一种基于运动感觉的运动训练系统

技术领域

本发明涉及提高运动功能的训练系统，尤其是涉及一种基于运动感觉的运动训练系统。

背景技术

多种神经系统疾病和衰老都会导致运动功能障碍。经神经系统支配，躯体骨骼肌能够收缩，以完成协调的肢体(躯体)动作。正常的运动控制需要肌肉收缩具有的合理时间-空间关系。肌肉收缩的时间-空间关系错误则表现为动作僵硬、不平滑、不灵活，甚至出现刻板而粗大的病理性运动模式。由神经系统支配下的合理用力方式是肌肉收缩正确时间-空间关系的前提。

表面肌电信号能够在一定程度上反映肌肉的收缩状态，是有效而常用的肌肉收缩状态评判指标。在多项研究中，表面肌电信号被用于无创评定肌肉收缩时间-空间关系特性。表面肌电信号也能够提供即时反馈，而常用于肌肉运动控制训练。

然而，现有的基于表面肌电信号的肢体运动功能训练存在两个问题。第一，大多仅使用肌电的波幅值来指示肌电收缩的强度，而对于运动完成的质量，则缺乏可靠的指标予以判断。由于表面肌电信号的波幅与肌肉收缩并不总是存在严格的线性对应关系。仅依靠肌电波幅值来判断肌肉收缩强度，是不可靠的。第二，忽略了人体运动控制的运动-感觉整合特性。正常人的运动学习过程，需要感觉信息以提供前馈和反馈信息。如果在肌电引导的生物反馈系统中，仅依靠肌电信号强度，而忽略自身的感觉信息，可能不利于运动功能的改善。

发明内容

申请人发现，由于多种神经系统疾病和衰老都会损害感觉输入，如果在运动训练时强调对感觉信息的利用，则能够促进运动-感觉整合，既可能会改善训练者的运动功能，也可能同时促进其感觉功能的恢复。

为此，本发明提出了一种基于运动感觉的表面肌电(sEMG)运动训练系统，能够通过演示轨迹设定多种不同的运动难度。在训练者按照示范的演示轨迹活动肢体时，通过采集的肢体主动肌的表面肌电信号的变化，生成屏幕显示的虚拟肢体的运动，并通过计算此运动轨迹与演示轨迹的特征，获得质量指数。这一过程中，训练者需要体会运动时自身肢体的感觉，从而建立运动-感觉整合的用力方式，通过努力尝试提高质量指数，来改善自身的运动控制能力。

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种基于运动感觉的运动训练系统，包括肌电信号采集单元，数据分析单元、存储单元和显示单元，其中：存储单元内置预设的多种肢体运动方案，这些方案可由显示单元进行演示；肌电信号采集单元用于采集训练者按照演示动作完成运动时的肌电信号，并发送给数据分析单元；数据分析单元用于接收肌电信号并进行分析；存储单元还可用于存储肌电信号及其分析结果；数据分析单元能够根据训练者的肌电信号生成虚拟的肢体运动轨迹、并通过显示单元进行显示，还能够通过对比预设运动方案和肌电信号所生成的虚拟肢体运动轨迹来判断训练质量。

所述的运动训练系统，其中：系统预设多个用于训练的演示轨迹D，对于一个指定的肢体，一个训练方案(DT)以屏幕中的动画演示肢体轨迹，其内容由如下参数确定：肢体运动的轴心即静止点；除静止点之外的活动部分；肢体运动的活动部分的起点、终点和轨迹，暂停点和暂停时间；运动的速度：

其中，第一行中D为肢体的演示轨迹；DT为演示方案；P

所述的运动训练系统，其中：数据分析单元用于将肌电信号原始值R转换为A：

其中，n为一段时间内采样获得的肌电信号原始值的数量。

所述的运动训练系统，其中：肢体运动轨迹变化的速度和方向由肌电信号单位时间内的变化幅度确定：

其含义为，当A符合第一行条件或第二行条件时，通过第三行确定速度Speed，通过第四行确定方向direction。如A不符合第一行条件或第二行条件时，速度为0。

其中，R为肌电信号原始值；A为转换后的肌电信号值；n为一段时间内(如50ms)采样获得的肌电信号原始值的数量；j为用力前的放松状态下的连续采样的时间段数量(例如保持放松5s，分为10段),从1至j个，每段对应一个A值，从A

所述的运动训练系统，训练者完成一个动作后，演示轨迹D与肢体运动轨迹L的符合程度M，作为运动控制能力的量化指标。在一个给定时间段P(设其中共有1…p个时间点)中，演示轨迹D和肌电驱动的肢体运动轨迹L′的之间的质量指数M

其中，D为系统预设的演示轨迹(其中肢体中各点坐标为x

所述的运动训练系统，其中：质量指数M

/>

其中

其中，v为连续LTL

其中，演示轨迹的长度为DTL，肌电驱动的肢体运动轨迹的长度为LTL。P为一个给定的时间段(有1…p个时间点)。μ为均值。相对于静点，在时间点p时，动点在演示轨迹D中移动的长度为DTL

所述的运动训练系统，其中：能够根据使用者完成一个训练方案的质量，选择后续的训练方案难度C：

其中，n为训练方案的重复次数(例如30次)。挑战性C是由给定训练方案的重复次数n、每次训练的M

附图说明

图1为本发明的系统框图；

附图2为本发明的系统工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图1-2，对本发明的具体实施方式进行详细说明。所述实施方式是示例性地，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。显然，本发明所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

在本说明书中描述的“一种实施方式”或“一些实施方式”等意味着在本发明的一个或多个实施方式中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

如图1、2所示，本发明的基于运动感觉的sEMG(表面肌电信号)运动训练系统包括：肌电信号采集单元，数据分析单元、存储单元和显示单元。

通过将表面电极固定于训练者训练肢体的主动肌表面，肌电信号采集单元可采集到训练者运动时的肌电信号并通过通信单元(如蓝牙传输单元)发送给数据分析单元的通信单元(如蓝牙接收单元)，数据分析单元的蓝牙传输单元接收该肌电信号，并通过模数传感器ADC将肌电信号转换为数字信号后发送给数据分析单元，由数据分析单元接收后进行分析，存储单元用于存储肌电信号和分析结果；数据分析单元还用于根据分析结果形成训练者的肢体运动轨迹并通过显示单元进行显示。

数据分析单元根据所接收的数字化的肌电信号驱动屏幕中显示的虚拟肢体的移动，并计算此肌电信号驱动的肢体(躯体)运动与所用演示轨迹的一致性，即“质量指数”。“质量指数”能够反映出人体的运动控制能力，并给予使用者反馈。使用者根据反馈，体会运动感觉，调整自身的运动方式，形成“练习-反馈-再练习”的闭环机制。

本系统以显示单元显示的屏幕动画显示上肢或下肢的肢体(躯体)运动，使用者跟随屏幕动画所显示的肢体(躯体)运动(方向、速度、幅度)完成实际的肢体(躯体)运动。

质量指数的高低变化指示出训练者对肌电信号的控制能力的变化。质量指数变高，提示训练者的用力方式提高，从而有更好的运动控制能力。因此，本系统能够训练使用者的用力方式。训练者使用时需要体会自身的用力方式，并参照质量指数的反馈不断调整用力方式。这样，就增加了训练者运动时的本体感觉-运动输出之间的整合。

动画中演示的肢体(躯体)轨迹包括：左侧(或右侧)肩带前伸、肩带后缩、肩带上抬、肩带下降、肩屈曲、肩后伸、肩内收、肩外展、肩水平内收、肩水平外展、肩关节内旋、肩关节外旋、肘关节屈曲、肘关节伸展、腕关节屈曲、关节伸展、腕关节桡侧偏移、腕关节尺侧偏移、手指集团屈曲、手指集团伸展、单一手指屈曲、单一手指伸展、对指、拇指桡侧外展、拇指掌侧外展、髋关节伸展、髋关节屈曲、膝关节伸展、膝关节屈曲、踝关节背伸、踝关节跖屈、踝关节内翻、踝关节外翻、躯干屈曲、躯干伸展等。

本系统提供上肢、下肢或其他躯体运动的双轨迹显示：(1)肢体(躯体)活动的演示轨迹，以动画显示(如显示为蓝色)。训练者跟随屏幕显示的这一预设轨迹活动自身肢体；(2)肌电信号驱动的肢体运动轨迹(如显示为红色)，从训练者肌肉采集所得的表面肌电信号，驱动形成另一个肢体运动轨迹，即肌电信号驱动的虚拟运动轨迹。两个轨迹之间的匹配程度，反映了训练者对自身肢体运动的控制能力。

肌电信号驱动的虚拟运动轨迹的方向和速度由采集到的训练者的肌电信号驱动。例如，在相邻的两个固定时间窗(如100ms)内，如果后一个时间窗内的波幅值高于前一个时间窗内的波幅值，则屏幕动画显示的肢体运动按照演示轨迹所示的方向进行；如果波幅值相等，则肢体静止；如果波幅值降低，则肢体向起始位置移动。

此处所用的肌电信号值A，是由肌电信号原始值R转换而来(计算式1)：

其中，n为一段时间内采样获得的肌电信号原始值的数量。

肢体虚拟运动轨迹变化的速度和方向，是由肌电信号单位时间内的变化幅度确定的(计算式2)：

其含义为，当A符合第一行条件或第二行条件时，通过第三行确定速度Speed，通过第四行确定方向direction。如A不符合第一行条件或第二行条件时，速度为0。

其中，R为肌电信号原始值；A为转换后的肌电信号值；n为预设的一段时间内(如50ms)采样获得的肌电信号原始值的数量；j为用力前的放松状态下的连续采样的时间段数量(例如保持放松5s，分为10段),从1至j个，每段对应一个A值，从A

预设的演示轨迹包括多种运动方式：缓慢的平滑且匀速的运动(例如从膝关节屈曲90度，伸展至180度，用时4s，在此关节活动范围内速度均匀)，缓慢平滑的变速运动(例如从膝关节屈曲90度，伸展至180度，用时4s，1-2s为加速期，速度逐渐增加，3-4s为减速期，速度逐渐减慢)，停顿运动(例如从膝关节屈曲90度，伸展至180度，用时5s，其中在伸展至120度、150度时分别停顿500ms)，快速运动(例如从膝关节屈曲90度，伸展至180度，用时1s完成)。

演示轨迹与肌电驱动的肢体运动轨迹之间的匹配程度，即两者在整个运动过程中空间位置的匹配程度。如果两者的起始位置完全重合，则如果两个运动轨迹重合，那么两者在任何时间点都重合。如果起始位置不同，则当校正为起始位置相同时(将肢体运动轨迹的起始位置平移至演示轨迹的起始位置)，两个轨迹重合。以膝关节从屈曲90度起始，伸展至伸膝180度终止为例，此运动为单关节单自由度运动。演示轨迹(D)与肌电驱动的肢体运动轨迹(L)均在人体矢状面空间内随时间变化，在整个运动轨迹完成的时间段内，肌电驱动的肢体运动轨迹的质量指数M(D，L)为(计算式3)：

其中，i为时间段内的第i个时间点。μ为L或D的均值。在此，以小腿在人体矢状面空间内的活动轨迹为例。D和L均为小腿和足的平面投影图，由在人体矢状面空间内的点阵组成，而非单一的值。

矢状面空间横坐标定义为x(从1到n)，纵坐标为y(从1到m)，其中n为横坐标最大值，m为纵坐标最大值。则矢状面空间内的所有点的坐标为如下集合：

在时间点i时,对于上述坐标集合中的任意一点，演示轨迹D覆盖处取值为1，不覆盖处取值为0(计算式4)：

其中，大括号内第一行的中括号内部分,表示各坐标的集合，下面三行表示各坐标对应的值的取值条件。对于任何一个训练方案，(计算式4)所示的这一随时间变化的D

类似地，在时间点i时,在投影的二维平面的坐标集合中的任意一点，肌电驱动肢体运动轨迹L覆盖处取值为1，不覆盖处取值为0(计算式5)：

/>

其中，横坐标为X(从1到n)，纵坐标为Y(从1到m)。(计算式5)所示的这一随时间变化的L

按照系统预设，D

而当D

X′

Y

系统内设多个用于训练的演示方案D，对于一个指定的肢体，一个训练方案(DT)以屏幕中的动画演示肢体轨迹D，其内容由如下参数确定：肢体运动的轴心即静止点；除静止点之外的活动部分；肢体运动的活动部分的起点、终点和轨迹；暂停点和暂停时间；运动的速度。通过改变暂停点位置和数量、暂停时间、运动的速度，改变训练任务的难度。一个训练方案由(计算式7)确定：

其中，第一行中D为肢体的演示轨迹；DT为演示方案(训练方案)；P

训练者完成一个动作后，演示轨迹D与肢体运动轨迹L可能完全匹配(方向、速度完全一致)，也可能存在差异。两者之间的匹配程度，以质量指数M

其中，D为系统预设的演示轨迹(其中肢体中各点坐标为x

(计算式8)中，

(计算式8)中，

对于一个给定的时间点i，D

以通过训练股四头肌实现膝关节伸展为例，将小腿和足视为一个刚体(设踝关节角度恒定不变，即忽略踝关节的跖屈、背屈、内外翻等)，则膝关节伸展、屈曲时，膝关节为轴心，视为静点，坐标恒定不变。踝关节在人体矢状面上的对应点视为动点，其在时间点i

D

类似地，则(计算式5)中肌电驱动的肢体运动轨迹L的值也等效于其动点对应的值，则在一个时间段t

L

如D

演示轨迹的长度为DTL，肌电驱动的肢体运动轨迹的长度为LTL。P为一个给定的时间段(有1…p个时间点)。μ为均值。相对于静点，在时间点p时，动点在演示轨迹D中移动的长度为DTL

其中，v为连续LTL

由于使用者的年龄、性别、体质、身体状态(例如处于健康状态、或患有某种疾病例如脑卒中、肌少症等)存在差异，系统中对时间段P(其中共有1…p个时间点)的值设为可调。当使用者能够具备快速的运动和认知响应能力时，P值可调节为短时间间隔；反之，则P值调节为更长的时间间隔。

为使用者选择一个训练方案后，如果在多次使用时，M

其中，n为训练方案的重复次数(例如30次)。挑战性C是由给定训练方案的重复次数n、在这一重复次数n时每次训练的M

当C＝1时，演示轨迹(D)的难度上升一档。当C＝-1时，演示轨迹(D)的难度下降一档；当C＝0时，演示轨迹(D)的难度保持不变。

其中，Slope值的计算方法为：

对一个给定训练方案，训练者连续完成M次(例如30次)，则获得M段肌电信号。对其中每一段信号，以固定窗宽如500ms计算M

对A个子集中任一个子集a，每一个M

for k＝1,2,…n

对这一子集a，其M

对这一子集a，其M

则，对这一子集a，其按照S

式17)：

则，对所有A个子集，共有A个再次标定的累计偏离度

当逐渐增大n时(即增大各子集的长度)，再次计算以上y

lgmean

其中Slope为斜率，b为截距。

Slope值去除了在使用同一训练方案时M

通过本发明，能够让训练者在参照示范动作练习时，以主动肌的表面肌电信号驱动屏幕动画中的虚拟肢体运动，通过比较这一运动与示范动作的一致性，定量判断自身的运动控制能力，改善用力方式，从而提高运动功能。

以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。