康复训练中基于sEMG的躯干补偿检测

1华南理工大学机械与汽车工程学院，中国广州

2中国广州华南理工大学吴智能工程学院

3广州中山大学附属第三医院康复医学科

脑卒中患者在上肢康复训练中经常使用躯干来补偿上肢运动功能受损，这导致康复训练效果降低。检测躯干补偿可以提高康复训练的效果。本研究探讨了基于表面肌电图的躯干补偿检测（sEMG-bTCD）方法的可行性。招募了5名具有认知和理解能力的健康受试者和9名中风受试者参与实验。在三项无补偿和三种常见躯干补偿[前倾（LF）、躯干旋转（TR）和肩部抬高（SE）]的康复训练任务（前后伸、左右伸和上下伸）中，收集了来自九块浅表躯干肌肉的sEMG信号。进行滤波、主动段检测等预处理，并从收集的sEMG信号中提取五个时域特征（均方根、方差、平均绝对值（MAV）、波形长度和四阶自回归模型系数）。使用支持向量机（SVM）分类器在健康参与者中获得了优异的TCD性能（LF：准确度=94.0%，AUC=0.97，F1=0.94；TR：准确度95.8%，AUC=0.099，F1=0.96；SE：准确度=100.0%，AUC=1.00，F1=1.00），还获得了中风参与者的TCD表现（LF：准确度=74.8%，AUC=0.90，F1=0.73；TR：准确度=67.1%，AUC0.85，F1=0.71；SE：准确度=91.3%，AUC0.98，F1=0.90）。与基于相机或惯性传感器的方法相比，健康和中风参与者都获得了更好的检测性能。结果证明了sEMG-bTCD方法的可行性，有助于提示脑卒中患者纠正错误姿势，从而提高康复训练的有效性。

介绍

中风是世界上致残的主要原因之一（Burton et al.，2018），约80%的中风患者伴有上肢运动功能障碍（如肌肉无力、姿势控制异常和肢体协调运动异常）。上肢运动功能障碍严重影响中风患者的日常生活和工作（Hatem et al.，2016）。许多临床实践表明，康复训练能有效促进上肢运动功能障碍的恢复（Zhang et al.，2015）。然而，在康复训练期间，患者通常通过恢复完整的躯干肌肉和关节来补偿受损的上肢（Cirstea和Levin，2000）。这种补偿运动被称为躯干补偿。根据躯干的不同运动特征，常见的躯干补偿有三种：前倾（LF）、躯干旋转（TR）和肩部抬高（SE）（Dolatabadi et al.，2017）。无论补偿类型如何，躯干补偿都会降低康复训练的效果，阻碍上肢运动功能障碍的恢复（Levin等人，2009）。

为了提高康复训练的有效性，应采取措施检测躯干补偿。在早期研究中，身体约束（Michaelsen和Levin，2004；Pain等人，2015；Greisberger等人，2016）使用带子或特殊线束应用于中风患者的躯干，将患者的躯干约束在椅子上，而不进行补偿。躯干补偿的这些限制可以改善患者的手臂功能（Wee等人，2014）。然而，患者的康复训练是重复和密集的。长期的身体约束会导致不适和焦虑。此外，一旦康复训练超过了患者的运动范围，很可能会给患者带来压力。因此，在没有躯干约束的情况下，利用检测技术检测躯干补偿对脑卒中患者更合适、更有效。

目前，可穿戴惯性传感器（Najafi et al.，2003）或相机（Bakhti et al.，2018）主要用于检测躯干补偿。尽管可穿戴惯性传感器系统通常用于评估和监测中风患者的上肢运动能力（Zhang et al.，2012；Urbin et al.，2015），但一项初步研究表明，可以通过惯性传感器识别补偿策略（Salazar et al.，2014）。例如，Ranganathan等人（2017）使用了两个可穿戴惯性传感器来对尽管可穿戴惯性传感器系统通常用于评估和监测中风患者的上肢运动能力（Zhang et al.，2012；Urbin et al.，2015），但一项初步研究表明，可以通过惯性传感器识别补偿策略（Salazar et al.，2014）。例如，Ranganathan等人（2017）使用了两个可穿戴惯性传感器来对