技术领域：
本发明涉及一种肢体痉挛评测方法及实现该方法的装置。
背景技术：
痉挛是一种由牵张反射高兴奋性所致的、以速度依赖的、紧张性牵张反射增强伴腱 反射逾常为特征的运动障碍。对痉挛的治疗离不开对痉挛的评定，痉挛检测方法有主观 评定方法和客观评定方法。目前临床上应用最为广泛的主观评定量表是改良Ashworth 量表，该量表在临床上易于实现，但量表本身属于定性描述，评测主观性强，不能满足 客观精确的定量评定要求。而大型等速肌力测试系统、肌电仪等设备虽然可以满足客观 定量评定要求，但由于价格昂贵，操作复杂等因素的限制一直无法得到临床推广。
根据改良Ashworth量表描述:
表1改良Ashworth量表
表明肌张力变化情况与痉挛等级有直接关系，同时也表明加速度突然变化所对用的 角度，习惯上称之为牵张反射阈值角度的关节角度也与痉挛等级有直接关系。肌张力的 突然增高会导致运动过程中关节角加速度以及线加速度的突然变化，因此通过检测运动 过程中运动参数包括加速度速度以及角度的变化便可评估出痉挛等级。
发明内容：
为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种肢体痉挛评测方法及实现该 方法的装置，通过实时监测上肢肘关节角加速度或者前臂任意一点线速度突变对应的肘 关节角度以及肘关节角加速度或者前臂任意一点线加速度变化数据评估上肢痉挛程度，
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
一种肢体痉挛评测方法，实时获得上肢肘关节做伸展运动过程中肘关节角度、角速 度以及角加速度变化数值；设m为人体上肢前臂与手的质量，J代表人体上肢前臂转动 惯量，w为肘关节角速度，θ表示肘关节实时运动角度，ε表示肘关节角加速度，θall表示一个伸展周期的肘关节关节活动度；
①被测者根据要求实现肘关节从屈曲可达最大角度至伸展可达最大角度的伸展运 动；
②被测者根据要求在肢体相应位置放置相应传感器，确保可以获取检测过程中肘关 节角度、角速度以及角加速度数据；
③当肘关节根据要求做伸展运动时，肘关节受肘关节阻力矩以及动力矩综合作用， 根据角加速度与扭矩的关系，可得肘关节角加速度为：
ε＝M/J；(1)
式中M表示肘关节所受综合力矩；
伸展运动前期，肘关节做匀速运动，M动＝M阻，ε＝0；(2)
此时肘关节阻力矩可看作线性弹簧-质量-阻尼系统:
其中k表示为系统弹性系数，b表示为系统阻尼系数，
M动为变量，确保M动＝M阻，且在伸展过程中不会突变。
④当肘关节被动运动到一定角度θs时，如果痉挛发生，肘关节阻力突然瞬时增大， 设此时阻力矩为M阻+△M，此时，肘关节角加速度值为：
ε＝(M动–(M阻+△M))/J(4)
⑤由公式(1)(2)(3)(4)加速度变化值△ε＝-△M/J(5)；
其中，J为定值，△M为肘关节扭矩突变值。
⑥MAS量表(改良Ashworth量表)为常用痉挛评定量表，根据被测者肘关节阻力 变化情况(△M)以及阻力变化对应的关节角度θs评定痉挛，该方法能通过角加速度ε 数据以及肘关节阻力突变时角度数据θs/θall将MAS量表量化，从而定量评定出人体痉 挛程度。
利用肘关节伸展运动过程前臂任意一点线加速度突变对应的肘关节角度以及线加 速度变化数据定量评价痉挛；根据线加速度与角加速度关系：
a＝Lε；(6)
其中a表示线加速度，ε表示角加速度，L表示线加速度传感器距离肘关节长度；
根据(1)(2)(3)(4)(5)(6)可得：
△a＝-(L/J)*(△M)；(7)
其中，L、J为定值；根据被测者肘关节阻力变化(△M)以及变化对应的角度θs评 定痉挛，该方法能通过线加速度数据以及肘关节阻力突变时角度数据θs/θall将MAS量 表量化，从而定量评定出人体痉挛程度。
一种肢体痉挛评测装置，其包括：
前部活动支架和后部支撑支架，所述前部活动支架和后部支撑支架的相向端交错叠 合并通过连接轴铰接，所述连接轴的一端与前部活动支架固联，另一端固定连接有角度 采集模块，在所述前部活动支架的前端固定设置有加速度采集模块；所述角度采集模块、 加速度采集模块与主机处理模块通讯，主机处理模块与智能仪表通讯。
所述主机处理模块主要包括A/D转换模块、信号采集模块以及信号发送模块。
在所述前部活动支架上设有能沿其长度方向滑动的滑块，在所述滑块上固定设置有 前套筒，所述滑块能通过锁定螺栓锁定在前部活动支架上。
在所述前部活动支架上设有刻度，刻度的起始点朝向连接轴所在处。
在所述后部支撑支架上设有能沿其长度方向滑动的滑块，在所述滑块上固定设置有 圆筒形的护具，所述滑块能通过螺栓锁定在后部支撑支架上。
所述角度采集模块包括角度传感器以及信号调理模块，所述信号调理模块包括与角 度传感器电性连接的调理电路、与调理电路连接的A/D转换模块以及与A/D转换模块 连接的信号发送模块；
所述智能仪表包括信号接收模块、数据处理模块以及显示模块；所述信号接收模块 与信号发送模块通讯，信号接收模块与数据处理模块的输入端连接，显示模块与数据处 理模块的输出端连接。
所述加速度采集模块包括加速度传感器以及信号调理模块，所述信号调理模块包括 与加速度传感器电性连接的调理电路、与调理电路连接信号采集模块以及与信号采集模 块连接的的信号发送模块；
所述智能仪表包括信号接收模块、数据处理模块以及显示模块；所述信号接收模块 与信号发送模块通讯，信号接收模块与数据处理模块的输入端连接，显示模块与数据处 理模块的输出端连接。
一种前述所述评测方法的肢体痉挛评测装置，其特征在于包括：第一惯性传感器模 块和第二惯性传感器模块，两个所述传感器模块分别穿戴于上肢前臂与上臂上，检测过 程中通过两惯性传感器输出数据，根据空间相对关系以及线加速度与角加速度关系处理 得到肘关节角度、角加速度以及运动角速度；
所述第一惯性传感器模块、第二惯性传感器模块各自包括与惯性传感器电性连接的 调理电路、与调理电路连接的信号采集模块以及与信号采集模块连接的信号发送模块；
所述肢体痉挛评测装置还包括智能仪表，所述智能仪表包括信号接收模块、数据处 理模块以及显示模块；所述信号接收模块与信号发送模块通讯，信号接收模块与数据处 理模块的输入端连接，显示模块与数据处理模块的输出端连接；
设m为人体上肢前臂与手的质量，J代表人体上肢前臂转动惯量，w为肘关节角速 度，θ表示肘关节实时角度，ε表示肘关节角加速度，θall表示一个伸展周期的肘关 节关节活动度；
①被测者根据要求实现肘关节从屈曲可达最大角度至伸展可达最大角度的伸展运 动；
②被测者根据要求在肢体前臂与上臂相应位置放置惯性传感器，确保惯性传感器输 出加速度方向以及角速度方向沿着肘关节运动切线方向；
③当肘关节根据要求做伸展运动时，肘关节受肘关节阻力矩以及动力矩综合作用， 根据角加速度与扭矩的关系，可得肘关节角加速度为：
ε＝M/J；(8)
式中M表示肘关节所受综合力矩；
伸展运动前期，肘关节做匀速运动，M动＝M阻，ε＝0；(9)
此时肘关节阻力矩可看作线性弹簧-质量-阻尼系统:
其中k表示为系统弹性系数，b表示为系统阻尼系数，
M动为变量，确保M动＝M阻，且在伸展过程中不会突变。
检测过程中，根据惯性传感器沿肘关节运动切线方向输出角速度数据，通过角速度 与时间积分求出前臂在检测过程中转动角度△β，上臂在检测过程中转动角度△α，可 以求得伸展过程肘关节实时转动角度为：
θ = Δ α + Δ β = ∫ 0 t w 1 ( t ) d t + ∫ 0 t w 2 ( t ) d t ; - - - ( 11 ) ]]>
式中，w1(t)表示在检测过程中上臂惯性传感器输出角速度变化值，w2(t)表示在检 测过程中前臂惯性传感器输出角速度变化值，t表示转动时间，w1(t)+w2(t)可等效为肘 关节伸展角速度。
④当肘关节被动运动到一定角度θs时，如果痉挛发生，肘关节阻力突然瞬时增大， 设此时阻力矩为M阻+△M，此时，处理可得前臂惯性传感器输出为：
a＝(L/J)*(M动–(M阻+△M))；(12)
式中L表示前臂惯性传感器距离肘关节距离。
⑤由公式(9)处理可得加速度变化值△a＝(-L/J)*△M(13)；
其中，L、J为定值，△M为肘关节扭矩突变值。
⑥MAS量表(改良Ashworth量表)为常用痉挛评定量表，根据被测者肘关节阻力 变化情况(△M)以及阻力变化对应的关节角度θs评定痉挛，该方法能根据惯性传感 器输出数据，通过加速度a数据以及肘关节阻力突变时角度数据θs/θall将MAS量表 量化，从而定量评定出人体痉挛程度。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明肢体痉挛评测方法，通过检测肢体运动过程中运动参数变化：加速度变化以 及加速度变化对应的关节角度，便可判断痉挛程度。这种方法与现有的方法相比，易于 实现且操作简单。
本发明装置结构简单、体积小，易于操作，便于临床推广。
附图说明：
图1为本发明的实施例装置结构示意图；图2为实施例装置细节示意图；图3为本 发明的实施例信号采集系统总框图；图4是一个屈伸周期内肘关节角度变化以及前臂线 加速度变化情况。
图中标号：1加速度采集模块，2前部活动支架，3后部支撑支架，4外壳，5护具， 7防护海绵，8角度采集模块，10连接轴，11刻度，12前套筒，22锁定螺栓，32螺栓。
以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。
具体实施方式：
实施例1：本实施例的肢体痉挛评测装置，其包括：
呈扁平杆状结构的前部活动支架2和后部支撑支架3，该前部活动支架2和后部支 撑支架3的相向端交错叠合并通过连接轴10铰接，连接轴10的一端与前部活动支架2 固联，中部从后部支撑支架3的通孔中穿过，连接轴10的另一端固定连接有角度采集 模块8，在前部活动支架2的前端固定设置有加速度采集模块1；其中，角度采集模块 8、加速度采集模块1与主机处理模块通讯，主机处理模块与智能仪表通讯。
主机处理模块主要包括A/D转换模块、信号采集模块以及信号发送模块。
具体设置中，在前部活动支架2上设有能沿其长度方向滑动的滑块，在滑块上固定 设置有前套筒12，滑块能通过锁定螺栓22锁定在前部活动支架2上，套筒12内壁设 有缓冲垫，在前臂伸入套筒12内部时起保护作用，前部活动支架2上设有刻度，刻度 的起始点朝向连接轴10所在处，适应不同臂长的被测试者。
同样，在后部支撑支架3上设有能沿其长度方向滑动的滑块，在滑块上固定设置有 圆筒形的护具5，滑块能通过螺栓32锁定在后部支撑支架3上，护具内壁也设有缓冲 垫，在上臂伸入护具5内部时起保护作用。
实际应用中，角度采集模块8包括角度传感器以及信号调理模块，信号调理模块包 括与角度传感器电性连接的调理电路、与调理电路连接的A/D转换模块以及与A/D转 换模块连接的信号发送模块；
智能仪表包括信号接收模块、数据处理模块以及显示模块；所述信号接收模块与信 号发送模块通讯，信号接收模块与数据处理模块的输入端连接，显示模块与数据处理模 块的输出端连接。
同样，加速度采集模块1包括加速度传感器以及信号调理模块，所述信号调理模块 包括与加速度传感器电性连接的调理电路、与调理电路连接信号采集模块以及与信号采 集模块连接的的信号发送模块；
智能仪表包括信号接收模块、数据处理模块以及显示模块；所述信号接收模块与信 号发送模块通讯，信号接收模块与数据处理模块的输入端连接，显示模块与数据处理模 块的输出端连接。
本发明对上肢进行痉挛检测的工作过程：护具5可直接套在被测试者的上臂上，其 外侧有魔术贴；连接轴10处设有防护海绵7，该防护海绵处于肘关节的侧面，连接轴 10的外端固联角度采集模块8，模块外面设有保护外壳4。
检测前初始化加速度采集模块1、角度采集模块8。检测时先将装置穿戴在被测者 上肢，防护海绵7以及缓冲垫可防止肢体擦伤，保持测量过程舒适感；测试时需要确保 角度采集模块8的角度传感器与肘关节基本同轴，加速度采集模块1位于前臂任意一点 均可，需确保加速度传感器所测线加速度为肘关节伸展过程中加速度传感器所在点的前 臂切向线加速度；检测时，被测者上肢保持舒适状态，固定肘关节，牵引前臂，使上肢 肘关节借助外力做被动伸展运动。检测前期，肘关节阻力扭矩以及动力扭矩会随着关节 角度变化，但不会突变，确保此时肘关节做匀速运动。根据痉挛定义，肘关节运动至一 定关节角度时，肘关节扭矩会突然增大，此时动力矩不会跟随肘关节阻力矩突变，因此 此时肘关节角加速度会随着肘关节阻力矩突变而产生变化。
检测过程中，各传感器将检测到的数据通过调理电路处理，再进行模数转换后通过 信号发送模块发送，经智能仪表的信号接收模块接收后，由数据处理模块进行处理，将 上肢运动过程中肘关节角度变化情况、肘关节角速度情况，以及前臂加速度模块处加速 度变化情况进行实时数据存储。
测量结束后，智能仪表的数据处理模块可根据加速度变化值及其对应的肘关节角度 数据以及加速度变化数据评估上肢肘关节痉挛程度，并经显示模块显示出来。
检测方法及原理如下所述：设m为人体上肢前臂与手的质量，J代表人体上肢前臂 转动惯量，w为肘关节角速度，θ表示肘关节实时角度，ε表示肘关节角加速度，θall表示一个伸展周期的肘关节关节活动度；
①被测者根据要求实现肘关节从屈曲可达最大角度至伸展可达最大角度的伸展运 动；
②被测者根据要求在肢体相应位置放置相应传感器，确保可以获取检测过程中前臂 线加速度、肘关节角速度以及角度数据；根据线加速度与角加速度关系：
a＝Lε；(1)
其中a为加速度采集模块1输出，其大小可表示线前臂线加速度大小，ε表示肘关 节角加速度，L表示线加速度传感器距离肘关节长度；
③当肘关节根据要求做伸展运动时，肘关节受肘关节阻力矩以及动力矩综合作用， 根据角加速度与扭矩的关系，可得肘关节角加速度为：
ε＝M/J；(2)
式中M表示肘关节所受综合力矩；
伸展运动前期，肘关节做匀速运动，M动＝M阻，ε＝0；(3
此时肘关节阻力矩可看作线性弹簧-质量-阻尼系统:
其中k表示为系统弹性系数，b表示为系统阻尼系数，
M动为变量，确保M动＝M阻，且在伸展过程中不会突变。
④当肘关节被动运动到一定角度θs时，如果痉挛发生，肘关节阻力突然瞬时增大， 设此时阻力矩为M阻+△M，此时，肘关节角加速度值为：
ε＝(M动–(M阻+△M))/J(5)
⑤由公式(1)(2)(3)(4)(5)可得加速度变化值△a＝(-L/J)*(△M)(6)；
其中，J为定值，△M为肘关节扭矩突变值。
⑥MAS量表为常用痉挛评定量表，根据被测者肘关节阻力变化情况(△M)以及阻 力变化对应的关节角度θs评定痉挛，该实施例能通过加速度采集模块输出的加速度数 据a以及角度采集模块输出的肘关节阻力突变时角度数据θs/θall将MAS量表量化，从 而定量评定出人体痉挛程度。
图4所示为一个屈伸周期内肘关节角度变化以及线加速度变化情况.其中，箭头t1、 t2所指区域即是由于肘关节阻力突变所导致的加速度变化，t4与t5所指区域为伸展末 端以及屈曲起始段端由于开始运动和停止运动突变所造成的加速度变化.t1表示加速 度突变开始时间，t2表示加速度突变结束时间.考虑到线加速度与角加速度成正比关 系，为了后续计算方便，我们直接取t1-t2区间线加速度变化平均值为变量分析其与改 良Ashworth量表的相关性.
1)加速度信息提取
如图4所示，实验过程惯性传感器会受到重力影响，因此加速度突变变化区域包含 重力影响造成的加速度数据.根据改良Ashworth量表，肘关节运动到牵张反射阈值角度 时会突然卡住，此时肘关节运动范围在很小的一个范围，因此我们取t1、t2两点所示 的加速度值通过两点式求得的一元一次方程为基准，根据下式求出t1至t2期间加速度 变化平均值.
a = 1 t 2 - t 1 ∫ t 1 t 2 { f ( t 1 , t 2 ) - g ( t 1 , t 2 ) ] d t - - - ( 12 ) ]]>
其中，f(t1,t2)表示加速度突变时间内加速度变化情况，g(t1,t2)为上述一元一 次方程.
2)角度θs提取
取加速度突变最大值所对应的角度值θs，即图中t3所示加速度最大变化率对应的 角度.θ表示检测过程中上肢肘关节的关节活动度，取θs/θ以及加速度变化平均值来 定量评定痉挛.
③统计分析
从图1可以看到，上肢痉挛病人在肘关节被动伸展期间，一个牵张反射阈值点出现， 具体反映为加速度突然变化，同时角度变化幅度也变小.表1为6位患者第一次测试的 数据记录.由表1内容可知，随着痉挛等级的增高，θs角度出现的角度值与肘关节关 节活度比例变小，同时，加速度平均变化值增大.
表1被试者年龄、性别、MAS(改良Ashworth量表)评分、ROM(rangeofmonitor， 关节活动度)、牵张反射阈值角度、加速度变化平均值
病例 年龄 性别 MAS评分 θp/θ 加速度变化平均值(m/s2) 1 18 男 1 0.725 0.131 2 55 男 1.5 0.511 0.185 3 52 男 1.5 0.342 0.182 4 63 男 2 0.142 0.308 5 48 男 2 0.250 0.229 6 53 男 1 0.600 0.160
表1为6位患者利用本装置以及改良Ashworth量表分别测试的结果，设统计分析 显著性水平为0.05，利用SPSS21软件分析可得：θp/θ与MAS评分相关系数为 -0.941(P<0.01),加速度变化平均值a与MAS评分相关系数为0.883(P<0.05).说明本说 明提出的方法与改良Ashworth量表高度一致，可作为一种客观的临床痉挛评测方法。
实施例2：
本实施例的总体结构与实施例1类似，区别在于实施例2中无需加速度采集模块1， 通过角度采集模块8所测得角度值得到评测痉挛程度所需的角速度以及角加速度值，只 不过对角度传感器的精度要求比较高。
本发明对上肢痉挛检测装置进行检测的工作过程，综合图1-4，检测前初始化角度 采集模块8。检测时先将装置穿戴在被测者上肢，防护海绵7以及缓冲垫可防止肢体擦 伤，保持测量过程舒适感；测试时需要确保角度采集模块8的角度传感器与肘关节基本 同轴；检测时，被测者上肢保持舒适状态，固定肘关节，牵引前臂，上肢肘关节借助外 力做被动伸展运动。检测前期，肘关节阻力扭矩以及动力扭矩会随着关节角度变化，但 不会突变，确保此时肘关节做匀速运动。根据痉挛定义，肘关节运动至一定关节角度时， 肘关节扭矩会突然增大，此时动力矩不会跟随肘关节阻力矩突变，因此此时肘关节角加 速度会随着肘关节阻力矩突变而产生变化。
检测过程中，角度传感器将检测到的数据通过调理电路处理，再进行模数转换后通 过信号发送模块发送，经智能仪表的信号接收模块接收后，由数据处理模块进行处理， 将上肢运动过程中肘关节角度变化情况、肘关节角速度情况，以及肘关节角加速度变化 情况进行实时数据存储并显示。
测量结束后，智能仪表的数据处理模块可根据加速度变化值及其对应的肘关节角度 数据以及加速度变化数据评估上肢肘关节痉挛程度，并经显示模块显示出来。
设m为人体上肢前臂与手的质量，J代表人体上肢前臂转动惯量，w为肘关节角速 度，θ表示肘关节实时角度，ε表示肘关节角加速度，θall表示一个伸展周期的肘关 节关节活动度；
①被测者根据要求实现肘关节从屈曲可达最大角度至伸展可达最大角度的伸展运 动；
②被测者根据要求在肢体相应位置放置相应传感器，确保可以获取检测过程中肘关 节角度、角速度以及角加速度数据；
③当肘关节根据要求做伸展运动时，肘关节受肘关节阻力矩以及动力矩综合作用， 根据角加速度与扭矩的关系，可得肘关节角加速度为：
ε＝M/J；(1)
式中M表示肘关节所受综合力矩；
根据角加速度与角度关系，可由角度传感器输出θ得到角加速度：
ϵ = θ ·· ; - - - ( 2 ) ]]>
伸展运动前期，肘关节做匀速运动，M动＝M阻，ε＝0；(3)
此时肘关节阻力矩可看作线性弹簧-质量-阻尼系统:
其中k表示为系统弹性系数，b表示为系统阻尼系数，
M动为变量，确保M动＝M阻，且在伸展过程中不会突变。
④当肘关节被动运动到一定角度θs时，如果痉挛发生，肘关节阻力突然瞬时增大， 设此时阻力矩为M阻+△M，此时，肘关节角加速度值为：
ε＝(M动–(M阻+△M))/J(5)
⑤由公式(1)(2)(3)(4)加速度变化值△ε＝-△M/J(6)；
其中，J为定值，△M为肘关节扭矩突变值。
⑥MAS量表为常用痉挛评定量表，根据被测者肘关节阻力变化情况(△M)以及阻 力变化对应的关节角度θs评定痉挛，该方法能通过角度采集模块数输出的角度数据求 得的角加速度ε数据以及肘关节阻力突变时角度数据θs/θall将MAS量表量化，从而定 量评定出人体痉挛程度。
一种肢体痉挛评测方法及实现该方法的装置不仅适用于肘关节的痉挛检测和评定， 同样适用于其它关节，如膝关节、踝关节等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术 人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何 修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。