基于视觉-肌电生物反馈的肌肉损伤康复训练系统的制作方法

本实用新型涉及临床肌肉损伤评估和训练系统，特别是结合视觉- 肌电生物反馈技术的肌肉损伤评估与训练系统。

背景技术：

肌肉损伤是临床常见病。治疗肌肉损伤，除药物治疗外，针对受损肌肉的康复锻炼是首选无创类保守疗法。

当前，临床肌肉训练方式包括：徒手训练、弹力带抗阻训练、器械训练等。但因为这种肌肉训练模式简单枯燥，缺乏趣味性，患者依从性较差。而且，单一动作的反复重复，容易引起患者的倦怠情绪。

为了提高趣味性，近几年，临床医疗开始尝试将虚拟现实(virtual reality,VR)游戏引入患者康复功能训练。

虚拟现实技术是应用计算机产生一种模拟真实事物的虚拟环境 (如行走、取物等)，并通过特定交互工具(如立体眼镜、传感手套等)使患者“投入”到该环境，实现患者与该虚拟环境直接进行自然交互的技术。

近年来，虚拟现实技术开始应用在肢体功能、言语康复训练中。其运用计算机和专业的软硬件显现仿真环境，实现在视、听、触、动等感觉方面的虚拟互动和反馈，使患者产生一种身临其境的感觉，让患者在虚拟环境中完成可控的功能性运动和操作，达到功能重建的目的。虚拟现实技术能够通过编制虚拟环境，以形式多样的反馈不断激发并维持患者重复练习的兴趣。虚拟现实技术的发展，从根本上改变了传统的运动康复方式，将“劳”和“逸”真正结合起来。

但目前虚拟现实机技术不足的是，这类产品均是初级版的虚拟现实训练节目，节目数量有限，选择余地小。其训练方式是预制的简单的场景模拟，动作重复，程式化，缺少人机互动，久而久之，患者也会失去兴趣。

临床上肌肉损伤病症的表象可能相同但受损肌肉可能不同，或虽然受损肌肉相同但受损程度可能不同。例如腿痛的患者有些是腿部肌肉拉伤，有些则可能是腰部肌肉损伤，牵扯腿部，造成的腿痛。再例如，虽然腰痛病患者的病情表现为腰痛，但其腰肌损害的部位也可能各有不同。对相同表征的患者用同样的训练动作，不一定能起到好的效果。目前肌肉康复训练比较盲目，缺乏准确性和个体针对性。只要病症表象相同或近似，即施以相同的训练动作，用不断的试错纠正，最终找到合适的训练动作。

目前，肌肉损伤程度和康复训练效果的评估大都采用传统的评量表(问卷)体系，即通过观察步行身体活动情况进行评估。但这种人工测量评估方式，一方面对医生主观判断能力要求较高，另一方面它不能实现实时和定量性评估。

随着康复治疗的进行，患者的身体状况不断发生变化，活动量和活动强度都在改变，之前的评估已不能适应变化的情况。由于传统评估方法不能对患者在训练过程中的过程数据及时或实时记录和保存，所以传统评估方法对肌肉康复训练的动态变化和动态训练效果一般只能是一个大概的估计。但在临床康复治疗中，及时、科学地评估患者训练中实时的变化，及时改变训练强度和训练项目，是提高康复训练效率和水平的需要。此外，实时身体状况的评估亦可满足患者迫切想了解自身肌肉功能水平以及训练后的改善情况。

近年有一种表面肌电信号检测方法，应用在医疗诊断和体育训练上。

表面肌电(Surface electromyogram，sEMG)是从皮肤表面通过电极引导，记录神经肌肉系统活动时的生物电信号，能准确反映肌肉收缩情况。表面肌电技术在运动训练中已被应用，分析运动中靶肌肉收缩和疲劳情况，分析不同靶肌肉收缩顺序和协调性。特别是在渐增负荷训练中，因表面肌电具有检测过程简便，对动作干扰小，可连续检测、直观、可靠等优点，能确保渐增负荷训练测试过程中肌肉评估的准确性和训练的安全性。

基于表面肌电信号检测方法，最近发展出肌电生物反馈疗法。该疗法是借助表面肌电接收设备记录肌肉收缩时的微弱电信号，将其转换为容易感知的视觉或听觉信号，并让患者根据这些视/听觉信号学会调整肌肉收缩程度、自我训练的方法。它能为患者进行运动康复训练提供每次训练结果的反馈和每组练习后的成绩反馈，这有利于提高患者对肌肉收缩情况知晓感和训练积极性。目前，这种技术在脑损伤或脊髓损伤的瘫痪肢体运动功能的康复中已有应用。虽然肌电生物反馈疗法可以及时告知接受康复训练的患者的训练动作是否正确或是否标准，但肌肉受损的患者很难一下子就能按要求达到训练标准。如果系统反馈总是给出不达标的负面评估，也会挫伤受训患者的康复训练信心和训练积极性。目前的肌电生物反馈康复训练疗法是从医疗表面肌电信号检测方法照搬过来的。它的设计是以病与非病为分界点的，并不完全适合着眼于从病到非病过程的康复训练医疗，它缺少过渡期的训练选择。

上述现有技术虽各有所长，也各有其缺陷。就这些技术整体而言，它们最大的缺陷是各自独立使用，不能形成一个具有协同作用的整体，集各家所长消除各家所短。

技术实现要素：

本实用新型针对以上现有技术问题做出，用以缓解或消除现有技术中存在的一个或更多个问题，至少提供一种有益的选择。

为了实现以上的目的，本实用新型提供了一个整合了肌电生物反馈医疗系统和虚拟现实游戏系统并增加了数据处理中心和可控式训练活动平台的康复训练系统。

本实用新型提供了一个进一步将疼痛和/或脉搏监测系统整合于本发明的上述康复训练系统的康复训练系统。

本实用新型提供了一种针对肌群整体治疗锻炼的康复训练系统。

本实用新型提供了一种依据个体病症可个性选择的肌肉康复训练系统。

本实用新型提供了一种具有实时人机互动的肌肉康复训练系统。

本实用新型提供了一种依据实时记录和评估肌肉病况和/或训练情况，及时推荐新的训练游戏或调整训练游戏强度的肌肉康复训练系统。

本实用新型提供了一种可控式训练平台。

附图说明

结合附图可以更好地理解本实用新型。附图仅用于示意的目的，其不是按照比例绘制的，也不是对本实用新型保护范围的限制。

图1为本实用新型基于视觉-肌电生物反馈的肌肉受损评估和康复训练系统的系统架构示意图。

图2为本实用新型基于视觉-肌电生物反馈的肌肉受损评估和康复训练系统的工作流程示意图。

图3为本实用新型基于视觉-肌电生物反馈的肌肉受损评估和康复训练系统的工作原理流程示意图。

图4为本实用新型基于视觉-肌电生物反馈的肌肉受损评估和康复训练系统从信号采集到训练治疗流程循环往复实时变化的工作原理流程示意图。

具体实施方式

本实用新型利用虚拟现实技术、表面肌电反馈技术、数据库处理中心、可控式训练平台和/或疼痛和/或脉搏监测系统搭建起一种更有个体针对性、更有趣味性、训练效果更佳的康复训练系统。虚拟现实技术使本发明的康复训练系统实现了训练动作与虚拟环境的交互。虚拟环境可以使人产生一种身临其境的感觉，从而实现多感官刺激。表面肌电反馈可以帮助建立病症、病情和运动效果评估体系，实时记录的数据现场可视化地反馈给患者，便于患者实时调整其训练姿势和/ 或强度，并可实时进行的运动学跟踪与评价，实现针对个人特质或特定肌肉或肌群的精准康复目的。可控式训练平台在所述数据处理中心指令下，做平衡、倾斜、扭转动作，迫使患者半主动、半被动地按虚拟游戏的引导活动。

表面肌电反馈技术使本发明的康复训练系统可以得到患者病症、病情(肌肉受损程度)和训练效果的及时反馈。数据处理中心对表面肌电系统最初传输的信息，与数据处理中心预存的病症数据库阈值比对，确定患者的病症，从而推荐适合该病症的虚拟现实游戏，与数据处理中心预存的病情数据库阈值比对，以评估和确定肌肉受损等级，以肌肉受损等级为康复训练的难度起始基线。在康复训练过程中，数据处理中心对疼痛和/或脉搏监测系统实时传输的信号，阶段性地与其预存的疼痛和脉搏阈值比较，以及时调整康复训练强度和/或更换虚拟现实游戏。所述数据处理中心将病症和/或病情等级评估结果传输给虚拟现实情景互动训练系统，将病情和/或疼痛/脉搏评估结果传输给一个可控式训练平台；所述虚拟现实情景互动训练系统依据数据处理中心的评估结果，选择推荐病症适合、训练强度适合的虚拟现实游戏。如果有多个虚拟现实节目供选择时，受训者可以根据自己的兴趣选择。所述可控式训练平台，依据所述数据处理中心的肌肉受损等级和/或疼痛/脉搏评估结果，相应地调整平台的倾斜角度、扭转幅度等，以增加或减弱康复训练的强度。疼痛和/或脉搏监测系统采集受训者的训练时肌肉疼痛指数和/或脉搏跳动指数。肌肉疼痛常表现为出汗增多和心跳加速，故采集受训者特定部位的汗液渗出情况和/或脉搏跳动情况可确定受训者锻炼时肌肉疼痛状况。所述疼痛和/或脉搏监测系统将患者肌肉疼痛信号和/或脉搏跳动信号传送给所述数据处理中心，所述数据处理中心，将该信号与其预存的肌肉疼痛和/或脉搏跳动阈值比较，评估目前的康复训练强度是否适合，如果强度过强或过弱，所述数据处理中心指令所述可控运动平台调整其姿态。另外，脉搏监测还是防止运动意外的必要措施。

本实用新型的基于视觉-肌电生物反馈的肌肉损伤康复训练系统包括：一个表面肌电系统、一个数据处理中心、虚拟现实情景互动训练系统、一个可控式训练平台和/或一个疼痛和/或脉搏监测系统。其中，所述表面肌电系统具有若干电极贴片和表面肌电系统本机，所述电极贴片贴于受训患者与单一受损肌肉相关的单一部位上或多块受损肌肉相关的多个部位上，采集受训者的受损肌肉或肌群的表面肌电信号，所述电极贴片与所述表面肌电系统本机有线连接或无线连接，所述电极贴片将受训患者表面肌电信号传给所述表面肌电系统本机；

所述表面肌电系统本机对从所述电极贴片传送的所述表面肌电信号进行预处理，所述表面肌电系统本机与所述数据处理中心有线连接或无线连接，所述表面肌电系统本机将其预处理后的表面肌电信号传输至所述数据处理中心；

所述数据处理中心具有肌肉病症阈值数据库、肌肉病情阈值数据库、训练效果阈值数据库、用以对所述表面肌电系统本机传送的所述预处理后的表面肌电信号进行比对分析和病症、病情和训练效果评估；所述的数据处理中心与所述虚拟现实情景互动训练系统有线连接或无线连接，所述的数据处理中心将所述表面肌电信号的分析和评估结果输出至所述虚拟现实情景互动训练系统；

所述虚拟现实情景互动训练系统具有一个虚拟现实情景互动训练系统本机和虚拟现实显示视窗，所述虚拟现实显示视窗与所述虚拟现实情景互动训练系统本机有线连接或无线连接，所述虚拟现实情景互动训练系统本机依据所述数据处理中心传入的分析和评估结果选择虚拟现实游戏，并显示在所述虚拟现实显示视窗；

所述可控式训练平台与所述的数据处理中心有线连接或无线连接，接收所述数据处理中心传送的所述表面肌电信号的分析和评估结果信号，所述可控式训练平台根据所述数据处理中心的分析和评估结果信号，调整所述可控式训练平台静态姿态和/或动态活动姿态；

所述疼痛和/或脉搏监测系统与所述的数据处理中心有线连接或无线连接，所述数据处理中心预设疼痛和/或脉搏阈值数据库，所述疼痛和/或脉搏监测系统检测到的患者疼痛和/或脉搏指数传送给所述的数据处理中心，所述数据处理中心将患者疼痛和/或脉搏指数与所述的数据处理中心预设的疼痛和/或脉搏阈值比较，将分析结果传送给所述可控式训练平台和所述虚拟现实情景互动训练系统，所述可控式训练平台和所述虚拟现实情景互动训练系统，依据所述数据处理中心的分析结果，调整训练强度或暂停训练。

依据本实用新型的一个实施例，所述数据处理中心还通过分析软件将肌电生物反馈与所述数据处理中心预设的康复训练效果阈值关联，建立基于肌电生物反馈与训练效果的映射关系，在康复训练过程中，数据处理中心对实时采集监测的表面肌电的反馈信号进行分析，将所述表面肌电的反馈信号与数据处理中心的预设训练效果阈值对比，分出训练效果的等级，所述数据处理中心将训练效果等级信息传输给所述虚拟现实情景互动训练系统，所述虚拟现实情景互动训练系统，将训练效果信息显示在虚拟现实视窗中，受训者可以实时看到自己训练的等级分。等级分好的，可以提高康复训练者的训练兴趣和信心，等级分不够理想的，可以督促康复训练者加紧练习和更努力使训练动作达标。同时，所述数据处理中心将训练效果等级信息传输给所述可控运动平台，等级分好的，所述可控式训练平台可以调整其姿态和动作，提升训练难度，等级分达不到本级训练难度最低要求的，所述可控式训练平台可以调整其姿态和动作，降低训练难度。如果达不到某个虚拟现实游戏节目的最低难度动作等级的，所述虚拟现实情景互动训练系统可调整虚拟现实游戏节目。如果疼痛和脉搏指数与训练效果指数有矛盾时，疼痛和脉搏指数优先。为了安全起见，脉搏跳动过快高于脉搏阈值的高限和/或疼痛太厉害高于疼痛阈值的高限时，应及时暂停训练。

如图1所示，本实用新型基于视觉-肌电生物反馈的肌肉评估和康复训练系统包括：一个表面肌电系统、一个数据处理中心、一个虚拟现实情景互动系统以及一个可控式训练平台，其中，所述表面肌电系统具有贴于康复训练者身上的电极贴片和表面肌电系统本机，所述电极贴片与所述表面肌电系统本机有线连接或无线连接；所述表面肌电系统本机与所述的数据处理中心有线连接或无线连接；所述的数据处理中心与所述虚拟现实情景互动训练系统有线连接或无线连接；所述虚拟现实情景互动训练系统包括一个虚拟现实眼镜和虚拟现实情景互动训练系统本机；所述虚拟现实眼镜与所述虚拟现实情景互动训练系统本机有线连接或无线连接；所述数据处理中心与所述可控式训练平台有线连接或无线连接；所述虚拟现实眼镜直接戴在康复训练者眼部。所述电极贴片粘贴在接于康复训练者身体表面相关部位上，所述电极贴片将表面肌电信号传输给所述的表面肌电系统本机，所述表面肌电系统采集和预处理所述电极贴片输入的表面肌电信号，将预处理后的所述表面肌电信号传输给所述数据处理中心；所述数据处理中心接收和分析所述表面肌电活动信号，将所述表面肌电活动信号与设定阈值比较，确定病情和病情等级，依病情和病情等级确立康复训练的基线，所述数据处理中心将康复训练基线信息输出至所述虚拟现实情景互动训练系统；所述虚拟现实情景互动训练系统将所述数据处理中心传输的康复训练基线信息转换成相应的虚拟现实游戏，显示于所述虚拟现实眼镜的可视窗口中；同时，所述数据处理中心将康复训练基线信息传输给所述可控式训练平台，所述可控式训练平台依据康复训练基线信息，确定所述可控式训练平台的倾斜角度、扭转幅度等。

如图2所示，本实用新型的基于视觉-肌电生物反馈的肌肉损伤康复训练系统的工作从系统开机系统初始化开始。患者躺在所述可控式训练平台上，贴好所述电极贴片，遵医嘱，患者做一些基本动作，所述电极贴片采集表面肌电信号，并传输给表面肌电系统，所述表面肌电系统对所述表面肌电信号进行降噪、放大等预处理，然后所述表面肌电系统将该预处理后的表面肌电信号传输至所述数据处理中心；所述数据处理中心将该表面肌电信号与存储阈值比较，确立病情与病情程度，建立康复训练基线，所述数据处理中心将康复训练基线信息传输给虚拟现实情景互动训练系统，所述虚拟现实情景互动训练系统依据康复训练基线信息，选择推荐合适的虚拟现实游戏，同时所述数据处理中心，将康复训练基线信息传给一个可控式训练平台。所述可控式训练平台依据所述数据处理中心的结果，确定所述平台的姿态，以配合康复训练的强度。在康复训练过程中，所述表面肌电系统会实时收集表面肌电活动信号并将其输出至所述数据处理中心。所述数据处理中心阶段性地分析所述表面肌电活动信号，所述数据处理中心预先通过分析软件将肌电生物反馈与康复训练效果关联，建立基于肌电生物反馈与训练效果的映射关系，所述数据处理中心用该表面肌电活动信号与数据处理中心预设的训练效果阈值对比，并依此重新确定康复训练基线，并将该重新确定的康复训练基线传输给所述虚拟现实情景互动训练系统和所述可控式训练平台，以及时调整、优化训练方案和训练难度。

如图3、图4所示，所述本实用新型的基于视觉-肌电生物反馈的肌肉受损评估和训练系统的康复训练方法包括：第一步，预诊，受训患者经医生和/或物理治疗师临床预诊确定何种肌肉损伤。第二步，如果被人工初诊确诊为适应症之一的，医护人员将电极贴片按初诊病症贴于患者相应肌肉上，戴上虚拟现实眼镜，患者按屏幕提示，在可控训练平台上完成一组基础动作，刺激肌肉活动。不同患者初次上可控式训练平台训练或同一患者不同时间上可控训练平台训练均照此处理。第三步，表面肌电系统通过wifi、蓝牙等无线信号方式或有线方式收集电极贴片的反馈信号，经过滤波、电信号放大等预处理将电信号转换成模拟信号，即表面肌电系统中显示的波形，依据该波形确认人工初诊是否正确并确诊病症；确认病症后，依据初始表面肌电信号进行病情评估，数据处理中心以wifi、蓝牙等无线信号方式或有线方式接收表面肌电系统收集与预处理的信号，分析得到该患者完成基础动作中所监测的肌肉表面肌电活动信号，与设定的根据大数据与统计学制定的肌肉损伤等级阈值比较，判定肌肉受损等级，将肌肉受损等级判定结果输出至可控式训练平台和虚拟现实情景互动训练系统；第三步，推荐虚拟游戏，虚拟现实情景互动系统根据数据处理中心输出的信号推荐最适合最具针对性的虚拟游戏训练方案，同时可控式训练平台根据数据中心输出的信号调整至对应的角度，同款虚拟游戏具有若干不同的训练难度的虚拟现实节目，不同的训练难度的虚拟现实节目对应于可控训练平台不同的角度；第四步，实时评估，如图4所示，患者在可控训练平台中进行训练过程中，表面肌电系统会阶段性地收集电极贴片采集的肌电信号并预处理后输出至数据中心，数据中心对表面肌电系统输出的信号分析得到该患者在完成虚拟游戏过程中所监测的肌肉表面肌电活动信号，实时评估肌肉活动状态和训练强度适应性；第五步，精准控制，如通过前后多次对比发现肌肉活动状态均能达到系统标定的数据，且采集到信号稳定，训练效果好，即可相应地增加训练强度，例如增加可控训练平台的角度(如从15°调至20°)、或更换训练难度更高的游戏，反之，训练效果差、且采集的数据较基线的测量和初评值更差，即相应地减小可控训练平台角度，如从15°调至10°，或更换训练难度相对更低的游戏，提升训练的针对性，从而对患者康复训练过程中的实时评估与精准控制。

在本实用新型的一个实施例中，所述可控式训练平台的控制系统，支持所述平台多自由度控制、精确的运动幅度、适合人体肌肉拉伸的摩擦阻尼、可调姿态控制、有效的安全保障等要求。

另外，在本实用新型的一个实施例中，所述可控式训练平台上设置多个惯性测量单元(Initial Measurement Unit)，充分监测康复训练者每个训练动作完成的幅度，并将监测数据上传所述数据处理中心，所述数据处理中心将所述监测数据与生物肌电反馈的数据进行比对，相互佐证，实现二维数据分析，进一步确认数据的准确性。

根据本实用新型的一个优选地实施例，所述可控式训练平台具有安全保护装置，例如安全带、扶手等，以确保康复训练者的安全。

根据本实用新型的一个优选地实施例，患者依据虚拟游戏的需要，在所述可控式训练平台上，可采用仰姿、卧姿、跪姿、站姿、蹲姿、支撑等姿势。

根据本实用新型的一个优选地实施例，本实用新型的表面肌电系统可以是16通道的表面肌电信号采集系统，例如美国产的Noraxon Telemyo系统。

根据本实用新型的一个优选地实施例，本实用新型的数据处理中心可以是PC机。所述的PC机可以是物理上独立的PC机，也可以将其物理上整合进表面肌电系统或虚拟现实情景互动系统中。

根据本实用新型的一个优选地实施例，本实用新型的数据处理中心可以通过特定APP与网络大数据链接，以获取更多数据，扩充本发明系统的适应范围。

根据本实用新型的一个实施例，本实用新型的基于视觉-肌电生物反馈的肌肉受损评估和训练系统的康复训练方法包括预诊、病症种类和病情等级确定、推荐虚拟现实游戏、阶段性二次评估和精准控制五个基本步骤。

本实用新型与现有技术比较优点有：

(1)本项目将虚拟现实技术和肌电生物反馈系统有机结合到肌肉受损的康复评估和训练中，科学、准确地评估病情和病情程度、实现个性化训练方案,从而实现针对个人特质或特定肌群的精准康复训练目的；

⑵基于虚拟现实软件平台，收集表面肌电信号，进行数据实时分析和临场反馈，及时调整训练任务的练难度、增强训练效果，建立双向反馈模型，进一步提高训练效率：

(3)可实现人机交互的肌群的整体性训练；

(4)丰富的训练环境和临场的反馈信息显著提高康复训练的兴趣和康复训练效率；

(5)患者可控的操作系统可激发患者参与训练的积极性；

(6)减少了医疗机构的人员成本；

(7)针对传统训练简单枯燥，患者易疲劳等问题、通过训练任务等级设置，将枯燥的训练变成集娱乐与康复，让患者在娱乐中锻炼，提高患者训练效果；及在游戏中可减少患者心理压力，疏导负面情绪。

应予说明的是，以上的说明仅仅是示意性的，不是对本实用新型保护范围的限制。落入本实用新型权利要求文字及其等同范围内的所有技术方案均在本实用新型的保护范围内，例如虽然本实用新型介绍的方法和系统，适用于病人的康复训练，但其亦可经稍微改动和不改动而使用与体育训练或健身运动等。