一種基於微型傳感器的交互式上肢康復系統的製作方法

2023-06-24 06:31:11 1

專利名稱：一種基於微型傳感器的交互式上肢康復系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及腦癱、中風、意外等引起的偏癱患者上肢康復訓練領域，尤其涉及用於具有交互性和反饋的數字康復系統的方法和裝置。
背景技術：
由於中風、腦癱、意外等引起的偏癱患者上肢康復訓練的傳統方法是醫師對患者進行一対一的指導，利用傳統康復器械進行訓練，並根據其主觀臨床經驗對患肢康復效果進行評價。這種訓練方式存在諸多問題。首先，一名醫師在大多數情況下只能同時對一名患者進行運動康復訓練，效率低下，治療效果多取決於醫師的經驗和水平；其次，不能精確控制和記錄訓練參數(運動速度、軌跡、關節角度等)，不利於治療方案的確定和改進；再次， 康復訓練的執行情況沒有統ー標準，難以客觀定量，不利於偏癱患者康復醫療的深入研究； 最後，不能向患者提供實時直觀的反饋信息，訓練過程缺乏吸引力，患者多被動接受治療， 參與治療的主動性不夠。為了能夠更好地管理和控制康復過程，提高患者的主動性和參與性，從而提高康復訓練的效率，有不少相應的工作。如申請號為200410056143. 0的中國專利「人體康復過程自動識別方法及裝置」，通過攝像機採集康復對象的坐、站姿勢或上、下肢等運動姿勢，並經採集到的監測參數等信息通過人體康復過程自動識別模塊生成康復指數，從而為醫務人員實施治療提供輔助信息。申請號為2010010136388. X的專利公開了 「ー種智能康復系統及運用該系統進行肢體運動跟蹤的方法」，提出了一種基於計算機視覺技術的運動跟蹤的方法，並將之應用於肢體康復。這兩種基於視覺技術康複方法，由於其固有的缺陷-遮擋、 和跟蹤肢體運動精度不夠，達不到定量的目的。專利申請號為200910099275.4的專利「基於虛擬實境的殘障人士康復系統」，公開了ー種包括功能性電刺激模塊、運動捕獲模塊和虛擬實境模塊的殘障人士康復系統，通過虛擬實境技術為患者提供針對運動過程和運動效果的視、聽等多模式的反饋信息，來激發和維持患者重複練習的動機。但發明中並未對如何進行運動捕獲和康復訓練執行情況的評估給出理想的解決方案。申請號為200910086474. 1的專利「人體運動捕獲三維再現系統及其方法」提出了基於多個微型傳感器人體運動捕獲的方法以及三維顯示方法。本發明是將該發明中的人體運動捕獲技術應用於運動康復，可以說是基於該技術的應用發明。本發明中，通過基於多個微型傳感器的人體運動捕獲技術，精確、實時地跟蹤患者上肢的運動，並建立功能評估方法，從而對患者上肢康復過程進行精確評估和管理。同時通過虛擬實境技術、多媒體技木、 交互遊戲等提高患者康復訓練的主動性，提高康復的效率。

發明內容
本發明利用基於微型傳感器的信息融合和運動捕獲技術，研發出交互式上肢康復系統，使得康復訓練可以在醫院、康復中心、社區衛生服務中心和家庭中進行。該系統包括運動傳感器模塊100、數據獲取和傳輸模塊200和分析、評估和訓練模塊300和康復中心的網上康復指導模塊400。其中數據獲取和傳輸模塊200實時採集和記錄患者在康復訓練時上肢的運動信息，並通過有線或無線的方式發送到分析、評估和訓練模塊300。分析、評估和訓練模塊300對接收到的數據進行處理，通過其動作分析和評估子模塊301對患者的動作和康復任務完成情況給出評估。據此，康複方案生成子模塊302自動生成或由康復治療師人工設定患者應當完成的動作列表以及每個動作的運動參數。康復訓練、評估和反饋子模塊303通過虛擬實境、動畫、視頻、聲音等方式展示每個動作或任務的要求，患者根據系統的要求完成相應的訓練動作或任務。這也可以以交互遊戲的方式，將相應的訓練動作或任務嵌入交互式遊戲之中，以提高患者訓練的積極性。同吋，分析、評估和訓練模塊300也包含了患者信息管理子模塊304，提供了數據管理功能，可保存患者的整個訓練過程的數據， 從而可以跟蹤康復全過程，為醫生和患者實施和改進康復訓練方案提供準確的信息。康復動作庫子模塊305存儲有康複評估和訓練的基本動作，以及相應的三維顯示和遊戲場景。 分析、評估和訓練模塊300也通過網絡，與康復中心伺服器相聯，使用伺服器上的網上康復指導模塊400，康復師可以通過通信網絡遠距離查看患者康復訓練情況，指導患者自行進行訓練。根據本發明的ー個方面，一個示範性實施例為用於指導和評估用戶上肢康復過程的交互式上肢數字康復系統。患者的患肢穿戴運動傳感器模塊100，並完成要求的任務和動作。系統可根據患者任務和動作完成情況，評估患者當前運動功能，自動生成康復計劃或由康復師設訓練任務序列或動作序列。康復訓練中，動作或任務通過虛擬場景、動畫、視頻及聲音等方式呈現，或以交互遊戲場景的方式呈現，系統捕獲和分析患者完成動作或任務的運動質量，對患者的完成情況進行評估並給出反饋。同吋，記錄訓練過程數據，完成康復過程的監控和管理，從而為醫生改進訓練方案、指導患者進行訓練提供定量、智能、可視化平
I=I O根據本發明該方面的一個實施例，交互式上肢數字康復系統微型運動傳感器模塊 100包含ー個或多個微型傳感器節點。每個傳感器節點包含如加速度傳感器、陀螺儀、磁力計等微型傳感器，用來採集相應上肢肢體的運動數據。發明中提到的上肢肢體運動數據，包含且不限於上肢及肩關節在上肢運動時各自由度的加速度、角速度、速度、位移、方位、位置以及運動軌跡等。根據本發明該方面的一個實施例，交互式上肢數字康復系統包含一個或多個微型傳感器節點。每個傳感器節點處包含如加速度傳感器、陀螺儀、磁力計等微型傳感器，用來採集相應上肢肢體的運動數據外，還包含表面肌電傳感器，採集特定肌肉的表面肌電信號， 分析相應肌肉的激勵情況，相關肌肉的激勵時序，以及運動狀況和肌肉激勵和時序的相關性和關係。交互式上肢數字康復系統的數據獲取和傳輸模塊200，與微型運動傳感器模塊 100連接，採集並通過藍牙發送傳感器模塊採集的上肢運動數據到分析、評估和訓練模塊 300，以及對微型運動傳感器模塊100進行控制。交互式上肢數字康復系統的分析、評估和訓練模塊300，還包含患者信息管理子模塊304，它錄入患者信息以及患者的損傷等級，記錄每次康復訓練參數和評估結果，以及其它相應信息。分析、評估和訓練模塊300同時還包含一個康復訓練動作、任務庫子模塊305。庫中有ー個動作、任務集合，以及相應的評估標準和評估程序、可視化三維圖形、以及訓練遊戲場景。動作分析和評估子模塊301對患者所完成的一系列動作進行評估後，使用患者上肢運動功能評估結果，藉助於康復訓練動作、任務庫，康複方案生成模塊302自動生成或由醫生設定康複方案，該方案包含一系列將由患者執行的訓練動作或任務。根據康複方案， 患者在康復訓練、評估和反饋子模塊303引導下，根據要求完成訓練動作或任務。康復訓練、評估和反饋子模塊303接收和分析運動傳感器的信號，一方面在屏幕上得虛擬場景中三維重現患者的上肢運動，使得患者身臨其境地完成訓練動作或任務。另一方面對患者的動作或任務完成情況給出評定，實時的反饋給患者和醫生。同時記錄下訓練數據以方便進行康復過程管理。交互式上肢數字康復系統在患者端的康復系統中分析、評估和訓練模塊300通過網絡與康復中心的網上康復指導模塊400相聯。網上康復指導模塊400中的康復動作庫405 與所有患者端的康復系統中的康復動作庫305 —祥。一旦網上康復指導模塊400中的康復動作庫405有所更新，將馬上同步更新所有患者康復動作庫305。網上康復指導模塊400中的患者信息庫404保存有所有患者的信息。任何患者端的康復系統中分析、評估和訓練模塊300中的患者信息管理子模塊304中的信息更新，將通過客戶端和伺服器端資料庫同步的機制進行實時更新。通過康復中心伺服器中的網上康復指導模塊400中的康復指導子模塊401，康復師可以及時了解任何患者的康復情況，甚至可以在康復中心伺服器上再現患者康復訓練屏幕。根據這些資料，康復師可以在網上通過語音、文字、視頻等對患者進行指導。 同樣，在眾多患者的完整的康復資料的基礎上，康復專家們可以從事深入的康復研究工作。根據本發明的ー個方面的一個實施例，傳感器之間、傳感器與數據獲取與傳輸模塊間，可通過無線方式連接。例如紅外、藍牙、Zigbee等。也可通過有線方式進行連接，如 USB方式等。根據本發明的ー個方面的一個實施例，數據獲取和傳輸模塊200包含一個主控裝置，各傳感器節點採集的數據直接通過有線方式或無線方式傳輸到主控裝置，主控裝置將數據統一通過無線方式，或有線方式傳輸到分析、評估和訓練模塊300。根據本發明的ー個方面的另ー個實施例，微型運動傳感器模塊100由佩戴在上肢各肢體的微型傳感器節點組成。微型傳感器節點採集所對應肢體的加速度、角速度以及磁場數據，在預處理之後，融合三個傳感器數據，估計出該肢體的三維方位角，並將數據和估計出的三維方位角通過有線方式或無線方式傳輸到數據獲取和傳輸模塊200，進而傳輸到分析、評估和訓練模塊300。根據本發明的ー個方面的一個實施例，數據獲取和傳輸模塊200通過無線方式， 例如藍牙(Bluetooth )或者無線區域網(Wi-Fi)將數據傳輸到進而傳輸到分析、評估和訓練模塊300。


圖1是本發明交互式上肢數字康復系統的邏輯方框圖。圖中100-微型運動傳感器模塊，200-數據獲取和傳輸模塊，300-分析、評估和訓練模塊，400-網上康復指導模塊。圖2是交互式上肢數字康復系統中患者端康復系統的分析、評估和訓練模塊300與康復中心伺服器上的網上康復指導模塊400的交互。圖3是本發明交互式上肢數字康復系統的ー個實施例中微型傳感器節點的位置和穿戴方法示意圖。圖4(a)和(b)分別示出交互式上肢數字康復系統中採集患者上肢運動數據的傳感器模塊100和數據獲取和傳輸模塊200的主要系統組成框圖。圖5示出了多傳感器信息融合實現肢體運動跟蹤的方框圖。圖6示出使用交互式上肢數字康復系統進行康復訓練的流程圖。
具體實施例方式通過參照以下結合附圖所進行的實施例詳細描述將會獲得本發明的方法和裝置的更全面的理解。值得注意的是，在此所採用的「一個實施例」或「實施例」意指關於該實施例所描述的具體特徵、結構或特徵包含在本發明的至少ー個實施例中。說明書中不同地方出現的術語「在一個實施例中」不必全部指同一實施例。下面實施例的詳細描述是要解釋而非限制本發明。本發明的範圍由附加的權利要求書限定。圖1是ー種交互式上肢數字康復系統的邏輯方框圖。它包括微型運動傳感器模塊 100，數據獲取和傳輸模塊200，分析、評估和訓練模塊300，以及網上康復指導模塊400。圖2是交互式上肢數字康復系統中患者端康復系統的分析、評估和訓練模塊300 與康復中心伺服器上的網上康復指導模塊400的交互。傳感器布局圖3示出了用於在使用交互式上肢數字康復系統時傳感器布局圖。該系統的運動傳感器裝置包含了 1個或多個諸如圖3所示的傳感器節點、以及數據獲取和傳輸模塊200， 以及嵌入傳感器節點以和主控板的特製的訓練服。在這裡，數據獲取和傳輸模塊200也稱主控模塊。在圖2中，5個傳感器節點之間通過有線連接，並嵌入於訓練服上。患者穿好訓練服後，5個傳感器被分別位於脊柱近腰處、患側肩胛骨處、患側大臂、患側小臂以及患側手背處，分別採集相應肢體的運動數據，估計其三維方位角，並可以計算出肩胛骨關節、肘關節以及腕關節的多自由度運動數據。傳感器節點通過一條或多條線路與主控模塊連接。主控模塊可根據需要固定在訓練服其他位置。圖3中所示的結構示出了獲取單臂及肩胛骨時傳感器節點的布局。根據康復部位或任務的不同，可以根據需要調整傳感器節點的數目和位置。為了實現上肢運動的捕獲和康復訓練，傳感器節點的布局有如下幾種形式1)在脊柱、患側肩胛骨、患側上臂、患側前臂、患側手背放置傳感器節點，可推導和計算出相應肢體三維方位角，並計算出患側肩部關節、肘關節、腕關節的角度和位置變化等數據，從而捕獲患側上肢的運動，進而進行患側上肢和肩部的運動康復訓練和評估，可訓練上肢各種基本動作和夠物任務等。2)在脊柱、患側肩胛骨、患側上臂、患側前臂、患側手背以及患側手指各指節段放置傳感器節點，從測量到的運動數據，可推導和計算出相應肢體三維方位角，並計算出患側肩部關節、肘關節、腕關節的角度和位置變化等數據，在1)的基礎上，還可訓練抓握動作和任務等。儘管這裡給出了傳感器節點的幾種擺放方式，但是本領域技術人員應當意識到，根據應用場景的不同，傳感器節點的數目和布局可發生變化，這些變化均落入本發明範圍內。進行上述運動捕獲的傳感器節點可包含三軸加速度傳感器，三軸陀螺儀，也可同時包含三軸磁力計。在本發明的一個實施例中，微型傳感器節點是ー個微機電(MEMQ的集成模塊，或 ー個嵌入式模塊，包含一個控制器或中央處理器(CPU)，一個電源管理器，一個三軸加速度傳感器、一個三軸陀螺儀以及ー個三軸磁力計。其中，三軸加速度傳感器能夠同時感應人體運動產生的加速度和地球重力加速度，三軸陀螺儀可以感應物體轉動時的角速度，三軸磁 カ計可感應其所在位置地磁場的強度。控制器或中央處理器以一定的採樣率採集這三個傳感器的數位訊號，經過去噪聲和校正等預處理後，或直接送往數據獲取和傳輸模塊200，或進行數據融合和三維方位角估計，估計出相應肢體的三維方位角，再送往數據獲取和傳輸模塊200。雖然圖3中的數據獲取和傳輸模塊200通過衣服固定在近腰部的位置，但本領域技術人員應當意識到，數據獲取和傳輸模塊200可根據實際需要固定在人體的其他部位。 同吋，各種替代的傳感器結構和設計均落入本發明範圍內。微型運動傳感器模塊100和數據獲取和傳輸模塊200系統結構—種基於傳感器的交互式上肢數字康復系統中的微型運動傳感器模塊100和數據獲取和傳輸模塊200，即主控板的系統結構分別示於圖4(a)和圖4(b)。每ー個傳感器節點有一個控制器/處理器、ー個陀螺儀、ー個磁力計、ー個加速度計，以及一個電源管理器組成。三個傳感器輸出的是數位訊號，通過IIC ロ與控制器相聯， 控制器以一定的採樣率(如毎秒100次)讀取傳感器數據，然後使用SPI協議將數據發送給主控制板。每ー個微型傳感器節點由於所用傳感器的差異和在電路板中的位置差異，在工作前都需要校準。首先使傳感器節點在六個方向上採集陀螺儀，磁和加速度數據，由於這六個方向上數據的不相關性，使用校正程序就可以獲得加速度和磁分別在X，1，Z方向的scale 和bias，和角速度在X，y，ζ方向的bias。然後將獲得的傳感器的參數值燒寫到傳感器的 flash中。有了這些傳感器的校正參數，傳感器中的固件程序根據這些參數對實時獲得的數據進行修正，從而保證傳感器採集的運動數據的有效性和準確性。傳感器節點在獲得由加速度計，磁力計和陀螺儀三個傳感器採集的運動數據後， 要對這三種數據進行融合和估值。在運動估計中，考慮這三種傳感器的抗幹擾能力和提供的數據信息的權重，採用基於卡爾曼濾波的信息融合算法獲得四元數和歐拉角來對運動估計單元進行估值。主控板主要由控制器晶片，電源模塊和無線傳輸模塊組成(如藍牙、WIFI)。主控板分為多路，每一路可連接N個傳感器節點。主控板會自動檢測傳感器個數並為每ー個傳感器分配ー個獨立的地址，然後按照一定的頻率使用SPI協議採集所有傳感器的數據。在對數據進行校驗完成後使用USART協議將數據通過藍牙或WIFI模塊發送給上位機中的分折、評估和訓練模塊300。數據預處理和校正在對由微型傳感器節點採集的運動數據進行多傳感器數據融合和運動捕獲之前，先要對數據進行預處理，預處理包括校準和低通濾波。由於傳感器誤差的存在，從傳感器直接採集的數據並不是準確的數據，因此要對傳感器的數據進行校準。傳感器的誤差主要分為偏置誤差，比例因子誤差，耦合誤差，基於此三個誤差，交互式上肢數字康復系統中建立傳感器的誤差模型如下Yi = Si=KTi=Ku^bii 傳感器類型Yi 傳感器輸出Si 靈敏度矩陣Ti 正交矩陣Ui 真實測量值I3i 偏置本專利根據加速計，陀螺儀，磁力計的3個固有特性來校準傳感器(pi)靜止吋， 加速計在不同方位的輸出模值不變，等於本地重力加速度；(P》相同地方磁力計輸出模值不變，等於本地地磁；(P3)加速計和磁力計的輸出隨陀螺儀同步變化，三者依賴於一定的數學關係，因此校準後的加速計和陀螺儀可以作為新的基準來校準陀螺儀。基於以上三個屬性，構建傳感器輸出值和真實值之間的目標函數(Cost Function)CF(の=ZLdIvII2-Ik(の Il2)其中K表示採集訓練數據的不同方位數。傳感器的校準參數θ應該使目標函數 CF( θ )最小。本發明採用牛頓優化算法來求解目標函數的最小化問題。對傳感器數據校準後，通過低通濾波對數據平滑去噪。到此對於由傳感器節點採集的數據預處理結束，接著對數據進行多傳感器數據融合及運動捕獲。多傳感器數據融合和運動捕獲本發明同時提出了ー套多傳感器數據融合和運動捕獲方法。圖5示出了多傳感器數據融合實現單一肢體運動參數估值的流程圖。由於三維加速度傳感器直接測量的數據為加速度，而我們需要的是速度和位移。 三維陀螺儀直接測量的數據是角速度，但是系統中需要的是角度。直接通過積分加速度計輸出計算速度、位移以及直接積分陀螺儀輸出得角度不但有未知積分常數，而且會產生很大的漂移。另外，由於溫度等因素也會在估計過程中引起較大的漂移。同吋，人體上肢的運動具有較大的非線性和不確定性。因此在本發明中的一個實施例交互式上肢數字康復系統中提出了擴展貝葉斯網絡理論，即採用圖5示出的自適應貝葉斯網絡估計方法，融合三個微型傳感器數據準確地估計三維角度，推導出速度、位移、運動軌跡等。在貝葉斯網絡中，有模型空間、狀態空間以及觀測空間。其中，模型空間指人體上肢的運動模式，例如，肩關節前旋模式、後旋模式等，在相同運動模式下，上肢的運動有相近的加速度變化趨勢、角度變化模式等，但在不同運動模式下差別較大。狀態空間中，將上肢各關節相對於關節初始位置旋轉後的四元數作為狀態。四元數是ー種超複數，可以表示物體的旋轉。觀測空間中，觀測數據包括三個軸的加速度數據、三個軸的角速度以及三維的磁場強度。為了減小傳感器節點對肢體三維方位角估值的漂移，本融合通過基於UKF(Unscented Kalman Filter)的多模型數據融合算法來融合傳感器的輸出值，得到實時的傳感器姿態信息。UKF是貝葉斯網絡的一種，狀態空間中，將上肢各關節相對於關節初始位置旋轉後的四元數作為狀態。觀測空間中，觀測數據包括三個軸的加速度數據、三個軸的角速度以及三維的磁場強度。如圖5所示，由陀螺儀的輸出積分得到的方位角估值，與由加速度傳感器中的重力加速度方向和磁力計中的地磁方向融合，以達到減少漂移的目的。然而，由於加速度傳感器中存在肢體運動加速度，它與重力加速度混在一起；磁力計中的地磁往往會受到各種幹擾。因此，在融合陀螺儀、加速度和磁力計這三種傳感器數據時，它們的權重應該根據它們受幹擾的程度，也即可信度，來實時調整。這就是所謂的「自適應多傳感器數據融合」。得到單個肢體的方位估計後，根據上肢運動模型把單個傳感器的跟蹤擴展到多個傳感器，並以此建立人體上肢運動跟蹤系統，這是本專利的第二級數據融合。這部分數據融合主要包括坐標系的映射和層次結構模型的建立。在本專利的上肢運動跟蹤系統中有3個坐標系，分別是全局坐標系(Global Coordinate System)，身體坐標系(Body Coordinate System)和傳感器坐標系(Sensor Coordinate System)。其中，全局坐標系是參考坐標系， 固定不變，身體坐標系是上肢關節處的坐標系，而傳感器坐標系是傳感器所在的坐標系。一級數據融合得到的四元數表徵的是傳感器坐標系和全局坐標系間的旋轉，本發明通過固定起始姿態來實現傳感器坐標系，身體坐標系和全局坐標系間的映射。上肢的層次結構模型， 即ー個父關節節點的運動會帶動其相應關聯子關節節點的運動。在本專利上肢模型中，腰部節點為根節點，它的子節點為肩關節，肩關節的子節點為肘關節，而肘關節的子節點為腕關節，腕關節為手臂模型的末端，子關節的位置可以根據層次結構模型求得Gplo = GPU0+GBqU*BsU*GBqU其中，Gplo 子節點LO的位置；Gpuq 父節點UO的位置；GBqll 父節點UO的姿態四元數；Bsll 關節LO和UO間的長度向量。康復訓練評估交互式上肢數字康復系統對於訓練動作、任務的評估包含兩個方面橫向評估， 指根據一次訓練動作或任務中用戶的完成情況，對其訓練效果和完成情況進行數位化的度量，並與給定的標準和要求進行比較，從而對單個的動作或任務給出評估；縱向評估，指對比當次完成情況與歷史完成情況，從而對患者當前的康復狀況進行評估，並通過圖表等交互方式給出評估結果。具體的評估辦法介紹如下在交互式上肢數字康復系統中，橫向評估主要從兩個方面進行。第一，根據主動運動關節活動度量表(Active Range Of Motion)對患者的運動缺失能力進行評估。根據量表，選定一系列動作來評估病人的關節活動度，每進入一個動作列表，三維顯示界面播放該動作的要求說明，然後病人依照要求做相應的動作，動作完成後， 系統評估動作的有效性，若有效則給出運動關節的活動度，否則提示病人出錯信息。動作有效性從四方面來衡量起始位置，軀幹代償，動作完成保持時間，患者動作速度。患者完成所有動作後，通過與常人標準關節活動度的對比得到患者的運動缺失能力指標
1權利要求
1.一種基於微型傳感器的交互式上肢康復系統，其特徵在於該系統包括微型運動傳感器模塊(100)、數據獲取和傳輸模塊(200)、分析、評估和訓練模塊(300)、以及網上康復指導模塊(400)；所述微型運動傳感器模塊(100)包含ー個或多個微型傳感器節點，嵌入服裝中，穿戴後每個傳感器節點牢固地附著在上肢的各肢體上，測量和估值相應肢體的運動參數；所述數據獲取和傳輸模塊(200)從各微型傳感器節點獲取相應肢體的運動數據，以無線或有線方式送往所述分析、評估和訓練模塊(300)；所述分析、評估和訓練模塊(300)裝在上位機上，包含動作分析和評估子模塊(301)對患者的動作和康復任務完成情況給出評估，康複方案生成子模塊(302)自動生成或由康復治療師人工設定患者的康複方案，康復訓練、評估和反饋子模塊(303)以虛擬實境或遊戲的方式引導患者完成方案中運動康復訓練，患者信息管理子模塊(304)管理患者和整個訓練過程的數據，康復動作庫子模塊(305)存儲有康複評估和訓練的動作或任務以及相應的三維顯示和遊戲場景；所述網上康復指導模塊(400)設置在康復中心伺服器上，與ー個或多個患者端的所述分析、評估和訓練模塊(300)同歩，康復師可以通過網絡查看患者康復訓練情況，指導患者自行進行訓練。
2.根據權利要求1所述的ー種基於微型傳感器的交互式上肢康復系統，其特徵在於 所述微型運動傳感器模塊(100)包含ー個以上微型傳感器節點通過訓練服牢固地固定在脊柱、患側肩胛骨、患側上臂、患側前臂、患側手背位置，並通過手套放置在患側手指各指節段；所述微型傳感器節點包括三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀、三軸磁力計、能量計、表面肌電傳感器等中的ー個、幾個或全部，表面肌電傳感器可以是傳感器陣列，以檢測相應肌肉運動單元的激勵狀態和時序。
3.根據權利要求1所述的ー種基於微型傳感器的交互式上肢康復系統，其特徵在於 所述運動傳感器節點數據校準方法，通過軟體的方式對傳感器的偏置誤差、比例因子誤差以及耦合誤差進行校準。
4.根據權利要求1所述的ー種基於微型傳感器的交互式上肢康復系統，其特徵在於 所述系統使用貝葉斯網絡自適應多傳感器數據融合方法估值上肢肢體三維方位角，得到單個肢體的方位估計後，根據上肢運動模型獲得整個人體上肢運動，實現上肢運動過程軌跡和方位的跟蹤。
5.根據權利要求1所述的ー種基於微型傳感器的交互式上肢康復系統，其特徵在於 所述分析、評估和訓練模塊(300)在上位機上，為患者提供實時交互康復訓練，包括建立患者信息檔案，獲得患者的上肢運動功能評估量表等級和上肢運動質量指數，據此選擇康複方案，根據康複方案中所列訓練動作循序實施訓練，根據訓練過程和結果的評估，選擇或調整下一步訓練方案，直到完成訓練；所述分析、評估和訓練模塊(300)中的康復動作庫子模塊(305)為康複方案的制定和康復訓練的實施提供支持，患者信息管理子模塊(304)存儲有患者康復全過程信息。
6.根據權利要求5所述的ー種基於微型傳感器的交互式上肢康復系統，其特徵在於 所述分析、評估和訓練模塊(300)，其動作分析和評估子模塊(301)提供的評估包括根據主動運動關節活動度量表自動評估患者運動缺失能力，以及上肢運動質量指數，它提取患者上肢運動過程中的運動特徵指數，定量評估上肢運動的質量，與患者的運動能力具有良好的線性相關性；所述主動運動關節活動度量表和上肢運動質量指數既用於康復師對患者按系統所給出的基本動作和要求評估患者的上肢運動功能，作為制定康複方案的依據，也用於在康復訓練過程中評估訓練效果，使用遊戲進行訓練吋，使用評估指數得出遊戲得分。
7.根據權利要求5所述的ー種基於微型傳感器的交互式上肢康復系統，其特徵在於 所述分析、評估和訓練模塊(300)，其康復動作庫(305)包括基本動作和日常生活用複合動作，動作庫中的動作一方面用於對患者上肢運動功能的評估，另ー方面用於康復訓練方案的表示和康復訓練的實施；所述康復動作庫中的動作，具有動作類別、所適用的評估方法、使用描述；康復動作庫中的動作，連接有相應的動作要求和卡通示範，動作評估標準、評估程序，動作遊戲場景和遊戲程序。
8.根據權利要求5所述的ー種基於微型傳感器的交互式上肢康復系統，其特徵在於 所述分析、評估和訓練模塊(300)，其康復訓練、評估和反饋子模塊(303)根據康複方案及進展，選擇ー個動作或任務，由患者進行康復訓練；進行動作訓練時，系統以動畫示範動作和要求，患者按要求完成動作，系統對動作進行評估，重複訓練動作直至達到目的；以遊戲方式進行相應動作訓練吋，以對動作完成水平和質量的評估作為遊戲積分，把一系列的訓練動作編排成一整套的遊戲場景，完成ー個訓練動作，也就是過了一個遊戲關卡，進入了下一個遊戲也就是進入了下一個動作的訓練；根據康複方案中對動作、任務完成情況的要求以及患者完成指定動作的速度、運動軌跡、幅度、角度等評估指標，在康復過程中對患者進行糾正用戶動作、加力、増加幅度等提示；康復訓練評估主要包含橫向評估和縱向評估兩個方面，橫向評估是指根據當次訓練用戶的完成情況，對其訓練效果和完成情況進行評估，並給出數位化的度量；縱向評估是指對比當次完成情況與歷史完成情況，從而對患者當前的康復狀況進行評估，並通過圖表等方式給出評估結果。
9.根據權利要求5所述的ー種基於微型傳感器的交互式上肢康復系統，其特徵在於 所述分析、評估和訓練模塊(300)，其患者信息管理子模塊(304)管理和保護患者在整個康復系統中的所有信息，包括患者在康復系統中的註冊信息、患者康復醫院檔案、康複評估方法和結果、康複方案、康復訓練全過程信息。
10.根據權利要求1所述的ー種基於微型傳感器的交互式上肢康復系統，其特徵在於 所述分析、評估和訓練模塊(300)通過網絡與康復中心的所述網上康復指導模塊(400)相聯；所述網上康復指導模塊(400)包括康復指導模塊(401)、康復研究模塊(402)、患者信息庫模塊(404)和康復動作庫模塊(405)；—旦網上所述康復指導模塊(400)中的康復動作庫模塊(405)有所更新，將馬上同步更新所有患者康復動作庫(305)；網上康復指導模塊 (400)中的患者信息庫模塊(404)保存有所有患者的信息；任何患者端的康復系統中的患者信息管理子模塊(304)中的信息更新，將通過客戶端和伺服器端資料庫同步的機制進行實時更新。
全文摘要
本發明公開了一種基於微型傳感器的交互式上肢康復系統，其包括採集患者上肢運動數據的微型傳感器模塊100、數據獲取和傳輸模塊200、分析、評估和訓練模塊300以及網上康復指導模塊400。該系統採用多傳感器數據融合技術，能夠實時、精確的捕獲患者上肢的運動，對其上肢功能以及康復訓練過程進行數位化度量和評估，使康復醫生可以精確的跟蹤和控制康復過程，及時、有針對性的實施和調整康複方案，提高康復訓練效率。同時，通過多種手段可視化患者康復訓練過程，定量評估完成情況，及時反饋信息。並能直觀地了解康復進展，提高患者康復訓練的主動性和積極性。通過網絡，患者可以在社區和家庭進行康復訓練，並同時獲得康復醫師的網上指導。
文檔編號G06F19/00GK102567638SQ20111045004
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月29日 優先權日2011年12月29日
發明者吳健康, 王韶鋒, 董梁, 黃帥 申請人:無錫微感科技有限公司