CN115554093A - 一种基于专注度水平的手腕康复控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于专注度水平的手腕康复控制装置，涉及人体运动康复技术领域，包括脑电采集装置、电脑端、外骨骼控制器和外骨骼康复设备；脑电采集装置佩戴在使用者的前额上，用于采集使用者进行运动想象时的专注度，并发送至电脑端；电脑端设有MATLAB编写的GUI界面，集成了蓝牙连接区、康复动作选择区、模式选择区、专注度阈值设定区、视觉提示区以及专注度实时显示区；主动模式下，专注度达到设定阈值后，电脑端将外骨骼开启指令发送给外骨骼控制器，以控制外骨骼康复设备进行运动；被动模式下，在运动动作选择后，电脑端将控制指令直接发送给外骨骼控制器。本发明降低了对硬件设备的依赖，提高可操作性和可移动性。

Description

一种基于专注度水平的手腕康复控制装置
本发明是发明名称为“一种基于专注度水平的手腕康复控制装置”的分案申请，其中，母案的申请号为201910262707.2，申请日为2019.04.02。
技术领域
本发明涉及人体运动康复技术领域，特别是涉及一种基于专注度水平的手腕康复控制装置。
背景技术
脑卒中，又称为“中风”，是一种急性脑血管疾病，易造成肢体运动功能障碍。手腕是人体最为常用的关节之一，由于手腕需要能够传递力和力矩来完成手部的运动，因此结构复杂，康复难度较大，是脑卒中后运动康复的难点问题。科学的运动训练可以帮助患者重建或改善患手功能。连续被动运动(CPM)是一种常用的运动康复的方法，康复专家认为要确保患者能够积极的参与到康复训练中，进而提高神经可塑性，以达到最佳的康复治疗效果。
目前，康复训练主要以被动康复为主，康复医师对患者进行“一对一”的康复，患者的手部在康复师的带动下进行相应的康复动作，康复效果很大程度上依赖于康复师的水平，耗费大量的人力和物力。机器人“康复师”被誉为有效的康复方法，降低了康复师的负担。但是被动康复无法将患者的运动意识加入其中。康复专家认为，使得患者积极的参与康复运动中可以有效的提高患者的神经可塑性，进而提高康复效果。传统的运动想象脑机接口设备价格高昂，目前主要用于研究机构或者是大型医院，这使得其难以在家庭中进行推广。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于专注度水平的手腕康复控制装置，将使用者进行运动想象时的专注度的采集和处理与MATLAB结合，降低了对硬件设备的依赖，提高可操作性和可移动性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于专注度水平的手腕康复控制装置，包括脑电采集装置、电脑端、外骨骼控制器和外骨骼康复设备；
所述脑电采集装置的输出通过蓝牙与所述电脑端的输入连接，所述电脑端的输出通过蓝牙与所述外骨骼控制器的输入连接，所述外骨骼控制器的输出与所述外骨骼康复设备的输入连接；
所述脑电采集装置佩戴在使用者的前额上，所述脑电采集装置用于采集所述使用者进行运动想象时的专注度，并将所述专注度发送至所述电脑端；
所述的电脑端设有MATLAB编写的GUI界面；所述GUI界面集成了蓝牙连接区、康复动作选择区、模式选择区、专注度阈值设定区、视觉提示区以及专注度实时显示区；所述蓝牙连接区由蓝牙连接按钮和清除串口组成；所述模式选择区由主动模式按钮和被动模式按钮组成；所述康复动作选择区由若干动作选择按键和复位按键组成；专注度阈值设定区由专注度阈值输入框和设定按钮组成，通过设定不同的专注度阈值以及专注度阈值梯度以适应不同患者以及不同的康复时期；所述专注度实时显示区由专注度显示框和专注度显示条组成，通过专注度实时显示区来实时向用户反馈其专注度值，以此告知用户当前的专注度水平；
主动模式下，当专注度达到设定阈值后，所述电脑端将外骨骼开启指令发送给所述外骨骼控制器，所述外骨骼控制器控制所述外骨骼康复设备进行运动，以完成相应的康复动作；
被动模式下，在运动动作选择后，所述电脑端将控制指令直接发送给所述外骨骼控制器。
可选地，所述脑电采集装置采用BrainLink设备，通过采集不同频段的脑电波信号通过算法实时计算使用者进行运动想象时的专注度。
可选地，所述的电脑端的使用方法为：
按下所述蓝牙连接按钮后，所述电脑端通过蓝牙与所述脑电采集装置和所述外骨骼控制器连接，所述清除串口清除蓝牙串口为下一次连接做准备；
蓝牙连接成功后，所述脑电采集装置所采集的专注度将实时地显示在所述专注度实时显示区，所述专注度显示框中显示专注度水平值，所述专注度显示条显示当前专注度值距离极值；所述当前专注度值距离极值为最大值、最小值的距离；
通过所述专注度阈值输入框输入专注度阈值以及按下所述设定按钮后，专注度阈值设定完成，当专注度达到所设定的专注度阈值时通过蓝牙发送外骨骼开启指令到所述外骨骼控制器；
所述康复动作选择区选择不同的动作选择按键后，所述视觉提示区重复播放相应的提示动作；
所述复位按键按下后，所述专注度显示框中数值恢复为初始值，所述专注度显示条返回初始位置，所述视觉提示区停止视觉提示。
可选地，所述脑电采集装置采集到用户的专注度后与设定阈值进行比较，当用户实时专注度超过设定阈值后，通过电脑端发送外骨骼开启指令，专注度作为“开关量”负责外骨骼的开启与关闭。
可选地，所述电脑端对专注度进行处理，所述设定阈值分为不同等级，不同等级的设定阈值对应手腕康复动作中不同的弯曲角度，通过设定不同阈值梯度来实现阻抗训练。
可选地，所述的外骨骼控制器由主控芯片、蓝牙模块以及控制盒组成，主控芯片、蓝牙模块被封装在控制盒中，控制盒通过可穿戴结构附于患者手臂上，或安放于桌面上；通过控制芯片的I/O口连接不同的外骨骼康复设备。
可选地，所述的主控芯片采用的是ArduinoUno，蓝牙模块采用HC05；控制盒由下盖和上盖组成。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供一种基于专注度水平的手腕康复控制装置，将脑电采集装置佩戴在使用者的前额上，以采集使用者进行运动想象时的专注度，并送至电脑端；其中采集使用者在进行运动想象时的专注度，能够避免出现由于使用者思考其他事情，而导致电脑端根据收集到的专注度数据被无效应用的情况，从而使得采集到的专注度更有价值，基于使用者在运动想象时的专注值进行手腕康复能够进一步确保康复训练的效果。
电脑端设有MATLAB编写的GUI界面，集成了蓝牙连接区、康复动作选择区、模式选择区、专注度阈值设定区、视觉提示区以及专注度实时显示区；其中，模式选择区由主动模式按钮和被动模式按钮组成，可进行模式的选择；康复动作选择区由若干动作选择按键和复位按键组成；专注度阈值设定区由专注度阈值输入框和设定按钮组成，通过设定不同的专注度阈值以及专注度阈值梯度以适应不同患者以及不同的康复时期；专注度实时显示区由专注度显示框和专注度显示条组成，通过专注度实时显示区来实时向用户反馈其专注度值，以此告知用户当前的专注度水平。若选择主动模式，当专注度达到设定阈值后，电脑端将外骨骼开启指令发送给外骨骼控制器，外骨骼控制器控制外骨骼康复设备进行运动，以完成相应的康复动作；若选择被动模式，在运动动作选择后，电脑端将控制指令直接发送给所述外骨骼控制器，而无需进行专注度阈值的比较。本发明通过MATLAB编写的GUI界面包括能够实现不同作用的多个区域，在实际应用中，只需要将GUI界面运行于安装有MATLAB的任意电脑中，可以在任意地点使用，大大降低了对设备的依赖和需求，大大提高了可操作性和可移动性，也更加易于在家庭中进行推广和应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的结构示意图。
图1是本发明基于专注度水平的手腕康复控制装置的组成示意图；
图2为本发明的电脑端的界面示意图；
图3为本发明的外骨骼控制器的示意图；
图4为本发明的控制***流程图。
符号说明：
1-脑电采集装置，2-电脑端，201-蓝牙连接区，20101-蓝牙连接按钮，20102-清除串口，202-康复动作选择区，20201-动作选择按键，20202-复位按键，203-模式选择区，20301-主动模式按钮，20302-被动模式按钮，204-专注度阈值设定区，20401-专注度阈值输入框，20402-设定按钮，205-视觉提示区，206-专注度实时显示区，20601-专注度显示框，20602-专注度显示条，3-外骨骼控制器，301-主控芯片，302-蓝牙模块，303-控制盒，30301-下盖，30302-上盖，4-外骨骼康复设备。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，一种基于专注度水平的手腕康复控制装置，包括脑电采集装置1，脑电采集装置1的输出通过蓝牙和电脑端2的输入连接，电脑端2的输出通过蓝牙和外骨骼控制器3的输入连接，外骨骼控制器3的输出和外骨骼康复设备4的输入连接。
在主动模式下，脑电采集装置1采集患者进行运动想象时的专注度值后通过蓝牙发送到电脑端2，当专注度达到设定阈值后，电脑端2通过蓝牙将外骨骼开启指令发送给外骨骼控制器3，外骨骼控制器3控制外骨骼康复设备4进行运动，以完成相应的康复动作。
被动模式下，专注度水平依然采集，但是电脑端2在运动动作选择后将控制指令直接发送给外骨骼控制器3，此时不进行专注度阈值的比较。
所述的脑电采集装置1佩戴在使用者的前额上，采集使用者的脑电信息，并以此来计算其专注度；脑电采集装置1采用BrainLink设备，通过采集不同频段的脑电波信号通过算法实时计算使用者的专注度水平。
所述的脑电采集装置1采集到用户的专注度值后与设定的阈值进行比较，当用户实时专注度超过设定阈值后向电脑端2发送外骨骼开启指令，专注度值作为“开关量”负责外骨骼的开启与关闭；同时，梯度阈值使患者进行相应的阻抗训练，患者需要改变其专注度水平来实现不同康复动作中的弯曲角度。
所述的电脑端2对专注度进行处理，阈值分为不同等级，不同等级的阈值对应手腕康复动作中不同的弯曲角度，通过设定不同阈值梯度来实现阻抗训练。
参照图2，所述的电脑端2设有由MATLAB所编写的GUI界面，GUI界面集成了蓝牙连接区201、康复动作选择区202、模式选择区203、专注度阈值设定区204、视觉提示区205以及专注度实时显示区206；各个区域的大小、颜色和位置以及内部组件个数根据用户的要求进行自定义设计和设置；蓝牙连接区201由蓝牙连接按钮20101和清除串口20102组成；康复动作选择区202由若干动作选择按键20201和复位按键20202组成；模式选择区203由主动模式按钮20301和被动模式按钮20302组成；专注度阈值设定区204由专注度阈值输入框20401和设定按钮20402组成；专注度实时显示区206由专注度显示框20601和专注度显示条20602组成。
所述的电脑端2的使用方法为：首先，按下蓝牙连接区201的蓝牙连接按钮20101后，电脑端2会通过蓝牙与脑电采集装置1和外骨骼控制器3连接，清除串口20102用于清除蓝牙串口为下一次连接做准备；蓝牙连接成功后，脑电采集装置1所采集的专注度值将实时地显示在专注度实时显示区206，专注度显示框20601中显示专注度水平值，专注度显示条20602直观的反映当前专注度值距离极值即最大值、最小值的距离，使得使用者对自己的专注度水平有直观的认识；康复动作选择区202选择不同的动作选择按键20201后，视觉提示区205会重复播放相应的提示动作，以进一步刺激患者提高专注度；复位按键20202按下后，专注度显示框20601中数值恢复为初始值，专注度显示条20602返回初始位置，视觉提示区205会停止视觉提示，通过视觉提示区205来提高患者的专注度，以此来提高装置触发的成功率和康复效果；除此之外电脑端2会对专注值进行处理，专注度阈值设定区204中，专注度阈值通过输入框20401输入和按下设定按钮20402后，专注度阈值设定完成，当专注度值达到所设定的阈值时通过蓝牙发送开启指令到外骨骼控制器3。
参照图3，所述的外骨骼控制器3由主控芯片301、蓝牙模块302以及控制盒303组成，主控芯片301、蓝牙模块302被封装在控制盒303中，控制盒303通过可穿戴结构附于患者手臂上，或安放于桌面上，通过控制芯片301的I/O口连接不同的外骨骼康复设备4。
所述的主控芯片301采用的是ArduinoUno,蓝牙模块302采用HC05(HC-05)；控制盒303由下盖30301和上盖30302组成。
本发明的工作原理为：
参照图4，本发明除实现控制其他外骨骼进行运动外，还具有专注度显示以及主动和被动模式选择功能；首先进行多梯度阈值设定，之后进行动作的选择，然后再进行模式选择，当为主动康复模式时，装置将实时读取到的专注度值与设定的不同等级的梯度阈值比较，不同等级的梯度阈值对应不同的手腕运动弯曲角度，当判断达到阈值时，向外骨骼控制器3发送对应的动作控制指令，外骨骼控制器3控制外骨骼康复设备4执行康复动作，当动作完成时结束，否则继续执行动作；当为被动康复模式时，此时不在进行专注度的比较而是直接发送控制指令。值得注意的是，在此过程中，无论是否进行阈值设定还是康复模式的选择或者康复动作的选取，专注度都在蓝牙连接成功时进行实时的显示。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
1、本发明实时计算使用者进行运动想象时的专注度，采用专注度控制方案来代替传统的脑机接口方案(运动想象、稳态视觉诱发等)，降低了控制成本，使得脑控设备更加普及的同时，让患者主动参与康复训练中。
2、通过可编程界面，康复师可以选择不同的康复动作，这方便了康复动作的进行。患者通过视觉提示进一步提升专注度，从而更加投入康复训练中。
3、被动康复与主动康复相结合的方式，被动康复模式为外骨骼控制器控制外骨骼康复设备进行往复运动，不需要患者主动意识即专注度的加入；而主动模式由患者自己的专注度水平开启。被动康复确保康复任务量，主动康复模式进一步提升患者的神经可塑性，两者配合共同提升康复的有效性。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于专注度水平的手腕康复控制装置，其特征在于，所述手腕康复控制装置包括脑电采集装置、电脑端、外骨骼控制器和外骨骼康复设备；
所述脑电采集装置的输出通过蓝牙与所述电脑端的输入连接，所述电脑端的输出通过蓝牙与所述外骨骼控制器的输入连接，所述外骨骼控制器的输出与所述外骨骼康复设备的输入连接；
所述脑电采集装置佩戴在使用者的前额上，所述脑电采集装置用于采集所述使用者进行运动想象时的专注度，并将所述专注度发送至所述电脑端；
所述的电脑端设有MATLAB编写的GUI界面；所述GUI界面集成了蓝牙连接区、康复动作选择区、模式选择区、专注度阈值设定区、视觉提示区以及专注度实时显示区；所述蓝牙连接区由蓝牙连接按钮和清除串口组成；所述模式选择区由主动模式按钮和被动模式按钮组成；所述康复动作选择区由若干动作选择按键和复位按键组成；专注度阈值设定区由专注度阈值输入框和设定按钮组成，通过设定不同的专注度阈值以及专注度阈值梯度以适应不同患者以及不同的康复时期；所述专注度实时显示区由专注度显示框和专注度显示条组成，通过专注度实时显示区来实时向用户反馈其专注度值，以此告知用户当前的专注度水平；
主动模式下，当专注度达到设定阈值后，所述电脑端将外骨骼开启指令发送给所述外骨骼控制器，所述外骨骼控制器控制所述外骨骼康复设备进行运动，以完成相应的康复动作；
被动模式下，在运动动作选择后，所述电脑端将控制指令直接发送给所述外骨骼控制器。
2.根据权利要求1所述的基于专注度水平的手腕康复控制装置，其特征在于，所述脑电采集装置采用BrainLink设备，通过采集不同频段的脑电波信号通过算法实时计算使用者进行运动想象时的专注度。
3.根据权利要求1所述的基于专注度水平的手腕康复控制装置，其特征在于，所述的电脑端的使用方法为：
按下所述蓝牙连接按钮后，所述电脑端通过蓝牙与所述脑电采集装置和所述外骨骼控制器连接，所述清除串口清除蓝牙串口为下一次连接做准备；
蓝牙连接成功后，所述脑电采集装置所采集的专注度将实时地显示在所述专注度实时显示区，所述专注度显示框中显示专注度水平值，所述专注度显示条显示当前专注度值距离极值；所述当前专注度值距离极值为最大值、最小值的距离；
通过所述专注度阈值输入框输入专注度阈值以及按下所述设定按钮后，专注度阈值设定完成，当专注度达到所设定的专注度阈值时通过蓝牙发送外骨骼开启指令到所述外骨骼控制器；
所述康复动作选择区选择不同的动作选择按键后，所述视觉提示区重复播放相应的提示动作；
所述复位按键按下后，所述专注度显示框中数值恢复为初始值，所述专注度显示条返回初始位置，所述视觉提示区停止视觉提示。
4.根据权利要求1所述的基于专注度水平的手腕康复控制装置，其特征在于，所述脑电采集装置采集到用户的专注度后与设定阈值进行比较，当用户实时专注度超过设定阈值后，通过电脑端发送外骨骼开启指令，专注度作为“开关量”负责外骨骼的开启与关闭。
5.根据权利要求1所述的基于专注度水平的手腕康复控制装置，其特征在于，所述电脑端对专注度进行处理，所述设定阈值分为不同等级，不同等级的设定阈值对应手腕康复动作中不同的弯曲角度，通过设定不同阈值梯度来实现阻抗训练。
6.根据权利要求1所述的基于专注度水平的手腕康复控制装置，其特征在于，所述的外骨骼控制器由主控芯片、蓝牙模块以及控制盒组成，主控芯片、蓝牙模块被封装在控制盒中，控制盒通过可穿戴结构附于患者手臂上，或安放于桌面上；通过控制芯片的I/O口连接不同的外骨骼康复设备。
7.根据权利要求6所述的基于专注度水平的手腕康复控制装置，其特征在于，所述的主控芯片采用的是Arduino Uno，蓝牙模块采用HC05；控制盒由下盖和上盖组成。
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