CN104666047B - 基于生物信息感知的双侧镜像康复*** - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于生物信息感知的双侧镜像康复***，体感设备一端连接健康侧肢体，采集健康侧肢体的运动信号；另一端通过USB总线与计算机连接，将采集到的健康侧肢体的运动信号发送至计算机；电机驱动器通过CAN总线连接到计算机，用于接收计算机发送的运动控制指令；另一端与电机相连，将接收到的运动控制指令转化为相应的电流信号，发送到电机，驱动电机转动；所述电机设置于机械臂的运动关节处，电机转动时带动机械臂连杆进行运动；患侧肢体置于所述机械臂中，由机械臂连杆带动患侧肢体进行康复运动。本发明可以实现偏瘫患者的主动运动功能康复，调动偏瘫患者健康侧肢体的功能协助患侧进行康复训练。

Description

基于生物信息感知的双侧镜像康复***

技术领域

本发明涉及一种新型针对偏瘫患者的医疗康复领域，具体地说是一种基于生物信息感知的双侧镜像康复***。

背景技术

脑中风（又称脑卒中）是一种由诱发因素引起脑内动脉狭窄，闭塞或破裂，而造成急性脑血液循环障碍，临床上表现为一过性或永久性脑功能障碍的症状和体征。脑中风是临床常见病、多发病，其病死率和致残率均很高，与心脏病、恶性肿瘤构成多数国家的三大致死疾病，严重危害人类身体健康和生命安全，给病人带来极大的身心痛苦，给家庭和社会带来沉重负担。在发达国家，脑中风已经成为人们后天残疾的主要因素。在我国，每年发生脑中风的患者达到200万。随着医疗条件和治疗技术的不断提高，脑中风患者的死亡率已经明显的降低，但是在700万现幸存中风病人中，有450万患者不同程度的丧失了基本的劳动能力和生活的自理能力，其致残率在存活者中高达75%以上。运动功能障碍是脑中风患者最常见的表现,约有2/3的脑中风患者会有一侧上肢的功能障碍。上肢运动功能在人们日常生活和劳动中起着至关重要的作用，它不仅可以完成推、拉、抓、举等简单的上肢动作，而且可以实现一些复杂精细的手部操作，因此如果上肢遇到功能障碍就会严重影响患者的自理能力，降低其生活的独立性。

经过十几年的发展,针对脑卒中偏瘫的上肢运动功能障碍,涌现了多种康复技术。但许多研究表明,传统的康复技术对脑卒中后运动功能的恢复作用并不十分明显。现在我们认识到所有的康复手段都是为了重获对运动的控制,运动皮质的功能改变依赖于肢体所经历的活动的多少和自身对运动的体验,康复治疗效果与神经肌肉***受到自主运动刺激的程度有关,脑卒中后康复治疗的力度越大,就越有助于运动功能的恢复。

传统的偏瘫康复治疗方式主要是偏瘫患者在多名治疗医师的帮助下，运用患侧肢体来重复地完成单一的训练动作。由于每次康复训练需要在两至三名的医师配合下才能确保训练的安全进行，不至于使病人在康复练习中造成再次受伤，所以康复费用较为昂贵，这给患者家庭带来巨大的经济压力，不少患者也因此放弃了治疗，错过术后康复的最佳时机，留下了巨大的遗憾。其次，重复单一的训练方式容易使病人感到乏味无趣，产生疲惫的感觉，从而降低治疗的效果，未能达到预期的康复目标。

机器人技术的发展及其与临床康复医学的结合，为解决康复医师不足的现状提供了一个很好的解决方案。机器人康复具有以下几个方面的优点使得其非常适用于肢体患者康复训练：a）机器人适合长时间往复运动使用，满足康复训练需要；b）机器人对于施加在病人身上的力量可灵活控制；c)机器人可以准确的重复产生所需训练力量。以上特点使得医疗康复机器人在最近几年得到了快速发展。

但是，当前的医疗康复机器人在以下几个方面亟需改善：

患者主动参与度低：多数康复***只是带动患者患侧进行康复，按照既定轨迹运动，患者属于被动运动方式；

新的康复理念：双侧动作是两侧肢体执行共同时间和空间的动作模式。双侧镜像训练对于双侧半球有正面影响，非常有利于患者康复。然而，现有康复***一般是带动患者患侧单侧运动；

安全性问题：康复设备的运动控制未融合人肢体柔顺性的特点，使患者的康复训练操作僵硬，容易对患者肢体造成永久性的损伤；

依从性问题：康复过程未考虑患者的疼痛感受，患者依从性差；

康复客观评价问题：康复***缺乏对康复效果的客观评价标准。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于生物信息感知的双侧镜像康复***，实现偏瘫患者的主动运动功能康复，调动偏瘫患者健康侧肢体的功能协助患侧进行康复训练。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种基于生物信息感知的双侧镜像康复***，体感设备一端连接健康侧肢体，采集健康侧肢体的运动信号，另一端通过USB总线与计算机连接，将采集到的健康侧肢体的运动信号发送至计算机；

电机驱动器通过CAN总线连接到计算机，用于接收计算机发送的运动控制指令；另一端与电机相连，将接收到的运动控制指令转化为相应的电流信号，发送到电机，驱动电机转动；

所述电机设置于机械臂的运动关节处，电机转动时带动机械臂连杆进行运动；

患侧肢体置于所述机械臂中，由机械臂连杆带动患侧肢体进行康复运动。

所述机械臂的运动关节处设有力矩传感器，测量关节转轴的力矩信息；

数据采集卡的一端与所述力矩传感器连接，用于采集力矩信息；

数据采集卡的另一端连接到计算机，将采集到的力矩信息发送到计算机。

所述力矩传感器为应变式力矩测量元件。

所述患侧肢体连接肌电信号采集装置的一端，用于采集患侧肢体肌电信号；

所述肌电信号采集装置的另一端连接计算机，用于将采集到的信号发送到计算机。

所述肌电信号采集装置包括依次连接的肌电电极、信号放大器和数据采集盒；其中所述肌电电极连接到患侧肢体，用于接收患侧肢体的信号，并将患侧肢体的信号发送到信号放大器，信号放大器将处理后的信号发送到数据采集盒，数据采集盒将采集到的信号发送给计算机。

还包括由康复治疗师手持的失知制动控制按钮。

所述失知制动控制按钮，与嵌入式实时***连接，用于意外或紧急情况时由康复治疗师控制安全停止康复训练过程。

所述体感设备为利用红外测量技术实现3D场景深度信息采集的设备。

所述虚拟现实场景显示装置佩戴于患者头部，并与计算机连接，将计算机生成的虚拟现实场景展示在患者眼前形成患者康复训练的视觉反馈。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.提高了患者康复训练时的参与度，患者的康复训练不再仅仅是基于固定的训练动作，还能基于日常生活常用行为进行康复，提高了康复效率；

2.基于镜像运动康复理论，进一步有效提高患者康复的效率；

3.采用机械臂带动患者康复解放了康复治疗师的体力劳动，使得康复治疗师可以集中精力与对康复疗程的安排和康复训练任务的设计，更加优化患者的康复效果；

4.在康复设备上安装了多种传感器，能可靠定量地测量患者康复训练过程中的各项参数，方便对患者的康复效果做出有效的评价，基于此评价可对不同的患者提出不同的康复训练要求，达到因人治疗的目的。

附图说明

图1是本发明所述的双侧镜像康复***原理框图；

图2是本发明所述的肌电信号采集装置的原理框图；

图3是本发明所述的基于力与位置混合控制的控制***框图；

图4是本发明所述的外骨骼上肢康复机械臂简图，其中图中1为肩关节外展内收自由度，2为肩关节上举下摆自由度，3为肘关节弯曲自由度。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示为本发明所述的双侧镜像康复***原理框图，包括以下几个主要部分：体感设备肢体运动状态采集，计算机生成的实时3D虚拟现实场景，直流电机驱动器，上肢外骨骼康复机械臂，机械臂关节力矩测量传感器，表面肌电信号采集***，用于处理紧急情况的急停按钮，用于采集***传感器数据的数据采集卡，运行在嵌入式实时***的运动控制软件，融合力和位置信息的康复机械臂运动控制算法。体感设备采集到患者健康侧肢体所做的动作，并转化为运动学参数，传输到计算机上。

计算机接收到患者健侧的运动状态，判断该状态是否在安全的状态空间中，若处于安全状态空间，则向运动控制算法发送控制指令，驱动外骨骼康复机械臂带动患者患侧肢体完成镜像动作；若该状态不在安全的状态空间中，则通过虚拟现实场景向患者发出报警，指示其康复训练动作偏离规范，需要重新调整。计算机端运行虚拟现实场景生成软件，利用3D图形引擎驱动基于骨骼蒙皮技术建立的人体仿真模型，并将场景以第一人称视角的方式呈现给接收康复训练的患者；该场景中的人体模型模仿患者所做的动作，并完成一系列事先设计的由计算机生成的虚拟任务，包括物品的抓取和移动，和完成一个指定的动作序列。本发明提供的计算机生成的实时3D虚拟现实场景，其特征包括：使用三维建模软件，利用骨骼蒙皮动画技术建立高度仿真的人体计算机三维模型，由计算机编程实现三维图形引擎驱动该模型实现人体的运动仿真，并通过图形显示器将虚拟场景展示给接收康复训练的患者，实现患者康复过程的视觉反馈。并且设计了一系列上肢康复训练所需要完成的训练动作，并通过游戏任务的形式借助虚拟现实场景提供给患者选择并完成相应的训练。

如图4所示为本发明所述的外骨骼上肢康复机械臂简图，外骨骼机械臂配置了至少三个自由度，包括肩关节上举下摆自由度1、肩关节外展内收自由度2、肘关节弯曲自由度3，其中肘关节弯曲自由度在调整前臂机械臂安装位置的情况下可与肩关节上举下摆自由度在同一平面内或互相垂直的两个平面内。并且每个自由度由一个直流电机驱动。

本发明提供了一组用于测量外骨骼机械臂关节输出力矩大小的贴片式力矩传感器，使用应变式力矩测量元件，将元件贴于关节受力矩变形处，采用全桥式应变元件分布贴法及测量电路，使用无源滤波器对传感器输出原始信号进行滤波，削弱干扰，利用高精度仪表放大器对经过滤波后的弱应力信号进行放大到数据采集卡接收的幅值范围，将放大后的传感器模拟信号接入数据采集卡进行模数转换。

表面贴片电极由具有粘性的粘贴层和三个电极触点构成；其中三个电极触点分别为一个信号参考地和两个差分信号输入端；贴片电极通过屏蔽线与信号采集盒相连，信号采集盒通过数据总线与计算机相连，实现肌电信号数据的采集和记录。利用采集的表面肌电信号数据，使用其信号特征可估计当前上肢关节运动角度。同时表面肌电信号可用于估计肌肉痉挛，当预测到痉挛将要发生时停止康复训练，并且根据表面肌电信号信息判断患者疼痛程度，当疼痛发生时停止康复训练。

基于生物信息感知的双侧镜像康复***，可用于上肢功能障碍患者的上肢功能恢复，包括基于体感设备的肢体运动感知设备，计算机生成的实时3D虚拟现实场景，直流电机驱动器，上肢外骨骼康复机械臂，机械臂关节力矩测量传感器，表面肌电信号采集***，用于处理紧急和指定事件的急停和辅助按钮，用于采集***传感器数据的数据采集卡，运动控制软件，融合力和位置信息的康复机械臂运动控制算法；所述的体感设备采集场景的深度信息和彩色图像信息，基于人体骨骼模型估计患者当前运动状态并预测患者下一步可能的运动状态；所述的计算机3D实时虚拟现实场景生成患者康复所需的镜像视觉模拟，同时基于任务的方式指导患者康复所需完成的动作；所述的上肢康复机械臂包括上肢外骨骼本体和提供动力的直流电机；所述的直流电机驱动器通过动力线与信号线与直流电机相连，通过数据总线与计算机相连；直流电机设置有数字型霍尔传感器和光电编码器。所述的机械臂运动控制算法融合力与位置信息，根据体感设备采集到的患者肢体运动状态，在计算机端通过数据总线对直流电机驱动器发送控制指令，进而直流电机驱动器控制上肢外骨骼机械臂带动患者肢体完成康复训练。

如图2所示为本发明的肌电信号采集装置的原理框图，表面肌电信号采集***包括肌电电极、信号放大器、数据采集盒；其中所述肌电电极连接到患侧肢体，用于接收患侧肢体的信号，并将患侧肢体的信号发送到信号放大器，信号放大器将处理后的信号发送到数据采集盒，数据采集盒将采集到的信号发送给计算机。

本发明提供的基于体感设备的肢体运动感知设备，利用红外测量技术实现3D场景的深度信息采集，利用可见光传感器实现场景的彩色图像采集；在融合并校准深度信息与彩色信息的后可获得场景中任一点的空间三维坐标；结合人体骨骼模型，可获得人体上肢手腕部、肘部、肩部关节x、y、z方向空间三维坐标；利用关节点空间坐标按以下步骤可估计出关节运动角度：

定义肩关节坐标为(x1,y1,z1)，肘关节坐标为(x2,y2,z2)，手腕关节坐标为(x3,y3,z3)

肩关节上下摆动角度为

肩关节外展内收角度为

肘关节弯曲角度为

如图3所示为本发明所述的基于力与位置混合控制的控制***框图，力矩传感器采集到的信号用于对外骨骼机械臂进行力/位置混合控制，力矩传感器采用基于贴片式的应变传感器，通过测量连杆受力出的弯曲应变量间接测量连杆的输出力矩，该力矩信息经过运动学解耦并转化为各自由度给定的运动量偏差信号，用于控制外骨骼机械臂的运动，从而将患者与机械臂直接接触的作用力矩融合入机械臂控制闭环中，实现机械臂的控制对人与机械臂接触力的顺应性，该控制算法使得患者在接受康复训练过程中获得舒适性与安全性。

表面肌电信号通过粘贴于皮肤表面的电极输入到采集盒中进行采集，计算机读取采集到的肌电信号用于分析患者当前手臂关节的运动角度，判断其运动范围是否处于安全的运动状态空间中，并对不正确和危险的运动状态予以报警提示。同时肌电信号可用于患者患侧运动手臂的疼痛判断，当患者患侧手臂运动于安全空间中却检测到患者疼痛时，也给与警报提示并停止当前康复训练过程。肌电信号反应了人体肌肉的活跃程度，因此肌电信号的特征也用于评价患者在经历一段时间的康复疗程之后的康复效果，为合理安排治疗方案提供指导和依据。

Claims (6)

1.一种基于生物信息感知的双侧镜像康复***，其特征在于：包括体感设备、计算机和机械臂；

体感设备一端连接健康侧肢体，采集健康侧肢体的运动信号，另一端通过USB总线与计算机连接，将采集到的健康侧肢体的运动信号发送至计算机；

电机驱动器通过CAN总线连接到计算机，用于接收计算机发送的运动控制指令，另一端与电机相连，将接收到的运动控制指令转化为相应的电流信号，发送到电机，驱动电机转动；

所述电机设置于机械臂的运动关节处，电机转动时带动机械臂连杆进行运动；

患侧肢体置于所述机械臂中，由机械臂连杆带动患侧肢体进行康复运动；

所述患侧肢体连接肌电信号采集装置的一端，用于采集患侧肢体肌电信号；

所述肌电信号采集装置的另一端连接计算机，用于将采集到的信号发送到计算机；

所述肌电信号采集装置包括依次连接的肌电电极、信号放大器和数据采集盒；其中所述肌电电极连接到患侧肢体，用于接收患侧肢体的信号，并将患侧肢体的信号发送到信号放大器，信号放大器将处理后的信号发送到数据采集盒，数据采集盒将采集到的信号发送给计算机；

所述机械臂的运动关节处设有力矩传感器，所述力矩传感器用于测量关节转轴的力矩信息；

数据采集卡的一端与所述力矩传感器连接，用于采集力矩信息；

数据采集卡的另一端连接到计算机，将采集到的力矩信息发送到计算机。

2.根据权利要求1所述的基于生物信息感知的双侧镜像康复***，其特征在于：所述力矩传感器为应变式力矩测量元件。

3.根据权利要求1所述的基于生物信息感知的双侧镜像康复***，其特征在于：还包括由康复治疗师手持的失知制动控制按钮。

4.根据权利要求3所述的基于生物信息感知的双侧镜像康复***，其特征在于：还包括嵌入式实时***，所述失知制动控制按钮与嵌入式实时***连接，用于意外或紧急情况时由康复治疗师控制安全停止康复训练过程。

5.根据权利要求1所述的基于生物信息感知的双侧镜像康复***，其特征在于：所述体感设备为利用红外测量技术实现3D场景深度信息采集的设备。

6.根据权利要求1所述的基于生物信息感知的双侧镜像康复***，其特征在于：还包括虚拟现实场景显示装置，所述虚拟现实场景显示装置佩戴于患者头部，并与计算机连接，将计算机生成的虚拟现实场景展示在患者眼前形成患者康复训练的视觉反馈。