多模态融合手功能康复训练与智能评估系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种多模态融合手功能康复训练与智能评估系统，该系统包括：康复训练机构、传感器数据采集装置、康复评估系统以及情景互动游戏系统，康复训练机构用于对手指和手腕进行康复训练，传感器数据采集装置用于实时采集表面肌电信号、力信号以及姿态信号中的一种或多种信号，康复评估系统根据传感器数据采集装置采集的多模态信号对患者的康复训练情况进行量化评估，情景互动游戏系统用于为患者提供游戏康复训练、效果评估和视觉等信息反馈。本发明公开多模态融合手功能康复训练与智能评估系统，针对脑卒中患者康复训练，可以对康复训练过程进行实时反馈调控、量化评估和游戏反馈，有效调动其训练积极性，增强康复训练效果。
【专利说明】
多模态融合手功能康复训练与智能评估系统
技术领域
[0001]本发明属于医疗设备技术领域，具体涉及一种多模态融合手功能康复训练与智能评估系统。
【背景技术】
[0002]随着社会的老龄化，脑卒中(俗称中风)以高发病率和高致残率的特点，成为威胁人们健康最常见的病因之一。目前我国每年死于脑卒中约150万人，新发脑卒中约200万人；约75%的存活者留有不同程度的功能障碍，估计每年社会经济负担400亿元。科学研究和临床应用表明，及时有效的康复训练，可以有效恢复部分肢体运动功能，提高脑卒中患者生活自理能力，降低致残率，减轻家庭和社会的经济负担。
[0003]康复训练一般是按照神经发育的规律，先从肩关节开始、逐渐过渡到肘关节、腕关节和手指功能训练，等到肩、肘、腕的关节功能恢复后再进行手功能训练往往已错过最佳康复治疗时间。因此，应将手功能康复的功能训练与上下肢的康复训练同时进行，有效利用发病早期这段最佳康复治疗时间。但是，手功能的康复是精细康复，手部关节和神经末梢相对复杂，并且肌肉多为小肌肉，传统治疗师手工康复耗时多、效果差。因此，脑卒中患者的手功能康复训练和评估是目前亟待解决的一大难题。
[0004]故一种针对脑卒中患者康复训练，可以对康复训练过程进行实时反馈调控，有效调动其训练积极性的多模态融合手功能康复训练与智能评估系统亟待提出。
【发明内容】
[0005]为了解决上述技术问题，本发明提出了一种多模态融合手功能康复训练与智能评估系统，该系统针对脑卒中患者康复训练，可以对康复训练过程进行实时反馈调控，有效调动其训练积极性，增强康复训练效果。
[0006]为了达到上述目的，本发明的技术方案如下:
[0007]康复训练机构，用于对手指和手腕进行康复训练，包括:机械训练装置以及与机械训练装置电连接的机械控制装置;传感器数据采集装置，设置于康复训练机构和/或患者上，用于实时采集表面肌电信号、力度信号以及姿态信号中的一种或多种信号，传感器数据采集装置与机械控制装置电连接;评估系统，评估系统与传感器数据采集装置连接，评估系统根据传感器数据采集装置采集的信号对患者的康复训练情况进行量化评估;情景互动游戏系统，用于为患者提供游戏康复训练，情景互动游戏系统包括多个用于训练患者手功能的游戏模块;传感器数据采集装置将采集的信号反馈给机械控制装置，机械控制装置对该信号进行分析和处理，形成控制信号发送给机械训练装置。
[0008]本发明多模态融合手功能康复训练与智能评估系统针对脑卒中患者康复训练，可以对康复训练过程进行实时反馈调控，有效调动其训练积极性，增强康复训练效果。康复评估系统根据传感器数据采集装置采集的多模态信号对患者的康复训练情况进行量化评估，情景互动游戏系统用于为患者提供游戏康复训练、效果评估和视觉等信息反馈。
[0009]在上述技术方案的基础上，还可做如下改进:
[0010]作为优选的方案，传感器数据采集装置包括:表面肌电传感器、力传感器、姿态传感器中的一种或多种。
[0011 ]采用上述优选的方案，结构简单。
[0012]作为优选的方案，机械训练装置包括:驱动装置、同步带以及设置与同步带上的指环，驱动装置与同步带传动连接，驱动装置带动同步带与指环同步运转，驱动装置与机械控制装置电连接。
[0013]采用上述优选的方案，结构简单，成本低，有效手指进行康复训练。
[0014]作为优选的方案，表面肌电传感器和姿态传感器设置于患者上，力传感器设置于指环上。
[0015]采用上述优选的方案，便于对患者的情况进行实时监控了解。
[0016]作为优选的方案，情景互动游戏系统还包括:游戏设定控制模块，游戏设定控制模块用于控制游戏的难易程度、游戏的时间与游戏的次数。
[0017]采用上述优选的方案，对游戏的难易程度、游戏的时间与游戏的次数进行控制。
[0018]作为优选的方案，游戏设定控制模块与传感器数据采集装置电连接，传感器数据采集装置将采集的信号反馈给游戏设定控制模块，游戏设定控制模块对该信号进行分析和处理，对游戏的难易程度、游戏的时间与游戏的次数进行调节。
[0019]采用上述优选的方案，根据传感器数据采集装置采集的信号对游戏的难易程度、游戏的时间与游戏的次数进行控制，更便于针对患者的康复情况进行康复训练。
[0020]作为优选的方案，情景互动游戏系统还包括游戏结果管理模块，游戏结果管理模块用于对患者的游戏结果进行记录，并将该游戏结果形成报表。
[0021]采用上述优选的方案，便于后期对患者的游戏情况进行了解。
[0022]作为优选的方案，游戏设定控制模块还与游戏结果管理模块连接，游戏结果管理模块为游戏设定控制模块提供患者的历史游戏结果报表。
[0023]采用上述优选的方案，游戏设定控制模块根据历史游戏结果报表以及传感器数据采集装置采集的信号来对游戏的难易程度、游戏的时间与游戏的次数进行控制，更便于针对患者的康复情况进行康复训练。
【附图说明】
[0024]图1为本发明实施例提供的多模态融合手功能康复训练与智能评估系统的结构框图之一。
[0025]图2为本发明实施例提供的机械训练装置的结构示意图。
[0026]图3为本发明实施例提供的多模态融合手功能康复训练与智能评估系统的结构框图之二。
[0027]其中:I康复训练机构、11机械训练装置、111驱动装置、112同步带、113指环、114限位标识、12机械控制装置、2传感器数据采集装置、3评估系统、4情景互动游戏系统、41游戏模块、42游戏设定控制模块、43游戏结果管理模块。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
[0029]如图1-2所示，为了达到本发明的目的，多模态融合手功能康复训练与智能评估系统的其中一些实施例中，
[0030]多模态融合手功能康复训练与智能评估系统包括:康复训练机构1、传感器数据采集装置2、评估系统3以及情景互动游戏系统4。
[0031]康复训练机构I用于对手指和手腕进行康复训练;传感器数据采集装置2设置于康复训练机构I和患者上，用于实时采集表面肌电信号、力度信号以及姿态信号，并将该信号反馈于康复训练机构I;评估系统3与传感器数据采集装置2连接，用于对患者的康复训练情况进行量化评估。情景互动游戏系统4用于为患者提供游戏康复训练，情景互动游戏系统4包括多个用于训练患者手功能的游戏模块41，如拉锯子、砍木头，捡豆子以及打地鼠等趣味性更强的游戏。
[0032]康复训练机构I包括:机械训练装置11以及与机械训练装置11电连接的机械控制装置12，机械控制装置11与传感器数据采集装置2电连接。机械训练装置11包括:驱动装置111、同步带112以及设置与同步带112上的指环113，驱动装置111与同步带112传动连接，驱动装置111带动同步带112与指环113同步运转，驱动装置111与机械控制装置12电连接。传感器数据采集装置2将采集的信号反馈给机械控制装置12，机械控制装置12对该信号进行分析和处理，形成控制信号发送给控制装置12。
[0033]传感器数据采集装置2包括:表面肌电传感器、力传感器、姿态传感器。表面肌电传感器和姿态传感器设置于患者上，力传感器设置于指环113上。
[0034]情景互动游戏系统4还包括:游戏设定控制模块42，游戏设定控制模块42用于控制游戏的难易程度、游戏的时间与游戏的次数。游戏设定控制模块42与传感器数据采集装置2电连接，传感器数据采集装置2将采集的信号反馈给游戏设定控制模块42，游戏设定控制模块42对该信号进行分析和处理，对游戏的难易程度、游戏的时间与游戏的次数进行调节。情景互动游戏系统还包括游戏结果管理模块43，游戏结果管理模块43用于对患者的游戏结果进行记录，并将该游戏结果形成报表。
[0035]本发明多模态融合手功能康复训练与智能评估系统针对脑卒中患者康复训练，可以对康复训练过程进行实时反馈调控，有效调动其训练积极性，训练效果好，其具体如下:
[0036]第一，设计机械训练装置11，实时采集表面肌电信号、力度信号、姿态信号等多传感器数据进行多信息融合作为反馈调控参数，采用超前预测等反馈控制策略和控制算法，对机械训练装置11进行反馈控制。
[0037]第二，利用多模态融合技术，建立多源传感器信号与Fugl-Meyer量表间的量化映射模型。对训练过程中的多传感器参数进行信息融合和特征提取、特征选择等处理，然后利用机器学习、数据挖掘等数据处理技术，选择量化指标并给出可视化参数量化结果，最终评估系统3对患者的康复训练情况进行评分。
[0038]第三，机械训练装置11可选取拇指、食指、中指、无名指、小指和手腕等6个部位作为手功能康复训练的对象，并且左手和右手均可进行训练，在同步带112上设有限位标识114，每个训练部位的长度均可调整，以适应不同的个体化的脑卒中患者。根据仿生学原理，设计多自由度的手功能康复训练机械训练装置11。驱动装置111的驱动方式可以为电机控制，或更为柔和的气动控制、液压控制等。手指固定方式为指环113固定，其也可以为魔术贴固定、磁铁吸引或其他方式，手腕固定方式为魔术贴、运动腕带等方式固定。
[0039]患者利用机械训练装置11进行康复训练的过程可以为主动训练、被动训练或主被动相结合的康复训练等多种训练模式，主动训练可以更好地针对患者个体，调动其训练积极性，并且具有反馈功能，因而具有更好的训练效果。本发明利用表面肌电传感器、压力传感器、姿态传感器等多个传感器作为反馈信息，并采用先进而独特的重复预测控制对康复训练过程进行实时反馈调控。
[0040]第四，融合多传感器的反馈数据，开发多源传感器与游戏间的人机交互接口，把传感器的数据融合到设计好的游戏场景中，结合虚拟现实技术，实现人机交互和信息反馈，实现情景互动游戏系统4。情景互动游戏4具有良好的人机交互功能，可以增强脑卒中患者康复训练的积极性和主动性，从而达到更好的康复效果。结合日常生活场景，有针对性地设计符合手功能训练的游戏场景。游戏可设定不同的生活情景和游戏场景，游戏设定控制模块42对传感器的反馈数据进行分析和处理，对游戏的难易程度、游戏的时间与游戏的次数进行调节，可根据患者身体状态设置不同的训练难度，通过定时计数或定数计时等方式，进行游戏，并根据多传感器的反馈信息，实时给出完成的动作数量及得分情况。游戏模块41内的游戏可以分为单人模式，双人、多人对战模式。另外，游戏结果管理模块43用于对患者的游戏结果进行记录，并将该游戏结果形成报表。便于后期进行历史查询、打印报表、上传云服务器等。
[0041 ]本发明一种多模态融合手功能康复训练与智能评估系统针对脑卒中患者康复训练中，手指、手腕等手功能康复训练和康复评估的需要进行设计。基于人体工程学设计拇指、食指、中指、无名指、小指和手腕等多部位多自由度的手功能康复训练机械结构;采集表面肌电信号、力度信号、姿态信号等传感器数据信息进行融合作为反馈参数，对康复训练过程进行实时反馈调控;通过可视化指标的量化评估算法，对康复训练过程进行自动打分和智能分期;采用虚拟现实的人机交互技术，利用情景互动游戏系统4增加脑卒中患者康复训练的积极性。
[0042]如图3所示，为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，游戏设定控制模块42还与游戏结果管理模块43连接，游戏结果管理模块43为游戏设定控制模块42提供患者的历史游戏结果报表。
[0043]采用上述优选实施例的方案，游戏设定控制模块42根据历史游戏结果报表以及传感器数据采集装置2采集的信号来对游戏的难易程度、游戏的时间与游戏的次数进行控制，更便于针对患者的康复情况进行康复训练。
[0044]以上发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.多模态融合手功能康复训练与智能评估系统，其特征在于，包括: 康复训练机构，用于对手指和手腕进行康复训练，包括:机械训练装置以及与所述机械训练装置电连接的机械控制装置； 传感器数据采集装置，设置于康复训练机构和/或患者上，用于实时采集表面肌电信号、力度信号以及姿态信号中的一种或多种信号，所述传感器数据采集装置与所述机械控制装置电连接； 康复评估系统，所述评估系统与所述传感器数据采集装置连接，所述评估系统根据所述传感器数据采集装置采集的信号对患者的康复训练情况进行量化评估； 情景互动游戏系统，用于为患者提供游戏康复训练，所述情景互动游戏系统包括多个用于训练患者手功能的游戏模块； 所述传感器数据采集装置将采集的信号反馈给所述机械控制装置，所述机械控制装置对该信号进行分析和处理，形成控制信号发送给所述机械训练装置。2.根据权利要求1所述的多模态融合手功能康复训练与智能评估系统，其特征在于，所述传感器数据采集装置包括:表面肌电传感器、力传感器、姿态传感器中的一种或多种。3.根据权利要求2所述的多模态融合手功能康复训练与智能评估系统，其特征在于，所述机械训练装置包括:驱动装置、同步带以及设置与所述同步带上的指环，所述驱动装置与所述同步带传动连接，所述驱动装置带动所述同步带与所述指环同步运转，所述驱动装置与所述机械控制装置电连接。4.根据权利要求3所述的多模态融合手功能康复训练与智能评估系统，其特征在于，所述表面肌电传感器和所述姿态传感器设置于患者上，所述力传感器设置于所述指环上。5.根据权利要求1-4任一项所述的多模态融合手功能康复训练与智能评估系统，其特征在于，所述情景互动游戏系统还包括:游戏设定控制模块，所述游戏设定控制模块用于控制游戏的难易程度、游戏的时间与游戏的次数。6.根据权利要求7所述的多模态融合手功能康复训练与智能评估系统，其特征在于，所述游戏设定控制模块与所述传感器数据采集装置电连接，所述传感器数据采集装置将采集的信号反馈给所述游戏设定控制模块，所述游戏设定控制模块对该信号进行分析和处理，对游戏的难易程度、游戏的时间与游戏的次数进行调节。7.根据权利要求8所述的多模态融合手功能康复训练与智能评估系统，其特征在于，所述情景互动游戏系统还包括游戏结果管理模块，所述游戏结果管理模块用于对患者的游戏结果进行记录，并将该游戏结果形成报表。8.根据权利要求9所述的多模态融合手功能康复训练与智能评估系统，其特征在于，所述游戏设定控制模块还与所述游戏结果管理模块连接，所述游戏结果管理模块为所述游戏设定控制模块提供患者的历史游戏结果报表。
【文档编号】A61B5/11GK105963926SQ201610278911
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】郭立泉, 王计平, 郁磊, 熊大曦
【申请人】中国科学院苏州生物医学工程技术研究所