一种面向脑卒中康复治疗的手功能评估系统及应用

本发明属于深度学习应用，具体涉及一种面向脑卒中康复治疗的手功能评估系统及应用。

背景技术：

1、“脑卒中”是由于脑部血管突然破裂或因血管阻塞导致血液不能流入大脑而引起脑组织损伤的一种疾病，而中风后的主要后遗症之一就是上肢失去活动能力，常常会影响手的灵巧度。因此，手部的灵巧度可以作为卒中后遗症严重程度的主要评估指标，通过采集手部的当前姿态与目标姿态进行对比和评估可以验证手功能的完整性，所以采集姿态的方法和评估功能的方案具有很好的研究价值。

2、目前针对人体姿态的评估方法主要包括上肢运动功能fugl-meyer评定法(fugl-meyer assessment upper extremity)、上肢动作研究量表(action research arm test)、wolf运动功能测试量表(wolfmotor function test)，但以上评估方案的观测对象为上肢的主要关节角度，如上臂角、前臂角等，并未细化到更能体现手功能协调性的手指关节各关节角上，且测试结果的分析均受到较多的人为因素影响，难以量化和形成统一的标准。

3、而在mary c.hume等人的研究中，统计了11项日常生活活动中，掌指关节和指间关节的活动度，并发现只有部分关节的活动范围是完成功能性任务所必需的。四指的掌指关节的功能性弯曲角度平均为61度，近端指间关节角度为60度，远端指间关节角度为39度。拇指的掌指关节的功能性弯曲角度平均为21度，指间关节为18度，仅为总活动范围角度32％。对于未罹患卒中后遗症的人来说，完成一些特定的动作时，手势角度是基本一致的。但是对于卒中患者来说，可能丧失了对某些手指乃至全部手掌的控制，当他们完成这些手势时，手指的关节角度和位置会和正常人相比出现较大偏差。使用模糊分析的方法对手指关节角度进行快速手势评估，可以快速直观地量化卒中患者的术后后遗症程度。

4、这种模糊逻辑可以处理手指关节角度处于评价标准的临界值的问题。模糊逻辑是建立在多值逻辑的基础上，运用模糊集合的方法来研究模糊性思维、语言形式及其规律的科学，借助于隶属函数的概念，区分模糊集合，处理模糊关系。模糊逻辑模型在输入和输出之间起着非线性映射作用，其输入和输出都是确定的实数值。模糊化是将输入转换为模糊集合，对于模糊逻辑模的多个输入，每个输入量的模糊化过程都是一样的，进行模糊推理的前提是输入都必须通过模糊化处理。因此，模糊化即为模糊逻辑模型的输入接口，作用就是将确定的实数输入量转换为模糊量，即模糊集合及其相应的隶属度。再由推理机使用数据库和规则库产生模糊结论，反模糊化则将模糊结论转换为确定实数输出，从而使用隶属函数将推理机得到的模糊量转化为一个清晰确定的值。

5、现有研究主要利用3d运动捕捉系统、康复机器人及微型传感器等技术，使用传统的动作量表进行功能性评估，但是传统的上肢功能评估量表评定时评定结果具有主观性、离散性问题，若手指关节角度处于评价标准的临界值，评估分值会发生突变、跳跃现象，影响人机工效评估的准确性。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明设计了一种面向脑卒中康复治疗的手功能评估系统及应用，在进行卒中后手功能评估时使用了准确的量化数值指标，使用模糊分析和去模糊化的方法分析手部的运动功能，可以得到准确连续的评估分数；改进了传统的测试量表评估手部功能时的结果具有主观性的问题，并简化了评估过程，让患者能够更快更直观地掌握当前的康复训练进度。

2、为了达到上述技术目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种面向脑卒中康复治疗的手功能评估系统，包括前端采集模块与后端处理模块，所用硬件包括摄像头(可使用计算机自带摄像头)、计算机以及定尺寸圆球作为测试道具；

4、所述前端采集模块包括摄像头与人机交互界面，摄像头分别进行灵敏度测试采集、活动度测试采集、稳定度测试采集，人机交互界面进行测试者信息的采集显示以及重建模型的分析显示；

5、所述后端处理模块包括关节位置获取模块，手部模型重建模块和数据分析模块，关节位置获取模块将前端采集到的数据图片存放到指定位置，并输入到神经网络中计算获取关节点位置坐标；手部模型重建模块根据关节点位置坐标重建手部模型，并在人机交互界面上显示重建模型；数据分析模块根据评估指标分析数据结果。

6、优选的，所述关节位置获取模块包括在残差神经网络resnet50基础上进行优化的特征提取器，分别用于获取关节分布热图、关节向量图和关节位图的三个二维检测器，使用以上特征提取器预测关节的位置，并将三维位置信息矩阵提供给手部模型重建模块。

7、优选的，所述手部模型重建模块使用蒙皮多人线性模型smpl，模型所需的形状参数通过全连接层获取，关节旋转角度参数使用逆运动学分析的方法获取。

8、优选的，所述数据分析模块评估灵敏度指标时根据隶属度函数用模糊分析的逻辑和去模糊化的方法来量化；所述数据分析模块中评估活动度指标时，使用上肢断肢再植功能评定试用标准中的手指关节活动范围标准；所述数据分析模块中评估动作平滑度指标时，被测者手指末端跟随系统的引导运动，记录其轨迹曲线，用所拟合曲线的平滑度来评价患者手部的稳定控制能力。

9、本发明的另一目的在于提供一种面向脑卒中康复治疗的手功能评估系统在脑卒中康复治疗手功能评估中的应用。

10、本发明的有益效果是：

11、在进行卒中后手功能评估时使用了准确的量化数值指标，使用模糊分析和去模糊化的方法分析手部的运动功能，可以得到准确连续的评估分数；改进了传统的测试量表评估手部功能时的结果具有主观性的问题，并简化了评估过程，让患者能够更快更直观地掌握当前的康复训练进度。

技术特征：

1.一种面向脑卒中康复治疗的手功能评估系统，包括前端采集模块、后端处理模块，所用到的硬件设备包括定尺寸的测试用球、摄像头、计算机；其特征在于：

2.根据权利要求1所述面向脑卒中康复治疗的手功能评估系统，其特征在于，所述关节位置获取模块包括在残差神经网络resnet50基础上进行优化的特征提取器，分别用于获取关节分布热图、关节向量图和关节位图的三个二维检测器，使用以上特征提取器预测关节的位置，并将三维位置信息矩阵提供给手部模型重建模块。

3.根据权利要求1所述面向脑卒中康复治疗的手功能评估系统，其特征在于，所述手部模型重建模块使用蒙皮多人线性模型smpl，模型所需的形状参数通过全连接层获取，关节旋转角度参数使用逆运动学分析的方法获取。

4.根据权利要求1所述面向脑卒中康复治疗的手功能评估系统，其特征在于，所述数据分析模块评估灵敏度指标时根据隶属度函数用模糊分析的逻辑和去模糊化的方法来量化；所述数据分析模块中评估活动度指标时，使用上肢断肢再植功能评定试用标准中的手指关节活动范围标准；所述数据分析模块中评估动作平滑度指标时，使用手指在跟随系统引导进行运动的过程中的轨迹曲线，用所拟合曲线的平滑度来评价患者手部的稳定控制能力。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的面向脑卒中康复治疗的手功能评估系统在脑卒中康复治疗手功能评估中的应用。

技术总结
本发明属于深度学习应用技术领域，具体公开了一种面向脑卒中康复治疗的手功能评估系统及应用，在进行卒中后手功能评估时使用了准确的量化数值指标，使用模糊分析和去模糊化的方法分析手部的运动功能，可以得到准确连续的评估分数；改进了传统的测试量表评估手部功能时的结果具有主观性的问题，并简化了评估过程，让患者能够更快更直观地掌握当前的康复训练进度。

技术研发人员：范春雷,张清乾,贾靖超,孙艺佳
受保护的技术使用者：北京邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15