基于肌电生物反馈的腰腹部核心肌群整体康复训练系统的制作方法

本实用新型涉及临床腰腹部核心肌群评估和训练系统，特别是结合肌电生物反馈技术的评估与训练系统。

背景技术：

腰部疾病包括腰腹部间盘突出、腰肌劳损、急性腰扭伤、非特异性下腰痛等等多种临床疾病，这类疾病都无一不严重影响患者的日常生活能力和工作能力，常常演变为难以完全治愈的慢性疾病。而腰部疾病的严重程度和诱因，与腰腹部核心肌群的健康状况密切相关，整体训练腰腹部核心肌群，加强其力量和肌耐力是根本解决腰腹部腰部病痛的首选无创类保守疗法。

目前腰部肌肉训练都是根据需训练的特定单一靶肌肉的需要，通过设计一对一的动作，对单一肌肉进行针对性训练。这种方法对单一肌肉病因的病症，有较好的效果。但如上文所述整体腰腹部核心肌群的力量不足和韧带松弛，需要全面调整和训练一套肌群的情况，上述训练方式效果就不理想。它们缺点是忽略了肌群的整体性训练。

另外，目前单一靶向肌肉训练方式简单枯燥，缺乏趣味性。简单枯燥的训练动作使患者依从性较差。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、动觉等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，达到功能重建目的。虚拟现实技术不仅能够通过编制虚拟环境提高运动康复训练的趣味性，而且能够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。

虽然目前有一些针对腰部肌肉损伤的虚拟现实训练游戏，但均是跟随模仿式训练节目，缺乏人机互动的训练节目。其原因是腰部肌肉训练动作不直观，患者常常不能依据过去的生活体验自主动作，配合锻炼。不像四肢肌肉的训练，患者举手投足都可以通过直观观察和自己的生活体验，知道如何动作。一般肢体活动不能或受限的患者，如偏瘫患者、肩周炎患者、上下肢肌肉受伤患者，能够在虚拟现实影像指导下，进行直观且患者可基于其自身体验易于理解的动作锻炼。例如锻炼腕力和上臂肌肉，可以进行篮球投篮的动作，行走困难的患者可以进行爬山的游戏等。其举手投足，患者可以自主为之，其动作都是其自身生活体验过或基于生活体验可以理解的动作。腰部肌肉锻炼的正确动作，一般人没有这方面的生活体验，只能跟着影像动作模仿，不能做到人机互动。

虽然虚拟现实游戏已有被应用到腰部肌肉损伤的案例，但其均是针对单一靶向肌肉的节目，尚没有一款针对腰腹部核心肌群整体康复训练的虚拟现实训练节目。其原因是设计一种含有多种动作且能同时锻炼多块腰腹部核心肌群和韧带的虚拟现实康复游戏实属不易，或许这就是单纯虚拟现实游戏力所不能及的。

目前，腰腹部核心肌群肌力和康复训练效果的评估手段落后。一般采用传统的评量表(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对医生主观判断能力要求较高，定量性评估较难。

对于腰腹部核心肌群的另一种传统评估方式是引入量角器等工具测腰椎前屈后伸角度。但这种方式对人力要求高，一名医生一次只能对一名患者测量，无法满足当前康复训练人群众多的需求。

再一种传统评估方式是拍X光片判断评估。

但上述评估方法均是康复训练前或康复训练后的评估方法，无法对腰腹部核心肌群康复训练中的动态变化数据和动态训练效果及时记录、保存和评估。在临床康复治疗中发现，越来越需要康复训练过程的实时信息，从而在康复训练过程中就能科学地评估训练情况和及时调整不再适合的康复训练过程，以取得最佳的训练效果。另外，将实时的康复训练数据转变为可视的累计分值，可满足康复训练者迫切想了解自身的机能水平和身体功能改善情况。

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、疲劳情况，不同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，不能集各家所长消除各家所短，形成一个具有协同作用的整体。

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腰腹部核心肌群整体康复训练系统。

本实用新型提供了一种腰腹部核心肌群整体康复训练系统。

本实用新型提供了一种腰腹部核心肌群和/或训练效果评估系统。

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为本实用新型基于肌电生物反馈的腰腹部核心肌群受损或肌力不足评估和康复训练系统的系统架构示意图。

图2为本实用新型基于肌电生物反馈的腰腹部核心肌群受损或肌力不足评估和康复训练系统的工作流程示意图。

图3为本实用新型基于肌电生物反馈的腰腹部核心肌群受损或肌力不足评估和康复训练系统的工作原理流程示意图。

图4为本实用新型基于肌电生物反馈的腰腹部核心肌群受损或肌力不足评估和整体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。

图5是贴片电极贴在腰腹部核心肌群部位的示意图。

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、数据处理中心、可控运动平台搭建起一种更有趣味性和更有效的腰腹部肌肉整体康复训练系统。

虚拟现实技术使本发明的腰腹部核心肌群康复训练系统实现了训练动作与虚拟环境的交互。

表面肌电反馈技术使本发明的腰腹部核心肌群康复训练系统可以得到患者腰腹部核心肌群病症、病情和训练效果的实时反馈。

数据处理中心分析表面肌电分析系统传送的表面肌电信号，与数据库中病症阈值对比，依此确定患者的病症，与数据库中病情阈值对比，依此确定患者腰腹部核心肌群的病损程度，依据病损程度，分出腰腹部核心肌群受损的病情等级，以腰腹部核心肌群受损的病情等级为腰腹部核心肌群康复训练的起始基线。

虚拟现实情景互动训练系统依据数据处理中心的病症和病情等级评估结果，选择推荐适合的虚拟现实游戏，如果有多个选择时，受训者可以根据自己的兴趣选择。

可控运动平台，依据所述数据处理中心的病情等级评估结果，相应地调整所述平台的倾斜角度、扭转幅度等，以增加或减弱康复训练的强度。

如图1所示，本实用新型的基于肌电生物反馈的腰腹部核心肌群整体康复训练系统包括：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。其中，所述表面肌电系统具有若干贴片电极和表面肌电系统本机，所述贴片电极贴于受训患者与单一腰肌受损相关的单一部位上或与腰腹部核心肌群整体受损相关的多个部位上，采集受训者的腰腹部受损肌肉或肌群的表面肌电信号，所述贴片电极与所述表面肌电系统本机有线连接或无线连接，所述贴片电极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贴片电极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腰腹部肌肉病症阈值数据库、腰腹部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的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，将所述表面肌电信号的分析和评估结果传输至所述可控式训练平台，所述可控式训练平台根据所述数据处理中心传入的所述表面肌电信号的分析和评估结果，调整所述可控式训练平台静态姿态和/或动态活动幅度；

如图2所示，本实用新型的基于肌电生物反馈的肌肉评估和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运动平台上，贴好所述贴片电极，遵医生要求，患者做一些基本动作，所述贴片电极采集表面肌电信号，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，确立病情严重程度，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。所述数据处理中心会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信号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，本实用新型的基于肌电生物反馈的腰腹部核心肌群整体康复训练系统的康复训练方法包括预诊、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。

第一步，预诊，受训患者经医生和/或物理治疗师临床人工预诊判定是否是腰腹部核心肌群损伤或肌力不足；

第二步，病情等级确定，如果被人工初诊确诊为适应症之一的，医护人员将贴片电极贴于患者腰部和腹部的腹直肌、腹横肌、腹内斜肌、腹外斜肌、竖脊肌、多裂肌、胸腰筋膜部位上，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训练平台训练或同一患者在不同时间上可控训练平台训练均照此处理，表面肌电系统通过wifi、蓝牙等无线或有线信号方式收集贴片电极的反馈信号，经过滤波、电信号放大等预处理将电信号转换成模拟信号，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接收表面肌电系统收集和预处理的信号，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腰腹部核心肌群损伤或肌力不足等级阈值进行比较，判定腰腹部核心肌群损伤等级或肌力不足等级，将腰腹部核心肌群损伤等级或肌力不足等级评估结果输出至可控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，表面肌电系统阶段性收集贴片电极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，及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。

如图5所示，腰腹部核心肌群主要有腹直肌(1)、腹横肌(2)、腹内斜肌(5)、腹外斜肌(6)、竖脊肌(3)、多裂肌(4)、胸腰筋膜(7)等。所述肌肉位置和适用症列于表1。

表格1适应症与贴片电极标准位置

以下腰痛(Low Back Pain LBP)康复训练为例：

临床中针对典型的LBP患者一般应采取针对性强化局部核心肌群(Local Core Muscle)为主的训练。局部核心肌群主要包括多裂肌和腹横肌等。下面以LBP的腹横肌训练为例，简述本发明实际运用流程。

临床医生和物理治疗师诊断评估确诊为下腰痛症状。

患者在医护人员的引导下平躺在可控式训练平台上，医护人员按照标准将贴片电极贴在多裂肌和腹横肌上，给患者带上虚拟现实显示视窗。患者按可视窗口动作指令完成一组基础动作，刺激多裂肌和腹横肌活动，表面肌电系统通过WiFi/蓝牙等无线模式或有线方式收集贴片电极采集的电信号，通过滤波、电信号放大等方式对收集的电信号预处理后再以无线方式或有线方式输出至数据处理中心。

数据处理中心对表面肌电系统输入的数据进行线性、非线性时域、频域分析、拟合等，得到该患者完成基础动作所监测的多裂肌和腹横肌表面肌电信号，将该多裂肌和腹横肌表面肌电信号与设定阈值进行比较，评估多裂肌和腹横肌损伤等级或肌力不足等级，假设评定的等级为中等下腰痛，数据中心将评定结果输出至虚拟现实情景互动系统与可控运动平台。

虚拟现实情景互动系统根据数据处理中心评估的中等下腰痛病症，推荐中等强度针对腹横肌、多裂肌训练，例如其中一项训练为不稳定平面上的平板支撑，可控训练平台根据中等强度的训练要求，将所述可控训练平台的角度调整至某个角度(如15°)。患者按照虚拟现实情景互动系统中可视窗口显示画面进行相应的游戏。患者在可控训练平台上训练过程中，表面肌电系统会阶段性地收集贴片电极采集的信号并预处理后输出至数据处理中心，数据处理中心分析处理监测训练效果，实时评估肌肉目前状态和训练强度。如通过前后多次(具体按照系统设定标准而定)数据对比发现多裂肌和腹横肌训练效果好，且采集到信号稳定，即相应的增加训练增加可控训练平台角度(如从15°调至30°)、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，即相应的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，由此提升训练的针对性和精准控制。

在本实用新型的一个优选的实施例中，所述数据处理中心通过分析软件将肌电生物反馈与腰腹部核心肌群康复训练效果关联，建立肌电生物反馈与训练效果的映射关系，在腰腹部核心肌群康复训练过程中，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的训练效果阈值对比，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，将训练效果信息以等级分的形式显示在虚拟现实视窗中。等级分好的，可以提高康复训练者的训练兴趣和信心，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，等级分稳定超出本款虚拟现实游戏训练阈值的，所述可控运动平台可以调整其姿态和动作，提升训练难度，等级分持续低于本款虚拟现实游戏训练阈值的，所述可控运动平台可以调整其姿态和动作，降低训练难度，等级分达不到本款虚拟现实游戏训练难度等级的最低要求的，所述虚拟现实情景互动训练系统可调整虚拟现实游戏。

虚拟环境可以使人产生一种视觉上身临其境的感觉，为了实现多感官刺激和动态的实体体验，在本发明的一个优选的实施例中，所述可控运动平台在所述数据处理中心驱动信号的指挥下，配合虚拟现实游戏的情景，做动态的平衡、倾斜、扭转动作，使患者主动地按虚拟游戏的引导活动。

在本实用新型的一个优选地实施例中，所述可控式训练平台可以是一个类似跑步机的活动平台。

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(Inertial Measurememt Unit IMU)模块，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，患者依据虚拟游戏的需要，在所述可控式训练平台上，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，整体锻炼腰椎集群组织的个虚拟游戏是冲浪游戏。

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。

与现有技术比较本实用新型的优点有：

(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(包括腰椎肌肉损伤)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；

(2)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)可实现人机交互的腰腹部核心肌群的整体性训练；

(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。