基于Teager-Kaiser能量算子与自适应双阈值的上肢痉挛状态评定系统
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１ 资 料 与 方 法 １．１ 评 测原理
ＴＫＥＯ是 由Ｋａｉｓｅｒ提 出的一种非线性 算子 ，它能有效 提
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－１２４２．２０１８．１１，０１６ 基金项 目：国家 自然科学基金项 目（５１２７９０４４）；市级科技计划重点项 目（２０１５ｃｙ０４）
态 评 定 量 表 ，如 改 良 Ａｓｈｗｏ￣ｈ量 表 （ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ａｓｈｗｏ￣ｈ ｓｃａｌｅ，ＭＡＳ），其评定结果 主要依赖评定 者主观判断且量表本 身对 于痉挛 状态 的划 分描述也 比较模糊 ，难 以满足客 观 、精 确 的痉挛状态评定要求 。
有研究者认 为 ，痉挛状态定量评估最直接 和实 际可行 的方法是从痉 挛状 态机制研究 出发 ，对 牵张反射 阈值及反射 增 益 或相 关 参 数做 出识 别 。文 献 证 明［８－９］，表 面肌 电信 号 （ｓｕｒｆａｃｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍｙｏｇｒａｐｈｙ，ｓＥＭＧ）可有效地表征 出牵张反射 阈值 （ｓｔｒｅｔｃｈ ｒｅｆ ｌｅｘ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ，ＳＲＴ）且痉 挛状 态 患者 的 ＳＲＴ 与其 痉挛状态显著相关 。ＳＲＴ指牵张反射过程 中 ，牵张反射 起 始点 （ｓｔｒｅｔｃｈ ｒｅｆ ｌｅｘ ｏｎｓｅｔ，ＳＲＯ１，即运 动神 经元 募集 开始 时 ，ｓＥＭＧ信 号开始变化时对应 的关节角度 。但 目前常 见 的 ＳＲＯ识别 方法主要 为基 于医生经 验的视觉识别 法与基 于 时域 参数 的判断 法 。基于 医生经验 的视觉 识别法 主观性 过大 ；ｓＥＭＧ微弱且 易受 干扰 ，单纯 的时 域分析 方法对 肌 电
中圈属夏匡 志 ２ｏ１８￣，第３３卷，第ｌ１期
· 康 复 工 程 ·
基于 Ｔｅａｇｅｒ—Ｋａｉｓｅｒ能量算子与 自适应双 阈值的 上肢痉挛状态评定 系统
胡保 华 穆 景颂 。 朱 宗俊 王 勇
摘 要 目的 ：结合改 良Ａｓｈｗｏｒｔｈ量表（ＭＡＳ）与表面肌 电（ｓＥＭＧ）信号特性 ，设计基 于 Ｔｅａｇｅｒ－Ｋａｉｓｅｒ￣，量算子（ＴＫＥＯ）与 自适 应双 阈值 的上肢 痉挛状态评定 系统 ，解决临床痉挛状态评定主观性大 的问题 ，提高痉挛 状态评定 的信度 与效度 。 方 法 ：提 出一 种牵 张反射 阈值 （ｓＩ ）测 试方 法 ，设 计 了评定 系统 ：利用 ＴＫＥＯ处 理肱二 头肌 ｓＥＭＧ，根据 ｓＥＭＧ的 ＴＫＥＯ信号幅值及变 化率设定 自适 应双 阈值判定 牵张反射起始 点（ｓＲＯ），然后联合关 节角度判定 ＳＲＴ，探 索其与痉 挛状态 的关 系。２５名 受试 者参 与了此试 验。 结果 ：自适应 双阈值判 定算法能够 有效地识 别 ＳＲＯ（识别 率：９６％）且 ＳＲＴ能够反 映痉挛状态 ，与ＭＡＳ评 分显著相 关 ，相关性 满 足 （ ．０．９０４，Ｐ＜０．叭 ）与 （ 一０．９０２，Ｐ＜０．０１），组 内相 关 系数（Ｉｃｃ）显示 重测信 度为 ０．９１５，同时 Ｂｌａｎｄ． Ａｌｔｍａｎ分析显示 ９５．６５％点位 于一致性 界限（ＬｏＡ）范 围内。 结论 ：该系统可为上肢痉挛状态评定提供一种客观定量 的分析手段 ，并 为后续 实时监测痉挛状态提供理论基础 。 关键词 痉 挛状态 ；ｓＥＭＧ；Ｔｅａｇｅｒ－Ｋａｉｓｅｒ￣量 算子 ；定量评定 中 图分 类 号 ：ＴＰ３９１．４，Ｒ４９６ 文 献 标 识 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：１００１—１２４２（２０１８）一１１．１３３３—０５
检测 上 。 本文分析上肢屈肌痉挛状态患者上肢被动伸展过程 中肱
二头肌 ｓＥＭＧ特点 ，针对 ＳＲＯ后 ｓＥＭＧ信号对应 ＴＫＥＯ幅值 与幅值变化速率均变大的特征 ，提出了基于 ｓＥＭＧ信号 ＴＫＥＯ 的幅值与变化率 的 自适应双 阈值 的 ＳＲＯ判断方法 ：首先计 算 ｓＥＭＧ的 ＴＫＥＯ，整流后利用固定长度的滑动窗对 ＴＫＥＯ信 号进行分帧 ，根据每帧信号 中每点ＴＫＥＯ值 以及变化率 ，设定 自适应双 阈值确定 ＳＲＯ，然后联合关节角度确定 ＳＲＴ，并分析 了 ＳＲＴ与痉挛状态 的关系 ，以及该 方法的重测信度。本研 究 旨在探讨 上肢痉挛状态 的定量评定 ，为痉挛状态患者的药物 治疗 及康 复 方 案 的制 定 等提 供 更加 定 量 与精 细 的依 据 。
信号的解 析能力会 有所不足 ，容易 出现误判。 Ｔｅａｇｅｒ－Ｋａｉｓｅｒ能 量 算 子 （Ｔｅａｇｅｒ－Ｋａｉｓｅｒ ｅｎｅｒｇｙ ｏｐｅｒａ．
ｔｉｏｎ，ＴＫＥＯ） ”最初提 出用于处理音频信 号 ，Ｌｉ等 将 其应用 于 ｓＥＭＧ以抑 制肌 电基 线噪声 并扩 大肌 肉活 动时的运 动单 位能量 ，Ａ Ｒａｍｉｒｅｚ．Ｇａｒｃｉａ等 已将其应用 于肌 电信号 突变点
脑 卒 中后 痉挛状态 是影响脑 卒 中患 者运动功 能恢复 的 主要原 因 ，目前广泛接受 的痉 挛状 态定义为一种 因牵 张反射 兴奋 性增 高导致 的以速度依赖 性肌张力 增高为特 征 的运 动 障碍 ］。客 观 、精 细的痉挛状 态评定在脑 卒 中患 者的临床康 复 中起着 至关 重要 的作 用 。但 目前临床常用等级式痉挛状
１ 合肥工业大学机械工程学院 ，合肥 ，２３０００９；２ 安徽省立 医院康复 医学科 ；３ 安徽中医药大学第一 附属医院针灸康 复科 ；４ 通讯作者 作者简介 ：胡保华 ，男 ，在读博士生 ；收稿 日期 ：２０１７．１１．２２
ＷＷＷ．ｒｅｈａｂｉ．ｃｏｒｎ ．ｃｎ １３３３
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ’Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ，Ｎｏｖ．２０１８，Ｖｏ１．３３．Ｎｏ．１
取 信号 的瞬时能量 ，对信号瞬时变化具有 良殳于的日、』ｒ口Ｊ分辨 率”。。 ｒ。ＴＫＥＯ只需 信号
图 １ 系统 总 体 框 图 ■个采样点 ．即可快速跟踪信号的幅值和 角频率 变 化 ．计算 实 现简单 、运 算量 小 对于任意离散 时间信 号Ｘ（ｎ）．萁 ＴＫＥＯ能
ＴＫＥＯ是 由Ｋａｉｓｅｒ提 出的一种非线性 算子 ，它能有效 提
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－１２４２．２０１８．１１，０１６ 基金项 目：国家 自然科学基金项 目（５１２７９０４４）；市级科技计划重点项 目（２０１５ｃｙ０４）
态 评 定 量 表 ，如 改 良 Ａｓｈｗｏ￣ｈ量 表 （ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ａｓｈｗｏ￣ｈ ｓｃａｌｅ，ＭＡＳ），其评定结果 主要依赖评定 者主观判断且量表本 身对 于痉挛 状态 的划 分描述也 比较模糊 ，难 以满足客 观 、精 确 的痉挛状态评定要求 。
有研究者认 为 ，痉挛状态定量评估最直接 和实 际可行 的方法是从痉 挛状 态机制研究 出发 ，对 牵张反射 阈值及反射 增 益 或相 关 参 数做 出识 别 。文 献 证 明［８－９］，表 面肌 电信 号 （ｓｕｒｆａｃｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍｙｏｇｒａｐｈｙ，ｓＥＭＧ）可有效地表征 出牵张反射 阈值 （ｓｔｒｅｔｃｈ ｒｅｆ ｌｅｘ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ，ＳＲＴ）且痉 挛状 态 患者 的 ＳＲＴ 与其 痉挛状态显著相关 。ＳＲＴ指牵张反射过程 中 ，牵张反射 起 始点 （ｓｔｒｅｔｃｈ ｒｅｆ ｌｅｘ ｏｎｓｅｔ，ＳＲＯ１，即运 动神 经元 募集 开始 时 ，ｓＥＭＧ信 号开始变化时对应 的关节角度 。但 目前常 见 的 ＳＲＯ识别 方法主要 为基 于医生经 验的视觉识别 法与基 于 时域 参数 的判断 法 。基于 医生经验 的视觉 识别法 主观性 过大 ；ｓＥＭＧ微弱且 易受 干扰 ，单纯 的时 域分析 方法对 肌 电
中圈属夏匡 志 ２ｏ１８￣，第３３卷，第ｌ１期
· 康 复 工 程 ·
基于 Ｔｅａｇｅｒ—Ｋａｉｓｅｒ能量算子与 自适应双 阈值的 上肢痉挛状态评定 系统
胡保 华 穆 景颂 。 朱 宗俊 王 勇
摘 要 目的 ：结合改 良Ａｓｈｗｏｒｔｈ量表（ＭＡＳ）与表面肌 电（ｓＥＭＧ）信号特性 ，设计基 于 Ｔｅａｇｅｒ－Ｋａｉｓｅｒ￣，量算子（ＴＫＥＯ）与 自适 应双 阈值 的上肢 痉挛状态评定 系统 ，解决临床痉挛状态评定主观性大 的问题 ，提高痉挛 状态评定 的信度 与效度 。 方 法 ：提 出一 种牵 张反射 阈值 （ｓＩ ）测 试方 法 ，设 计 了评定 系统 ：利用 ＴＫＥＯ处 理肱二 头肌 ｓＥＭＧ，根据 ｓＥＭＧ的 ＴＫＥＯ信号幅值及变 化率设定 自适 应双 阈值判定 牵张反射起始 点（ｓＲＯ），然后联合关 节角度判定 ＳＲＴ，探 索其与痉 挛状态 的关 系。２５名 受试 者参 与了此试 验。 结果 ：自适应 双阈值判 定算法能够 有效地识 别 ＳＲＯ（识别 率：９６％）且 ＳＲＴ能够反 映痉挛状态 ，与ＭＡＳ评 分显著相 关 ，相关性 满 足 （ ．０．９０４，Ｐ＜０．叭 ）与 （ 一０．９０２，Ｐ＜０．０１），组 内相 关 系数（Ｉｃｃ）显示 重测信 度为 ０．９１５，同时 Ｂｌａｎｄ． Ａｌｔｍａｎ分析显示 ９５．６５％点位 于一致性 界限（ＬｏＡ）范 围内。 结论 ：该系统可为上肢痉挛状态评定提供一种客观定量 的分析手段 ，并 为后续 实时监测痉挛状态提供理论基础 。 关键词 痉 挛状态 ；ｓＥＭＧ；Ｔｅａｇｅｒ－Ｋａｉｓｅｒ￣量 算子 ；定量评定 中 图分 类 号 ：ＴＰ３９１．４，Ｒ４９６ 文 献 标 识 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：１００１—１２４２（２０１８）一１１．１３３３—０５
检测 上 。 本文分析上肢屈肌痉挛状态患者上肢被动伸展过程 中肱
二头肌 ｓＥＭＧ特点 ，针对 ＳＲＯ后 ｓＥＭＧ信号对应 ＴＫＥＯ幅值 与幅值变化速率均变大的特征 ，提出了基于 ｓＥＭＧ信号 ＴＫＥＯ 的幅值与变化率 的 自适应双 阈值 的 ＳＲＯ判断方法 ：首先计 算 ｓＥＭＧ的 ＴＫＥＯ，整流后利用固定长度的滑动窗对 ＴＫＥＯ信 号进行分帧 ，根据每帧信号 中每点ＴＫＥＯ值 以及变化率 ，设定 自适应双 阈值确定 ＳＲＯ，然后联合关节角度确定 ＳＲＴ，并分析 了 ＳＲＴ与痉挛状态 的关系 ，以及该 方法的重测信度。本研 究 旨在探讨 上肢痉挛状态 的定量评定 ，为痉挛状态患者的药物 治疗 及康 复 方 案 的制 定 等提 供 更加 定 量 与精 细 的依 据 。
信号的解 析能力会 有所不足 ，容易 出现误判。 Ｔｅａｇｅｒ－Ｋａｉｓｅｒ能 量 算 子 （Ｔｅａｇｅｒ－Ｋａｉｓｅｒ ｅｎｅｒｇｙ ｏｐｅｒａ．
ｔｉｏｎ，ＴＫＥＯ） ”最初提 出用于处理音频信 号 ，Ｌｉ等 将 其应用 于 ｓＥＭＧ以抑 制肌 电基 线噪声 并扩 大肌 肉活 动时的运 动单 位能量 ，Ａ Ｒａｍｉｒｅｚ．Ｇａｒｃｉａ等 已将其应用 于肌 电信号 突变点
脑 卒 中后 痉挛状态 是影响脑 卒 中患 者运动功 能恢复 的 主要原 因 ，目前广泛接受 的痉 挛状 态定义为一种 因牵 张反射 兴奋 性增 高导致 的以速度依赖 性肌张力 增高为特 征 的运 动 障碍 ］。客 观 、精 细的痉挛状 态评定在脑 卒 中患 者的临床康 复 中起着 至关 重要 的作 用 。但 目前临床常用等级式痉挛状
１ 合肥工业大学机械工程学院 ，合肥 ，２３０００９；２ 安徽省立 医院康复 医学科 ；３ 安徽中医药大学第一 附属医院针灸康 复科 ；４ 通讯作者 作者简介 ：胡保华 ，男 ，在读博士生 ；收稿 日期 ：２０１７．１１．２２
ＷＷＷ．ｒｅｈａｂｉ．ｃｏｒｎ ．ｃｎ １３３３
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ’Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ，Ｎｏｖ．２０１８，Ｖｏ１．３３．Ｎｏ．１
取 信号 的瞬时能量 ，对信号瞬时变化具有 良殳于的日、』ｒ口Ｊ分辨 率”。。 ｒ。ＴＫＥＯ只需 信号
图 １ 系统 总 体 框 图 ■个采样点 ．即可快速跟踪信号的幅值和 角频率 变 化 ．计算 实 现简单 、运 算量 小 对于任意离散 时间信 号Ｘ（ｎ）．萁 ＴＫＥＯ能