主动式多功能康复训练系统

文献发布时间：2023-06-19 19:28:50

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种康复训练系统，尤其涉及一种主动式多功能康复训练系统。

背景技术

脑卒中具有高发病率、高死亡率和高致残率的特点，其产生的后遗症对患者的肢体功能往往会产生深远的影响。尽管近年来医疗技术飞速发展，使脑卒中患者的存活率达到60％-70％，但是存活的患者中约有80％依然会存在肢体功能障碍的现象。脑中风所引起的肢体功能障碍不仅会给患者的日常生活造成严重影响，而且逐年增加的脑卒中患者也会对其家庭和整个社会造成巨大的经济负担。近年来随着人们对脑卒中康复治疗的重视，针对脑卒中的防治体系也在逐步完善中，如何发展针对脑卒中的肢体功能障碍的康复治疗技术，是当前康复医学领域急需解决的问题。

现有的康复训练，一方面要借助于康复治疗师的帮助和指导，另一方面训练器材往往以机械式的锻炼为主，缺乏训练过程的趣味性，枯燥无味，同时无法训练患者的肢体、眼、脑等感官的同步协调能力以及患者的反应力。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种主动式多功能康复训练系统，能够克服现有技术训练器材往往以机械式的锻炼为主，缺乏训练过程的趣味性，无法训练患者的肢体、眼、脑等感官的同步协调能力以及患者的反应力的不足，加快康复训练效果。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供一种主动式多功能康复训练系统，包括硬件系统和软件系统，硬件系统包括信号采集模块和信号传输模块，信号采集模块用于采集表面肌电模拟信号和人手的握力与捏力模拟信号，信号传输模块用于将信号采集模块采集的表面肌电模拟信号和人手的握力与捏力模拟信号转换为数字信号并发送上传至软件系统，软件系统包括信号处理模块、信号编码模块和信号映射模块，信号处理模块用于接收并处理信号传输模块上传的表面肌电信号和人手的握力与捏力信号，信号编码模块用于对信号处理模块处理后的表面肌电信号和人手的握力与捏力信号进行编码处理，信号映射模块用于将信号编码模块编码后的表面肌电信号和人手的握力与捏力信号映射为可视化物体位置、速度、角度和动作的变化。

信号采集模块包括可穿戴表面肌电采集传感器、握力信号感应装置和捏力信号感应装置，可穿戴表面肌电采集传感器用于采集表面肌电模拟信号，握力信号感应装置用于采集握力模拟信号，捏力信号感应装置用于采集捏力模拟信号。

进一步地，可穿戴表面肌电采集传感器设置有三个金属干电极作为信号感应前端，经过信号放大和处理电路输出表面肌电模拟信号。

进一步地，握力信号感应装置包括两个支撑杆和条形压力传感器，条形压力传感器设置在两个支撑杆中间，条形压力传感器通过两个支撑杆的挤压作用捕获握力信号。

进一步地，捏力信号感应装置包括圆柱形上支撑盖、圆柱形下支撑盖和圆柱形压力传感器，圆柱形压力传感器设置在圆柱形上支撑盖和圆柱形下支撑盖之间，圆柱形压力传感器通过圆柱形上支撑盖和圆柱形下支撑盖的挤压作用采集不同手指间的捏力信号。

信号传输模块包括无线传输装置和有线传输装置，无线传输装置包括蓝牙发射器和蓝牙接收器，蓝牙发射器与信号采集模块相连，用于通过A/D转换将信号采集模块采集的表面肌电模拟信号和人手的握力与捏力模拟信号转换为数字信号并发送至空间中，蓝牙接收器用于接收来自蓝牙发射器发送的信号并上传至软件系统中，有线传输装置包括主控制板，主控制板与信号采集模块和电脑端相连，用于通过A/D转换将信号采集模块采集的表面肌电模拟信号和人手的握力与捏力模拟信号转换为数字信号并直接上传至软件系统中。

进一步地，蓝牙发射器和蓝牙接收器都使用低功耗智能蓝牙5.0技术，运用nRF52840蓝牙芯片。

进一步地，主控制板中的CPU采用STM32系列单片机。

软件系统中信号处理模块包括表面肌电信号处理单元和握力与捏力信息处理单元，表面肌电信号处理单元包括如下处理步骤：

表面肌电信号处理单元以窗口长度为100ms的滑动窗口对信号进行中值滤波，对窗口内的信号运用两次滑动均值滤波来消除信号噪声；

握力与捏力信息处理单元包括如下处理步骤：

握力与捏力信息处理单元以100ms的滑动窗口长度计算该窗口内的力均值作为窗口内整体力的作用效果。

软件系统中信号编码模块包括如下步骤：

S1、将任何时刻前的n个信号保存在缓冲区X＝{X

S2、找到缓冲区X中的最大值X

S3、对缓冲区X中的所有数据进行求和

S4、减去缓冲区中的最大值X

S5、判断连续相邻的两个X

S6、对输出的结果X

其中，a取采样信号最大值的十分之一，b取采样信号最大值，c取采样信号最大值的二十分之一，k取0，1，2，3，4，5，6，分别代表7个可调节的灵敏度等级。

软件系统中信号映射模块将编码后的表面肌电信号和人手的握力和捏力信号映射为可视化物体位置、速度、角度和动作的变化的方法如下：

对于可视化物体位置映射：初始位置为x

对于可视化物体速度映射：假设初始速度为v

对于可视化物体角度映射：初始角度为w

对于可视化物体动作映射：定义n个动作，动作编号分别是：1，2，3...n，可视化物体动作变化的范围是：m

其中k是可视化物体控制灵敏度中的参数，k取0，1，2，3，4，5，6，分别代表7个可调节的灵敏度等级，d是一个常量，取信号输出最大值的十分之一。

本发明能够取得如下技术效果：

本发明运用基于表面肌电的生物传感和基于力学传感的训练装置，结合趣味化的康复训练场景设计，使患者摆脱了传统的枯燥式康复训练模式，达到对患者肢体、眼、脑同步协调训练的目的，本训练系统无需治疗师，患者仅靠自身即可实现训练，并能够提高患者自身对运动中枢神经系统的自主支配能力，促进患者的运动功能，加快康复训练效果。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的主动式多功能康复训练系统整体流程示意图。

图2是根据本发明实施例提供的握力信号感应装置的结构示意图。

图3是根据本发明实施例提供的捏力信号感应装置的结构示意图。

图4是根据本发明实施例提供的无线传输装置的逻辑结构示意图。

图5是根据本发明实施例提供的蓝牙无线发射器的硬件结构连接示意图。

图6是根据本发明实施例提供的蓝牙无线接收器的硬件结构连接示意图。

图7是根据本发明实施例提供的有线传输装置的逻辑结构示意图。

其中的附图标记包括：支撑杆1、条形压力传感器2、圆柱形上支撑盖3、圆柱形下支撑盖4、圆柱形压力传感器5。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

图1示出了本发明提供的一种主动式多功能康复训练系统整体流程，包括硬件系统和软件系统，硬件系统包括信号采集模块和信号传输模块，信号采集模块用于采集表面肌电模拟信号和人手的握力与捏力模拟信号，信号传输模块用于将信号采集模块采集的表面肌电模拟信号和人手的握力与捏力模拟信号转换为数字信号并发送上传至软件系统，软件系统包括信号处理模块、信号编码模块和信号映射模块，信号处理模块用于接收并处理信号传输模块上传的表面肌电信号和人手的握力与捏力信号，信号编码模块用于对信号处理模块处理后的表面肌电信号和人手的握力与捏力信号进行编码处理，信号映射模块用于将信号编码模块编码后的表面肌电信号和人手的握力与捏力信号映射为可视化物体位置、速度、角度和动作的变化，进而控制可视化物体达到康复训练的目的。

可穿戴表面肌电采集传感器设置有三个金属干电极作为信号感应前端，经过信号放大和处理电路输出表面肌电模拟信号。

图2示出了握力信号感应装置的结构，握力信号感应装置包括两个支撑杆和条形压力传感器，条形压力传感器设置在两个支撑杆中间，条形压力传感器通过两个支撑杆的挤压作用捕获握力信号。

图3示出了捏力信号感应装置结构，捏力信号感应装置包括圆柱形上支撑盖、圆柱形下支撑盖和圆柱形压力传感器，圆柱形压力传感器设置在圆柱形上支撑盖和圆柱形下支撑盖之间，圆柱形压力传感器通过圆柱形上支撑盖和圆柱形下支撑盖的挤压作用采集不同手指间的捏力信号。

信号传输模块包括无线传输装置和有线传输装置，图4示出了无线传输装置的逻辑结构，无线传输装置包括蓝牙发射器和蓝牙接收器，图5示出了蓝牙无线发射器的硬件结构连接，蓝牙发射器与信号采集模块相连，用于通过A/D转换将信号采集模块采集的表面肌电模拟信号和人手的握力与捏力模拟信号转换为数字信号并发送至空间中，图6示出了蓝牙无线接收器的硬件结构连接，蓝牙接收器用于接收来自蓝牙发射器发送的信号并上传至软件系统中；图7示出了有线传输装置的逻辑结构，有线传输装置包括主控制板，主控制板与信号采集模块和电脑端相连，用于通过A/D转换将信号采集模块采集的表面肌电模拟信号和人手的握力与捏力模拟信号转换为数字信号并直接上传至软件系统中。

蓝牙发射器和蓝牙接收器可以使用低功耗智能蓝牙5.0技术，运用nRF52840蓝牙芯片。

主控制板中的CPU采用STM32系列单片机。