)生了不同的激活效果，圖11a和圖11b也反映了相同的結(jié)果，這也是圖9分別選擇這兩個區(qū)域作為對比的原因；同時還需注意到的是，由于上肢協(xié)調(diào)康復(fù)機(jī)器人調(diào)高了設(shè)備傾角，通常作為協(xié)同肌出現(xiàn)的三角肌在所有的訓(xùn)練狀態(tài)下均被激活，在上肢協(xié)調(diào)康復(fù)機(jī)器人臨床實(shí)驗(yàn)中，康復(fù)治療師提出了調(diào)高設(shè)備傾角以達(dá)到提高患者上肢肌肉群肌力的康復(fù)效率，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了這一理論．

在本次研究中，受試者的數(shù)量有限，且受試者的肌肉質(zhì)量、 皮膚顏色和年齡等均會影響本研究的結(jié)果，這也是表1中部分?jǐn)?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差偏大的原因之一；為了實(shí)現(xiàn)測量的可重復(fù)性，有必要將相機(jī)和被攝體之間的距離以及其他變化降至最低，因此，可以嘗試目標(biāo)區(qū)域的運(yùn)動跟蹤；在實(shí)驗(yàn)中，雖然利用了基于相鄰區(qū)域?qū)Ρ榷茸罡叩挠?xùn)練剛結(jié)束時(0 min)圖像提取的相對灰度值(rGS)參數(shù)實(shí)現(xiàn)了參與者訓(xùn)練前后溫度變化的量化分析，但是，該方法對相鄰區(qū)域的選取要求較高，容易出現(xiàn)偏差，且不能更加直觀地觀測到目標(biāo)區(qū)域溫度的變化，因此，可以對本次實(shí)驗(yàn)使用的紅外熱像鏡頭進(jìn)行校準(zhǔn)，或更進(jìn)一步完成溫度的標(biāo)定；本次實(shí)驗(yàn)全部選取了健康人作為參與目標(biāo)，所有肌肉區(qū)域都處于正?？杉せ顮顟B(tài)，這與上肢協(xié)調(diào)康復(fù)機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用中針對上肢功能障礙患者的情況有所偏離，未來工作是在改進(jìn)方法的同時進(jìn)一步驗(yàn)證該方法在上肢功能障礙者上的準(zhǔn)確性和有效性．

4 結(jié)論

本研究通過紅外熱成像技術(shù)評估上肢3個肌肉區(qū)域在上肢協(xié)調(diào)康復(fù)機(jī)器人抗阻訓(xùn)練模式下的激活狀態(tài)，并使用一種邊界輪廓分割的圖像處理方法將紅外灰度圖簡化并彩色化處理，實(shí)現(xiàn)了紅外熱圖可視化；同時，通過相對灰度值這一參數(shù)實(shí)現(xiàn)了對上肢肌肉激活狀態(tài)的定量分析，之后有必要進(jìn)行進(jìn)一步的研究，將該方法改善后擴(kuò)展到臨床應(yīng)用中去．