脑瘫患儿由于中枢神经系统(Central NervousSystem,CNS)受损,导致神经肌肉系统功能异常,主要临床表现为运动功能障碍与姿势异常。患儿康复治疗过程中运动功能评估具有重要作用,一方面评估结果能够实时地反映患儿运动功能障碍程度,另一方面还可以辅助临床诊断并指导个性化康复训练方案的制定。目前,临床上主要采用运动功能量表对患儿运动功能以及康复训练效果进行评估,由于缺少量化评估标准,评估结果过于依赖医生的经验与主观感觉。近年来,随着运动捕获技术日渐改进,可穿戴传感器被广泛应用到运动分析与评估领域,为脑瘫患儿运动障碍的客观诊断以及量化评估提供了可能。脑瘫患儿运功功能异常的根源是神经系统损伤导致肌肉活动异常。表面肌电传感器(Surface electromyography,sEMG)可获取反映肌肉的活动状态和强度的表面肌电信号,同时,惯性传感器可捕获脑瘫患儿运动过程的空间姿态和轨迹信息。本论文一方面采用基于表面肌电的肌肉协同分析技术探索脑瘫患儿上肢以及步态运动的神经肌肉控制机制,解释患儿运动异常的原因,并从神经肌肉控制的角度提出了上肢、步态运动功能障碍的量化评估方法。另一方面,将基于sEMG信号和惯性传感器信号的人体行为动作识别技术推广到脑瘫患儿下肢粗大运动功能量化评估领域,提出了下肢粗大运动功能障碍量化评估算法框架。本文开展的主要工作及取得的研究成果可概括如下:(1)脑瘫患儿上肢运动功能障碍评估研究。此研究旨在探索基于多任务神经肌肉控制差异的上肢运动功能障碍量化评估方法。主要研究工作包括及成果如下:1)以肩关节与肘关节活动为研究对象,设计了三个能反映两关节运动功能的上肢任务;2)开展了包括健康成人、健康儿童、脑瘫患儿在内的上肢任务sEMG数据采集实验以及三个上肢任务的肌肉协同提取和分析;3)提出了衡量多任务下协同结构、激活系数的相似性参数,结合脑瘫患儿病理信息发现基于协同结构相似性参数可以有效地反映上肢运动功能障碍程度;4)以多任务间协同结构差异为基础,首次提出了一种脑瘫患儿上肢运动能障碍程度的量化指标。通过对14名脑瘫患儿的评估,发现该指标不仅可以有效地评估上肢运动功能障碍程度,还可以弥补量表对肌张力以及震颤引起运动功能异常评估的不足。(2)脑瘫患儿步态运动功能障碍评估研究。此研究从中枢神经控制角度探索脑瘫患儿步态运动异常神经控制策略,从脑瘫患儿与健康儿童的肌肉协同激活差异及协同结构差异出发,提出了一种新颖的伴有康复指导的量化评估方案。主要研究工作及成果包括:1)对三组人群合计36名受试者开展肌肉协同分析,发现健康受试者的肌肉协同间相似程度高,而脑瘫患儿的肌肉协同差异大,表明脑瘫患儿神经肌肉控制策略与健康受试者不同;2)为探索步态功能与肌肉协同间的关系,本文提出了协同结构功能性映射概念,完成了健康儿童、脑瘫患儿协同结构与步态运动功能间的映射;3)进一步地,从步态运动功能完整性出发,探索脑瘫患儿下行神经控制信号、肌肉组合异常与步态异常程度的关系;4)一方面提出了用于评估由于下行神经控制信号异常导致的患儿运动功能异常的量化评估指标,另一方面提出了基于协同数目以及协同结构差异的量化评估指标。结合上述两种量化指标,可以全面实现步态运动功能的量化评估。(3)基于多传感器的脑瘫患儿下肢粗大运动功能量化评估研究。此研究以粗大运动功能量表走、跑、跳24项为参照,借助表面肌电和惯性传感器在运动捕获和姿势检测方面的优势,提出了一种融合惯性传感器与表面肌电传感器的脑瘫患儿粗大运动功能评估方案。主要研究工作及成果包括:1)针对下肢粗大运动涉及的运动行为量化评估需求,确定了传感器安放位置,搭建了下肢粗大运动功能量化评估测试平台;2)提出了一套量化评估下肢粗大运动功能障碍的算法框架,包括:利用活动段内合加速度的阈值判断是否产生运动;利用竖直方向加速度对走、跑、跳、上下阶梯等周期运动的敏感性实现运动周期检测以及周期分割;根据前向加速度在交替与非交替步态上下阶梯的差异提出基于动态时间规整距离的交替步态检测;结合加速计与陀螺仪信号实现了基于四元素的转身检测;融合sEMG和惯性传感器信号实现了基于双流隐马尔可夫模型的动态模式转变检测;3)对脑瘫患儿下肢粗大运动功能的量化评估结果验证了本文提出的评估方案的有效性。本研究工作促进了基于肌肉协同分析方法在神经系统损伤病人的运动评估中的应用。同时,融合sEMG与惯性传感器信息的脑瘫患儿下肢功能量化评估研究也开启了脑瘫运动功能量化评估的新思路。