一種肢體康復訓練的難度調節方法

2023-06-03 08:40:26

專利名稱：一種肢體康復訓練的難度調節方法
技術領域：
本發明涉及醫療領域，特別涉及一種肢體康復訓練的難度調節方法。
背景技術：
腦卒中是醫學上對急性腦血管疾病的統稱，它分為兩種類型:缺血性腦卒中和出血性腦卒中，是以猝然昏倒，不省人事，伴發口角歪斜、語言不利而出現半身不遂為主要症狀的一類疾病。在很多國家，腦卒中是致死的第二或第三原因以及致殘的主要原因之一。在倖存的中風患者中，有大約60%的患者存在運動功能缺失，其中上肢運動功能障礙佔總人數的55%到75%。有研究表明，如果受損肢體長期的不進行恢復訓練，運動功能將會進一步下降，而通過針對特定關節及其相關肌肉進行重複和集中的訓練，可以重塑大腦神經通路，提升對肌肉的控制能力，進而恢復運動功能，而選擇患者最大的運動等級可提升這一效應。腦卒中後的康復訓練是一個長期過程，需要治療師與患者一對一手動互動。如何減輕治療師作業負擔，促使患者長期堅持訓練，增加訓練效率以及更加客觀科學的評估患者康復狀況都是需要解決的問題。藉助其他一些技術，例如計算機相關技術，輔助康復訓練為中風患者運動功能康復提供了一些新的嘗試。自1999年MIT的Holden等使用計算機技術構建出虛擬環境，首先將之引入康復以來，眾多學者利用運動傳感器、數據手套、運動捕捉系統等設備大量的論證了計算機技術輔助康復訓練的有效性，但其仍需有改進的地方。在研究本發明技術方案的過程中，本發明人發現現有技術至少存在以下的缺點:現有的康復訓練系統，針對不同的患者採用統一難度標準，實際上不同患者的患病情況、運動功能受損程度並不相同，這將導致參與訓練的患者可能與訓練的難度不相匹配，甚至可能由於訓練難度太高無法完成任務，由此產生挫敗感，或者訓練難度太低，缺乏成就感，從而失去訓練的積極性，進而影響康復的效率和效果。

發明內容
本發明的發明目的在於提供一種肢體康復訓練的難度調節方法，應用該技術方案可以針對不同的患者採用不同的難度等級標準，調節康復訓練的難度等級以確定患者採用的合適的等級難度，提高不同患病程度患者的康復效率和康復效果，提高患者訓練的積極性。本發明提供了一種肢體康復訓練的難度調節方法，其步驟包括:A、採集患者的肢體運動學信息或遊戲遊戲分值，並預先根據運動學信息或遊戲分值劃分難度等級等級將各難度等級設定相應的最低要求分值以及最高要求分值，和確定患者運動難度；其中，採集患者的肢體運動學信息或遊戲分值可按照FITTS定律計算所述肢體運動學信息，確定歸一化運動難度等級、完成不同難度等級訓練所需的時間以及完成訓練任務的訓練周期；具體為根據FITTS定律計算出難度等級和完成不同難度等級訓練所需的時間，其公式為:T=a+b I ο g2 (I +D/A)其中，T為完成當前難度等級任務所需的時間，同時為難度等級；D為運動初始位置與終止位置之間的距離；A為目標物體大小；a為截距；b為斜率；假定觸點大小固定，令難度等級隨著肢體運動距離變遠而增加，假定肢體自然垂直為肢體初始位置，獲得最小難度等級，肢體向上抬起至垂直水平面為肢體終止位置，獲得最大難度等級，根據個人肢體長度，歸一化難度等級到0-1內；將歸一化難度等級0-1內的難度等級均分為η個等級，對應獲得η個空間範圍，令觸點首先出現在最小難度等級的位置；若當前難度等級的觸點在當前難度等級運動完成所設定的時間內被觸碰到，判斷則訓練任務完成，所設定的時間可根據FITTS定律公式計算，例如可以為計算值的2至3
倍。 其中，確定截距a和斜率b，具體的令患者進行一次自主運動，確定患者依靠自身能力獲取的肢體運動範圍，在肢體運動範圍對應的虛擬環境內，隨機得出η個坐標位置，並計算肢體初始位置與肢體終止位置的坐標點的距離，分別記為Dp D2,彳0 ，若觸點的大小為Α，令所述觸點隨機選擇在設定坐標位置出現；所述觸點隨機選擇設定坐標位置中的任意一個，當患者的肢體觸碰到所述觸點時，記錄患者每次觸碰所述觸點時的運動所需時間，記為T ；每個坐標位置分別出現所述觸點的次數為η次，計算得出各設定坐標點分別進行觸點運動的運動所需時間的平均時間，分別記為 \、τ2、；可根據η個坐標位置以及得到的時間聯立方程，通過最小二乘法計算得出截距a與斜率b的值。另外，也可根據遊戲分分值設定遊戲的難度，不同難度的得分有一定差異，設定分值越高，則難度越高。B、完成該難度等級訓練並且同時採集患者的肢體運動學信息或遊戲分值，歸一化所述的肢體運動學信息或遊戲分值，確定歸一化參數；其中，所述歸一化參數可為FITTS定律計算所述肢體運動學信息、完成當前難度等級的運動時間評估百分比、運動軌跡評估百分比、運動速度評估百分比、軀幹位移評估百分比、實際運動觸碰坐標評估百分比中的任意一種或幾種。在實際的康復訓練過程中，根據患者的訓練情況以及一些綜合的環境因素，基於本發明的思路，系統選取用於評估獲取相應評估百分比的參數還可有其他的選擇，如運動平滑度等。歸一化運動時間，確定完成當前難度等級的運動時間評估百分比；各難度等級任務分別對應相應的最大運動時間，所述的最大運動時間可以為當前難度等級完成時間的至少兩倍以上，作為優選的例子可以為所述當前難度等級完成時間的三倍，若完成當前難度任務時間所用運動時間超過所述最大運動時間，則認定不滿足最低要求；其中，歸一化運動時間評估百分比的評估公式如下:
Pt=(tmax_treal)/tmaxX100%其中，tmax為完成當前難度任務所需最大運動時間，treal為完成當前難度任務時間所用運動時間，Pt為歸一化後完成的運動時間評估百分比。歸一化運動軌跡，確定完成當前難度等級的運動軌跡評估百分比；實際運動軌跡為完成當前難度等級訓練任務的運動軌跡，理想軌跡為初始位置與終止位置的連接線，各不同難度等級分別對應有相應的理想軌跡，實際運動軌跡越接近理想軌跡運動行為越佳，偏離越大越差，其中，歸一化運動軌跡評估百分比的評估公式如下:PP=Pidal/PrealX100%其中，PMal為實際運動軌跡，Pideal為理想軌跡，Pp為歸一化後的運動軌跡評估百分比。歸一化運動速度，確定完成當前難度等級的運動速度評估百分比；根據所述當前難度等級的患者的運動軌跡和運動時間，確定平均運動速度；根據當前難度等級的最大運動時間，確定最慢運動速度；若所述平均運動速度低於所述最慢運動速度，則判定不滿足最低要求；其中，歸一化運動速度評估百分比的評估公式如下:Pfd-ULow/UjXlOOo/o其中，UEeal是患者完成當前難度等級訓練任務的平均運動速度，隊。w最慢運動速度，Pu為歸一化後的運動速度評估百分比。歸一化軀幹位移，確定完成當前難度等級訓練任務的軀幹位移評估百分比；根據初始的軀幹位置以及完成任務過程中軀幹的移動距離，確定最大軀幹位移；最佳的軀幹位移為0，最差的軀幹位移為需身體完全補償手臂移動，各難度等級分別對應相應的最大軀幹位移；其中，歸一化軀幹位移評估百分比的評估公式如下:Ptrunk= (l-PPtnmk/D) X 100%其中，D為軀幹距離目標物體的距離，Pptrank為完成當前難度等級的軀幹位移，Ptnmk為歸一化後的軀幹位移評估百分比。歸一化實際運動觸碰坐標，確定完成當前難度等級訓練任務的實際運動觸碰坐標評估百分比；定義一個中心坐標為(X，I, Z)和邊長為2L的正方體，空間誤差為患者肢體實際觸碰的坐標與中心坐標的距離，最佳實際觸碰坐標為觸點中心坐標，最差實際觸碰坐標為正方形觸點的角上，若患者肢體實際觸碰的坐標範圍在(x_L-x+L, y-L-y+L, z_L_z+L)中，則患者完成當前難度等級的訓練任務；其中，歸一化實際運動觸碰坐標評估百分比的評估公式如下:
權利要求
1.一種肢體康復訓練的難度調節方法，其特徵在於:步驟包括 A、採集患者的肢體運動學信息或遊戲分值，並預先根據運動學信息或遊戲分值劃分難度等級等級將各難度等級設定相應的最低要求分值以及最高要求分值，和確定患者運動難度； B、完成該難度等級訓練並且同時採集患者的肢體運動學信息或遊戲分值，歸一化所述的肢體運動學信息或遊戲分值，確定歸一化參數； C、對所述的歸一化參數進行參數評估，確定評估分值，並且判斷所述評估分值是否為大於或等於所述最高要求分值、小於或等於所述最低要求分值中的任意一種情況；若所述評估分值為大於或等於所述最高要求分值，則將當前難度等級提升至高一等級的難度等級；若所述評估分值為 小於或等於所述最低要求分值，則將當前難度等級降低至低一等級的難度等級，若所述評估分值不屬於上述兩種情況中的任一一種，則當前難度等級不變； D、判斷是否完成所述訓練周期，若未完成所述訓練周期，則重新進行步驟C;若已完成所述訓練周期，則結束所述訓練周期。
2.根據權利要求1所述的一種肢體康復訓練的難度調節方法，其特徵在於: 步驟A中，採集患者的肢體運動學信息或遊戲分值可按照FITTS定律計算所述肢體運動學信息，確定歸一化運動難度等級、完成不同難度等級訓練所需的時間以及完成訓練任務的訓練周期；具體為 根據FITTS定律計算出難度等級和完成不同難度等級訓練所需的時間，其公式為: T=a+b1g2 (1+D/A) 其中，T為完成當前難度等級任務所需的時間，同時為難度等級；D為運動初始位置與終止位置之間的距離；A為目標物體大小；a為截距；b為斜率； 假定觸點大小固定，令難度等級隨著肢體運動距離變遠而增加，假定肢體自然垂直為肢體初始位置，獲得最小難度等級，肢體向上抬起至垂直水平面為肢體終止位置，獲得最大難度等級，根據個人肢體長度，歸一化難度等級到0-1內； 將歸一化難度等級0-1內的難度等級均分為n個等級，對應獲得n個空間範圍，令觸點首先出現在最小難度等級的位置； 若當前難度等級的觸點在當前難度等級運動完成所設定的時間內被觸碰到，判斷則訓練任務完成，所設定的時間可根據FITTS定律公式計算。
另外，也可根據遊戲分分值設定遊戲的難度，不同難度的得分有一定差異，設定分值越高，則難度越高。
3.根據權利要求2所述的一種肢體康復訓練的難度調節方法，其特徵在於: 確定截距a和斜率b，具體的 令患者進行一次自主運動，確定患者依靠自身能力獲取的肢體運動範圍，在肢體運動範圍對應的虛擬環境內，隨機得出n個坐標位置，並計算肢體初始位置與肢體終止位置的坐標點的距離，分別記為隊、D2,彳0 ，若觸點的大小為A，令所述觸點隨機選擇在設定坐標位置出現； 所述觸點隨機選擇設定坐標位置中的任意一個，當患者的肢體觸碰到所述觸點時，記錄患者每次觸碰所述觸點時的運動所需時間，記為T ； 每個坐標位置分別出現所述觸點的次數為n次，計算得出各設定坐標點分別進行觸點運動的運動所需時間的平均時間，分別記為 \、τ2、； 可根據η個坐標位置以及得到的時間聯立方程，通過最小二乘法計算得出截距a與斜率b的值。
4.根據權利要求1所述的一種肢體康復訓練的難度調節方法，其特徵在於: 步驟B中，歸一化所述的肢體運動學信息或遊戲遊戲分值，確定歸一化參數；具體的 所述歸一化參數可為FITTS定律計算所述肢體運動學信息、完成當前難度等級的運動時間評估百分比、運動軌跡評估百分比、運動速度評估百分比、軀幹位移評估百分比、實際運動觸碰坐標評估百分比中的任意一種或幾種。
5.根據權利要求4所述的一種肢體康復訓練的難度調節方法，其特徵在於: 步驟B中，歸一化所述的肢體運動學信息，確定歸一化參數，所述歸一化參數為完成當前難度等級的運動時間評估百分比、運動軌跡評估百分比、運動速度評估百分比、軀幹位移評估百分比、實際運動觸碰坐標評估百分比中的任意一種或幾種；具體為 歸一化運動時間，確定完成當前難度等級的運動時間評估百分比；各難度等級任務分別對應相應的最大運動時間，所述的最大運動時間可以為當前難度等級完成時間的至少兩倍以上，若完成當前難度任務時間所用運動時間超過所述最大運動時間，則認定不滿足最低要求； 其中，歸一化運動時間評估百分比的評估公式如下:Pt=(tmax-treal)/tmaxxioo% 其中，tmax為完成當前難度任務所需最大運動時間，treal為完成當前難度任務時間所用運動時間，Pt為歸一化後完成的運動`時間評估百分比。
6.根據權利要求4所述的一種肢體康復訓練的難度調節方法，其特徵在於: 步驟B中，歸一化所述的肢體運動學信息，確定歸一化參數，所述歸一化參數為完成當前難度等級的運動時間評估百分比、運動軌跡評估百分比、運動速度評估百分比、軀幹位移評估百分比、實際運動觸碰坐標評估百分比中的任意一種或幾種；具體為 歸一化運動軌跡，確定完成當前難度等級的運動軌跡評估百分比；實際運動軌跡為完成當前難度等級訓練任務的運動軌跡，理想軌跡為初始位置與終止位置的連接線，各不同難度等級分別對應有相應的理想軌跡，實際運動軌跡越接近理想軌跡運動行為越佳，偏離越大越差， 其中，歸一化運動軌跡評估百分比的評估公式如下: Pp_Pidal/Preal X 100% 其中，PMal為實際運動軌跡，Pideai為理想軌跡，Pp為歸一化後的運動軌跡評估百分比。
7.根據權利要求4所述的一種肢體康復訓練的難度調節方法，其特徵在於: 步驟B中，歸一化所述的肢體運動學信息，確定歸一化參數，所述歸一化參數為完成當前難度等級的運動時間評估百分比、運動軌跡評估百分比、運動速度評估百分比、軀幹位移評估百分比、實際運動觸碰坐標評估百分比中的任意一種或幾種；具體為 歸一化運動速度，確定完成當前難度等級的運動速度評估百分比；根據所述當前難度等級的患者的運動軌跡和運動時間，確定平均運動速度；根據當前難度等級的最大運動時間，確定最慢運動速度；若所述平均運動速度低於所述最慢運動速度，則判定不滿足最低要求；其中，歸一化運動速度評估百分比的評估公式如下: Pfd-nmooo/o 其中，Ulteal是患者完成當前難度等級訓練任務的平均運動速度，隊。￥最慢運動速度，Pu為歸一化後的運動速度評估百分比。
8.根據權利要求4所述的一種肢體康復訓練的難度調節方法，其特徵在於: 步驟B中，歸一化所述的肢體運動學信息，確定歸一化參數，所述歸一化參數為完成當前難度等級的運動時間評估百分比、運動軌跡評估百分比、運動速度評估百分比、軀幹位移評估百分比、實際運動觸碰坐標評估百分比、中的任意一種或幾種；具體為 歸一化軀幹位移，確定完成當前難度等級訓練任務的軀幹位移評估百分比；根據初始的軀幹位置以及完成任務過程中軀幹的移動距離，確定最大軀幹位移；最佳的軀幹位移為O，最差的軀幹位移為需身體完全補償手臂移動，各難度等級分別對應相應的最大軀幹位移； 其中，歸一化軀幹位移評估百分比的評估公式如下:Ptmk-( UPtmnk/D) X 100% 其中，D為軀幹距離目標物體的距離，Pptrank為完成當前難度等級的軀幹位移，Ptrank為歸一化後的軀幹位移評估百分比。
9.根據權利要求4所述的一種肢體康復訓練的難度調節方法，其特徵在於: 步驟B中，歸一化所述的肢體運動學信息，確定歸一化參數，所述歸一化參數為完成當前難度等級的運動時間評估百分比、運動軌跡評估百分比、運動速度評估百分比、軀幹位移評估百分比、實際運動觸碰坐標評估百分比中的任意一種或幾種；具體為 歸一化實際運動觸碰坐標，確定完成當前難度等級訓練任務的實際運動觸碰坐標評估百分比；定義一個中心坐標為U，y, z)和邊長為2L的正方體，空間誤差為患者肢體實際觸碰的坐標與中心坐標的距離，最佳實際觸碰坐標為觸點中心坐標，最差實際觸碰坐標為正方形觸點的角上，若患者肢體實際觸碰的坐標範圍在(x-L-x+L, y-L-y+L, z_L_z+L)中，則患者完成當前難度等級的訓練任務； 其中，歸一化實際運動觸碰坐標評估百分比的評估公式如下:
10.根據權利要求5-9所述的一種肢體康復訓練的難度調節方法，其特徵在於: 步驟C中，對所述的歸一化參數進行參數評估，確定評估分值；具體的 根據完成當前難度等級的運動時間評估百分比、運動軌跡評估百分比、運動速度評估百分比、軀幹位移評估百分比、實際運動觸碰坐標評估百分比中的任意一種或幾種，確定評估分值；評估分值從0-1，O為最差分值，I為最佳分值； 其中，確定評估分值的評估公式如下:
全文摘要
本發明涉及醫療領域，公開了一種肢體康復訓練的難度調節方法，通過採集患者的肢體運動學信息，並劃分難度等級，設定患者訓練開始所處的難度等級，再歸一化患者訓練獲取的運動學參數進行評估，根據評估結果調整訓練難度等級，從而實現針對不同完成度使用不同難度等級，提高運動功能不同受損程度患者的訓練積極性。
文檔編號G06F19/00GK103106343SQ20131003483
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月29日 優先權日2013年1月29日
發明者宋嶸, 李宇寧 申請人:中山大學