CN108786015A - 一种穿戴式手指功能主动康复训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穿戴式手指功能主动康复训练系统，采用基于患者手指特征的多感知柔性电子皮肤设计，本系统包括手指数据采集模块、手指数据处理模块和手指功能训练模块，可方便地实现手指功能主动康复训练，克服了传统主动康复训练耗时耗力、训练效果差等缺点。将多感知柔性电子技术、ROS操作系统和虚拟现实技术融入手指康复训练过程，逼真的游戏引导患者自主完成任务，达到主动康复训练的目的。游戏结束后系统给出相应分数，分数的高低反映手指功能的强弱及训练效果的好坏。本系统能够实时显示和保存手指运动数据，便于训练师及患者对病情的查询与追踪，经济实用，方便灵活，可靠性高，适用于临床及科研。

Description

一种穿戴式手指功能主动康复训练系统

技术领域

本发明涉及手指功能主动康复训练领域，具体涉及一种基于多感知柔性电子技术、ROS操作系统与虚拟现实技术的穿戴式手指功能主动康复训练系统。

背景技术

手是人体与外界环境进行交互的重要器官，由手指和手掌组成，手部的功能大多体现在手指的功能上，手指功能的丧失，给患者的日常生活带来了诸多不便。

康复训练是恢复手指功能的有效途径，分为被动训练和主动训练两种形式，被动康复训练针对手指肌肉松软、功能损失较重的患者，整个训练过程机械重复度高，以训练师为主导；主动康复训练针对手指肌肉具有一定弹性、功能损失较轻的患者，整个训练过程自由度高，以患者为主导。

传统的手指功能主动康复训练工作耗时耗力，在专业康复训练师资源紧缺的情况下，主动康复训练耗费巨大，考虑到经济负担，患者往往在无专业训练师的指导下进行主动康复训练，其康复训练效果通常不尽如人意。

针对传统的手指功能主动康复训练工作的局限性，将多感知柔性电子技术、ROS操作系统与虚拟现实技术引入手指功能主动康复训练中去，构成一种新型穿戴式手指功能主动康复训练系统，既缓解了我国医疗资源紧缺的压力，又减轻了患者的医疗负担，本系统采用多感知柔性电子皮肤设计手指数据采集模块，通过开源且可移植的ROS系统构建手指数据处理模块，又具备虚拟现实技术带来的沉浸感与真实感，使得主动康复训练变得简单方便、趣味性强、可靠度高。

发明内容

本发明针对目前手指功能主动康复训练工作的局限性，提供一种穿戴式手指功能主动康复训练系统，该系统结构简单，操作简便，经济实用，便于推广。

本发明的技术解决方案如下：

所述的穿戴式手指功能主动康复训练系统，包括手指数据采集模块、手指数据处理模块、手指功能训练模块，能够方便地进行手指功能主动康复训练。

所述的手指数据采集模块的硬件构成包括：贴附于手背侧的多感知柔性电子皮肤和数据采集芯片。

所述的多感知柔性电子皮肤采用基于患者手型特征的软体结构薄膜设计，嵌入15个9轴姿态传感器，集成于拇指掌指关节、远端指关节的位置，其余四指掌指关节、近端指关节、远端指关节及掌心的位置；嵌入5个光纤传感器，集成于五指的位置；嵌入1个8通道表面肌电信号采集器，集成于前臂距手腕15cm的位置；嵌入1个8通道肌音信号采集器，集成于前臂距手腕15cm的位置。

所述的数据采集芯片结构构成包括：数据采集处理器、供电电源及Wi-Fi模块，贴附于多感知柔性电子皮肤上，其中供电电源采用可充电锂电池设计。

所述的手指数据采集模块将多感知柔性电子皮肤采集到的手指数据以Wi-Fi通信的方式发送至手指数据处理模块。

所述的多感知柔性电子皮肤可以同步且实时地采集手指各关节的角度、角速度、角加速度及相关肌肉力等数据。

所述的手指数据处理模块接收来自手指数据采集模块的数据，使数据依次经过数据滤波、数据融合、数据分析三个单元进行处理。

所述的手指数据处理模块将经过滤波、融合、分析后的手指数据以Wi-Fi通信的方式发送至手指功能训练模块，供下一步主动康复训练使用。

所述的手指功能训练模块由基于VR眼镜开发的人机交互界面构成，承担着受试者与系统交互的重要作用。

所述的手指功能训练模块基于VR眼镜开发的人机交互界面由显示栏、得分栏与虚拟现实窗口构成，能够实时地模拟受试者手指运动轨迹的动画效果，并给出受试者手指关节的角度、角速度、角加速度及相关肌肉力等数据；具体的，在虚拟现实窗口中显示预先设置的虚拟场景及一系列指令，以此引导受试者完成一系列趣味游戏，达到主动康复训练的目的，同时VR眼镜带来更加逼真的游戏体验，能够激发受试者的兴趣，有助于提升主动康复训练的效果。

为了方便受试者与系统的交互，在人机交互界面的虚拟现实窗口中，定义模拟动画中手指的颜色为蓝色。

所述的手指功能训练模块，受试者手指运动经过手指数据采集模块和手指数据处理模块后，将作为控制信号驱动蓝色手指运动，即模拟动画中蓝色手指的运动反映了受试者真实手指的运动。

本发明的优势：传统的手指功能主动康复训练需要专业康复训练师与患者面对面进行，过程繁琐，训练师和患者必须有足够的耐心和时间才能使康复训练达到较为理想的效果，但整个训练过程难免会受人为因素的影响，实际康复训练效果一般；穿戴式手指功能主动康复训练系统将多感知柔性电子技术、ROS操作系统与虚拟现实技术引入主动康复训练中，首先，手指数据采集模块采用多感知柔性电子皮肤设计，融合多传感器使采样数据更加全面，准确实现手指各关节运动参数、肌肉力及运动链分析，避免出汗及皮肤污浊等对于信号采集的影响；其次，采用ROS操作系统开发手指数据处理模块来处理相关数据，实现数据处理模块同时与多个手指数据采集模块通信，使手指主动康复训练过程更加灵活多样，避免了人为因素的影响，提供了更加科学和客观的主动康复训练方法，训练结果还可实时记录与保存，便于训练师和患者对病情的查询与跟踪，ROS操作系统相关插件及功能包具有的开源性和可移植性，在很大程度上降低了主动康复训练的成本，减轻了患者的医疗负担；最后，将基于虚拟现实技术开发的游戏引入康复训练中，增强了患者手指主动康复训练过程的趣味性及患者参与的积极性，能够很好地应用于临床。

附图说明

图1穿戴式手指功能主动康复训练系统框图。

图2穿戴式手指功能主动康复训练系统机构图。

图3多感知柔性电子皮肤机构图。

图4穿戴式手指功能主动康复训练系统工作原理图。

具体实施方法

如图1与图2所示的穿戴式手指功能主动康复训练系统，包括手指数据采集模块(1)、手指数据处理模块(2)、手指功能训练模块(3)。

如图3所示的手指数据采集模块由多感知柔性电子皮肤和数据采集芯片(4)构成，多感知柔性电子皮肤采用基于患者手型特征的软体结构薄膜设计，包含9轴姿态传感器(5)、光纤传感器(6)、8通道表面肌电信号采集器(7)和8通道肌音信号采集器(8)，以上传感器均集成于多感知柔性电子皮肤上，能够实时地采集运动时手指在空间中的角度、角速度、角加速度以及手指肌肉力等数据。

如图3所示的贴附于手背侧的多感知柔性电子皮肤包含15个9轴姿态传感器，集成于拇指掌指关节、远端指关节的位置，其余四指掌指关节、近端指关节、远端指关节及掌心的位置，用以采集手指各关节的角度、角速度和角加速度数据。

如图3所示的贴附于手背侧的多感知柔性电子皮肤包含5个光纤传感器，集成于五指的位置，用以采集五指各关节的角度、角速度和角加速度数据。

如图3所示的贴附于手背侧的多感知柔性电子皮肤包含1个8通道表面肌电信号采集器，集成于前臂距手腕15cm的位置，用以采集手指运动过程中的相关肌肉运动及肌肉力信息。

如图3所示的贴附于手背侧的多感知柔性电子皮肤包含1个8通道肌音信号采集器，集成于前臂距手腕15cm的位置，用以采集手指运动过程中的相关肌肉运动及肌肉力信息。

如图3所示的数据采集芯片中的Wi-Fi模块，具有统一的通信标准，传输速度快；Wi-Fi模块将多感知柔性电子皮肤采集到的手指数据以Wi-Fi通信的方式传输至手指数据处理模块。

如图1所示的手指数据处理模块基于ROS操作系统开发，利用算法对Wi-Fi模块发送来的角度、角速度、角加速度及相关肌肉力等数据进行滤波、融合与分析；数据滤波采用卡尔曼滤波，对多感知柔性电子皮肤采集到包含噪声的手指数据进行解析，使经滤波后的角度、角速度、角加速度及肌肉力等数据更加真实地描述受试者手指运动；数据融合是对比9轴姿态传感器与光纤传感器、8通道表面肌电信号采集器与8通道肌音信号采集器不同方式采集的数据，剔除误差较大的数据，并采用优化算法对数据进行优化，在一定程度上减小了客观因素产生的误差；数据分析实现数据解析与反馈功能，数据解析即判断受试者手指各关节及指尖的角度、角速度、角加速度及相关肌肉力等数据与正常人的手指运动时的差别，数据反馈将采集到的手指数据实时地显示与保存，以便全面地了解手指功能主动康复训练的效果，便于病情的追踪与查询。

如图1所示，经过手指数据处理模块后的手指数据以Wi-Fi通信的方式发送至手指功能训练模块，以供手指功能评估及康复方案制定使用，涉及的手指数据包括：手指指尖及各关节的角度、角速度、加速度及相关肌肉力信息。

如图1所示，手指功能训练模块由基于VR眼镜开发的人机交互界面构成，能够接收来自手指数据处理模块发送的手指各关节的角度、角速度、加速度及相关肌肉力等数据，并利用这些数据实现手指功能主动康复训练。

如图1所示，人机交互界面由显示栏、得分栏与虚拟现实窗口构成，是康复训练时患者与系统进行交互最为核心的部分，使用时，显示栏给出相关指令，引导患者进行手指功能主动康复训练；虚拟现实窗口模拟受试者真实手指的运动；得分栏给出每个游戏环节的分数和主动康复训练整体效果得分。

如图4所示，在虚拟现实窗口中，受试者手指运动经过手指数据采集模块、手指数据处理模块后，可以驱动蓝色手指运动，说明蓝色手指的运动反映了受试者手指的真实运动。

以训练右手拇指和食指的对指运动功能为例，阐述穿戴式手指功能主动康复训练系统的使用方法，患者头戴VR眼镜，将集成9轴姿态传感器、光纤传感器、8通道表面肌电信号采集器和8通道肌音信号采集器的多感知柔性电子皮肤贴附于患者右手背侧，开始手指功能主动康复训练：虚拟现实窗口出现厨房的场景，场景中有一张桌子、一只水杯和蓝色手指，患者需完成“夹杯子”游戏，首先，显示栏给出“请用拇指和食指夹住杯子”的指令，患者右手拇指与食指对指来控制虚拟现实窗口中蓝色手指完成夹住杯子的动作；随后，显示栏给出“将杯子抬高”的指令，患者右手拇指和食指的姿态保持不变，右手向上平移一段距离，直到超过场景中预先设定好的刻度线；最后，显示栏给出“将杯子放下”的指令，患者右手拇指和食指的姿态先保持不变，右手向下平移到桌面，然后拇指和食指松开，完成“夹杯子”游戏，整个游戏环节患者除了完成对指运动外，还必须有一定的手指肌肉力才能夹起杯子，这也符合客观事实；若患者没有夹起杯子，则得分栏给出“0分”，若患者夹起杯子但没有抬起杯子，则得分栏给出“3分”，若患者抬起杯子但没有将杯子放下，则得分栏给出“6分”，若患者抬起杯子并放下杯子，则得分栏给出“10分”，手指数据处理模块在整个训练环节实时存储相关手指数据，这些数据包括：手指各关节的角度、角速度、角加速度和手指肌肉力，便于训练师与患者查询。

本系统涉及五指各项功能的主动康复训练，例如手指屈伸、收展、对指、四指握拳、四指屈伸及各种复杂动作等功能，不同手指功能的训练对应不同的游戏模式，这里不加详细说明。

以上显示和描述了本发明的基本原理、实施过程和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.穿戴式手指功能主动康复训练系统，包括手指数据采集模块（1）、手指数据处理模块（2）和手指功能训练模块（3），其特征在于：手指数据采集模块由可贴附于手背侧的多感知柔性电子皮肤和数据采集芯片（4）构成，多感知柔性电子皮肤采集手指各关节在空间中的角度、角速度、角加速度以及肌肉力等数据，数据采集芯片由数据采集处理器、供电电源及Wi-Fi模块构成，贴附于多感知柔性电子皮肤上，其供电电源采用可充电锂电池设计，可将采集的数据以Wi-Fi通信的方式发送至手指数据处理模块；所述的手指数据处理模块基于ROS操作系统开发，包含数据滤波、数据融合和数据分析三个单元，可实时计算出各手指指尖的运动信息，并减小手指功能数据分析误差，为主动康复训练评测及方案制定提供数据支持，也可实现手指康复数据的查询与追踪；所述的手指功能训练模块由基于VR眼镜开发的人机交互界面构成，实现手指主动康复训练，人机交互界面由显示栏、得分栏与虚拟现实窗口构成，是患者与系统进行交互的主要媒介。

2.多感知柔性电子皮肤采用基于患者手型特征设计的软体结构薄膜设计；嵌入15个9轴姿态传感器（5），分别集成于拇指掌指关节、远端指关节的位置，其余四指掌指关节、近端指关节、远端指关节及掌心的位置；嵌入5个光纤传感器（6），集成于五指的位置；嵌入1个8通道表面肌电信号采集器（7），集成于前臂距手腕15cm的位置；嵌入1个8通道肌音信号采集器（8），集成于前臂距手腕15cm的位置；9轴姿态传感器和光纤传感器采集手指各关节的角度、角速度和角加速度，通过信号融合技术，准确高效地实现手指运动信息采集；8通道表面肌电信号采集器和8通道肌音信号采集器采集手指运动过程的相关肌肉及运动链信息，准确实现肌肉力及运动链分析，避免出汗及皮肤污浊等对于肌肉信号采集的影响；此外，利用不同方式采集手指运动时的数据，丰富了采样数据的类型，便于对患者手指功能有一个全面、清晰地认识，为制定康复方案提供详细的数据参考。

3.根据权利要求1所述的穿戴式手指功能主动康复训练系统将开源且可移植的ROS操作系统引入康复训练中，实现数据处理模块同时与多个手指数据采集模块通信，使手指主动康复训练过程更加灵活多样，大大节约了人力、物力和财力。

4.根据权利要求1所述的穿戴式手指功能主动康复训练系统将可穿戴技术及虚拟现实技术引入其康复训练过程，节省了训练所需空间，同时逼真的游戏也带来全新的体验，增加了康复训练过程中的趣味性，提高了患者参与的积极性，有助于提升主动康复训练效果。