一种能反映吞咽口腔期及咽期功能状态的综合评估系统

1.本发明属于医疗器械技术领域，涉及吞咽功能评估系统，尤其是一种能反映吞咽口腔 期及咽期功能状态的综合评估系统。


背景技术：

2.吞咽功能是维持生命健康的基本功能之一，吞咽过程非常复杂。吞咽障碍更是老年人 及神经科疾病的常见功能问题，发生率为37％～78％，是影响功能、健康、营养状况，增加 死亡风险和降低生活质量的危险因素。吞咽障碍包括吞咽过程异常，即因下颌、双唇、舌、 软腭、咽喉、食管等器官结构和(或)功能受损，不能安全有效地把食物输送到胃内。
3.吞咽障碍中口腔期及咽期障碍较为多见，主要表现为：第一，唇部活动功能缺失，第 二，下颌关节活动功能缺失带来的咀嚼功能下降，第三，口中食团的定位能力，主要指的 是舌部，颊部的感觉、运动和协调配合能力的异常，第四，口咽部感觉异常，吞咽反射延 迟或因为吞咽相关肌群力量耐力下降而出现咽期吞咽异常。
4.目前，测量吞咽功能障碍方法主要采用吞咽造影检查(vfss)和纤维鼻咽喉镜吞咽功能 检查(fees)，这两种检查方法都会让患者被动接受辐射或产生不适感，并且这两种方法多 依靠有经验的医疗人员进行主观判别，缺乏对口腔期、咽期相应吞咽器官力量及协调性等 更为客观的评价。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、安全可靠且使用方便的 无创无侵入性的能反映吞咽口腔期及咽期功能状态的综合评估系统。
6.本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：
7.一种能反映吞咽口腔期及咽期功能状态的综合评估系统，包括采集模块、计算模块和 对比判别模块；
8.所述采集模块用于采集吞咽任务下吞咽口腔期的口唇舌的动捕信号以及吞咽任务下吞 咽咽期的咽部肌群肌电信号,并传送至计算模块；
9.所述计算模块根据接收的动捕信号及咽部肌群肌电信号，提取口唇舌的动捕特征值以 及咽部肌群肌电信号特征值；
10.所述对比判别模块将计算模块处理得到的特征值与标准数据库中的数值进行对比，进 行吞咽口腔期、咽期的评估。
11.进一步，所述采集模块包括动捕采集子模块、肌电采集子模块和信息存储子模块；所 述动捕采集子模块用于采集吞咽口腔期的口唇舌的动捕信号,并传送至信息存储子模块；所 述肌电采集子模块用于采集吞咽任务下吞咽咽期的咽部肌群肌电信号,并传送至信息存储 子模块；所述信息存储子模块用于存储动捕采集子模块、肌电采集子模块采集的信号并传 送至计算模块。
12.进一步，所述动捕采集子模块包括采用qualisys公司生产的三维运动采集与分析
系统 进行标志点的动捕信号捕捉，标志点包括放置在唇角两侧的标志点、上下唇正中线的标志 点和舌尖处的标志点，分别测量唇运动特征、下颌运动特征和舌运动特征。
13.进一步，所述唇运动特征包括唇角运动幅度和速度，所述下颌运动特征包括下颌横向、 垂直和水平移动的幅度和速度，所述舌运动特征包括舌用力前伸和侧移的幅度和速度。
14.进一步，所述肌电信号采集子模块采用biosemi公司生产的activetwo设备，其在人 体左右耳后乳突放置参考电极并在左右咬肌、口轮匝肌、左右下颌舌骨肌、颏舌肌、左右 甲状舌骨肌处分别放置一个贴片有线电极，用于采集两组咬肌、口轮匝肌、左右下颌舌骨 肌、颏舌肌、左右甲状舌骨肌群的表面肌电图信号。
15.进一步，所述采集模块包括信息接收模块、预处理模块和特征提取模块；所述信息接 收模块接收采集模块传送的口唇舌的动捕信号及咽部肌群肌电信号并传送至预处理模块； 所述预处理模块包括陷波器模块和带通滤波器模块，其对接收的咽部肌群肌电信号进行预 处理，利用陷波器和带通滤波器分别去除咽部肌群肌电信号中的噪声；所述特征提取模块 用于将口唇舌的动捕信号及咽部肌群肌电信号转换成为吞咽功能的对应关系，提取相应特 征并输出口唇舌的动捕信号特征值及咽部肌群肌电信号特征值。
16.进一步，所述口唇舌的动捕信号特征值包括口唇舌的运动幅度和速度，所述咽部肌群 肌电信号特征值包括咽部肌肉收缩的平均绝对值、均方根值和积分肌电值。
17.进一步，所述计算模块提取口唇舌的动捕特征值的方法为：动捕标志点初始位置的三 维坐标为(x0,y0,z0)，t时刻的三维坐标为(x(t),y(t),z(t))，则标志点的位移、速度和加速度 根据如下公式计算：
18.位移
19.速度
20.加速度
21.其中，δ(t)是动捕设备的采样时间。
22.进一步，所述计算模块提取咽部肌群肌电信号特征值包括咽部肌群肌电信号平均绝对 值、均方根值和积分肌电值，其计算公式如下：
23.平均绝对值
24.均方根
25.积分肌电值
26.其中n为肌电信号的长度，xi表示第i个信号值。
27.本发明的优点和积极效果是：
28.本发明同步采集动作捕捉信号及咽部吞咽肌群表面肌电信号，能够全面准确了解受试 者的吞咽功能状态，实现了吞咽功能评估和筛查功能，其采用无创无侵入的检测方
式，具 有安全可靠且使用方便等特点，对于早期发现有吞咽功能异常的人群具有重要的临床价值 和社会意义。
附图说明
29.图1为本发明的评估系统连接示意图；
30.图2为本发明的采集模块、计算模块及预处理模块的结构示意图；
31.图3为本发明的系统原理示意图；
32.图4为本发明的原始肌电信号图和滤波后的肌电信号图。
具体实施方式
33.以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
34.一种能反映吞咽口腔期及咽期功能状态的综合评估系统，如图1至图4所示，包括依 次连接的采集模块、计算模块和对比判别模块。
35.所述采集模块包括动捕采集子模块、肌电采集子模块和信息存储子模块。所述动捕采 集子模块用于收集吞咽任务下吞咽口腔期相关的口唇舌吞咽器官的动捕信号,并传送至信 息存储子模块；所述肌电采集子模块用于收集吞咽任务下吞咽咽期过程中咽部肌群肌电信 号,并传送至信息存储子模块；所述信息存储子模块用于存储动捕采集子模块、肌电采集子 模块采集的信息并传送至计算模块。
36.所述计算模块包括信息接收模块、预处理模块和特征提取模块。所述信息接收模块接 收采集模块传送的动捕信号及肌电信号并传送至预处理模块。所述预处理模块包括陷波器 模块和带通滤波器模块，其对接收的肌电信号进行预处理，利用陷波器和带通滤波器分别 去除肌电信号中的噪声。所述特征提取模块用于将动捕信号及咽部肌群肌电信号转换成为 吞咽功能的对应关系，提取相应特征并输出各种信号特征值，包括口唇舌的运动幅度和速 度，反映咽部肌群能力的肌肉收缩的吞咽时间、平均绝对值、均方根值和积分肌电值等。
37.对比判别模块用于将计算模块处理得到的各种信号特征值与标准数据库中的数值进行 对比，进而对吞咽口腔期及咽期功能状态进行评估。
38.在本实施例中，动作捕捉子模块选用瑞典qualisys公司生产的三维运动采集与分析系 统进行标志点的动捕信号捕捉，其中摄像机型号为该公司的motion capture cameras 7 系列，摄像机之间通过串联连接接入电脑1端口，利用qualisys track manager软件进行 数据采集，该软件可以实时显示采集的信号并将采集到的信号储存为.qtm或者.mat格式的 文件，存入信息存储子模块。检测时采用四个摄像机镜头，每个镜头用三脚架固定，相距 0.5米左右，放置在受试者前方2米处。检测前须成功标定，标定后，按要求放置标志点进 行后续检测。
39.本发明采用的标志点表面覆盖有特殊反光材料，常见形状有球形、半球形。在运动信 息获取领域中(如三维动作捕捉、三维步态分析等)、通常在捕捉对象上粘贴标志点，标志 点可以反射设备发出的光线(通常是红外线)反射的数据再被设备接收，然后系统对接收数 据进行处理，从而实现物体/人体运动信息的获取。
40.动捕采集子模块采集动捕信号的具体方法如下：
41.唇运动特征的测量：在唇角处放置两个标志点，采集患者在做快速用力咧嘴动作时的 唇角运动幅度和速度并记录。
42.下颌运动特征的测量：在上下唇正中线放置标志点，使被测量者尽力张嘴，然后尽力 左右移动下颌，最后尽力前伸下颌，采集并记录下颌横向、垂直(张开和闭合下颌)和水 平(突出)移动的幅度和速度。
43.舌运动特征的测量：在舌尖放置标志点，使被测量者尽力舌向前突出，舌尽力左右侧 移，采集并记录时间舌用力前伸和侧移的幅度和速度，并观察舌尖-上颚接触，舌根-后咽 壁接触。
44.肌电信号采集子模块采集咽部肌群肌电信号的具体方法如下：
45.在人体左右耳后乳突放置参考电极、左右咬肌、口轮匝肌、左右下颌舌骨肌、颏舌肌、 左右甲状舌骨肌处分别放置一个贴片有线电极，用于采集两组咬肌、口轮匝肌、左右下颌 舌骨肌、颏舌肌、左右甲状舌骨肌群的表面肌电图信号。在本实施例中，肌电信号采集子 模块采用荷兰biosemi公司生产的activetwo设备。该设备有8个可以测量人体表面肌电 信号的有线电极，在电极凹槽内注射导电胶然后使用电极贴将电极放置在所测肌肉表面； 与电极相连的数模转换器通过光纤与usb2接收器相连，该接收器将来自数模转换器的信号 转换为usb2格式输出进而传输到电脑2；利用相应的actiview采集软件，可以在屏幕上实 时显示所测的信号并以.bdf的形式储存下来，存入信息存储子模块。
46.本发明的工作过程如下：
47.首先，采集模块进行动捕信号及肌电信号采集：在安静状态下，计时30秒连续空吞咽 的电极信号；采集吞咽10ml温水和20ml温水的电极信号；采集吞咽10ml加入增稠剂制备 的稀粘稠水质地的电极信号；采集吞咽3g苏打饼干的电极信号；采集模块采集的动捕信号 及肌电信号传送至计算模块。
48.然后，计算模块根据动捕信号进行特征提取：记动捕标志点(marker)初始位置的三维 坐标为(x0,y0,z0)，t时刻的三维坐标为(x(t),y(t),z(t))，则标志点的位移、速度和加速度可 以根据如下公式计算：
49.位移
50.速度
51.加速度
52.其中，δ(t)是动捕设备的采样时间。
53.计算模块将表面肌电信号导入到matlab软件进行预处理。由于表面肌电信号是由肌肉 多个运动单元的动作电位序列在皮肤表面呈现的时间和空间上综合叠加的结果，主要能量 集中在20-150hz，在采集的过程中会受到外部环境和人体本身的影响。因此，对采集到的 原始信号，如图4上半部分所示，利用50hz的陷波器和截止频率为20-150hz的带通滤波 器去除噪声。
54.我们可以从肌电图中获取一次吞咽所用时间，上述吞咽时间定义为舌骨上肌群开始激 活到舌骨下肌群激活结束的时间，其中激活开始指肌肉的肌电信号幅值增长持续超
过50％， 激活结束指的是肌肉的肌电信号幅值衰减持续超过50％。因此，对滤波后的信号进行全波整 流和低通滤波(截止频率为5hz的butterworth数字滤波器)，此时信号是较为平滑的曲线， 如图4下半部分所示，根据激活定义即可求取吞咽时间。
55.在确定吞咽时间后，提取吞咽段肌电信号的三个特征，根据以上形成咽期吞咽过程的 相关结果，肌电信号平均绝对值、均方根值和积分肌电值按下式计算：
56.平均绝对值
57.均方根
58.积分肌电值
59.其中n为肌电信号的长度，xi表示第i个信号值。
60.最后，对比判别模块对所得数据进行综合分析。受试者在完成测试后，对其动捕信号 和肌电信号按前述部分的数据处理方式进行特征值的计算，其中，由动捕信号得到唇、下 颌、舌运动的幅度和速度，由肌电信号得到吞咽时段的时间、平均绝对值、均方根、积分 肌电值。将这些数据和测量得到的健康人数据库的值进行对比，得到受试者数值升高或者 降低的幅度(百分比)，从而分析该受试者的吞咽功能。
61.本发明未述及之处均适用于现有技术。
62.需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括 并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得 出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。