上肢肩肘关节运动功能的综合性运动学评价指标

ISSN 100020054 CN 1122223öN 　 清华大学学报 (自然科学版)J T singhua U niv (Sci & T ech) , 2006 年 第 46 卷 第 2 期2006, V o l. 46, N o. 2 4ö351722175 　 上肢肩肘关节运动功能的综合性 运动学评价指标 阳小勇1, 　王子羲1, 　季林红1, 　毕　胜2 (1. 清华大学 精密仪器与机械学系, 摩擦学国家重点实验室, 北京 100084; 2. 解放军总医院 康复医学科, 北京 100853) 收稿日期: 2005203210 基金项目: 国家“八六三”高技术项目 (2002AA 420100) 作者简介: 阳小勇 (19802) , 男 (汉) , 湖南, 硕士研究生。 通讯联系人: 季林红, 教授, E2m ail: jilh@m ail. tsinghua. edu. cn 摘　要: 为了解决在神经康复机器人技术中实时定量进行 运动功能评价的问, 提出了一个综合考虑了方向控制特 征、运动范围, 以及速度控制特征的运动学评价指标, 用于评 价偏瘫患者上肢肩肘关节的运动功能水平。以清华大学开发 的复合运动神经康复机器人为平台, 对 8 位偏瘫患者进行临 床测试实验, 优化了该指标中各特征的加权影响系数, 并利 用该综合性运动学评价指标对验证组的偏瘫患者进行了量 化打分。结果表明, 该综合性运动学评价指标与临床常用的 Fugl2M eyer 量表具有较高的相关性, 可以用来定量表达肩 肘关节运动功能, 并且可以实现在线的实时检测。 关键词: 神经康复; 运动功能评价; 运动学; 复合运动 中图分类号: R 49; T P 24 文献标识码: A 文章编号: 100020054 (2006) 0220172204 K inema tics index for m otor-funct ion eva lua t ion of shoulder and elbow jo in ts YANG Xia oyong1, W ANG Z ixi1, J IL inhong1, B I S he ng2 (1. State Key Laboratory of Tr ibology, D epartmen t of Prec ision In strumen ts and M echanology, Tsinghua Un iversity, Beij ing 100084, Ch ina; 2. D epartmen t of Rehabil itation M edic ine, Chinese General Hospita l of PLA , Be ij ing 100853, China) Abstract: A k inem at ics evaluation index w as developed fo r real2t im e, quantificat ional mo to r2funct ion evaluations in the neuro2rehabilitat ion robo t techn ique. T he characterist ics of the direct ion con tro l, the movem ent range and the velocity con tro l are considered in the index w h ich has been used to evaluate mo to r2functions in hem ip legia patien ts’ shoulder and elbow jo in ts. C lin ical tests w ith 8 hem ip legia patien ts using a comp lex mo tion neuro2rehabilitat ion robo t w ere used to op tim ize the coefficients of the characterist ics in the index. Evaluation of the hem ip legia pat ien ts in the validat ion group show ed that the k inem atics evaluation index co rrelates w ell w ith the Fugl2M eyer A ssessm en t, can quant ify the mo to r2funct ions of shoulder and elbow jo ints, and can app ly on line. Key words: neuro2rehab ilitat ion; mo to r2function evaluation; k inem atics; comp lex mo tion 对运动功能进行评价, 是偏瘫患者康复过程中 的一项重要内容[ 1 ]。目前临床使用的评价包括 Fugl2M eyer 量表和A shw o rth 评分等。这些方法存 在检测动作过多、检测和数据统计比较费时、以及病 人容易疲劳等缺点[ 2 ]。随着神经康复机器人[ 3, 4 ]技术 的发展, 开发实时定量的运动功能评价设备和 方法[ 5 ] , 以替代传统的量表形式的评价手段, 成为神 经康复机器人技术中的关键内容。 近年来, 国外已相继研制了一些运动功能自动 评价设备[ 6 8 ] , 可以对脑损伤后上肢肩肘关节协同和 运动受限进行定量评价, 但是, 上述设备只对某些单 项的运动功能进行了定量评价。 本文以清华大学研制的上肢复合运动神经康复 机器人[ 9 ]为测试平台, 提出了一种以运动学特征为 依据的评价偏瘫患者上肢肩肘关节运动功能水平的 综合性运动学评价指标。 1　综合性运动学评价指标 运动功能是人体完成运动的综合能力, 决定偏 瘫患者运动功能水平的内部生理条件主要包括肌内 协调性、肌肉和肌群之间的协调性、肌张力异常水平 和关节活动度等。由于技术条件的限制, 很难对患者 的这些生理条件水平进行直接的检测和评价, 临床 中一般通过患者完成特定动作时的运动学特征来评 价其运动功能。 在上肢肩肘关节共同参与的上肢复合运动中, 通过记录到的上肢端部运动轨迹, 可以提取出运动 学特征, 包括方向控制特征、运动的范围和速度控制 特征等。上述单项运动学特征与前面提到的决定偏 瘫患者运动功能的各个内部生理条件之间, 有着不 同程度的关联, 其中, 影响方向控制能力的主要内在 因素是肌肉和肌群之间的协调性, 运动的范围特征 主要受肌张力异常水平和关节活动范围的影响, 运 动速度控制特征主要受肌内协调性的影响。 本文以推直线复合运动为规定测试动作, 提取 推直线运动中的 4 个运动学特征, 以此为基础提出 一个综合性运动学评价指标。然后通过偏瘫患者的 临床实验对该指标中的各加权影响系数进行优化, 并利用优化后的该指标对验证组的偏瘫患者进行打 分, 以验证该指标的合理性。 1. 1　规范测试动作 上肢推直线复合运动的目标轨迹, 是经过胸骨 剑突的水平面和经过测试侧肩关节的矢状面的交 线。在经过胸骨肩突的水平面建立平面坐标系, 如图 1 所示。A 点为受试者腕手部在躯干固定条件下的 远端极限位置, 即目标轨迹的远端, B 点为近端极 限位置, 即目标轨迹的近端, 目标轨迹为A 点到B 点的直线。测试时, 受试者可以看到目标轨迹的位 置, 以及实际运动过程中上肢远端的轨迹 (下面简称 为实际轨迹)。测试过程中要求受试者上肢在A B 直 线区间内用最大速度做往复的屈曲和伸展动作。 图 1　推直线所在平面坐标系 1. 2　运动学特征的提取 实际轨迹上的采样点序列表示为: {x k , y k }, k= 1, 2, 3, ⋯,m , m 为采样点数, 采样周期为 T。对 推直线运动各运动学特征分别进行提取。 1) 方向控制特征 rx 1 rx 1 = 1 1 + R x 1 , 其中, R x 1 = 1 m - 1∑ m k= 1 x k - 1 m ∑ m k= 1 x k 2 yA - yB , 表示了实际轨迹横向方差与目标轨迹纵向范围 的比值。 2) 运动范围特征 rx 0、ry 1 rx 0 = 1 1 + R x 0 , 其中, R x 0= 1 m ∑ m k= 1 x k - x A y A - y B , 表示了实际轨迹与目 标轨迹横向平均距离与目标轨迹纵向范围的比值。 ry 1 = m in y A , m ax 1≤k≤m {y k } - m ax y B , m in 1≤k≤m {y k } y A - y B , 表示了推直线实际轨迹纵向范围和目标轨迹纵向范 围的比值。 3) 速度控制特征 ry 0 ry 0 = R y 0 v lim , 其中: R y 0= 1 m - 1∑ m k= 2 y k - y k- 1 T , v lim = 1m ös。R y 0 表示了推直线运动沿目标轨迹方向的平均速度, v lim表示人手臂运动速度的极限值。 上述特征数值越接近 1, 反映出被测试人相关 的单项运动功能越好。 1. 3　综合性运动学评价指标的提出 综合性运动学评价指标定义为 1. 2 节所述 4 个 运动学特征值分别加权后之和, 表示为 rx y = (rx 1, rx 0, ry 1, ry 0)õw , 其中, w = (w 1, w 2, w 3, w 4) T 为加权影响系数数组, w i, i= 1, 2, 3, 4 分别为各单项运动学特征在综合性 运动学评价指标中的加权影响系数。w 的优化值 w 3 的选取原则为 Fugl2M eyer 综合评分值[ 10 ]与综合 性运动学评价指标值之间的差方最小。 对偏瘫患者进行 n 人次推直线测试, 分别检测 并计算患者的上肢肩肘关节运动功能的 Fugl2 M eyer 综合评分值和综合性运动学评价指标, 得 F = (f 1, f 2, ⋯, f n) T , 其中, f i 为第 i 人次的 Fugl2M eyer 评分值; R x y = (rx y 1, rx y 2, ⋯, rx y n) T , 其中, rx y i为第 i 人次的综合性运动学评价指标数。 将R x y写为 R x y = Rõw , 其中, R = rx 11 rx 01 ry 11 ry 01 rx 12 rx 02 ry 12 ry 02    rx 1n rx 0n ry 1n ry 0n . 371阳小勇, 等: 　上肢肩肘关节运动功能的综合性运动学评价指标 　　将 Fugl2M eyer 评分值数组 F 与综合性运动学 评价指标数组 R x y 之间的差别用二者的差方 E (w ) 表示: E (w ) = ‖F - Rõw‖22. 　　w 的选取原则为 F 与 R x y 之间的差方 E (w ) 最 小, 即 ‖F - Rõw 3 ‖22 = m in‖F - R õw‖22, 其中w 3 是 E (w )的最小极值点。 加权影响系数数组优化值w 3 通过求解方程组9E9w i = 0, 　i = 1, 2, 3, 4 (1) 获得。 2　实验研究 首先, 以一组偏瘫患者实验所得数据为依据, 计 算得到w 3 。然后, 利用得到的w 3 对验证组的偏瘫 患者进行打分, 来评估综合性运动学评价指标的临 床实用性。 2. 1　被测试人员情况 在中国康复研究中心, 以清华大学设计开发的 上肢复合运动神经康复机器人为实验平台, 对 8 名 偏瘫患者和验证组的 6 名偏瘫患者进行了实验研 究。8 名偏瘫患者的情况如下: 7 例男性, 1 例女 性; 年龄: (43. 8±19. 4) 岁; 脑外伤 2 例, 脑出血 3 例, 脑梗塞 3 例。验证组的 6 名患者情况如下: 5 例 男性, 1 例女性; 年龄: (34. 8±19. 8) 岁; 脑外伤 4 例, 脑出血 1 例, 脑梗塞 1 例。被测试人了解实验的 目的与过程, 被测试人及其监护人同意参加测试。 2. 2　实验过程 对于 8 名偏瘫患者, 安排共计两次测试, 两次测 试之间安排 4 个星期的机器人辅助运动训练。患者 测试内容包括上肢肩肘关节运动功能的 F ug l2 M ey er 综合评分和综合性运动学评价指标评分。作 为验证组的偏瘫患者, 只进行了一次内容为综合性 运动学评价指标评分和 F ug l2M ey er 评分的测试。 进行综合性运动学评价指标测试时, 受试者的 待测上肢的腕手部由机器人机械臂前端的手托支 撑, 机械臂前端可以自由地在水平测试平面内随患 者肢端一同移动, 受试者主动完成水平平面内推直 线动作。要求受试者和计算机显示的测试界面进行 视觉交互[ 11 ] , 测试界面内实时显示实际运动轨迹和 目标运动轨迹。受试者以最大速度沿目标轨迹往复 做推直线运动, 尽量保障二者的重叠。 3　实验结果和讨论 将 8 名患者测试实验的数据 rx 1i、rx 0i、ry 1i、ry 0i 和 f i (n= 16)代入方程组 (1) , 解得w 3 = (7. 517 9　 3. 974 3　5. 160 0　43. 452 5) T。从解得的最优解 w 3 可以看出: ry 0在综合性运动学评价指标中所占 的权重最大, rx 1、ry 1次之, rx 0所占的权重最小。这 说明在对偏瘫患者上肢肩肘关节运动功能的评价 中, 主动和拮抗肌群的肌内协调能力处于相当重要 的地位, 对运动功能水平的影响最大。 利用优化的综合性运动学评价指标对验证组的 6 名偏瘫患者进行打分, 结果如图 2 所示。统计结果 表明, 偏瘫患者的综合性运动学评价指标得分向量 R x y 和 Fugl2M eyer 得分向量 F 之间的相关性系数Θ= 0. 844 4。这说明 rx y作为评价偏瘫患者上肢肩肘 关节运动功能的综合性运动学评价指标和传统的 Fugl2M eyer 评价结果具有较强的相关一致性, 综合 性运动学评价指标可以替代传统的上肢肩肘关节运 动功能评价方法, 并且可以实现在线的实时检测。 图 2　验证组 6 名患者上肢肩肘的综合性运动学评价 指标得分和 Fugl-M eyer 得分的分布图 4　结　论 本文提出了一种偏瘫患者上肢肩肘关节运动功 能的综合性运动学评价指标, 该指标由方向控制特 征、运动范围、以及速度控制特征加权组合而成。本 文设计了该综合性运动学评价指标中加权影响系数 的优化方法。优化后的综合性运动学评价指标对验 证组的偏瘫患者的上肢肩肘关节运动功能进行了打 分, 其结果和临床 Fugl2M eyer 评价结果具有较高 的相关一致性 (Θ= 0. 844 4) , 此外, 该方法操作简 单, 可以实现在线的实时检测, 预计很快会在机器人 辅助临床检测中得到应用。 471 清 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 2006, 46 (2) 参考文献　 (References) [ 1 ] 秦茵, 毕胜, 王福根. 脑卒中上肢功能常用评价方法及临床 应用 [J ]. 中国康复医学杂志, 2004, 19 (3) : 232 233. 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(上接第 171 页) 　　1) 圆形标志点的半径对圆心的偏差有较大的 影响, 在实际使用中, 标志点的大小要尽量小一些, 但要保证在图像中能正确识别出来。 2) 平移向量中的 T x、T y 项对水平方向偏差和 垂直方向的偏差一个为线性的, 一个是没有影响的。 平移向量中的 T z 项对水平方向偏差和垂直方向偏 差有很大的影响, 这个影响实际上是与圆的半径相 对应的。圆的半径减小与 T z 值增大都能使得偏差 变小。 3) 旋转角对偏差的影响要复杂一些, 但三个旋 转角的变化对偏差的影响都较小。 由上面的分析可以看出: 在一般情况下, 由于 圆心偏差带来的误差是较小的, 可以不考虑其影响。 4　结　论 本文提出了一种非接触三维扫描技术中圆形编 码标志点的设计与检测方法。并探讨了该编码标志 点由于投影造成的圆心偏差问题。实验证明: 该标志点方法编码简单, 便于扩展, 易于识别, 达到 了三维检测数据拼接的要求。 参考文献　 (References) [ 1 ] W illiam s J A , Bennamoun M , L atham S. M ult ip le view 32D registration: a review and a new technique [A ]. P roceedings of the IEEE In ternational Conferences on System s, M an and Cybernetics [C ]. Tokyo, 1999, 3: 497 502. [ 2 ] A hn S J , R auh W. C ircu lar coded target fo r au tom ation of op tical 3D 2m easurem ent and cam era calib ration [J ]. In ternational J ou rnal of P attern R ecog nition and A rtif icia l In telligence, 2001, 15 (6) : 905 919. [ 3 ] A hn S J , Schu ltes M. 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