一種抓握功能評估與訓練系統的制作方法
【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，用于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；信號采集模塊，用于采集用戶上肢的力學信號和肌電信號；信號存儲模塊，用于接收所述信號采集模塊的力學信號和肌電信號進行存儲，以及存儲特征參數；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，用于將所述信號采集模塊傳輸的力學信號和肌電信號進行運算與處理，得到特征參數，通過特征參數控制虛擬場景進行相應的游戲操作以訓練運動控制功能，最后將特征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交互，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，特別涉及一種基于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。現幸存中風病人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 %。腦卒中后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于上肢功能恢復 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后康復治療的重點及難點之一。針對中風患者 后期的臨床康復治療通常以康復評估開始，又以康復評估結束，康復治療師通過康復評估 為病人制定合理的治療計劃，在治療過程中，康復治療師通過康復評估及時調整康復治療 方案，最終通過康復評估確定治療效果，所以康復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，且可重復性較差。目前，采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。傳統的上肢康復方法包括人工物理治療， 反復作業療法，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復評估仍比較少，且將所得評估用于指 導康復進程并利用生物電信號進行人機交互對游戲控制的實例缺乏，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交互，對腦卒中用戶進行初步的手 功能評估，為用戶的康復評估提供參考依據，且利用多參數對虛擬游戲進行控制，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，用于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)信號采集模塊，用于采集用戶上肢的力學信號和肌電信號，并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征參數進行存儲；3)信號存儲模 塊，用于接收所述信號采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，用于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征參數，將其特征參數作為控制信號 輸出給主機交互模塊以進行相應游戲操作的訓練控制。
[0006] 進一步，所述主機控制模塊包括：
[0007] 特征參數提取單元，用于對所述信號存儲模塊中的力學信號和肌電信號進行計算 分析得到所述特征參數作為抓握控制能力評估結果，并且把相應所述特征參數傳輸到信號 存儲模塊；
[0008] 虛擬游戲參數設置單元，其根據信號存儲模塊存儲的用戶抓握控制能力評估結果 設置虛擬游戲中兩個光標所對應的信號特征參數，以及目標光標的運動時間、運動范圍、運 動速度和運動軌跡類型；
[0009] 力學反饋控制單元，用于處理壓力傳感器采集的力學信號，輸出能夠反映用戶此 時產生的握力情況的特征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，用于處理經過肌電采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征參數到主機交互模塊，與主機交互模塊相 交互。
[0011] 進一步，所述虛擬游戲參數設置單元，還用于設置異常監控單元所監測的信號特 征參數的異常閾值；所述主機控制模塊還包括異常監控單元，用于對所述特征參數提取單 元提取的特征參數進行實時監控，當所述特征參數中能夠表征用戶屈肌肌群協同情況的參 數幅值或者表征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，所述信號采集模塊包括肌電信號采集單元、力學信號采集單元，分別用于 采集用戶上肢的肌電信號和力學信號；所述力學信號采集單元是握力測量裝置，采集用戶 執行握力控制任務產生的力學信號；所述肌電信號采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，用于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采集用戶上肢運動相關的四對肌肉的肌電信號，并將采集 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、三角肌后束、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采集。
[0015] 進一步，所述信號采集模塊還包括信號轉換模塊，用于將采集到的用戶上肢力學 信號和肌電信號通過DAQ采集卡，經過模數轉換送入信號存儲模塊。
[0016] 進一步，所述特征參數提取單元，用于將采集的上肢力學信號進行計算分析得到 特征參數，所述特征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，所述虛擬游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游戲中兩個光標所對應的位置參數，并設置 目標光標的運動范圍、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)相比較于量表評估法一定程度依賴于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，有利于臨床上醫生對病人康復情況的監護。
[0021] (3)基于虛擬現實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征參數。
[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，并和虛擬 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于訓練康復中，能夠 及時地反映出訓練者肌肉的異常情況，并予以反饋。
[0024] (6)基于虛擬現實技術虛擬游戲的設計，既有利于提高康復的趣味性，提高用戶的 訓練耐性，而且本游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，并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煉。
【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。基于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，都屬于本發明保護的范圍。
[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，分析任務過程中采集到的力學信號和肌電信號，提 取出多個信號特征參數，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 用于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，選取能定量表征用戶屈肌肌群協同狀況的力學信號特征參數進行力學反饋訓 練，或者選取能定量表征拮抗肌群共收縮狀況的肌電特征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，還針對多個特征參數進行監控，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，提取信號特征參數；
[0037] 其中，設置的握力級包括25%、50%、75%最大握力。
[0038] 本發明實施例的康復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 信號采集模塊。
[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，便于用戶抓握，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、通過虛擬現實游戲，引導用戶完成最大握力測量任務；
[0042] S12、測得最大握力后，對握力水平進行歸一化，得到不同握力級；
[0043] S13、通過虛擬現實游戲，引導用戶執行不同握力級任務，同時采集任務過程中的 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采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，通過表面電極提取采集用戶上肢肩、肘、腕關節的四對肌肉的肌電信 號，包括有三角肌前束、三角肌后束、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、分析處理采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 多個特征參數。
[0047] 本實施例中，選擇的信號特征參數如下：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，其特征在于，包括： 主機交互模塊，包括用戶交互界面，用于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； 信號采集模塊，用于采集用戶上肢的力學信號和肌電信號，并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，用于接收所述信號采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征參數進行存儲； 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，用于對所述信號存儲 模塊傳輸的力學信號和肌電信號進行運算與處理，得到特征參數，通過特征參數控制虛擬 場景進行相應的游戲操作以訓練運動控制功能，最后將特征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，其特征在于，所述主機控制模塊 包括： 特征參數提取單元，用于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 得到所述特征參數作為抓握控制能力評估結果，并且把相應所述特征參數傳輸到信號存儲 模塊； 虛擬游戲參數設置單元，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 虛擬游戲中兩個光標所對應的信號特征參數，以及目標光標的運動時間、運動范圍、運動速 度和運動軌跡類型； 力學反饋控制單元，用于處理壓力傳感器采集的力學信號，輸出能夠反映用戶此時產 生的握力情況的特征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，用于處理經過肌電采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征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，其特征在于，所述虛擬游戲參 數設置單元，還用于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，用于對所述特征參數提取單元提取的特征參 數進行實時監控，當所述特征參數中能夠表征用戶屈肌肌群協同情況的參數幅值或者表征 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，其特征在于，所述信號采集模 塊包括肌電信號采集單元、力學信號采集單元，分別用于采集用戶上肢的肌電信號和力學 信號； 所述力學信號采集單元是握力測量裝置，采集用戶執行握力控制任務產生的力學信 號；所述肌電信號采集單元是采用多個表面電極，采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，其特征在于，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，用于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采集用戶上肢運動相關的四對肌肉的原始肌電信號，并將采集 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、三角肌后束、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采集。
6. 根據權利要求4所述的抓握功能評估與訓練系統，其特征在于，所述信號采集模塊 還包括信號轉換模塊，用于將采集到的用戶上肢力學信號和肌電信號通過DAQ采集卡，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，其特征在于，所述主機控制模 塊中，特征參數提取單元用于將采集的上肢力學信號進行計算分析得到特征參數，所述特 征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，其特征在于， 所述虛擬游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游戲中兩個光標所對應的信號特征參數，并設置目標光 標的運動范圍、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