一种手指康复训练用系统的制作方法

本实用新型属于医疗技术领域，特别是涉及一种手指康复训练用系统。

背景技术：

脑卒中具有发病率高、致残率高和死亡率高的特征。按照目前的发展趋势，脑卒中所导致的全球死亡人数将在2015年达到650万2030年达到780万。我国也是脑卒中高发国家，每12秒钟就有一人发生卒中，每21秒就有一人死于卒中，每年发病250万人，死亡约150万人，且每年呈持续上升趋势。存活的患者中，有四分之三有不同程度致残，重度致残者约占40％。在众多的后遗症中，以偏瘫的发病率最高，又以肢体尤其是手功能的康复最为困难。

目前行业内所使用的康复机械手主要是利用表面肌电信号触发与动态智能控制实现互动式生物反馈训练实现患者四指、手指和腕部三部分单独的运动；若对装置进行全部佩戴，则重量较重，携带并不方便，且影响患者的康复练习，而且，手功能恢复系统中可能某个手指需要加强锻炼进行恢复，无需同时佩戴多个恢复系统，此外，除去脑康复练习，其他的手指肌肉的恢复，也是需要进行锻炼练习才能加强某一肌肉的能力。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种手指康复训练用系统，该系统可以实时采集携带者的脑电信息，并对脑电信息进行分析，将携带者的脑活动状态通过人机交互实时反馈给携带者，当携带者的运动想象意图达到阈值时，控制训练用装置做被动训练。

本实用新型的技术方案如下：

一种手指康复训练用系统，包括：

包括手指康复训练用装置、便携式Emotiv脑电信号采集模块、计算机和控制器：

所述便携式Emotiv脑电信号采集模块，用于实现携带者脑电信号的采集，然后以无线方式发送给计算机；

计算机，用于实时显示所述脑电信号，根据脑电信号控制手指康复训练用装置中的动力驱动源执行相应动作。

计算机也可以连接控制器，经由控制器向动力驱动源发送命令，用于驱动其执行相应动作。

所述手指康复训练用装置包括：

通过支架固定的动力驱动源，动力驱动源的推动杆与手指远指端关节驱动件连接以控制人手指后关节；手指后关节指的是一根手指上靠近手掌的关节，手指前关节指的是一根手指上相对于手指后关节远离手掌的关节，该手指可以是人的食指、中指、无名指或小指；

手指远指端关节支架，手指远指端关节驱动件通过手指远指端关节支架进行固定且手指远指端关节支架限定手指远指端关节驱动件的移动路径，手指远指端关节支架的前侧与多连杆机构连接，多连杆机构与手指近指端关节驱动件连接；

手指近指端关节支架，多连杆机构与手指近指端关节支架连接，手指近指端关节支架与手指远指端关节驱动件连接且手指近指端关节支架限定手指近指端关节驱动件的移动路径，手指远指端关节驱动件控制手指后关节后，同时带动手指近指端关节支架动作，通过多连杆机构带动手指近指端关节驱动件控制人手指的前关节，可以带动关节向上或者向下的动作。

进一步的，所述计算机具有离线训练模块和在线康复训练模块；

所述离线训练模块，用于识别所述脑电信号，将所述脑电信号分为平静状态下脑电信号与运动想象状态下脑电信号，并将上述两种状态下脑电信号通过显示装置与携带者实现人机交互；

所述在线康复训练模块，用于当携带者的运动想象意图指数超过阈值时，向控制器发送命令。

所述便携式Emotiv脑电信号采集模块具有多个采集通道，所述多个采集通道同时获取携带者的脑电信号。

所述控制器采用功能电刺激模块。

下面对手指康复训练用装置做更进一步的细化设计：

所述手指远指端关节驱动件的一侧设有两个弧形耳边，弧形耳边与压杆连接，弧形耳边与压杆之间的角度为锐角，手指远指端关节驱动件通过弧形耳边与动力驱动源的推动杆连接，手指远指端关节驱动件的另一侧设有手指远指端关节捆绑固定件；在动力驱动源向前伸出推动杆后，推动杆带动弧形耳边前移进而带动压杆的端部下压。

进一步地，为了实现对手指后关节的控制，压杆中部呈弧形设置。

作为改进，所述手指远指端关节捆绑固定件还可以包括后框架，后框架与手指远指端关节驱动件端部固定，后框架开向下设置以与人的手指贴合，后框架的开口处设有绑带，通过绑带对手指进行固定，进一步保证了对手指的有效固定。

所述手指远指端关节驱动件的一侧底部设有滑槽，滑槽设有两个，两个滑槽设于手指远指端关节驱动件底部的两侧，所述手指远指端关节捆绑固定件通过滑槽与手指远指端关节驱动件固定，相应地，手指远指端关节捆绑固定件顶部两侧分别设有凸边，凸边与滑槽配合以实现手指远指端关节捆绑固定件与手指远指端关节驱动件的固定。

所述多连杆机构包括第一连杆，第一连杆与所述的手指近指端关节支架固定，第一连杆与第二连杆铰接，第二连杆与第三连杆铰接，第三连杆与所述的手指远指端关节驱动件固定

或者，所述多连杆机构包括第一连杆伸缩套，第一连杆伸缩套与所述的手指远指端关节支架固定，在第一连杆伸缩套内设有第一连杆，第一连杆与第二连杆铰接，第二连杆与第三连杆铰接，第二连杆中部与手指近指端关节支架铰接连接，第三连杆与所述的手指近指端关节驱动件固定，在使用时，手指远指端关节驱动件向下动作后，带动手指近指端关节支架动作，从而第二连杆动作，带动第一连杆相对第一连杆伸缩套伸出，从而带动第三连杆旋转，进而推动手指近指端关节驱动件动作，从而实现手指前关节的控制。

所述第二连杆包括间隔设定距离的两根夹持杆，两根夹持杆中部通过连接件与手指近指端关节支架铰接，所述的第一连杆设于两根夹持杆之间空间的一侧，第三连杆设于空间的另一侧，为了保证推动的稳定性，第三连杆包括四根，用两根来夹持一夹持杆设置。

为了保证康复效果，所述手指近指端关节驱动件的端部设有手指近指端关节捆绑固定件，同样地，在手指近指端关节驱动件一侧的底部设有滑槽，手指近指端关节捆绑固定件顶部设有凸边，通过凸边与滑槽配合实现手指近指端关节驱动件与手指近指端关节捆绑固定件的固定；

进一步的，所述手指近指端关节捆绑固定件为捆绑带，捆绑带的端部设有魔术贴，或者，手指近指端关节捆绑固定件的结构与手指远指端关节捆绑固定件的结构是一致的。

为了贴近手指的形状，所述手指近指端关节驱动件呈弧形弯曲设置。

所述动力驱动源倾斜设置，而且动力驱动源为直线驱动电机或者电缸，这样有效降低了动力驱动源的质量。

进一步地，所述支架的底部水平设置以与人的手背接触，为了避免对手臂的干扰，支架底部一侧倾斜向上设置，且向上的端部与动力驱动源进行固定。

所述手指远指端关节支架包括设于动力驱动源头部两侧的弧形片和与弧形片连接的长支架，长支架与动力驱动源连接；弧形片上开有第一导向槽，手指远指端关节驱动件的两侧分别设有第一外伸柱，第一外伸柱沿着第一导向槽移动，从而有效保证了手指远指端关节驱动件的移动路径，第一外伸柱上设有轴承，该轴承在第一导向槽内移动。

所述手指近指端关节支架包括两个呈L型形状的支撑片，支撑片之间连接，支撑片开有第二导向槽，第三连杆与手指近指端关节驱动件连接的端部两侧各设有第二外伸柱，第二外伸柱沿着第二导向槽移动；第二外伸柱上设有轴承，该轴承在第二导向槽内移动。

进一步地，两片支撑片分别与手指远指端关节驱动件连接。

两弧形片之间与第一连杆伸缩套固定，第一连杆伸缩套为L形状，以连接两弧形片，两个支撑片的宽度大于等于一个手指的宽度。

上述手指用康复训练用装置中的动力驱动源接收控制器发送的指令，执行启动、上升、保持、下降、停止的动作，实现携带者的手指被动训练。

本实用新型的工作原理：

接收携带者的脑电信号；

对所述脑电信号依次进行预处理和特征提取，得到特征数组，采用线性分类函数，计算所述特征数组的分类函数值，获得携带者运动想象意图指数；

根据所述携带者的运动想象意图指数，发送设定命令，控制动力驱动源执行相应动作。

进一步的，所述接收携带者的脑电信号包括：

采用多通道同时采集方式接收携带者的第一脑电信号；

根据所述第一脑电信号分别建立平静状态和运动想象状态下的脑电信号识别模型；

再次接收携带者的第二脑电信号，将所述第二脑电信号按脑电信号识别模型分类显示；

携带者根据所述分类显示结果观察、调整其脑活动状态。

进一步的，对所述脑电信号依次进行预处理和特征提取包括：

采用二阶巴特沃斯滤波器对脑电信号进行带通滤波预处理，获取与运动想象状态相关的频带信息，滤除其它噪声；

对去噪后信号，基于经验模式分解理论，采用特征提取函数，依据脑电信号自身具有的时间尺度特征进行自适应分解,得到一系列本征模分量，对每个本征模分量进行希尔伯特黄变换，求取能量均值作为特征，得到初始特征数组。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1)本实用新型通过各个结构的相互配合，可有效实现对手指后关节、前关节的控制，进而实现整个手指的弯曲，从而实现对手指的康复训练。

2)本实用新型通过多连杆机构的设置，有效通过手指远指端关节驱动件的动作带动手指近指端关节驱动件的动作，整体连贯性较好。

3)本实用新型通过手指远指端关节支架、手指近指端关节支架的设置，有效对手指远指端关节驱动件、手指近指端关节驱动件的动作进行限定，保证了控制的效果。

4)本实用新型的控制方法可以实时采集携带者的脑电信息，并对携带者脑电信息进行预处理、特征提取和分类识别，采用人机交互这种友好方式，实时反馈给携带者，共携带者观察和调整自己的脑状态，当其运动意图强度达到设定值时，控制手指康复训练用装置进行制定模式康复训练。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本实用新型装置的立体图；

图2是本实用新型装置的纵向剖视图；

图3是本实用新型手指远指端关节驱动件的示意图；

图4是本实用新型中手指后关节前支架的示意图；

图5是本实用新型中第二连杆的示意图；

图6是本实用新型中手指远指端关节驱动件的示意图；

图7是本实用新型手指近指端关节与支架一体结构示意图；

图8是本实用新型手指远端指间关节捆绑固定件的结构示意图；

其中：1.手指近端指间关节支架；2.电机固定轴；3.驱动电机；4.内六角平端紧定螺钉；5.第二外伸柱；6.开口挡圈；7.深沟球轴承；8.手指近指端关节驱动件；9.第一销轴；10.第一连杆；11.第二连杆；12.第二销轴；13.内六角平端紧定螺钉；14.手指远端指间关节捆绑固定件；15.隔套；16.开槽盘头螺钉；17.手指远指端关节驱动件；18.十字槽沉头螺钉；19.手指远端指间关节支架；20.手指近指端关节捆绑固定件；21.第三连杆。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中装置结构复杂，操作不便、重量大的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种手指康复训练用系统，包括手指康复训练用装置、便携式Emotiv脑电信号采集模块、计算机和控制器：

所述便携式Emotiv脑电信号采集模块，用于实现携带者脑电信号的采集，然后以无线方式发送给计算机；

计算机，用于实时显示所述脑电信号，对脑电信号进行预处理、特征提取、分类和识别，判断携带者是否具有超过设定阈值的运动想象意图指数；

控制器，与计算计相连，根据所述运动想象意图指数，发送命令，控制手指康复训练用装置中的动力驱动源执行相应动作。

计算机具有离线训练模块和在线康复训练模块；

离线训练模块，用于识别所述脑电信号，将所述脑电信号分为平静状态下脑电信号与运动想象状态下脑电信号，并将上述两种状态下脑电信号通过显示装置与携带者实现人机交互；

在线康复训练模块，用于当携带者的运动想象意图指数超过阈值时，向控制器发送命令。

其中手指康复训练用装置如图1和图2所示，装置包括通过支架固定的动力驱动源，动力驱动源的推动杆与手指远指端关节驱动件1717连接以控制人手指后关节，动力驱动源倾斜设置，倾斜的角度是0°～25°，这样不论是手水平设置或者倾斜设置，均可以实现对手指关节的控制，而且动力驱动源为直线驱动电机3或者电缸，这样有效降低了动力驱动源的质量，驱动电机3尾部通过电机固定轴2进行固定，驱动电机3中部距离支架具有设定的高度，驱动电机通过手指驱动电机前固定轴与手指远指端关节驱动件的两侧连接。

手指远指端关节支架17，手指远指端关节驱动件17通过手指远指端关节支架17进行固定，手指远指端关节支架17的前侧与多连杆机构连接，多连杆机构与手指近指端关节驱动件8连接；

手指近指端关节支架3，多连杆机构与手指近指端关节支架3连接，手指近指端关节支架3与手指远指端关节驱动件8连接，手指远指端关节驱动件8控制手指后关节后，同时带动手指近指端关节支架3动作，通过多连杆机构带动手指近指端关节驱动件2控制人手指的前关节，当驱动电机向前伸出后，带动手指前、后关节驱动件对手指前、后前后关节进行按压，当驱动电机向后缩回时，带动手指前、后关节驱动件对前、后关节进行提拉动作。

本实施例中控制器采用功能电刺激模块，需要对功能性电刺激的通道、刺激电流、频率、脉宽、上升时间、下降时间做设置。

便携式Emotiv脑电信号采集模块首先进行多通道的脑电型号并行采集，这一过程需要设置脑电信号采集方式、脑电采集器型号。

便携式Emotiv脑电信号采集模块将采集得到的脑电信息实时发给计算机，计算机具有VC++人机交互装置和分析装置，分析装置可以采用matlab软件对脑电信号进行预处理、特征提取、分类和识别，分析携带者是否具有手功能康复的运动意图，并将结果通过VC++传输给人机交互装置，人机交互装置的显示界面中以实数和指针等友好形式显示所述运动想象意图指数，携带者可以实时观察和调整自己的脑活动状态，当其运动想象意图指数达到设定值时，通过串口发送特定命令串，控制器控制动力驱动源的启动、上升、保持、下降、停止，对携带者进行制定模式康复训练。

下面给出手指康复训练用装置的进一步细化设计：手指远指端关节驱动件17的一侧设有两个弧形耳边，弧形耳边与压杆连接，弧形耳边与压杆之间的角度为锐角，如图3所示，手指远指端关节驱动件17通过弧形耳边与驱动电机3的推动杆连接，手指远指端关节驱动件17的另一侧设有手指远指端关节捆绑固定件；在动力驱动源向前伸出推动杆后，推动杆带动弧形耳边前移进而带动压杆的端部下压，此外，手指远指端关节支架17可与支架1为一体结构设置，如图7所示，支架一端两侧均设置耳边，以与驱动电机进行固定。

为了实现对手指后关节的控制，压杆中部呈弧形设置，如图2所示。

进一步的，手指远指端关节捆绑固定件包括后框架，后框架与手指远指端关节驱动件17端部固定，后框架开向下设置以与人的手指贴合，后框架的开口处设有绑带，通过绑带对手指进行固定，进一步保证了对手指的有效固定。

手指远指端关节驱动件17的一侧底部设有滑槽，滑槽设有两个，两个滑槽设于手指远指端关节驱动件17底部的两侧，手指远指端关节捆绑固定件16通过滑槽与手指远指端关节驱动件17固定，相应地，手指远指端关节捆绑固定件14顶部两侧分别设有凸边，凸边与滑槽配合以实现手指远指端关节捆绑固定件14与手指远指端关节驱动件17的固定。

多连杆机构包括第一连杆伸缩套，第一连杆伸缩套与所述的手指远指端关节支架固定，在第一连杆伸缩套内设有第一连杆，第一连杆伸缩套开口处设置卡口，以避免第一连杆从第一连杆伸缩套内脱出，第一连杆与第二连杆通过第二销轴实现连接，第二连杆与第三连杆铰接，第二连杆中部通过第一销轴与手指近指端关节支架铰接连接，第三连杆与所述的手指近指端关节驱动件固定，在使用时，手指远指端关节驱动件向下动作后，带动手指近指端关节支架动作，从而第二连杆动作，带动第一连杆相对第一连杆伸缩套伸出，从而带动第三连杆旋转，进而推动手指近指端关节驱动件动作，从而实现手指前关节的控制。

两弧形片之间与第一连杆伸缩套固定，从横向方向看，第一连杆伸缩套为L形状，以连接两弧形片，两个支撑片的宽度大于等于一个手指的宽度，该手指可以是人的食指、中指、无名指或者小指。

或者，多连杆机构包括第一连杆10，第一连杆10与所述的手指近指端关节支架1固定，第一连杆10与第二连杆11铰接，第二连杆11与第三连杆21铰接，第三连杆21与所述的手指远指端关节驱动件17固定，第二连杆与第一连杆之间通过第二销轴12进行连接。

第二连杆6包括间隔设定距离的两根夹持杆，两根夹持杆中部通过连接件与手指近指端关节支架3铰接，所述的第一连杆4设于两根夹持杆之间空间的一侧，第三连杆7设于空间的另一侧。

为了保证康复效果，手指近指端关节驱动件8的端部设有手指近指端关节捆绑固定件20，同样地，在手指近指端关节驱动件一侧的底部设有手指近指端关节驱动件滑槽，手指近指端关节捆绑固定件20顶部设有凸边，通过凸边与手指近指端关节驱动件滑槽配合实现手指近指端关节驱动件8与手指近指端关节捆绑固定件20的固定；为了贴近手指的形状，手指近指端关节驱动件8呈弧形弯曲设置，如图6所示，手指远端指间关节捆绑固定件14通过内六角平端紧定螺钉13与手指远指端关节驱动件17进行连接。

进一步的，手指近指端关节捆绑固定件为捆绑带，捆绑带的端部设有魔术贴，或者，手指近指端关节捆绑固定件的结构与手指远指端关节捆绑固定件的结构是一致的。

支架1的底部水平设置以与人的手背接触，为了避免对手臂的干扰，支架底部一侧倾斜向上设置，且向上的端部与动力驱动源进行固定。

手指远指端关节支架19包括设于动力驱动源头部两侧的弧形片，弧形片通过隔套15进行连接，在隔套处通过开槽盘头螺钉16进行连接，弧形片上开有弧形的第一导向槽，手指远指端关节驱动件的两侧分别设有第一外伸柱，第一外伸柱沿着第一导向槽移动，第一外伸柱外围设置轴承，轴承外设置轴承隔垫，从而有效保证了手指远指端关节驱动件的移动路径，此外，在本实用新型另一实施例中，第一导向槽可设置有两处，从而稳定保证手指远指端关节驱动件的移动。

手指近指端关节支架包括两个呈L型形状的支撑片，支撑片一端通过第一销轴9进行连接，如图4所示，支撑片开有第二导向槽，第二导向槽弧形设置，手指近指端关节驱动件两侧各设有第二外伸柱，在第二外伸柱端部设置深沟球轴承7，在第二外伸柱上设置开口挡圈6，以保证第二外伸柱沿着第二导向槽移动；两片支撑片分别与手指远指端关节驱动件17连接，此外，在本实用新型另一实施例中，第二导向槽可设置有两处，从而稳定保证手指近指端关节驱动件的移动。

此外，为了实现电动控制，驱动电机的控制器对驱动电机进行控制，以控制驱动电机循环往复的动作，此外，在支架与驱动电机之间设置有压力传感器贴板，在压力传感器贴板上设置摆动触压件，摆动触压件与控制器连接，当摆动触压件检测到压力大于设定值时，控制器控制驱动电机停止动作。

为了控制上述系统，本实用新型采用下面的方法：

接收携带者的脑电信号，根据所述脑电信号建立离线训练模型和在线康复训练模型；

离线训练模型是为了实现携带者与计算机的交互和反馈，调整自己的脑活动状态，具体方法是：采集携带者平静状态下的脑电信号20秒，采集携带者进行运动想象状态下的脑电信号30秒，比对上述脑电信号，建立区分两种状态的识别模型；然后再次提取携带者的脑电信号，根据识别模型就可以识别携带者在运动想象状态下的脑电信号，这时可以采用时域和频域多方面显示携带者脑活动状态，使得携带者了解自己的脑活动状态是否最佳，当脑活动状态达到预定的程度时，进行在线康复训练。

上述评价脑活动状态的指标是运动想象意图指数，根据脑电信号获取运动想象意图指数的方法是：

其中接收携带者的脑电信号具体包括

其中对对脑电信号依次进行预处理、特征提取和分类识别，获得携带者运动想象意图指数具体为：

根据上述识别模型，在线康复训练过程：携带者进行运动想象，实时采集携带者运动想象任务期间设定时间段内的的脑电信号，分析其运动想象意图指数，当运动强度意图指数达到阈值时启动驱动装置，按照设定参数进行康复训练。

分析运动想象意图指数的具体方法为：

对脑电信号采用二阶巴特沃斯滤波器进行带通滤波预处理，获取与运动想象状态相关的频带信息，滤除其它噪声；

对去噪后的脑电信号，基于经验模式分解理论，采用特征提取函数，依据脑电信号自身具有的时间尺度特征进行自适应分解,得到一系列本征模分量，对每个本征模分量进行希尔伯特黄变换，求取能量均值作为特征，得到初始特征数组；

采用线性分类函数，对特征数组实时计算分类函数值，获得携带者运动想象意图指数。

计算机根据携带者的运动想象意图指数，向控制器输出命令，也就是功能电刺激模块控制动力驱动源实现启动、上升、保持、下降、停止，对携带者进行设定模式康复训练。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。