摘 要

在康复医疗领域中，制定适宜的康复训练策略的至关重要的，而康复训练策略的制定则需要依据康复评估结果。在康复训练过程中定期地对病人的康复情况进行评估。医师要根据病人的康复评估情况制定出具有针对性并且适合病人的康复计划，让患者能够在短时间内获得较好的康复效果。此外，在康复训练和康复评估过程中为了防止患者肌肉的二次损伤，需要对患者的肌肉疲劳程度进行评估，对康复训练计划做适量的调整，在一定程度上也可以提高患者的康复效果。

本文针对下肢康复运动，主要以两个方面的康复评估方法，一方面是基于运动学的康复评估方法包括关节活动度和步速；另一方面基于表面肌电信号的疲劳检测方法具体包括均方根值、平均功率频率和肌电积分值。本文利用了一套基于STM32的低成本、便携式的下肢运动学数据采集硬件设备来测量关节活动度，将测量的数值与正常人的关节活动度相比较，从而来判断患者的康复程度。利用DataLOG SX230肌电信号数据采集和显示系统采集表面肌电信号，将采集的表面肌电信号作为肌肉疲劳的检测依据。本文的主要工作如下：

1. 研究基于运动学评估方法。避免传统测量角度的方法，采用一套实时跟踪腿部运动数据的硬件设备，获得相应的运动学参数指标，本文最终获得的运动学参数是关节活动度以及其运动角速度，并将活动角度以曲线实现表示出来。
2. 研究基于表面肌电信号的康复疲劳评估的方法，并通过MATLAB进行仿真，观察肌肉疲劳前后各特征参数值的变化趋势。最终实现了均方根值、肌电积分值和平均功率频率作为疲劳检测依据。
3. 设计一个下肢康复评估系统。实现友好的人机交互界面，将研究选取的康复评估和疲劳检测方法集和在一起，从而实现了最简单的康复评估的系统。该系统可实现实时分析和显示患者的运功过程中肌电信号数据，治疗师可以根据显示结果实时的评估患者的康复训练效果。

关键字：康复评估，关节活动度，表面肌电信号，肌肉疲劳

Abstract

Concerning to rehabilitation domain, it is vital to make the proper rehabilitation training plan which relies heavily on the rehabilitation assessment result. Throughout the whole procedure of rehabilitation training, regular assessment for the patient. According to the patient's rehabilitation status, rehabilitation physicians can develop rehabilitation programs targeted and fitted for patients, so that the patients can get better rehabilitation effect in a short time. In addition, in order to prevent patients’ muscle from secondary damage during rehabilitation training and rehabilitation evaluation, the patients’ degree of muscle fatigue is need to be evaluated, making the appropriate adjustments to rehabilitation programs and the degree of muscle fatigue can also assess patient’s rehabilitation effect to a certain extent.

In this paper, two aspects of the rehabilitation assessment method were selected designing for lower extremity rehabilitation. on the one hand is based on kinematics rehabilitation assessment methods, including joint mobility and pace; on the other hand fatigue detection method based on surface EMGs including root mean square, mean power frequency and IEMG . Use a set based on STM32 , a low-cost, portable lower limb kinematics data acquisition hardware to measure ROM, and then compare measured the numerical with the normal ROM, which can be used to estimate the extent of recovery of patients. Using DataLOG SX230 sEMG acquisition and display system to collect the sEMG, and nake the acquisition of sEMG as the the detection of muscle fatigue.The following presents the prime work in this article:

(1) Study on the methods of rehabilitation evaluation. To avoid the traditional measurement methods, using a set real-time, tracking of the leg movement data of hardware equipment, access to the corresponding parameters of the kinematic parameters.The kinematic parameters obtained in this paper are the joint motion degree and the angular velocity of the joint, and the active angle is expressed by the curve

(2) Study of muscle fatigue assessment methods. Observing the change trend of the characteristic parameter values before and after muscle fatigue through the MATLAB simulation. Finally, the root mean square value, the EMG integral value and the average power frequency are realized as the basis of the fatigue test.

(3) Design of a lower limb rehabilitation evaluation system. An user-friendly GUI software which integrates all the rehabilitation evaluation and muscle fatigue testing methods is established, and it realizes the most simple system of rehabilitation assessment. Which also can analysis and display the sEMG and kinematic data during the exercise of patients and therapists can assess the effect of patient’s rehabilitation training in real-time according to the results of the display.

Key Words: rehabilitation evaluation, range of motion, sEMG, muscle fatigue

目录

第1章 绪论 1

1.1研究的背景与意义 1

1.2 康复评估方法的国内外研究现状 2

1.3 研究内容和结构安排 3

第2章 康复评估系统硬件设备 5

2.1 关节活动度数据采集设备 5

2.2 表面肌电信号采集设备 7

2.3 本章小结 8

第3章 康复评估方法研究 9

3.1 基于运动学的康复评估方法 9

3.1.1 关节活动度 9

3.1.2 步速 10

3.2 基于表面肌电信号的肌肉疲劳评估方法 10

3.2.1 肌肉疲劳特征参数指标 10

3.2.2 肌肉疲劳实验 13

3.3 本章小结 15

第4章 下肢康复评估系统的设计 16

4.1系统各模块 16

4.1.1 肌电信号显示模块 16

4.1.2 康复评估方法模块 17

4.1.3 控制模块 17

4.2 系统测试 18

4.2.1肌肉疲劳指标测试 18

4.2.2运动学参数指标测试 20

4.3 本章小结 20

第5章 总结和展望 22

5.1 全文工作总结 22

5.2 下一步工作展望 22

参考文献 23

致谢 25

第1章 绪论

1.1研究的背景与意义

服务型机器人的类型与日俱增，大大的影响了现代人的生活。而随着我国老龄化附带的不可避免的机体功能障碍问题以及常见的肌肉或神经性疾病，如中风、偏瘫等，导致机体功能的丧失等的出现，使得康复医疗机器人也逐渐进入人们的视野。相对于上述的病症问题，为了恢复患者的健康机制，康复训练是非常重要的一环。而传统的康复训练模式存在着很多弊端，例如需要大量的人工并且康复治疗周期太长，短期内难以见效，也对康复训练效果有所影响。而且传统的治疗方法对治疗师的要求很高，首先其需要承受很大的劳动负荷，其次对治疗师体力也要有很高的要求的，由于治疗师体力的影响，患者的训练强度将没有充分的保证，训练效果也会受到一定程度的影响。在传统的康复训练过程中，理疗师只能通过目测和经验进行康复效果评估，无法精确的掌握患者的具体情况，也没有获得患者的实际训练参数，使得患者的康复效果和训练方案的实时改进受到阻碍。现在康复医疗机器人的使用已经可以逐步改善这些弊端，康复医疗机器人不存在“疲倦”，运用了新型的康复模式，可以帮助患者进行康复训练减轻治疗师的任务以外，也可以帮助制定适宜的、有针对性的康复训练策略，在一定程度上加速患者运动功能的恢复，达到快速康复的效果。目前已有较多类型的康复机器人受到临床医学的青睐，如一些四自由度的外骨骼类型的机器人和多自由度下肢康复训练机器人，因此，应用先进的康复治疗技术，研制康复医疗机器人，具有重大的现实意义和应用前景。

而本文研究的康复效果的评估方法是康复医疗机器人的重要组成部分，对康复医疗机器人的基础研究和临床应用具有重要的意义。医师对康复训练后的病人进行康复效果评估，拟定适宜的有针对性的功能训练计划，使病人在较短的时间内获得最佳的康复效果。