一種可攜式肢體運動康復訓練裝置及其使用方法
2023-05-23 05:35:21 2
專利名稱：一種可攜式肢體運動康復訓練裝置及其使用方法
技術領域：
本發明涉及醫療器械領域，具體涉及一種肢體運動康復訓練裝置及其使用方法。
技術背景
對需要肢體康復的使用者進行肢體康復訓練可以有效地輔助使用者重獲肢體的 運動功能，對使用者具有重要意義。傳統的肢體運動康復訓練是由治療師人力協助使用者 進行。為了彌補傳統的肢體運動康復訓練效率低、內容枯燥、評價指標不夠精確等缺點，目 前醫療界廣泛應用康復工程設備輔助治療。康復工程設備是用於肢體運動功能恢復的醫 療器械，可以使肌肉按一定順序運動，除直接鍛鍊肌力外，還可以協調和支配肢體的功能狀 態，使其恢復動態平衡；同時多次重複的運動可以向大腦反饋信息，使其儘快地最大限度地 實現功能重建。因此，採用康復工程設備不僅可以彌補傳統運動康復訓練效率低、內容枯 燥、評價指標不夠精確等缺點，而且可以輔助分析患肢的各項運動參數，以促進康復訓練模 式的改進，為康復醫學提供了全新的治療手段。
經過對現有技術的檢索發現，存在一種訓練平面可調式上肢偏癱康復機器人裝 置，該裝置可以滿足偏癱康復訓練中對於醫療機器人提出的空間訓練的要求，包括座椅、訓 練平面、訓練平面調節裝置，安裝在訓練平面上的機械臂、腕部固定託架和肘部託架。訓練 平面調節裝置可以調節訓練平面相對於地面的高度，以及訓練平面與水平面的夾角，以適 應不同使用者在多平面內完成多種康復訓練動作的需要。
雖然這種訓練平面可調式上肢偏癱康復機器人裝置可以調整訓練平面，但使用者 使用該裝置的訓練過程中只能在某一平面上進行康復動作訓練，這限制了康復使用者肌肉 練習動作的多樣性；此外，該裝置體積較大，重量較重，不便於攜帶；並且僅適用於上肢康 復訓練，而不適用於下肢的康復訓練。
因此，本領域的技術人員致力於開發一種肢體運動康復訓練裝置，可以在多個平 面內進行康復動作訓練，便於攜帶，並且適用於下肢的康復訓練。發明內容
有鑑於現有技術的上述缺陷，本發明提出了一種可攜式肢體運動康復訓練裝置。 本發明使用虛擬實境技術，使接受訓練的肢體可以在三維空間任意運動而不必局限於平 面，可以在簡易環境下，輔助使用者進行多種方式訓練，有益於豐富康復訓練手段，提高康 復訓練效率。
為實現上述目的，本發明提供了一種可攜式肢體運動康復訓練裝置，包括硬體部 分和軟體部分。其中硬體部分包括拉線傳感器、數據採集卡和計算機；軟體部分包括康 復遊戲算法模塊、康復遊戲動作顯示模塊、康復遊戲背景顯示模塊、康復遊戲內容顯示模塊 和得分評估模塊。其中拉線傳感器的輸出端與數據採集卡的輸入端相連，數據採集卡的輸 出端連接到計算機。拉線傳感器為使用者與本裝置的人機互動接口，使用者肢體末端與拉 線傳感器拉線端相連，使用者通過肢體運動改變拉線的長度，拉線長度變化量即為拉線傳感器的輸入，拉線傳感器將拉線物理長度變化值轉化成為模擬電壓值，並輸入數據採集卡； 數據採集卡將該模擬電壓值轉化成數字電壓值，並輸入計算機；計算機將該數字電壓值還 原成為物理長度變化值，並將還原得到的物理長度變化值輸送給康復遊戲算法模塊。康復 遊戲算法模塊對該物理長度變化值計算並輸出遊戲動作數據，並將該遊戲動作數據輸出至 康復遊戲動作顯示模塊和得分評估模塊，一方面遊戲動作數據經過康復遊戲動作顯示模塊 的處理後，與康復遊戲背景顯示模塊的數據進行融合，融合後的數據輸入至康復遊戲內容 顯示模塊並顯示出來；另一方面，遊戲動作數據通過得分評估模塊分析使用者得分與病情。 使用者在康復過程中可以通過康復遊戲內容顯示模塊的輸出得到視覺反饋與聽覺反饋，從 而實現了人與系統的互動。
本發明根據不同的康復訓練方案，可以設計不同的使用所述可攜式肢體運動康復 訓練裝置的方法。所述可攜式肢體運動康復訓練裝置的一種使用方法為將拉線傳感器的主 體固定，拉線傳感器的拉線與使用者的上肢或者下肢相連，使用者按照對角線路徑上提與 拉線傳感器的拉線相連的上肢或者下肢，進行訓練。
所述可攜式肢體運動康復訓練裝置的一種使用方法為將拉線傳感器的主體固定， 拉線傳感器的拉線與使用者的上肢或下肢相連，使用者按照對角線路徑下拉與拉線傳感器 的拉線相連的上肢或者下肢，進行訓練。
所述可攜式肢體運動康復訓練裝置的一種使用方法為將拉線傳感器的主體固定， 將拉線傳感器的拉線與使用者的上肢或下肢相連，使用者通過單獨活動與拉線傳感器的拉 線相連的上肢或者下肢的關節，進行訓練。
本發明提供的可攜式肢體運動康復訓練裝置包括硬體部分和軟體部分。其中硬 件部分包括拉線傳感器、數據採集卡和計算機；軟體部分包括康復遊戲算法模塊、康復 遊戲動作顯示模塊、康復遊戲背景顯示模塊、得分評估模塊和康復遊戲內容顯示模塊。其 中，拉線傳感器的輸出連接到數據採集卡的輸入，數據採集卡的輸出連接到計算機。拉線傳 感器為使用者與本裝置的人機互動接口，使用者肢體末端與拉線傳感器拉線端相連，使用 者通過肢體運動改變拉線的長度，拉線長度變化量即為拉線傳感器的輸入，通過操作拉線 傳感器來進行康復訓練；使用者在康復過程中可以通過軟體部分的康復遊戲內容顯示模塊 的輸出得到視覺反饋與聽覺反饋，從而實現了人與系統的互動。
本發明提供的可攜式肢體運動康復訓練裝置，相比現有技術具有以下優點康復 訓練裝置整體結構簡潔，體積小，重量輕，便於攜帶，適用於普通家庭等環境，且易於操作； 接受訓練的肢體可以在三維空間的運動，而不必局限於平面，並且訓練內容豐富，人機互動 性強；通過設計不同的訓練方案，本發明不僅使用於上肢康復訓練，也適用於下肢康復訓練。
以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以 充分地了解本發明的目的、特徵和效果。
圖1是本發明的一個具體實施例的示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，在本實施例中，可攜式肢體運動康復訓練裝置包括拉線傳感器1、數 據採集卡2、計算機3、康復遊戲算法模塊4、康復遊戲動作顯示模塊5、康復遊戲背景顯示模 塊6、得分評估模塊7和康復遊戲內容顯示模塊8。
在本實施例中，採用可攜式肢體運動康復訓練裝置對使用者進行肢體康復訓練 時，康復使用者坐於椅子的合適位置，將無線滑鼠固定在食指，將拉線傳感器I末端固定在 手部，即可進行運動訓練。傳統滑鼠只能在某一平面內測量二維位置坐標，而本實施例中的 裝置採用拉線傳感器來測量空間任意方向的三維運動數據，使得使用者的康復運動不僅僅 局限於某一平面，從而擴展了康復運動空間範圍。無線滑鼠的按鈕作為康復遊戲中的觸碰 開關，實現人與遊戲的互動。本系統的軟體部分將拉線傳感器I的拉線長度變化與康復遊 戲聯繫在一起。
康復使用者操作拉線傳感器1，使得拉線傳感器I的拉線長度產生變化。拉線傳 感器I將拉線物理長度變化值轉化成為模擬電壓值，輸入數據採集卡1，轉化過程中，拉線 的長度變化值與模擬電壓值成線性比例關係。數據採集卡2通過USB (Universal Serial Bus)接口與計算機3相連接,並將模擬電壓值轉化成數字電壓值，輸入計算機3。計算機3 將數字電壓值，還原成為物理長度變化值，並輸送給軟體部分的康復遊戲算法模塊4。經過 康復遊戲算法模塊4計算，拉線的物理長度變化值轉化為遊戲動作數據，一方面輸入康復 遊戲動作顯示模塊5，另一方面輸入得分評估模塊7。遊戲動作數據經過康復遊戲動作顯示 模塊5的處理後，與康復遊戲背景顯示模塊6的數據進行融合。康復遊戲背景顯示模塊6 是將遊戲背景內容以靜態畫面的形式展示給使用者，增加康復的觀賞性與趣味性；康復遊 戲動作顯示模塊5是將使用者的動作信息以動態畫面的形式展示出來，遊戲動作數據經過 康復遊戲動作顯示模塊5的處理後，與康復遊戲背景顯示模塊6的數據進行融合，融合後 的數據輸入至康復遊戲內容顯示模塊8並顯示出來，從而為使用者提供視覺反饋與聽覺反 饋。使用者根據系統的要求完成相應的訓練動作，以遊戲互動的方式進行康復訓練，有助於 提高使用者的積極性，減小使用者在康復治療過程中的心理負擔。
以「彈鋼琴」康復遊戲為例。根據遊戲設計，康復遊戲背景顯示模塊6顯示一幅 鋼琴的鍵盤畫面作為遊戲背景。使用者可以選擇喜歡的演奏曲目。訓練開始後，康復遊戲 背景顯示模塊6將曲目演奏進行時音符所對應的鍵盤位置高亮突顯，以引導使用者按鍵彈 奏。使用者將無線滑鼠固定在手的食指，並將拉線傳感器I的拉線端與該手部相連，通過移 動手指位置，控制拉線長度。康復遊戲動作顯示模塊5將根據拉線的物理長度變化值，相應 移動計算機屏幕上虛擬手指的位置，當使用者按下無線滑鼠控制鍵時，虛擬手指相應按下 當前鍵，鋼琴發出相應的音符。得分評估模塊7綜合分析使用者動作的幅度，速度等信息， 從而進行康復遊戲得分計算，並分析使用者的病情。使用者運動能力在康復遊戲過程中得 到提升。
使用者在康復過程中可以通過計算機得到視覺反饋與聽覺反饋，實現了人與系統 的互動。使用者訓練時，可根據病情不同，訓練目的的不同，選擇不同的訓練方式。本發明 基於PNF(proprioceptive neuromuscular facilitation)技術，即本體感覺神經肌肉促進 技術，為該康復訓練裝置設計了三種訓練方案(I)基於PNF的單側上肢對角螺旋運動訓練 方案，即上提式使用者可坐在椅子上，將拉線傳感器主體固定於地面上，使用者體側的適 當位置。拉線傳感器拉線端與手部相連，使用者按照對角線路徑上提，進行訓練；(2)基於PNF的單側上肢對角螺旋運動訓練方案，即下拉式使用者可坐在椅子上，將拉線傳感器主 體固定於使用者頭部側面的適當位置。拉線傳感器拉線端與手部相連，使用者按照對角線 路徑下拉，進行訓練；(3)單關節訓練方案使用者可坐在椅子上，將拉線傳感器主體固定 於空間合適位置，將拉線傳感器拉線端與手部相連，使用者通過單獨活動肩關節，肘關節或 腕關節，來進行訓練。
進一步地，將拉線傳感器拉線端固定在下肢，並設計適當的訓練路徑，該系統也適 用與下肢康復運動訓練。
以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術無需創 造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員 依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術 方案，皆應在由權利要求書所確定的保護範圍內。
權利要求
1.一種可攜式肢體運動康復訓練裝置，包括硬體部分和軟體部分，硬體部分包括拉線傳感器、數據採集卡和計算機；其特徵在於，軟體部分包括康復遊戲算法模塊、康復遊戲動作顯示模塊、康復遊戲背景顯示模塊、康復遊戲內容顯示模塊和得分評估模塊，其中所述拉線傳感器的輸出端與所述數據採集卡的輸入端相連，所述數據採集卡的輸出端連接到所述計算機；所述拉線傳感器為使用者與所述肢體運動康復訓練裝置的人機互動接口，所述拉線傳感器將拉線的物理長度變化值轉化成為模擬電壓值，並輸入所述數據採集卡；所述數據採集卡將所述模擬電壓值轉化成數字電壓值，並輸入所述計算機；所述計算機將所述數字電壓值還原成為所述物理長度變化值，並將還原得到的所述物理長度變化值輸送給所述康復遊戲算法模塊；所述康復遊戲算法模塊對所述物理長度變化值計算並輸出遊戲動作數據，並將所述遊戲動作數據輸出至所述康復遊戲動作顯示模塊和所述得分評估模塊。
2.如權利要求1所述的一種可攜式肢體運動康復訓練裝置，其特徵在於，所述遊戲動作數據輸出至所述康復遊戲動作顯示模塊，所述遊戲動作數據經過所述康復遊戲動作顯示模塊的處理後，與所述康復遊戲背景顯示模塊的數據進行融合，融合後的數據輸入至所述康復遊戲內容顯示模塊並顯示，所述使用者在康復過程中通過所述康復遊戲內容顯示模塊的輸出得到視覺反饋與聽覺反饋，從而實現了人與系統的互動。
3.如權利要求2所述的一種可攜式肢體運動康復訓練裝置，其特徵在於，所述遊戲動作數據輸出至所述得分評估模塊，所述遊戲動作數據通過所述得分評估模塊分析所述使用者得分與病情。
4.一種使用如權利要求1-3中任意一個所述的可攜式肢體運動康復訓練裝置的方法， 其特徵在於，將所述拉線傳感器的主體固定，所述拉線傳感器的所述拉線與所述使用者的上肢或者下肢相連，所述使用者按照對角線路徑上提與所述拉線傳感器的所述拉線相連的所述上肢或者下肢，進行訓練。
5.一種使用如權利要求1-3中任意一個所述的可攜式肢體運動康復訓練裝置的方法， 其特徵在於，將所述拉線傳感器的主體固定，所述拉線傳感器的所述拉線與所述使用者的上肢或下肢相連，所述使用者按照對角線路徑下拉與所述拉線傳感器的所述拉線相連的所述上肢或者下肢，進行訓練。
6.一種使用如權利要求1-3中任意一個所述的可攜式肢體運動康復訓練裝置的方法， 其特徵在於，將所述拉線傳感器的主體固定，將所述拉線傳感器的所述拉線與所述使用者的上肢或下肢相連，所述使用者通過單獨活動與所述拉線傳感器的所述拉線相連的所述上肢或者下肢的關節，進行訓練。
全文摘要
本發明公開了一種可攜式肢體運動康復訓練裝置，包括硬體部分和軟體部分，硬體部分包括拉線傳感器、數據採集卡和計算機；其特徵在於，軟體部分包括康復遊戲算法模塊、康復遊戲動作顯示模塊、康復遊戲背景顯示模塊、康復遊戲內容顯示模塊和得分評估模塊。該康復訓練系統整體結構簡潔，易操作。接受訓練的肢體可以在三維空間的運動，不必局限於平面，訓練內容豐富，人機互動性強。本發明中裝置具有體積小，重量輕等特點，便於攜帶，適用於普通家庭等環境。本發明不僅使用於上肢康復訓練，也適用於下肢康復訓練。有益於豐富康復訓練手段，提高康復訓練效率。
文檔編號A63B23/04GK102989124SQ20121055340
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月19日 優先權日2012年12月19日
發明者謝叻, 於海龍, 邵衛, 蔣峻, 李海麗, 凌徽華 申請人:上海交通大學