一種抓握功能評估與訓練系統的製作方法
2023-10-07 10:03:04 1
一種抓握功能評估與訓練系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種抓握功能評估與訓練系統，包括主機交互模塊，用於引導用戶實時調節握力大小和肌肉收縮狀況以完成虛擬任務；信號採集模塊，用於採集用戶上肢的力學信號和肌電信號；信號存儲模塊，用於接收所述信號採集模塊的力學信號和肌電信號進行存儲，以及存儲特徵參數；主機控制模塊，分別與所述主機交互模塊和信號存儲模塊連接，用於將所述信號採集模塊傳輸的力學信號和肌電信號進行運算與處理，得到特徵參數，通過特徵參數控制虛擬場景進行相應的遊戲操作以訓練運動控制功能，最後將特徵參數傳輸給信號存儲模塊。本發明抓握功能評估與訓練系統利用肌電信號、力學信號多參數進行人機互動，對腦卒中患者手功能進行訓練和評估，從而提高患者手部運動功能。
【專利說明】一種抓握功能評估與訓練系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及醫療領域，特別涉及一種基於上肢力學信號和肌電信號的抓握功能評 估與訓練系統。
【背景技術】
[0002] 腦卒中（中風）已經成為人類健康的第二大殺手，它具有發病率高、死亡率高、致 殘率高的特點。根據統計中國每年發生腦中風病人達200萬。我國腦卒中的發病率正以每 年近9%的速度上升。現倖存中風病人700萬，其中450萬病人不同程度喪失勞動力，生活 不能自理，致殘率高達75 %，5年內復發率高達41 %。腦卒中後的偏癱患者日常行為能力受 到嚴重影響。相關臨床研究發現，腦卒中偏癱患者下肢功能恢復速度遠快於上肢功能恢復 30% -66%的腦卒中用戶遺留有不同程度的上肢功能障礙，且有將近10%是重度致殘，所 以上肢和手功能障礙的恢復仍是目前腦卒中後康復治療的重點及難點之一。針對中風患者 後期的臨床康復治療通常以康複評估開始，又以康複評估結束，康復治療師通過康複評估 為病人制定合理的治療計劃，在治療過程中，康復治療師通過康複評估及時調整康復治療 方案，最終通過康複評估確定治療效果，所以康複評估是康復中至關重要的一個環節。而傳 統的量表評估法是一種半定量的評估方法，且可重複性較差。目前，採用肌肉電信號分析技 術評估腦卒中用戶神經肌肉系統的功能狀態是近年來康復醫學研究興起的一個熱門領域。
[0003] 目前大多數康復設備主要針對大關節（肩、肘、膝、踝等）運動功能的康復，針對手 部關節的精細動作康復訓練的研究和應用較少。傳統的上肢康複方法包括人工物理治療， 反覆作業療法，強制運動療法以及中醫學中的針灸醫術等，這是一個長期過程，需要治療師 與患者一對一手動互動，自動化程度不高。綜上所述，針對腦卒中用戶上肢，尤其是結合多 模態多參數抓握動作對中風患者上肢功能的綜合康複評估仍比較少，且將所得評估用於指 導康復進程並利用生物電信號進行人機互動對遊戲控制的實例缺乏，從而不能顯著提高康 復訓練的效率和效果。
【發明內容】
[0004] 為了解決現有技術問題，本發明提出一種抓握功能評估與訓練系統，利用不同握 力級任務的設置及肌電信號、力學信號多參數進行人機互動，對腦卒中用戶進行初步的手 功能評估，為用戶的康複評估提供參考依據，且利用多參數對虛擬遊戲進行控制，從而提高 腦卒中用戶的康復效率和康復效果，提高患者訓練的積極性。
[0005] -種抓握功能評估與訓練系統有以下幾個模塊：1)主機交互模塊，包括用戶交互 界面，用於引導用戶實時調節握力大小，調整握力姿勢，調節肌肉收縮狀況以完成虛擬任 務；2)信號採集模塊，用於採集用戶上肢的力學信號和肌電信號，並對肌電信號進行至少 包括放大和濾波的預處理；以及接收主機控制模塊的特徵參數進行存儲；3)信號存儲模 塊，用於接收所述信號採集模塊的力學信號和肌電信號進行存儲；4)主機控制模塊，分別 與所述主機交互模塊和信號存儲模塊連接，用於將所述信號存儲模塊傳輸的力學信號和肌 電信號進行運算與處理，得到反映抓握控制能力的特徵參數，將其特徵參數作為控制信號 輸出給主機交互模塊以進行相應遊戲操作的訓練控制。
[0006] 進一步，所述主機控制模塊包括：
[0007] 特徵參數提取單元，用於對所述信號存儲模塊中的力學信號和肌電信號進行計算 分析得到所述特徵參數作為抓握控制能力評估結果，並且把相應所述特徵參數傳輸到信號 存儲模塊；
[0008] 虛擬遊戲參數設置單元，其根據信號存儲模塊存儲的用戶抓握控制能力評估結果 設置虛擬遊戲中兩個光標所對應的信號特徵參數，以及目標光標的運動時間、運動範圍、運 動速度和運動軌跡類型；
[0009] 力學反饋控制單元，用於處理壓力傳感器採集的力學信號，輸出能夠反映用戶此 時產生的握力情況的特徵參數到主機交互模塊，與主機交互模塊相交互；
[0010] 肌電反饋控制單元，用於處理經過肌電採集裝置放大和濾波的肌電信號，輸出能 夠反映用戶此時拮抗肌肉群的共收縮情況的特徵參數到主機交互模塊，與主機交互模塊相 交互。
[0011] 進一步，所述虛擬遊戲參數設置單元，還用於設置異常監控單元所監測的信號特 徵參數的異常閾值；所述主機控制模塊還包括異常監控單元，用於對所述特徵參數提取單 元提取的特徵參數進行實時監控，當所述特徵參數中能夠表徵用戶屈肌肌群協同情況的參 數幅值或者表徵用戶拮抗肌群共收縮情況的參數幅值達到預設的所述異常閾值時，提示用 戶調整發力大小和發力姿勢，避免不正確的發力方式。
[0012] 進一步，所述信號採集模塊包括肌電信號採集單元、力學信號採集單元，分別用於 採集用戶上肢的肌電信號和力學信號；所述力學信號採集單元是握力測量裝置，採集用戶 執行握力控制任務產生的力學信號；所述肌電信號採集單元是由多個表面電極和肌電放大 濾波電路組成。
[0013] 所述握力測量裝置被設計成一個圓柱外形，中間為固定的四個一維的壓力傳感 器，可測得一個方向的力和兩個方向的力矩，用於測量用戶產生的握力值和所對應的選擇 力矩參數；
[0014] 通過所述表面電極提取採集用戶上肢運動相關的四對肌肉的肌電信號，並將採集 到的多個通道肌電信號進行至少包括放大和濾波的預處理；表面電極提取用戶上肢肩、肘、 腕關節的四對肌肉的肌電信號，包括對三角肌前束、三角肌後束、肱三頭肌、肱二頭肌、橈側 腕屈肌、橈側腕伸肌、指淺屈肌、指總伸肌的肌電信號中至少一種進行採集。
[0015] 進一步，所述信號採集模塊還包括信號轉換模塊，用於將採集到的用戶上肢力學 信號和肌電信號通過DAQ採集卡，經過模數轉換送入信號存儲模塊。
[0016] 進一步，所述特徵參數提取單元，用於將採集的上肢力學信號進行計算分析得到 特徵參數，所述特徵參數包括以下至少一項：實際握力值、目標值偏差比、旋轉力矩比、平均 絕對值、方差、積分肌電和肌電幅值。
[0017] 進一步，所述虛擬遊戲參數設置單元設置康復訓練任務，其根據所述信號存儲模 塊存儲的用戶握力控制能力評估結果設置虛擬遊戲中兩個光標所對應的位置參數，並設置 目標光標的運動範圍、運動時間和運動速度參數；可設置不同握力級下的動作，包括25%， 50%，75%，100%最大握力級。
[0018] 與現有技術相比，本發明抓握功能評估與訓練系統，及其操作方法具以下有益效 果：
[0019] (1)相比較於量表評估法一定程度依賴於康復治療師的個體主觀判斷，有仁慈誤 差和中間偏向誤差，以及大多數定量評估的參數只涉及單一方面，本系統利用了肌電信號 和力學信號進行多參數更全面的評估腦卒中用戶的握力控制能力，從根源上對腦卒中用戶 的神經肌肉康復水平進行評估，從更直觀的角度反映腦卒中用戶的上肢屈肌肌群的協同情 況和上肢拮抗肌群的共收縮狀況。
[0020] (2)利用該系統評估得到的腦卒中用戶上肢控制能力的多參數，制定了個性化的 康復訓練計劃，包含多模態的若干康復訓練任務，從而更有針對性的指導腦卒中用戶進行 康復訓練，有利於臨床上醫生對病人康復情況的監護。
[0021] (3)基於虛擬實境技術的虛擬環境的設計，提高了康復的趣味性和可控性，從而提 高了用戶的訓練耐性，且在本虛擬訓練環境中可以選擇光標對應多種信號特徵參數。
[0022] (4)所涉及的將肌肉共收縮狀況利用生物反饋技術，融入到康復訓練中，並和虛擬 現實技術相結合，指導參與者實時連續性的調整拮抗肌群的收縮情況。
[0023] (5)所涉及的將肌肉異常協同檢測、肌肉異常共收縮檢測融入於訓練康復中，能夠 及時地反映出訓練者肌肉的異常情況，並予以反饋。
[0024] (6)基於虛擬實境技術虛擬遊戲的設計，既有利於提高康復的趣味性，提高用戶的 訓練耐性，而且本遊戲中對參數的控制要求參與者針對不同握力目標實時地調整和控制發 力的大小，並且通過對旋轉力矩比的控制要求參與者實時地調整發力的姿勢，使上肢握力 控制能力得到更為全面的鍛鍊。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發明提供的一種握力控制能力評估和康復訓練方法的流程示意圖。
[0026] 圖2是發明提供的一種握力控制能力評估和康復訓練系統的部分實驗裝置。
[0027] 圖3是本發明提供的一種握力控制能力評估和康復訓練方法中步驟S1的流程示 意圖。
[0028] 圖4是本發明提供的一種握力控制能力評估和康復訓練方法中步驟S3的流程示 意圖。
[0029] 圖5是本發明提供的一種握力控制能力評估和康復訓練方法中的虛擬交互界面。
[0030] 圖6是是本發明提供的一種握力控制能力評估和康復訓練方法中步驟S4的流程 示意圖。
[0031] 圖7是本發明提供的一種握力控制能力評估和康復訓練系統的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0032] 下面將結合附圖和【具體實施方式】，對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯 然，本說明書中描述的【具體實施方式】僅僅是本發明的一部分實施方式，而不是全部的實施 方式。基於本發明中給出的實施方式，本領域的普通技術人員在沒有進行創造性勞動前提 下所獲得的所有其他實施方式，都屬於本發明保護的範圍。
[0033] 本發明提供一種抓握功能評估與訓練系統，可實現握力控制能力評估和康復訓練 的方法，首先通過設置不同握力級任務，分析任務過程中採集到的力學信號和肌電信號，提 取出多個信號特徵參數，對腦卒中用戶進行初步的握力控制能力評估，將得到的評估結果 用於制定個性化的手部功能康復訓練計劃。再根據康復訓練計劃，結合生物反饋技術和虛 擬現實技術，選取能定量表徵用戶屈肌肌群協同狀況的力學信號特徵參數進行力學反饋訓 練，或者選取能定量表徵拮抗肌群共收縮狀況的肌電特徵參數進行肌電反饋訓練，來達到 多任務和多模態的訓練效果，從而提高腦卒中用戶的康復效率和康復效果，提高患者訓練 的積極性。同時，在訓練過程中，還針對多個特徵參數進行監控，一旦用戶出現屈肌肌群異 常協同或拮抗肌群異常共收縮，系統就會提示用戶調整發力姿勢。
[0034] 參見圖1，是本發明提供的一種握力控制能力評估和康復訓練方法的流程示意圖。
[0035] 本發明實施例提供一種握力控制能力評估和康復訓練方法，包括以下步驟S1? S5 ：
[0036] 步驟S1、指導用戶執行不同握力級任務，同時記錄用戶上肢的力學信號和相關肌 肉的肌電信號，提取信號特徵參數；
[0037] 其中，設置的握力級包括25%、50%、75%最大握力。
[0038] 本發明實施例的康複評估和訓練方法通過使用自主設計的握力測量裝置和肌電 信號採集模塊。
[0039] 參考圖2,本發明實施例的握力測量裝置，它外形呈一個圓柱體，便於用戶抓握，內 部是四個一維力傳感器，可以測得一個方向的力和兩個方向的力矩。該握力測量裝置也可 設計呈一個圓柱體，內部是一個六維力傳感器。
[0040] 如圖3所示，所述步驟S1具體包括步驟：
[0041] S11、通過虛擬實境遊戲，引導用戶完成最大握力測量任務；
[0042] S12、測得最大握力後，對握力水平進行歸一化，得到不同握力級；
[0043] S13、通過虛擬實境遊戲，引導用戶執行不同握力級任務，同時採集任務過程中的 力學信號和肌電信號。本實施例中，通過得到的最大握力值作為握力控制任務的衡量標準， 用戶根據主機交互界面的指示燈指示隨機完成25%，50%，75%最大握力任務，每個握力級 各執行三次，執行過程中握力測量裝置採集的力學信號通過主機交互模塊相交互。
[0044] 本實施例中，在該步驟下，利用表面電極提取肌肉表面微弱的肌肉電信號，通過屏 蔽效果較好的導聯線來實現原始肌電信號的提取。所用電極為三點式差動輸入電極。其中， 一個為參考地，另外兩個為肌電的輸入端。
[0045] 本實施例中，通過表面電極提取採集用戶上肢肩、肘、腕關節的四對肌肉的肌電信 號，包括有三角肌前束、三角肌後束、肱三頭肌、肱二頭肌、橈側腕屈肌、橈側腕伸肌、指淺屈 肌、指總伸肌。
[0046] S14、分析處理採集到的力學信號和肌電信號，提取綜合評估用戶握力控制能力的 多個特徵參數。
[0047] 本實施例中，選擇的信號特徵參數如下：實際握力值、目標值偏差比、旋轉力矩比、 平均絕對值、方差、積分肌電和肌電幅值；
[0048] A、目標值偏差比：
[0049]
【權利要求】
1. 一種抓握功能評估與訓練系統，其特徵在於，包括： 主機交互模塊，包括用戶交互界面，用於引導用戶實時調節握力大小和肌肉收縮狀況 以完成虛擬任務； 信號採集模塊，用於採集用戶上肢的力學信號和肌電信號，並對肌電信號進行至少包 括放大和濾波的預處理； 信號存儲模塊，用於接收所述信號採集模塊的力學信號和肌電信號進行存儲，以及接 收主機控制模塊的特徵參數進行存儲； 主機控制模塊，分別與所述主機交互模塊和信號存儲模塊連接，用於對所述信號存儲 模塊傳輸的力學信號和肌電信號進行運算與處理，得到特徵參數，通過特徵參數控制虛擬 場景進行相應的遊戲操作以訓練運動控制功能，最後將特徵參數傳輸給信號存儲模塊。
2. 根據權利要求1所述的抓握功能評估與訓練系統，其特徵在於，所述主機控制模塊 包括： 特徵參數提取單元，用於對所述信號存儲模塊中的力學信號和肌電信號進行計算分析 得到所述特徵參數作為抓握控制能力評估結果，並且把相應所述特徵參數傳輸到信號存儲 模塊； 虛擬遊戲參數設置單元，其根據信號存儲模塊存儲的用戶抓握控制能力評估結果設置 虛擬遊戲中兩個光標所對應的信號特徵參數，以及目標光標的運動時間、運動範圍、運動速 度和運動軌跡類型； 力學反饋控制單元，用於處理壓力傳感器採集的力學信號，輸出能夠反映用戶此時產 生的握力情況的特徵參數到主機交互模塊，與主機交互模塊進行交互； 肌電反饋控制單元，用於處理經過肌電採集裝置放大和濾波的肌電信號，輸出能夠反 映用戶此時拮抗肌肉群共收縮情況的特徵參數到主機交互模塊，與主機交互模塊進行交 互。
3. 根據權利要求1或2所述的抓握功能評估與訓練系統，其特徵在於，所述虛擬遊戲參 數設置單元，還用於設置異常監控單元所監測信號的異常閾值； 所述主機控制模塊還包括異常監控單元，用於對所述特徵參數提取單元提取的特徵參 數進行實時監控，當所述特徵參數中能夠表徵用戶屈肌肌群協同情況的參數幅值或者表徵 用戶拮抗肌群共收縮情況的參數幅值達到預設的所述異常閾值時，提示用戶調整發力大小 和肌肉收縮狀況，避免不正確的發力方式。
4. 根據權利要求1或2所述的抓握功能評估與訓練系統，其特徵在於，所述信號採集模 塊包括肌電信號採集單元、力學信號採集單元，分別用於採集用戶上肢的肌電信號和力學 信號； 所述力學信號採集單元是握力測量裝置，採集用戶執行握力控制任務產生的力學信 號；所述肌電信號採集單元是採用多個表面電極，採集用戶執行握力控制任務產生的肌電 信號。
5. 根據權利要求4所述的抓握功能評估與訓練系統，其特徵在於，所述握力測量裝置 被設計成一個圓柱外形，中間為固定的四個一維的壓力傳感器，可測得一個方向的力和兩 個方向的力矩，用於測量用戶產生的握力值和所對應的選擇力矩參數； 通過所述表面電極提取採集用戶上肢運動相關的四對肌肉的原始肌電信號，並將採集 到的多個通道肌電信號進行至少包括放大和濾波的預處理；表面電極提取用戶上肢肩、肘、 腕關節的四對肌肉的肌電信號，包括對三角肌前束、三角肌後束、肱三頭肌、肱二頭肌、橈側 腕屈肌、橈側腕伸肌、指淺屈肌、指總伸肌的肌電信號中至少一種進行採集。
6. 根據權利要求4所述的抓握功能評估與訓練系統，其特徵在於，所述信號採集模塊 還包括信號轉換模塊，用於將採集到的用戶上肢力學信號和肌電信號通過DAQ採集卡，經 過模數轉換送入信號存儲模塊。
7. 根據權利要求1或2所述的抓握功能評估與訓練系統，其特徵在於，所述主機控制模 塊中，特徵參數提取單元用於將採集的上肢力學信號進行計算分析得到特徵參數，所述特 徵參數包括以下至少一項：實際握力值、目標值偏差比、旋轉力矩比、平均絕對值、方差、積 分肌電和肌電幅值。
8. 根據權利要求1或2所述的抓握功能評估與訓練系統，其特徵在於， 所述虛擬遊戲參數設置單元設置康復訓練任務，其根據所述信號存儲模塊存儲的用 戶握力控制能力評估結果設置虛擬遊戲中兩個光標所對應的信號特徵參數，並設置目標光 標的運動範圍、運動時間和運動速度參數；可設置不同握力級下的動作，包括25 %，50 %， 75%，100%最大握力級。
【文檔編號】A61B5/22GK104207793SQ201410318798
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年7月3日 優先權日:2014年7月3日
【發明者】宋嶸, 葉瑀, 孫文博, 馬樂 申請人:中山大學