多模態融合手功能康復訓練與智能評估系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種多模態融合手功能康復訓練與智能評估系統，該系統包括：康復訓練機構、傳感器數據采集裝置、康復評估系統以及情景互動游戲系統，康復訓練機構用于對手指和手腕進行康復訓練，傳感器數據采集裝置用于實時采集表面肌電信號、力信號以及姿態信號中的一種或多種信號，康復評估系統根據傳感器數據采集裝置采集的多模態信號對患者的康復訓練情況進行量化評估，情景互動游戲系統用于為患者提供游戲康復訓練、效果評估和視覺等信息反饋。本發明公開多模態融合手功能康復訓練與智能評估系統，針對腦卒中患者康復訓練，可以對康復訓練過程進行實時反饋調控、量化評估和游戲反饋，有效調動其訓練積極性，增強康復訓練效果。
【專利說明】
多模態融合手功能康復訓練與智能評估系統
技術領域
[0001]本發明屬于醫療設備技術領域，具體涉及一種多模態融合手功能康復訓練與智能評估系統。
【背景技術】
[0002]隨著社會的老齡化，腦卒中(俗稱中風)以高發病率和高致殘率的特點，成為威脅人們健康最常見的病因之一。目前我國每年死于腦卒中約150萬人，新發腦卒中約200萬人；約75%的存活者留有不同程度的功能障礙，估計每年社會經濟負擔400億元。科學研究和臨床應用表明，及時有效的康復訓練，可以有效恢復部分肢體運動功能，提高腦卒中患者生活自理能力，降低致殘率，減輕家庭和社會的經濟負擔。
[0003]康復訓練一般是按照神經發育的規律，先從肩關節開始、逐漸過渡到肘關節、腕關節和手指功能訓練，等到肩、肘、腕的關節功能恢復后再進行手功能訓練往往已錯過最佳康復治療時間。因此，應將手功能康復的功能訓練與上下肢的康復訓練同時進行，有效利用發病早期這段最佳康復治療時間。但是，手功能的康復是精細康復，手部關節和神經末梢相對復雜，并且肌肉多為小肌肉，傳統治療師手工康復耗時多、效果差。因此，腦卒中患者的手功能康復訓練和評估是目前亟待解決的一大難題。
[0004]故一種針對腦卒中患者康復訓練，可以對康復訓練過程進行實時反饋調控，有效調動其訓練積極性的多模態融合手功能康復訓練與智能評估系統亟待提出。
【發明內容】
[0005]為了解決上述技術問題，本發明提出了一種多模態融合手功能康復訓練與智能評估系統，該系統針對腦卒中患者康復訓練，可以對康復訓練過程進行實時反饋調控，有效調動其訓練積極性，增強康復訓練效果。
[0006]為了達到上述目的，本發明的技術方案如下:
[0007]康復訓練機構，用于對手指和手腕進行康復訓練，包括:機械訓練裝置以及與機械訓練裝置電連接的機械控制裝置;傳感器數據采集裝置，設置于康復訓練機構和/或患者上，用于實時采集表面肌電信號、力度信號以及姿態信號中的一種或多種信號，傳感器數據采集裝置與機械控制裝置電連接;評估系統，評估系統與傳感器數據采集裝置連接，評估系統根據傳感器數據采集裝置采集的信號對患者的康復訓練情況進行量化評估;情景互動游戲系統，用于為患者提供游戲康復訓練，情景互動游戲系統包括多個用于訓練患者手功能的游戲模塊;傳感器數據采集裝置將采集的信號反饋給機械控制裝置，機械控制裝置對該信號進行分析和處理，形成控制信號發送給機械訓練裝置。
[0008]本發明多模態融合手功能康復訓練與智能評估系統針對腦卒中患者康復訓練，可以對康復訓練過程進行實時反饋調控，有效調動其訓練積極性，增強康復訓練效果。康復評估系統根據傳感器數據采集裝置采集的多模態信號對患者的康復訓練情況進行量化評估，情景互動游戲系統用于為患者提供游戲康復訓練、效果評估和視覺等信息反饋。
[0009]在上述技術方案的基礎上，還可做如下改進:
[0010]作為優選的方案，傳感器數據采集裝置包括:表面肌電傳感器、力傳感器、姿態傳感器中的一種或多種。
[0011 ]采用上述優選的方案，結構簡單。
[0012]作為優選的方案，機械訓練裝置包括:驅動裝置、同步帶以及設置與同步帶上的指環，驅動裝置與同步帶傳動連接，驅動裝置帶動同步帶與指環同步運轉，驅動裝置與機械控制裝置電連接。
[0013]采用上述優選的方案，結構簡單，成本低，有效手指進行康復訓練。
[0014]作為優選的方案，表面肌電傳感器和姿態傳感器設置于患者上，力傳感器設置于指環上。
[0015]采用上述優選的方案，便于對患者的情況進行實時監控了解。
[0016]作為優選的方案，情景互動游戲系統還包括:游戲設定控制模塊，游戲設定控制模塊用于控制游戲的難易程度、游戲的時間與游戲的次數。
[0017]采用上述優選的方案，對游戲的難易程度、游戲的時間與游戲的次數進行控制。
[0018]作為優選的方案，游戲設定控制模塊與傳感器數據采集裝置電連接，傳感器數據采集裝置將采集的信號反饋給游戲設定控制模塊，游戲設定控制模塊對該信號進行分析和處理，對游戲的難易程度、游戲的時間與游戲的次數進行調節。
[0019]采用上述優選的方案，根據傳感器數據采集裝置采集的信號對游戲的難易程度、游戲的時間與游戲的次數進行控制，更便于針對患者的康復情況進行康復訓練。
[0020]作為優選的方案，情景互動游戲系統還包括游戲結果管理模塊，游戲結果管理模塊用于對患者的游戲結果進行記錄，并將該游戲結果形成報表。
[0021]采用上述優選的方案，便于后期對患者的游戲情況進行了解。
[0022]作為優選的方案，游戲設定控制模塊還與游戲結果管理模塊連接，游戲結果管理模塊為游戲設定控制模塊提供患者的歷史游戲結果報表。
[0023]采用上述優選的方案，游戲設定控制模塊根據歷史游戲結果報表以及傳感器數據采集裝置采集的信號來對游戲的難易程度、游戲的時間與游戲的次數進行控制，更便于針對患者的康復情況進行康復訓練。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明實施例提供的多模態融合手功能康復訓練與智能評估系統的結構框圖之一。
[0025]圖2為本發明實施例提供的機械訓練裝置的結構示意圖。
[0026]圖3為本發明實施例提供的多模態融合手功能康復訓練與智能評估系統的結構框圖之二。
[0027]其中:I康復訓練機構、11機械訓練裝置、111驅動裝置、112同步帶、113指環、114限位標識、12機械控制裝置、2傳感器數據采集裝置、3評估系統、4情景互動游戲系統、41游戲模塊、42游戲設定控制模塊、43游戲結果管理模塊。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖詳細說明本發明的優選實施方式。
[0029]如圖1-2所示，為了達到本發明的目的，多模態融合手功能康復訓練與智能評估系統的其中一些實施例中，
[0030]多模態融合手功能康復訓練與智能評估系統包括:康復訓練機構1、傳感器數據采集裝置2、評估系統3以及情景互動游戲系統4。
[0031]康復訓練機構I用于對手指和手腕進行康復訓練;傳感器數據采集裝置2設置于康復訓練機構I和患者上，用于實時采集表面肌電信號、力度信號以及姿態信號，并將該信號反饋于康復訓練機構I;評估系統3與傳感器數據采集裝置2連接，用于對患者的康復訓練情況進行量化評估。情景互動游戲系統4用于為患者提供游戲康復訓練，情景互動游戲系統4包括多個用于訓練患者手功能的游戲模塊41，如拉鋸子、砍木頭，撿豆子以及打地鼠等趣味性更強的游戲。
[0032]康復訓練機構I包括:機械訓練裝置11以及與機械訓練裝置11電連接的機械控制裝置12，機械控制裝置11與傳感器數據采集裝置2電連接。機械訓練裝置11包括:驅動裝置111、同步帶112以及設置與同步帶112上的指環113，驅動裝置111與同步帶112傳動連接，驅動裝置111帶動同步帶112與指環113同步運轉，驅動裝置111與機械控制裝置12電連接。傳感器數據采集裝置2將采集的信號反饋給機械控制裝置12，機械控制裝置12對該信號進行分析和處理，形成控制信號發送給控制裝置12。
[0033]傳感器數據采集裝置2包括:表面肌電傳感器、力傳感器、姿態傳感器。表面肌電傳感器和姿態傳感器設置于患者上，力傳感器設置于指環113上。
[0034]情景互動游戲系統4還包括:游戲設定控制模塊42，游戲設定控制模塊42用于控制游戲的難易程度、游戲的時間與游戲的次數。游戲設定控制模塊42與傳感器數據采集裝置2電連接，傳感器數據采集裝置2將采集的信號反饋給游戲設定控制模塊42，游戲設定控制模塊42對該信號進行分析和處理，對游戲的難易程度、游戲的時間與游戲的次數進行調節。情景互動游戲系統還包括游戲結果管理模塊43，游戲結果管理模塊43用于對患者的游戲結果進行記錄，并將該游戲結果形成報表。
[0035]本發明多模態融合手功能康復訓練與智能評估系統針對腦卒中患者康復訓練，可以對康復訓練過程進行實時反饋調控，有效調動其訓練積極性，訓練效果好，其具體如下:
[0036]第一，設計機械訓練裝置11，實時采集表面肌電信號、力度信號、姿態信號等多傳感器數據進行多信息融合作為反饋調控參數，采用超前預測等反饋控制策略和控制算法，對機械訓練裝置11進行反饋控制。
[0037]第二，利用多模態融合技術，建立多源傳感器信號與Fugl-Meyer量表間的量化映射模型。對訓練過程中的多傳感器參數進行信息融合和特征提取、特征選擇等處理，然后利用機器學習、數據挖掘等數據處理技術，選擇量化指標并給出可視化參數量化結果，最終評估系統3對患者的康復訓練情況進行評分。
[0038]第三，機械訓練裝置11可選取拇指、食指、中指、無名指、小指和手腕等6個部位作為手功能康復訓練的對象，并且左手和右手均可進行訓練，在同步帶112上設有限位標識114，每個訓練部位的長度均可調整，以適應不同的個體化的腦卒中患者。根據仿生學原理，設計多自由度的手功能康復訓練機械訓練裝置11。驅動裝置111的驅動方式可以為電機控制，或更為柔和的氣動控制、液壓控制等。手指固定方式為指環113固定，其也可以為魔術貼固定、磁鐵吸引或其他方式，手腕固定方式為魔術貼、運動腕帶等方式固定。
[0039]患者利用機械訓練裝置11進行康復訓練的過程可以為主動訓練、被動訓練或主被動相結合的康復訓練等多種訓練模式，主動訓練可以更好地針對患者個體，調動其訓練積極性，并且具有反饋功能，因而具有更好的訓練效果。本發明利用表面肌電傳感器、壓力傳感器、姿態傳感器等多個傳感器作為反饋信息，并采用先進而獨特的重復預測控制對康復訓練過程進行實時反饋調控。
[0040]第四，融合多傳感器的反饋數據，開發多源傳感器與游戲間的人機交互接口，把傳感器的數據融合到設計好的游戲場景中，結合虛擬現實技術，實現人機交互和信息反饋，實現情景互動游戲系統4。情景互動游戲4具有良好的人機交互功能，可以增強腦卒中患者康復訓練的積極性和主動性，從而達到更好的康復效果。結合日常生活場景，有針對性地設計符合手功能訓練的游戲場景。游戲可設定不同的生活情景和游戲場景，游戲設定控制模塊42對傳感器的反饋數據進行分析和處理，對游戲的難易程度、游戲的時間與游戲的次數進行調節，可根據患者身體狀態設置不同的訓練難度，通過定時計數或定數計時等方式，進行游戲，并根據多傳感器的反饋信息，實時給出完成的動作數量及得分情況。游戲模塊41內的游戲可以分為單人模式，雙人、多人對戰模式。另外，游戲結果管理模塊43用于對患者的游戲結果進行記錄，并將該游戲結果形成報表。便于后期進行歷史查詢、打印報表、上傳云服務器等。
[0041 ]本發明一種多模態融合手功能康復訓練與智能評估系統針對腦卒中患者康復訓練中，手指、手腕等手功能康復訓練和康復評估的需要進行設計。基于人體工程學設計拇指、食指、中指、無名指、小指和手腕等多部位多自由度的手功能康復訓練機械結構;采集表面肌電信號、力度信號、姿態信號等傳感器數據信息進行融合作為反饋參數，對康復訓練過程進行實時反饋調控;通過可視化指標的量化評估算法，對康復訓練過程進行自動打分和智能分期;采用虛擬現實的人機交互技術，利用情景互動游戲系統4增加腦卒中患者康復訓練的積極性。
[0042]如圖3所示，為了進一步地優化本發明的實施效果，在另外一些實施方式中，其余特征技術相同，不同之處在于，游戲設定控制模塊42還與游戲結果管理模塊43連接，游戲結果管理模塊43為游戲設定控制模塊42提供患者的歷史游戲結果報表。
[0043]采用上述優選實施例的方案，游戲設定控制模塊42根據歷史游戲結果報表以及傳感器數據采集裝置2采集的信號來對游戲的難易程度、游戲的時間與游戲的次數進行控制，更便于針對患者的康復情況進行康復訓練。
[0044]以上發明的優選實施方式，應當指出，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明創造構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.多模態融合手功能康復訓練與智能評估系統，其特征在于，包括: 康復訓練機構，用于對手指和手腕進行康復訓練，包括:機械訓練裝置以及與所述機械訓練裝置電連接的機械控制裝置； 傳感器數據采集裝置，設置于康復訓練機構和/或患者上，用于實時采集表面肌電信號、力度信號以及姿態信號中的一種或多種信號，所述傳感器數據采集裝置與所述機械控制裝置電連接； 康復評估系統，所述評估系統與所述傳感器數據采集裝置連接，所述評估系統根據所述傳感器數據采集裝置采集的信號對患者的康復訓練情況進行量化評估； 情景互動游戲系統，用于為患者提供游戲康復訓練，所述情景互動游戲系統包括多個用于訓練患者手功能的游戲模塊； 所述傳感器數據采集裝置將采集的信號反饋給所述機械控制裝置，所述機械控制裝置對該信號進行分析和處理，形成控制信號發送給所述機械訓練裝置。2.根據權利要求1所述的多模態融合手功能康復訓練與智能評估系統，其特征在于，所述傳感器數據采集裝置包括:表面肌電傳感器、力傳感器、姿態傳感器中的一種或多種。3.根據權利要求2所述的多模態融合手功能康復訓練與智能評估系統，其特征在于，所述機械訓練裝置包括:驅動裝置、同步帶以及設置與所述同步帶上的指環，所述驅動裝置與所述同步帶傳動連接，所述驅動裝置帶動所述同步帶與所述指環同步運轉，所述驅動裝置與所述機械控制裝置電連接。4.根據權利要求3所述的多模態融合手功能康復訓練與智能評估系統，其特征在于，所述表面肌電傳感器和所述姿態傳感器設置于患者上，所述力傳感器設置于所述指環上。5.根據權利要求1-4任一項所述的多模態融合手功能康復訓練與智能評估系統，其特征在于，所述情景互動游戲系統還包括:游戲設定控制模塊，所述游戲設定控制模塊用于控制游戲的難易程度、游戲的時間與游戲的次數。6.根據權利要求7所述的多模態融合手功能康復訓練與智能評估系統，其特征在于，所述游戲設定控制模塊與所述傳感器數據采集裝置電連接，所述傳感器數據采集裝置將采集的信號反饋給所述游戲設定控制模塊，所述游戲設定控制模塊對該信號進行分析和處理，對游戲的難易程度、游戲的時間與游戲的次數進行調節。7.根據權利要求8所述的多模態融合手功能康復訓練與智能評估系統，其特征在于，所述情景互動游戲系統還包括游戲結果管理模塊，所述游戲結果管理模塊用于對患者的游戲結果進行記錄，并將該游戲結果形成報表。8.根據權利要求9所述的多模態融合手功能康復訓練與智能評估系統，其特征在于，所述游戲設定控制模塊還與所述游戲結果管理模塊連接，所述游戲結果管理模塊為所述游戲設定控制模塊提供患者的歷史游戲結果報表。
【文檔編號】A61B5/11GK105963926SQ201610278911
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月29日
【發明人】郭立泉, 王計平, 郁磊, 熊大曦
【申請人】中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所