1.本发明涉及康复训练领域，具体涉及一种集肌肉功能评估和抗阻训练辅助监测于一体的上肢曲肌抗阻训练辅助系统。


背景技术：

2.抗阻训练作为一种有效的物理康复训练方法，常被美国健康运动学院和美国心脏协会等组织推荐，用于改善训练者的肌肉强度、肌肉耐力、身体机能及神经肌肉功能。而其中的居家抗阻训练作为一种区别于传统的，基于医院或基于康复中心的康复训练替代方法，受到越来越多研究人员的关注。
3.然而，居家抗阻训练在缺少理疗师的监督和指导下，无法确定训练者是否按照要求，完成了规定的训练剂量和训练动作；缺乏客观的测量会限制理疗师和研究人员客观地评估抗阻训练效果。同时，由于未对训练者实际的肌肉功能、强度和耐力做出准确的评估，因此无法根据训练者实际的躯体机能状况，选择出合适的训练剂量。
4.目前常用的评估方法主要采用主观的徒手肌力评定和采用客观的仪器设备测量。徒手肌力评定优点在于对设备基本没有要求，但对评估者的经验及受评估者的配合度要求较高，检查结果受主观因素影响较大，较难客观、准确地反映受检者真实的肌力水平。而使用客观的仪器设备测量的方法根据检测信号的不同，又可分为：
5.1.通过测量训练者在某一运动中的肌力，进而间接地量化训练者的肌肉功能，如等速肌力测试，以及使用握力计、手持测力计等简单器械测试等；
6.2.通过测量训练者在运动过程中，体表或者体内肌肉产生的神经电生理信号，进而较为直接地量化肌肉的肌力状况、关节肌肉激活模式、运动神经元传导速度、运动单位数目等。然而，最大手臂握力仅反映被评估者在某一瞬时的表现，缺少对整个过程的评估。同时，等速肌力测试过程中需要保持肢体运动的速度恒定，因而使用的设备昂贵，常用于运动员的肌肉功能测试，不适用于居家人员的肌肉功能评估。此外，神经电生理信号虽然能较为真实地反映肌肉的激活状态，但信号特征参数与肌力之间关联方式不明确，且难以获取体内深处肌肉的激活信号。
7.总而言之，如何设计出一种能够准确评估出居家人员的上肢曲肌抗阻训练中的肌肉功能并给出对应训练反馈的抗阻训练辅助系统是一个亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

8.本发明旨在设计一种用于居家人员的上肢曲肌抗阻训练辅助系统，用于实现对上肢曲肌抗阻训练中的肌肉功能评估与抗阻训练辅助监测的功能。主要解决居家抗阻训练过程的辅助监测，并通过评估训练者实际的躯体机能，给出合适的抗阻训练方式和训练剂量。
9.本发明采用如下技术方案：
10.一种用于居家人员的上肢曲肌抗阻训练辅助系统，所述系统包括：
11.力数据采集装置，用于采集训练人员进行上肢曲肌抗阻训练的力数据；
12.力数据处理模块，用于对采集到的力数据进行分割处理，得到训练组数和训练次数以及对应的力数据；以及得到肌肉在不同状态下的持续时间和休息时间以及对应的力数据；所述状态包括同心收缩状态、等长收缩状态、偏心收缩状态以及休息状态；
13.力数据量化模块，用于根据肌肉在同心收缩状态和等长收缩状态的力数据，量化得出训练者上肢曲肌的力产生能力和力保持能力；
14.训练指导模块，用于根据力数据处理模块的处理结果，力数据量化模块的量化结果，结合预期训练目标，输出训练指导结果。
15.进一步的，所述力数据采集装置包括一种用于上肢曲肌抗阻训练的力传感器弹性带，所述力传感器弹性带包括力传感器、卡扣a、弹性带、卡扣b、握把、数模转换器、控制板、带螺栓圆环扣，力传感器的一端设置有卡扣a，另一端设置有带螺栓圆环扣；弹性带的两端分别与卡扣a、卡扣b连接，握把与卡扣b固定连接；力传感器输出模电信号通过数模转换器转换为数字信号，并通过控制板将数字信号传输至上位机。
16.进一步的，所述力数据处理模块包括重复次数分割单元和力作用状态分割单元；
17.所述重复次数分割单元采用重复次数分割算法，根据训练周期长度将采集到的力数据划分为具有多个重复周期的数据段，得到训练组数和训练次数以及对应的力数据；
18.所述力作用分割单元采用肌肉力作用状态分割算法，在每一个重复周期所对应的数据段中，将该数据段的力数据对时间求导，获得对应的力导数，并计算出力导数的最大值和最小值；以力导数的最大值和最小值为限制条件，将力数据分割为同心收缩阶段、偏心收缩阶段、等长收缩阶段以及休息阶段，并获得各个阶段所对应的力数据。
19.进一步的，所述力数据量化模块包括第一量化单元和第二量化单元；
20.所述第一量化单元根据同心收缩状态的加速阶段时间与减速阶段时间之比计算得到力产生能力；
21.所述第二量化单元将等长收缩状态的力数据作为横坐标，将其对应的力导数作为纵坐标，并绘制得到力相位图；将力相位图中数据点的离散系数作为力保持能力。
22.进一步的，所述训练指导模块包括训练推荐单元、训练比较单元以及训练指导单元；
23.所述训练推荐单元，用于根据居家人员的基础信息，推荐出与所述居家人员所适配的预期训练目标；
24.所述训练比较单元，用于将力数据处理模块的处理结果，力数据量化模块的量化结果与所述预期训练目标进行比较，确定出训练次数差异和训练强度差异；
25.所述训练指导单元，用于将训练次数差异和训练强度差异输出。
26.与现有技术相比，本发明有如下优点：
27.1、本发明的力数据采集装置通过使用力传感器与弹性带相连，测量弹性带抗阻力上传至上位机，通过力数据处理模块得到力数据中的重要信息，并根据这些重要信息来量化和记录抗阻训练过程，便于训练者使用及训练过程的辅助监测。
28.2、与现有的通过人眼识别、手动分割的方式相比，本发明的力数据处理模块集成有重复次数分割单元和力作用状态分割单元；可通过编程实现，经实验测试证明算法具有分割效率高，且不受分割者主观因素影响的优点。
29.3、本发明的力数据量化模块使用con阶段的加速和减速时间比量化训练者手臂曲
肌肌肉的力产生能力，并使用isom阶段力数据的波动特性反映手臂曲肌肌肉的力保持能力；因此能够准确刻画出训练者的肌肉力特性和肌肉状态特性。
30.4、本发明的训练指导模块，调用力数据处理模块的处理结果确定出实际的训练强度和训练完成度，调用力数据量化模块的量化结果确定肌肉功能评价指标；根据力数据量化模块得到的结果，得出肌肉功能评价；再结合预期训练目标，综合评价后得出训练指导结果。
附图说明
31.图1是本发明实施例的一种用于居家人员的上肢曲肌抗阻训练辅助系统架构图；
32.图2是本发明实施例的一种用于居家人员的上肢曲肌抗阻训练辅助系统场景图；
33.图3是本发明实施例中力数据处理模块的数据分割场景图；
34.图4是本发明实施例中力数据量化模块的结构示意图；
35.图5是本发明实施例中训练指导模块的结构示意图；
36.图6是本发明优选实施例一种用于居家人员的上肢曲肌抗阻训练辅助系统场景图；
37.图7是本发明实施例中训练辅助系统的软件架构图。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.图1是本发明实施例的一种用于居家人员的上肢曲肌抗阻训练辅助系统架构图，如图1所示，所述上肢曲肌抗阻训练辅助系统包括：
40.100、力数据采集装置，用于采集训练人员进行上肢曲肌抗阻训练的力数据；
41.图2是本发明实施例中的一种力数据采集装置，如图2所示，在本发明实施例中，所述力数据采集装置包括一种用于上肢曲肌抗阻训练的力传感器弹性带，该力传感器弹性带包括力传感器、卡扣a、弹性带、卡扣b、握把、数模转换器、控制板、带螺栓圆环扣，力传感器的一端设置有卡扣a，另一端设置有带螺栓圆环扣；弹性带的两端分别与卡扣a、卡扣b连接，握把与卡扣b固定连接；力传感器输出模电信号通过数模转换器转换为数字信号，并通过控制板将数字信号传输至上位机，该数据信号即为本发明中训练人员进行上肢曲肌抗阻训练的力数据。
42.其中，在力数据采集装置对使用者完成曲肌抗阻训练的采集过程中，力数据采集装置通过圆环扣与外部环境相连，用于固定本装置的一端。使用者手握握把，并弯曲手臂，弯曲过程中，弹性带被拉伸从而产生抗阻力，抗阻力被力传感器所监测并产生模电信号，由数模转化器读取传感器产生的模电信号，并将其转换为数字信号，通过控制板将数字信号通过电脑串口，传输至上位机。
43.可以理解的是，所述力数据采集装置包括物理连接和电性连接，其中力传感器与数模转换器以及数据转换器与控制板之间采用电性连接，其他器件之前采用物理连接。也
即是所述圆环扣、力传感器、卡扣a、弹性带、卡扣b和握把为串联安装；所述力传感器、数模转化器和控制板通过数据线串联安装。
44.值得说明的是，弹性带的两端均通过卡扣与其他部件相连，因而在使用的过程中，弹性带是可以从力数据采集装置中更换。从而，可以通过增加弹性带的数量，或者改变弹性带的型号类别，改变在拉伸弹性绳过程中，设备作用于人手上的抗阻负载的大小。
45.此外，值得说明的是，握把与卡扣b是通过尼龙绳相连，因此可通过改变尼龙绳的长度改变整个设备的长度，从而适应不同使用者对设备长度的需求。
46.200、力数据处理模块，用于对采集到的力数据进行分割处理，得到训练组数和训练次数以及对应的力数据；以及得到肌肉在不同状态下的持续时间和休息时间以及对应的力数据；所述状态包括同心收缩状态、等长收缩状态、偏心收缩状态以及休息状态。
47.在本发明实施例中，所述力数据处理模块包括重复次数分割单元和力作用状态分割单元；所述重复次数分割单元嵌有重复次数分割算法，所述力作用状态分割单元嵌有力作用状态分割算法。
48.图3给出了本发明实施例中力数据处理模块的数据分割场景图，如图3所示，本实施例中使用力数据采集装置采集的抗阻力数据；利用重复次数分割单元对该力数据分段，分成不同分组以及不同重复次数的数据段，这里假设分割为n个数据段；将分段后的每一个数据段fi(t)(i∈{1,2,...,n})都分别计算出力导数，并确定出当前数据段的力导数的最大值和最小值；基于该段力数据和其对应的力导数的最大值和最小值，利用肌肉力作用状态模块分割出同心收缩(concentric contraction,con)数据段、偏心收缩(eccentric contraction,ecc)数据段、等长收缩(isometric contraction,isom)数据段以及休息阶段rest数据段。
49.下面将结合重复次数分割算法和力作用状态分割算法来详细说明两个分割单元。
50.所述重复次数分割单元采用重复次数分割算法，根据训练周期长度将采集到的力数据划分为具有多个重复周期的数据段，得到训练组数和训练次数以及对应的力数据；
51.在本发明实施例中，重复次数分割是一个预处理阶段，目的是根据训练周期将力数据分为多个只包含一个单独周期的分段；由于上肢曲肌抗阻训练过程中抗阻力信号表现出强烈的周期性特点，具有明显的波峰和波谷，因此可以将重复的周期数据划分为只包含一个波峰和一个波谷的数据段。
52.具体的，首先需要从力数据采集装置中获取抗阻力数据的平均值，以所述平均值为分割阈值，将所述力数据划分为包括多个包含波峰和波谷的数据段，采用峰值检测方法从数据段中确定出波谷；以波谷值作为数据段分割点，将抗阻力数据分割为多个数据段，其中每个数据段代表一个训练周期，每个训练周期包含同心收缩阶段、偏心收缩阶段、等长收缩阶段以及休息阶段。
53.所述力作用分割单元采用肌肉力作用状态分割算法，在每一个重复周期所对应的数据段中，将该数据段的力数据对时间求导，获得对应的力导数，并计算出力导数的最大值和最小值；以力导数的最大值和最小值为限制条件，将力数据分割为同心收缩阶段、偏心收缩阶段、等长收缩阶段以及休息阶段，并获得各个阶段所对应的力数据。
54.在本发明实施例中，考虑到在上肢曲肌等抗阻训练过程中，在单个训练周期内，肌肉会处于四种不同的收缩状态，包括同心收缩状态、偏心收缩状态、等长收缩状态、休息状
态。受使用者个人能力、意愿和疲劳感的影响，在con、isom、ecc和休息阶段之间通常没有明确的分界点；如果能够通过一定的方式来找到分界点，则会大幅提高分割效果；因此，本发明利用肌肉力作用状态算法来找到不同状态之间的分界点；从而分隔出不同状态阶段的数据参数；最终可计算得到休息时间、张紧状态下的持续时间(time-under-tension,tut)、速度和肌肉状态等参数。
55.在con收缩过程中，力导数迅速增加并达到最大值，然后迅速减小为零。在isom收缩过程中，受试者将他的前臂保持在准静态几秒钟，在此时间段，力导数变化不大。在ecc收缩过程，受试者伸展前臂，力导数达到最小值后逐渐增大；因此通过力导数能够区分开不同状态阶段的力数据。
56.本实施例可以采用分割阈值对力导数的最大值和力导数的最小值进行调节；可以采用最大值和最小值的固定比例值为分割阈值，将调节后的最大值和最小值作为粗分割模型中各个收缩阶段的范围阈值，并将力数据分为四个阶段；采用线性回归算法计算得到在每一个阶段中力数据的趋势线(y＝fi(t),i＝1～3)；将所述趋势线与x轴的交点以及趋势线之间的交点作为状态分割点，分割得到每一个阶段所对应的参数数据。
57.在本发明实施例中，所述粗分割模型表示为：
[0058][0059]
其中，f(t)表示弹性带抗阻力；con表示同心收缩；isom表示等长收缩；ecc表示偏心收缩；rest表示休息状态；a表示分割阈值。
[0060]
可以理解的是，在上述过程中，由于等长收缩状态和休息状态的力导数值均趋近0，因此直接通过上述力导数无法区分两种状态，本技术考虑从两种状态所处的位置进行区分，一个正常的数据段依次包括休息状态、同心收缩状态、等长收缩状态、偏心收缩状态以及休息状态；因此可以直接根据力数据或者力导数中横坐标的范围判断出对应的等长收缩状态和休息状态，当力导数趋近于0时，通过其前后力导数的走向趋势或者与其他两种已知状态数据的前后位置关系进行判断。
[0061]
在本发明实施例中，将同心收缩阶段的趋势线与x轴的交点作为第一状态分割点；将同心收缩阶段的趋势线与等长收缩阶段的交点作为第二状态分割点；将等长收缩阶段的趋势线与偏心收缩阶段的交点作为第三状态分割点；将偏心收缩阶段的趋势线与x轴的交点作为第四状态分割点；将第一状态分割点与第二状态分割点所限制的数据段作为同心收缩阶段的精分割数据；将第二状态分割点与第三状态分割点所限制的数据段作为等长收缩阶段的精分割数据；将第三状态分割点与第四状态分割点所限制的数据段作为偏心收缩阶段的精分割数据；将第一状态分割点与当前数据段左端点所限制的数据段以及第三状态分割点与当前数据段右端点所限制的数据段作为休息阶段的精分割数据。
[0062]
在本发明实施例中，将每一个数据段划分成同心收缩状态、等长收缩状态、偏心收缩状态以及休息状态后，可以确定出每个数据段中肌肉的持续时间和休息时间，同时，本发明实施例中还需要单独提取出同心收缩状态和偏心收缩状态所对应的数据，这些数据将用于后续量化处理。
from the national strength and conditioning association.
[0077]
具体做法：在软件界面中包含训练套数、重复次数计数器，可以实时、自动地记录、提示已经完成的套数和次数；通过记录弹性带抗阻力数据，并对力数据做分割处理，可以得到con、isom、ecc和休息阶段的持续时间，以及训练的强度；根据由上述力数据量化模块300中得到的上肢曲肌的力产生能力和力保持能力指标，判定是否增加或减少训练强度，判定依据为在患者力产生能力和力保持能力弱的情况下，可适度减少训练次数和强度。
[0078]
图6给出了本发明实施例的一种用于居家人员的上肢曲肌抗阻训练辅助系统场景示意图，如图6所示，图中给出了辅助坐在轮椅上的训练者完成抗阻训练的例子，以说明本发明的辅助系统的技术方案实施流程场景。
[0079]
在本实施例中，在使用者完成曲肌抗阻训练的过程中，力数据采集装置的一端通过圆环扣与外部环境相连，另一端固定在轮椅上。训练者手握握把，并弯曲手臂，弯曲过程中，弹性带被拉伸从而产生抗阻力，抗阻力被力传感器所监测并产生模电信号，由数模转化器读取传感器产生的模电信号，并将其转换为数字信号，通过控制板将数字信号传输至上位机；经过重复次数分割算法确定出训练组数和训练次数以及其对应的数据段；将每个数据段采用力作用状态分割算法进行处理，确定出力状态的持续时间和休息时间以及对应的力数据；对于其中的con数据，得出力产生能力指标，对于其中的isom数据，得出力保持能力指标；将训练次数、训练次数以及力状态的持续时间和休息时间进行记录，并形成训练记录；将训练记录导出形成实际的训练强度和训练完成度；将力产生能力指标、力保持能力指标以及单块肌肉内部状态参数导出形成肌肉功能评价；再结合预期训练目标，得出训练指导结果，将这个训练指导结果反馈给训练者，训练者可根据对应的指导结果进行调整。
[0080]
值得说明的是，通过本系统的量化和评价功能，为训练者以及其他人员提供训练过程中训练者实际的训练强度、完成度，以及量化的肌肉功能评价指标，从而帮助训练者以及其他人员根据预期的训练目标，为训练者提供训练指导及建议。
[0081]
在本发明的一些优选实施例中，图7给出了本发明实施例中训练辅助系统的软件架构图，如图7所示，该软件架构中主要包含：未处理结果的实时展示界面、处理后结果的实时显示界面，以及按钮及用户输入界面；辅助系统软件界面作为上位机获取由定制的弹性带上传的抗阻力，其功能界面包含未处理结果的实时显示界面、处理后结果的实时显示界面，以及相应的按钮界面。
[0082]
需要说明的是，各界面中只包含部分功能界面，可通过扩展，增加、改变系统中功能界面内容。
[0083]
在本发明的优选实施例中，一种软件界面可以包括：按钮及用户输入界面包含启动按钮(start)、暂停按钮(stop)、保存按钮(save)，以及串口输入口(serial)；未处理结果的实时展示界面包含抗阻力值的实时显示条、计时器等；处理后结果的实时显示界面包含isom阶段持续时间记录器、训练次数记录器等，主要用于记录实时的训练细节。
[0084]
训练者在使用过程中，首先输入串口号，点击开始按钮(start)，上位机由输入的串口号接受弹性带传输过来的抗阻力数据，并实时地显示在实时显示面板上。用户需要提前设定一个抗阻力阈值和持续时间阈值，当弹性带抗阻力大于此阈值时开始计时，直至计时超过给定的持续时间阈值后，训练次数记录器完成次数加一的操作，并由持续时间记录器记录持续的时间，并显示在训练细节记录面板上。
[0085]
此外，训练结束后，点击暂停按钮(stop)，上位机停止记录弹性带端传输过来的数据；点击保存按钮(save)，软件系统自动保存力数据信号、训练细节等信息为txt文档，用于后处理。
[0086]
值得说明的是，本软件界面中显示的功能界面内容只代表本发明的部分功能，不能认定本发明软件的具体实施只局限于上述说明的内容。
[0087]
在本发明的一些优选实施例中，本发明还提供了一种用于居家人员的上肢曲肌抗阻训练辅助方法，所述方法包括：
[0088]
采集训练人员进行上肢曲肌抗阻训练的力数据；
[0089]
对采集到的力数据进行分割处理，得到训练组数和训练次数以及对应的力数据；并得到肌肉在不同状态下的持续时间和休息时间以及对应的力数据；其中，肌肉的状态包括同心收缩状态、等长收缩状态、偏心收缩状态以及休息状态；
[0090]
根据肌肉在同心收缩状态和等长收缩状态的力数据，量化得出训练者上肢曲肌的力产生能力和力保持能力；
[0091]
根据训练组数和训练次数确定出实际的训练次数，根据力产生能力和力保持能力确定出实际的训练强度，再结合预期训练目标，输出训练指导结果。
[0092]
可以理解的是，上述训练辅助方法可以帮助理解本发明的训练辅助系统，两者的对应特征也可以相互引用，本发明对此不作详细说明。
[0093]
此外，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，如将本发明装置改造后用于肩关节肌肉的抗阻训练监测，其都应当视为属于本发明的保护范围。
[0094]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0095]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0096]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。