一种基于伪触觉的肢体运动康复辅助系统的制作方法

本发明属于医疗康复技术领域，具体涉及一种基于伪触觉的肢体运动康复辅助系统。

背景技术：

目前脑损伤、帕金森和脑卒中等疾病，在世界范围内有极高的发病率，易造成患者的肢体运动功能障碍。近年来，这类患者的数量与日俱增，且趋于年轻化，已成为中老年人残疾的首要原因。因此肢体运动功能障碍患者的康复训练非常迫切。

目前针对肢体运动功能障碍的传统康复训练主要是由康复医师对患者进行“一对一”康复训练，康复效果很大程度受康复师的经验水平限制，且患者的参与度较低，更多是被动接受训练，无法适用于康复训练全过程。在康复中后期，患者虽已具备一定自主运动能力，但手部“颤振”等现象明显，严重影响患者正常的日常生活。此外因为传统康复训练耗费大量人力物力，费用高昂，多数患者无法全程参与，选择在恢复部分自主运动能力后离开医院，从而错过康复的最佳时机。

技术实现要素：

为克服上述传统康复训练的缺点，本发明提出了一种基于伪触觉的肢体运动康复辅助系统，提高了肢体运动功能障碍患者在康复训练中的参与度，降低了控制成本与难度，易于患者在家中进行康复训练。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于伪触觉的肢体运动康复辅助系统，包括处理器、显示器及输入设备；

所述处理器内置程序模块，所述程序模块用于在显示器上输出虚拟场景，所述虚拟场景包括一个目标物体、一个初始位置、一个显形或隐藏的光标、至少一个目标位置和/或至少一条目标路径；

所述输入设备用于在肢体带动下进行移动，所述输入设备移动时，所述虚拟场景中所述目标物体和所述光标会跟随输入设备移动，使目标物体从初始位置到达目标位置，和/或者，使目标物体从初始位置沿目标路径移动；

所述光标相对于输入设备的相对速度不变，根据虚拟场景中光标所处位置，调整目标物体相对于输入设备的相对速度，使目标物体相对于光标的相对速度随光标所处位置的改变而改变。

优选的，目标物体相对于光标的相对速度与光标距离起始位置或目标路径的偏移量之间满足线性插值模型、多项式插值模型、高斯分布插值模型或有理数插值模型。

进一步的，设光标距离起始位置或目标路径的偏移量为x，目标物体相对于光标的相对速度为vf，最大偏移量为a1，最小偏移量为a2，目标物体相对于光标的相对速度的最低值为v1，目标物体相对于光标的相对速度的最高值为v2，采用线性插值模型vf和x的关系如下式所示：

优选的，所述程序模块为目标接触运动模块，所述输入设备移动时，所述目标物体移动去接触所述目标位置，且所述光标所述初始位置的距离越大，所述目标物体相对于光标的相对速度越小或越大。

优选的，所述程序模块为精细运动模块，所述输入设备移动时，所述目标物体沿所述目标路径移动，且所述光标偏离所述目标路径偏移量越大，目标物体相对于光标的相对速度越大。

进一步的，当所述光标偏离所述目标路径的偏移量超过阈值时，所述目标物体停止跟随所述输入设备的移动而移动，当通过移动所述输入设备使得所述光标恢复到阈值范围内时，所述目标物体继续跟随所述输入设备的移动而移动。

优选的，所述处理器还包括记录模块，用于记录所述目标物体和/或光标的移动轨迹、移动速度、移动时间或者接触目标位置的次数。

优选的，所述处理器还包括选择模块，所述选择模块用于选择所需要的程序模块。

优选的，所述输入设备为鼠标和/或基于图像及深度传感的体感系统。

优选的，还包括专注度数据采集设备，用于佩戴于患者的前额，采集患者的脑电信息，并根据采集的脑电信息计算患者专注度水平，并对专注度水平进行显示。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明基于伪触觉的康复辅助系统，根据虚拟场景中光标所处位置，调整目标物体相对于输入设备的相对速度，使目标物体相对于光标的相对速度随光标所处位置的改变而改变，即根据光标所处位置的不同，改变显示器图形用户界面中光标和目标物体之间的相对速度，即目标物体对光标的跟随速度的变化，在视觉上产生拖动目标物体容易和困难的感觉，通过视觉方式观察跟随速度的变化实现伪触觉，从而较好的替代传统触觉方式进行反馈，帮助患者进行康复训练。本发明的肢体运动康复辅助系统，不需要康复医师对患者进行“一对一”的康复训练，患者能够自行训练，提升患者康复过程中的主动参与度；且本发明的系统允许患者在家使用，从而大大降低费用，使患者能够在家一直训练直至康复完全。本发明将伪触觉与肢体运动功能障碍患者的康复训练结合，为后续康复训练提供了新思路。

进一步的，由于每个个体的视觉感应存在差别，对同样的伪触觉模型，可能伪触觉效果不同，对每个患者有各自最佳的伪触觉模型，因此，通过设置多个备选模型，让不同患者选择适合自己的模型进行训练，效果更好。

进一步的，由于上述肢体运动功能障碍患者的平衡和协调能力较差，因此目标接触运动模块就是用于平衡性和协调能力的锻炼，患者需准确地拖动底部目标物体移动到目标位置，患者肢体抖动过大，或者平衡性较差都不能很好完成。通过多次目标接触运动模块训练，逐步提高患者的肢体平衡性和协调性。

进一步的，精细运动模块训练中，随着光标与目标路径偏移量的改变，目标物体的速度会在光标速度保持不变时发生改变，偏移量越大，则越难拖动目标物体完成目标路径，当光标位于目标路径时，可以很容易拖动目标物体完成目标路径跟随任务，从而限制患者的肢体抖动程度，帮助其更好的进行康复训练。进一步的，设置记录模块，在目标接触模块训练过程中，记录模块会将目标物体移动速度、移动时间、接触目标位置的次数记录下来，在精细运动模块训练过程中，记录模块会实时将光标和目标物体相对目标路径的轨迹记录下来，并在图形用户界面进行显示，一方面用于后期康复数据分析，即对患者的康复过程进行分析、评估，便于更好的掌握了解患者的康复情况，需要时进行相应的调整；另一方面用于训练过程中提醒患者，和患者进行交互。

进一步的，输入设备包括立式鼠标和基于图像及深度传感的体感系统，人的肢体运动通常涉及水平和竖直平面，因此在目标接触运动模块和精细运动模块中，水平面的运动使用立式鼠标进行康复训练；在竖直面内的运动，通过基于图像及深度传感的体感系统实现，从而可以实现水平运动和竖直运动的康复训练。

进一步的，设置专注度数据采集设备，在游戏过程中，采集不同频段的脑电波信号，获取患者的专注度值，从而分析和了解患者在进行康复过程中的专注度情况，更全面分析患者在训练过程中的情况，根据专注度水平可以做适当调整。

附图说明

图1为本发明的显示器的图形用户界面示意图。

图2为本发明的目标接触模块具体实现示意图。

图3为本发明的精细运动模块具体实现示意图。

图4为本发明的专注度数据获取界面。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

伪触觉，顾名思义为虚假的触觉，即通过视觉等方式间接实现触觉的感知，本发明通过显示器图形用户界面中光标和目标物体之间的相对速度的变化，即目标物体对光标的跟随速度的变化，通过视觉方式观察跟随速度的变化实现伪触觉。将所述伪触觉方法在显示器图形用户界面中通过迷宫游戏和举重游戏进行具体应用，集成为康复系统，用于后续康复测试。

本发明所述的基于伪触觉的肢体运动康复辅助系统，具体包括处理器、显示器、输入设备及专注度数据采集设备。

处理器内置一个或多个程序模块，程序模块用于在显示器上输出虚拟场景，虚拟场景包括一个目标物体、一个初始位置、至少一个目标位置和/或至少一条目标路径；程序模块包括目标接触运动模块、精细运动模块、选择模块、记录模块；目标接触运动模块包括阻力运动模块和助力运动模块；精细运动模块包括初级难度精细运动模块模块、中级难度精细运动模块模块和高级难度精细运动模块模块。

选择模块，用于在阻力运动模块、助力运动模块、初级难度精细运动模块模块、中级难度精细运动模块模块和高级难度精细运动模块模块之间进行选择。

目标接触运动模块模块，用于在显示器图形用户界面的游戏区显示目标接触运动模块的虚拟场景，目标接触运动模块的虚拟场景中呈现一目标物体和至少一个目标位置，使用时，患者通过光标拖动目标物体到达目标位置，拖动过程中，目标物体和光标间的速度差(即目标物体相对于光标的相对速度)，即跟随速度在不同位置发生改变，光标距起始位置偏移越大，跟随速度越大，如果光标速度不变，则目标物体速度减小，所以他们的速度差会增大。偏移量与跟随速度之间的关系满足设定数学模型。通过插值法建立多种常用数学模型，各数学模型应用到目标接触运动模块中进行效果测试，选择出最优化数学模型应用于精细运动模块中。

精细运动模块模块，用于在显示器图形用户界面的游戏区显示精细运动模块的虚拟场景，精细运动模块的虚拟场景中呈现一目标物体和一条目标路径，使用时，患者通过光标拖动目标物体在虚拟场景中移动，当光标相对目标路径的偏移增大时，目标物体的跟随速度就会增大，当光标和目标路径之间偏移超过阈值时，目标物体便会停止，光标拖不动目标物体，当光标移动进入阈值范围内后，光标能够继续拖动目标物体；当目标物体在精细运动模块中碰到虚拟场景边缘时，将会自动返回原点，重新开始精细运动模块。偏移与跟随速度之间的关系满足最优化数学模型。

记录模块，用于记录精细运动模块中光标和目标物体的移动轨迹，并在显示器图形用户界面中显示。

显示器，用于通过显示器图形用户界面对目标接触运动模块、初级难度精细运动模块、中级难度精细运动模块和高级难度精细运动模块的虚拟场景进行显示，并用于对选择模块的选项进行显示，还用于对记录模块记录的移动轨迹进行显示。

专注度数据采集设备，用于佩戴于患者的前额，采集患者的脑电信息，并根据采集的脑电信息计算患者专注度水平。

输入设备，用于患者通过输入设备控制显示器图形用户界面的光标的移动。

具体实施例：

参照图1，显示器图形用户界面由qt5编写，图形用户界面集成了选择区、轨迹显示区和游戏区。各个区域的大小、颜色和位置以及内部组件个数根据用户的要求进行自定义设计和设置。目标接触运动模块由举重游戏的形式呈现。精细运动模块由迷宫游戏的形式呈现。选择区由初级难度迷宫、中级难度迷宫、高级难度迷宫和举重游戏组成；轨迹显示区由光标轨迹图和目标轨迹图组成，游戏区在选择不同游戏关卡时会出现不同游戏界面。

参考图4，专注度数据采集设备的显示界面主要包括蓝牙连接区、复位选择区和专注度实时显示区。蓝牙连接区由蓝牙连接按钮和串口清除组成；专注度实时显示区由专注度显示框和专注度显示条组成。本实施例专注度数据采集设备采用头戴便携式额叶eeg采集设备，通过采集不同频段的脑电波信号，通过算法实时计算患者的专注度水平。

人的肢体运动通常涉及水平和竖直平面，因此在上述举重游戏和迷宫游戏中，输入设备在水平面使用立式鼠标进行康复训练，在所述过程中，患者手部握住该立式鼠标完成在图形用户界面完成所述举重游戏和迷宫游戏。在竖直面内，输入设备通过基于图像及深度传感的体感系统实现，基于图像及深度传感的体感系统捕获患者手部关键点，从而通过手部在空间的移动控制光标移动来代替立式鼠标，完成所述游戏。

本发明系统的使用方法为：

(1)通过插值法建立多种常用数学模型，包括线性插值模型、多项式插值模型、高斯分布插值模型和有理数插值模型等。在显示器图形用户界面中的选择区选择目标接触运动模块即举重游戏。在所述举重游戏中对所建立插值模型分别进行测试，寻找使伪触觉效果最明显的数学模型作为最优化数学模型。

参照图2，所述的举重游戏具体实现方式如下：在进入举重游戏后，移动光标捕获到位于显示器图形用户界面正中心底部的目标物体，然后拖动该目标物体分别到两个固定的目标位置(起始位置到目标位置1，再到目标位置2，目标位置的个数可以设定)。在此过程中，目标物体和光标间的速度差，即跟随速度在不同位置发生改变，患者会在视觉上觉得有些区域很容易使用光标拖动目标物体，而在某些区域会很难拖动，从而实现伪触觉，给人感觉就是物体在拖动过程中，随着光标距离出发位置距离的增大，目标物体相对光标的速度会增大，在光标移动相同距离时，目标物体移动距离会逐渐变小，视觉上给人感觉好像拖不动了。当到达图形用户界面顶部标志线时，此次游戏完成。

设光标距离起始位置的偏移为x，跟随速度为vf，最大偏移量为a1，最小偏移量为a2，跟随速度的最低值为v1，最高值为v2。vf和x的关系可以采用线性插值模型，也可以采用多项式插值模型、高斯分布插值模型和有理数插值模型等函数关系表示。例如，采用线性插值模型时，vf和x的关系如下式(1)所示：

然后将得到的函数关系应用到上述举重游戏中进行效果测试。将这几种数学模型分别应用到上述举重游戏中进行效果测试，从而选择出伪触觉效果最明显的的模型作为最优化数学模型，应用于迷宫游戏中。

(2)在目标接触运动模块举重游戏中寻找到最优化数学模型后，将最优化数学模型应用于迷宫游戏中，即迷宫游戏中，将偏移与目标物体的跟随速度之间的关系设定为举重游戏模块选择出的最优化数学模型，在显示器图形用户界面中的关卡选择区选择迷宫游戏，使患者通过迷宫游戏的方式进行康复训练，并在所述选择区域选择不同难度迷宫游戏进行训练。从而规范患者的肢体运动，约束其肢体抖动程度等。使患者高效、有趣的进行康复训练。

参照图3，所述的精细运动模块即迷宫游戏具体实现如下：在进入迷宫游戏后，目标物体位于迷宫左侧正中央位置，移动光标到图形用户界面捕获到目标物体，然后患者使用光标拖动目标物体沿迷宫进行游戏；在游戏过程中，当光标在迷宫道路中心线上时，目标物体和光标保持相同速度移动；当光标相对迷宫道路中心线的偏移增大时，目标物体的跟随速度就会增大，视觉上感觉拖动目标物体变的困难；当光标和迷宫道路中心线之间偏移超过阈值时，目标物体便会停止，光标将不能再拖动目标物体移动，当光标移动进入阈值范围内后，光标能够继续拖动目标物体；当目标物体在迷宫游戏中碰到虚拟场景边缘时，将会自动返回原点，重新开始迷宫游戏，直到顺利走完迷宫。为避免游戏失败，患者会努力控制肢体动作，从而实现训练的目的。在此过程中，如果患者的肢体“颤振”明显，则会导致光标相对迷宫道路中心线偏移增大，从而难以拖动目标物体完成迷宫游戏，为完成游戏，患者会努力克制肢体“颤振”，从而达到训练的目的。由于患者在中后期具备一定自主运动能力，因此可以通过迷宫生成算法设置不同难度等级的迷宫游戏(即迷宫复杂度不同)来实现和应用伪触觉，使其适应于不同的患者，从而通过这种视觉反馈方式，给患者在康复训练过程中一定的提示，通过多次训练，达到逐渐康复的效果。此外还可以通过迷宫生成算法根据不同患者实际情况来设计不同难度的迷宫，从而适应不同的患者，提升患者康复过程中的主动参与度和趣味性，并通过模式和难度的改变来提高康复过程中患者的注意力。来更好的帮助患者进行康复训练。

在迷宫游戏过程中，记录模块会实时将光标和目标物体相对迷宫道路中心线的轨迹记录下来，记录显示区会实时在光标轨迹显示区和目标物体轨迹显示区显示其轨迹。一方面用于后期康复数据分析，一方面用于训练过程中提醒患者，和患者进行交互。

在迷宫游戏中，通过专注度数据采集设备采集不同频段的脑电波信号，本实施例中使用头戴便携式额叶eeg采集设备，通过算法实时计算使用者的专注度水平，并将专注度水平进行显示。从而分析和了解患者在进行康复过程中的专注度情况。

本发明的工作原理为：

参照图2，所述目标接触运动模块举重游戏主要有以下两个用途，第一个是用于选择适合于患者的数学模型，从而应用于后续的精细运动模块迷宫游戏中。具体如下，进入举重游戏界面后，移动光标捕获到位于图形用户界面正中心底部的目标物体，然后拖动该目标物体分别到达另外两个目标位置，目标物体到达通过标志处，此次游戏结束。在此过程中，患者需在上述提及的几个数学模型中挑选伪触觉效果最明显模型。由于肢体运动功能障碍患者的平衡和协调能力较差，因此该举重游戏的第二个用途就是用于平衡性和协调能力的锻炼，患者需准确地拖动底部目标物体移动到其他两个目标位置，患者肢体抖动过大，或者平衡性较差都不能很好完成。通过多次游戏和训练，逐步提高患者的肢体平衡性和协调性。

参考图3，在精细运动模块迷宫游戏中，通过拖动目标物体完成迷宫游戏，随着光标与迷宫道路中心线偏移量的改变，目标物体的速度会在光标速度保持不变时发生改变，偏移量越大，则越难拖动目标物体完成迷宫游戏，当光标位于迷宫道路中心线时，可以很容易拖动目标物体完成迷宫，从而限制患者的手部抖动程度等，帮助其更好的进行康复训练。在此过程中，通过获取专注度值和实时轨迹，对患者的康复过程进行分析、评估，增强其趣味性。

本发明基于伪触觉的肢体运动康复辅助系统，将伪触觉通过目标接触运动模块和精细运动模块应用到肢体运动功能障碍患者的康复训练中，通过光标在不同位置拖动物体的速度不同，在视觉上产生拖动目标物体容易和困难的感觉，从而较好的替代传统触觉方式进行反馈。帮助患者更好的进行康复训练。本发明为后续康复训练提供了新思路，提升了康复过程中的交互性，降低了控制成本与难度，易于在家庭中进行推广。

以上实例只为说明本发明的技术构思和特点，并不能以此限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，凡是根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰改进，都应涵盖在本发明的保护范围之内。