CN109276237A - 一种全向移动的脑卒中患者平衡能力评测与训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全向移动的脑卒中患者平衡能力评测与训练系统，其结构包括固定装置、安全装置、移动装置、数据采集装置、数据处理与显示装置、视觉干扰装置；基于多模态信号的采集与处理，结合语音提示与受试者的友好人机交互，使脑卒中患者完成基于Unity 3D设计的人体平衡能力评测虚拟任务，准确获取其年龄、性别、身高、体重、压力中心轨迹、心率、血压、肌电信号与关节角度等信息，综合给出脑卒中患者平衡能力评价结果；系统还可针对评价结果自动制定相应的训练方案，结合VR眼镜中的平衡能力训练游戏，实现脑卒中患者的平衡能力训练；本发明结构简单，操作简便，可全向移动，可靠性高，具有良好的推广价值。

Description

一种全向移动的脑卒中患者平衡能力评测与训练系统

技术领域

本发明涉及人体平衡能力评测及训练领域，具体涉及到一种全向移动的脑卒中患者平衡能力评测与训练系统的设计与使用方法。

背景技术

脑卒中是中老年常见病、多发病，其患者存在下肢肌力下降、肌张力增高、髋膝踝运动协调性降低等问题，造成患者平衡功能障碍及步行动作不协调，增加了患者发生跌倒的危险性；在康复治疗的过程中，评估脑卒中患者的平衡能力，有助于及时了解患者的康复状态，制定合理的康复计划，对患者康复治疗具有重要作用。

人体平衡系统是由神经系统、感知系统和运动系统构成，是以视觉、本体感觉和前庭觉作为输入信息，经过中枢神经系统整合，控制骨骼肌肉运动来维持人体平衡，每个组成部分的生理状况均会影响平衡能力，如前庭器官损伤、视力下降、肌力下降、骨质疏松和神经系统疾病都会导致人体平衡能力下降；虽然人体平衡能力受到各种生理因素的影响，但可通过人体姿势控制的运动学特征来表征；因此，目前国际上评价人体平衡主要采用人体不同姿态下的压力中心(COP)轨迹作为姿势控制运动学特征的表征参数，其中视觉干扰平衡测试是人体平衡能力评测的最主要方面之一。

脑卒中患者上位中枢神经及其运动控制功能受损引起的肌肉无力、肌痉挛和协调运动能力下降等现象，是导致患者平衡功能障碍的主要原因，而表面肌电信号能够实时、准确地和在非损伤状态下反映肌肉活动状态和功能状态，通过患者的表面肌电信号信息，医生可以更好的了解患者的患病情况，从而制定合理的康复治疗计划。

目前国际上专门用于平衡检测和训练的设备一般都比较昂贵且移动不便，需要医生指导受试者完成相应的动作，并对脑卒中患者进行安全看护，测试流程复杂；视觉干扰平衡实验大多采取睁眼和闭眼方式，且评测效果单一，因此，急需设计一种操作简单且便于移动，可综合人体运动生理等多模态信号分析，准确给出测试结果的脑卒中患者平衡测试和训练系统。

针对现有的不足，本发明公开了一种基于多模态信号分析、与受试者友好的人机交互且可全向移动的脑卒中患者平衡能力评测与训练系统。

发明内容

本发明的目的是针对当前平衡功能评定及训练系统的移动不便、测试流程复杂、评测效果单一等不足，基于多模态信号分析技术，设计出一种全向移动的脑卒中患者平衡能力评测与训练系统。

本发明的技术解决方案如下：

所述系统结构包括固定装置，安全装置，移动装置，数据采集装置，数据处理与显示装置，视觉干扰装置，可以准确获得脑卒中患者的年龄、性别、身高、体重、压力中心轨迹、心率、血压、肌电信号、关节角度等信息，方便为脑卒中患者提供平衡功能评测和训练服务。

所述系统采用人体压力中心(COP)轨迹作为人体平衡的直接评价标准，以脑卒中患者表面机电信号特征作为参考，能够给出患者的平衡评价结果，以及针对性康复训练。

所述系统采用佩戴电子手环的方式，实时检测脑卒中患者的身体状态是否处于正常，血压和心率不在正常范围之内，手环即发出警报，提示患者身体处于危险状态。

所述系统采用自锁万向轮设计，实现系统的全向移动，即在下承重板下方安装有自锁万向轮，作为系统的移动装置；固定在上承重板、悬挂于上承重板下方的吊带作为安全装置，防止受试者摔倒。

所述系统由安装在受试者正面，固定于下承重板上的控制计算机提供友好的人机交互界面，其显示屏提供受试者的年龄、性别、身高、体重等信息的选择面板以及显示虚拟游戏画面，同时也完成对所得数据的分析与保存，以及人体平衡分析结果的高可视化显示。

所述系统采取语音提示方法，通过控制计算机记录卒中患者的身高、年龄、性别与体重，并高可视化地显示在显示装置上。

所有测试动作均采用控制计算机语音提示的方法，提示脑卒中患者完成相应的动作，如闭眼站立，下蹲动作；由Kinect体感摄像机检测人体姿态及关节角度信息，判断动作是否完成，控制计算机自动记录和保存数据，分析数据，结合已知人体平衡分析方法，得出人体平衡评价结果，在显示屏上显示。

所述系统针对传统视觉干扰方案的不足，采用了VR眼镜来对受试者进行视觉的干扰，可以给受试者提供睁眼，闭眼以及不同速度的场景移动等多方面干扰，视觉干扰效果远远优于传统的视觉干扰方案。

所述系统的压力测试台可获取人体足底的压力中心轨迹数据，Kinect体感摄像机捕获人体的姿态信息，电子手环佩戴在患者的手腕上，检测患者的心跳和血压，电极片贴于患者腿部，采集患者的腿部肌电信号，VR眼镜佩戴于患者头部提供视觉干扰，所有测量信号经处理后，最终变为数字信号传递给控制计算机，由控制计算机分析得到人体平衡的评价结果并在显示器上显示。

所述系统能够在患者完成规定的动作时，自动记录和保存患者的足底压力中心轨迹、心率、血压、腿部肌电信号、关节角度姿态信息，并且由控制计算机及时分析数据，将平衡分析结果显示在显示屏上。

所述系统通过Kinect体感摄像机与基于Unity软件设计出的虚拟体感训练游戏，构建友好的人机交互平台，实现脑卒中患者的趣味平衡训练，有效提高其康复效率。

所述系统设计有多种不同难度的体感游戏，根据受试者的平衡评价等级，给受试者提供不同难度的体感游戏选择，对受试者进行趣味康复训练，提高受试者主动训练的积极性。

所述系统通过如前所述的多个传感器测量相关信号，以及患者经过系统语音提示后，主动输入的信息，最终可以记录患者的年龄、性别、身高、体重、压力中心轨迹、血压、心率、腿部肌电信号、身体关节角度的信息，能够给出判断脑卒中患者人体平衡的标准，能够提供康复训练和判断训练结果的好坏。

本发明公开了一种全向移动的脑卒中患者平衡能力评测与训练系统，优势在于：其克服了传统平衡评测及训练系统价格昂贵、移动不便、测试流程复杂、交互性低、视觉干扰实验方案单一、训练方式单一等缺点；采用多模态信号分析的方法，使评测结果更加具有说服力；采用VR眼镜作为视觉干扰装置，使视觉干扰方式更加全面，从而使评价结果更为可靠；采用虚拟游戏的方式进行康复训练，训练方式多样，提高了患者主动训练的积极性，且训练效果更好；采用系统语音提示的方法进行交互，使患者能够轻松的了解测试流程；采用电子手环和吊带的安全措施，使患者进行测试时更加安全；采用肌电信号作为康复训练结果的参考，使康复训练结果更加具有说服力。

附图说明

图1为全向移动的脑卒中患者平衡能力评测与训练系统的结构图。

图2为全向移动的脑卒中患者平衡能力评测与训练系统的使用流程图。

具体实施方法

如图1所示的一种全向移动的脑卒中患者平衡能力评测与训练系统，其结构包括固定装置(1)，安全装置(2)，移动装置(3)，数据采集装置(4)，数据处理与显示装置(5)，视觉干扰装置(6)。

如图1所示的固定装置由上承重板(1-1)、下承重板(1-2)、连接杆(1-3)组成，其中上、下承重板均由80cm*80cm*1cm的钢板制成，再由4根3m长铁制连接杆焊接，从而构成系统固定框架。

如图1所示的安全装置由悬挂于上承重板的吊带组成，吊带可调节长度；测试时，吊带应系于受试者腰部和肩部，吊带长度应保证受试者做跪倒动作时，膝盖不触及压力测试台。

如图1所示移动装置由安装于下承重板的四个自锁万向轮组成；测试时，应保证自锁万向轮为锁住状态。

如图1所示的数据采集装置由压力测试台(4-1)、Kinect摄像机(4-2)、电子手环(4-3)、肌电信号采集器(4-4)组成；其中，压力测试台固定于下承重板中心，Kinect摄像机由三脚架固定于受试者正后方1.5m处，电子手环佩戴于患者手腕，电极片贴于患者腿部股二头肌处，电极片粘贴时，应保证粘贴部位清洁。

如图1所示的压力测试台由四个压力传感器和承重踏板组成，固定于下承重板中心；人体站立于压力测试台上时，可实时获取人体站姿的COP轨迹信息，Kinect体感摄像机能够实时捕捉人体的姿态信息，电子手环能够实时检测患者的心率、血压信息，肌电信号采集器能够采集到粘贴于患者大腿后侧股二头肌的电极片传来的肌电信号信息，再由专门的上位机软件进行分析处理，其中COP轨迹信息、人体姿态信息、肌电信号信息、心率、血压信息经蓝牙传输给控制计算机进行处理。

如图1所示的数据处理与显示装置由一台控制计算机构成，通过固定在下承重板上的固定支架，使显示屏固定于受试者正前方0.5m处，所得人体姿态信息由已知算法判断受试者姿势是否到位，所得COP轨迹信息、肌电信号信息经自主设计的数据处理算法，以受试者的COP总轨迹长和肌电信号均方根值作为特征，能够给出脑卒中患者的平衡评价结果和康复训练评价结果，实时的显示在显示屏幕上。

如图1所示的视觉干扰装置采用VR眼镜，佩戴于患者的眼部；测试时，由VR眼镜中的虚拟动画给予患者全方面的视觉刺激效果。

如图1和图2所示的该系统工作原理是：测试时，受试者应佩戴好安全装置和电子手环，双脚光脚站立于压力测试台中心，根据语音提示，输入受试者自身信息，选择工作模式，测试时，受试者根据提示，做出相应的动作，由数据采集装置采集相应的数据信息，经过控制计算机处理分析，给出人体平衡的评价结果或训练评价结果，实时显示在显示屏幕上。

所述系统的总体评价方案是基于人体光脚站在压力测试台上完成设定好的动作任务，绘制人体的压力中心轨迹图；控制计算机计算出人体的压力中心总轨迹长，作为人体平衡能力评价的特征参数；由已设计的评分标准，给出人体平衡的评价结果，显示在显示屏上；电极片贴于人体大腿后侧股二头肌处，由肌电信号采集器得到人体下肢股二头肌的肌电信号，以肌电信号均方根值为作为评价人体平衡训练结果的参考。

所述系统的人体平衡能力评价采用人体COP总轨迹长作为特征参数，以承重踏板的中心(即四个压力传感器分布的中心)为原点，受试者站立的正前方为x轴，左侧为y轴，其COP总轨迹长度L的计算方法为。

所述系统的人体平衡能力评价规则是依据正常人COP总轨迹长度近似符合正态分布，采用统计学方法计算出正常人参考范围，受试者的总轨迹长度越长，人体平衡能力越差；人体平衡的正常值参考范围是通过大量正常人的实验数据，选取u±1.96σ范围内作为标准，并以R值划分为A(80分以上),B(60-80分),C(40-60分),D(20-40分)和E(20分以下)五个等级，其分值越高，平衡能力越好；其中u为数据的均值，σ为数据的标准差，评分R的计算公式如下。

所述系统评价脑卒中患者的平衡训练效果规则是依据康复期脑卒中患者患侧股二头肌肌电信号的均方根值，作为康复训练结果好坏的参考；若训练后股二头肌肌电信号的均方根值增大，越接近正常人参考范围，则证明康复训练结果良好；正常人参考范围是通过大量正常人做相应动作的实验数据，选取m±1.96s作为标准，m为数据特征值的均值，s为数据特征值的标准差；采集患者股二头肌的肌电信号为u，采样点个数为N，股二头肌肌电信号均方根值U_rms计算方法如下。

具体实施例

开始测试时，锁住万向轮使测试平台固定，医护人员帮助脑卒中患者光脚站立于压力测试台上方，通过控制计算机语音提示患者在显示屏幕上选择性别、年龄、身高、体重等个人信息；医护人员为脑卒中患者在手腕处佩戴手环，在患者腰部和肩部系安全吊带，应保证患者做跪倒动作时，膝盖不触及压力测试台；佩戴完成之后，由患者在触摸屏幕上选择输入自己的个人信息；完成信息录入后，提示患者在显示屏上选择训练模式或测试模式；但无论测试模式还是训练模式，电子手环实时检测患者的心率和血压，超出危险值时，手环发出警报，提示患者停止测试，作为患者身体状况的安全预警。

当选择测试模式时，系统提示患者佩戴VR眼镜，系统根据已经设计好的测试动作，语音提示患者做出相应的动作，由Kinect体感摄像机判断动作是否完成，系统语音提示患者动作开始，开始记录数据，记录完成，语音提示动作结束，提示患者进行下一个动作，所有动作完成之后，计算机分析所得数据，在显示屏幕上给出脑卒中患者的平衡能力评价结果。

当选择训练模式时，应由医护人员将电极片贴于患者大腿后侧股二头肌处之后开始训练，使用基于Unity软件设计的游戏在VR眼镜中显示，由Kinect摄像机采集人体的姿态信息，检测动作是否完成；分为多款游戏，根据不同的平衡能力评测结果，推荐患者选择相应难度的游戏，如评测结果等级为E，则推荐患者选择难度为E的游戏来训练，进行虚拟游戏训练时，每个虚拟游戏根据患者的完成时间进行评分，用时较少出色的完成游戏任务记为优秀，刚好在规定的时间内完成任务记为良好，未能在规定的时间内完成任务记为差，当受试者游戏评分达到优秀的时候，记录一次训练完成，此时计算机分析患者股二头肌肌电信号均方根值较训练前是否提高；若训练完成之后，患者肌电信号均方根值比训练前有所提高，则此次训练记为通过，否则记为失败，若训练结果为通过，提示患者进行平衡测试，若未通过训练，提示患者继续训练；通过虚拟仿真游戏方式，提高了患者主动训练的积极性。

结束测试时，系统会自动按脑卒中患者个人信息将实验数据存档，建立患者康复训练档案，方便患者日后进行康复训练；医护人员帮助患者首先去除电极贴片，摘掉VR眼镜及电子手环，再脱掉吊带，帮助患者安全离开压力测试台。

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，本发明还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 (3)

1.本专利公开了一种全向移动的脑卒中患者平衡功能评测与训练系统，其结构包括固定装置，安全装置，移动装置，数据采集装置，数据处理与显示装置，视觉干扰装置；所有测量压力信号及人体动作信号经过处理后，通过蓝牙传输到控制计算机，基于数据分析，系统可自动给出卒中患者人体平衡的综合评价结果；结合压力测试台和Kinect体感摄像机，基于Unity 3D设计出人体平衡能力测试的虚拟动画场景，由患者腿部肌电信号特征作为康复训练结果的参考，患者的年龄、性别、身高、体重、压力中心轨迹、关节角度、心率、血压、肌电信号在测试过程中可被所述系统准确获取并记录，其评价结果也可在计算机屏幕上显示；基于计算机显示屏幕和VR眼镜，通过语音提示与受试者人机交互，所述系统也可实现脑卒中患者的平衡能力训练，并将患者所有相关人体平衡信息记录和保存在控制计算机中。

2.权利要求1所述的压力测试台可准确获取人体的压力中心轨迹数据，压力测试台下有一块承重板，承重板下方安装有四个自锁万向轮，作为移动装置，便于系统的全向移动及搬运；悬挂于上承重板的吊带作为患者测试时的安全保护装置，可防止患者摔倒；控制计算机安装在测试时患者的正前方，并固定于下承重板；显示屏幕为多点式触摸屏，作为患者使用的人机交互选项面板，通过语音提示方法，提示患者选择年龄、性别、身高、体重，并完成相应规定动作；Kinect体感摄像机放置于测试时患者的正后方，由三脚架固定，用于检测患者身体姿态信息，膝关节，踝关节，髋关节角度信息；电子手环戴于患者手腕上，检测患者的心跳和血压；电极贴片贴在患者腿部，用于检测患者下肢肌电信号。

3.权利要求1所述的脑卒中患者平衡能力康复训练方法是基于Unity 3D设计虚拟训练游戏，通过VR眼镜呈现不同的视觉游戏场景，产生对患者多方面的视觉干扰，并结合压力测试台和Kinect体感摄像机，使患者完成适用自身条件且多种难度的高沉浸感人体平衡能力训练任务。