CN111888729A - 一种基于定向运动的认知和上肢综合训练装置 - Google Patents

一种基于定向运动的认知和上肢综合训练装置 Download PDF

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Abstract

一种基于定向运动的认知和上肢综合训练装置，包括桌面沙盘及握持手柄，其特征在于：所述桌面沙盘为提供视觉与触觉的人机交互式反馈界面，所述握持手柄为人机交互部件，患者握住握持手柄进行互动训练，握持手柄内置状态显示灯、电池模块、压电握力传感器、RFID系统标签读取装置。本发明的基于定向运动的认知和上肢综合训练装置具有结合手眼协调训练，同步强化患者的认知及上肢运动能力，训练患者持续注意力、瞬时记忆力、反应判断力、识别能力和定向能力，通过定向运动促进患者个性化、重复、自主地完成各种上肢功能训练，诱发肌肉的主动运动，防止关节挛缩，智能硬件给予患者及时的视觉反馈和纠错提醒来增加训练的积极性和有效性的优点。

Description

一种基于定向运动的认知和上肢综合训练装置
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，具体地说，是一种基于定向运动的认知和上肢综合训练装置。
背景技术
当前康复市场，上肢训练主要通过传统作业疗法道具及智能交互装置两类产品。
传统作业疗法多以物理的方式使用各类治疗道具来模拟日常生活当中的抓取、移动、旋转等动作，从而达到康复训练的目的。传统作业疗法道具种类繁多，但存在功能单一、扩展性差的问题，且多直接使用儿童玩具充当训练道具或以儿童玩具形态设计、不易吸引老年用户积极参与。
智能上肢训练设备往往能够实现多功能、多种类的康复训练，以MindMotion Go为例，MindMotion Go是MindMaze公司的一个游戏化的神经康复治疗平台，用于治疗中度和轻度脑损伤的患者的康复，并获得了获得FDA批准。MindMotion Go通过使用基于MicrosoftKinect的动作捕捉技术，MindMotion Go为患者提供了一系列活动，这些活动设置在虚拟现实的环境中，通过VR技术，以一个个的游戏化场景，可以促进患者运动和功能恢复。该类设备有效的解决了传统作业疗法的扩展性和老年用户吸引力的问题，但智能上肢训练设备也同时存在体量过大、移动性差、价钱昂贵及操作步骤繁琐、认知负担重等问题。
另外，现有的以上两类产品往往都需要康复师手把手进行一对一的治疗，康复周期长、见效慢、且人力成本过大，往往受限于康复师干预经验及患者依从性差异，训练效率及强度难以保证。老龄化背景下，轻度认知障碍、脑卒中偏瘫、外伤性脑损伤、神经障碍后上肢损伤等患者激增，市场供需严重不平衡现状下，家人缺乏专业康复陪护知识及专业设备支持，迫切需要一种高强度、高一致性、低成本的“机构+家庭”一体化远程支持方案。
FitMi-互动式全身中风康复系统是由FlintRehab公司开发的家用神经康复设备，一套设备共包括2台感应器、信号接收器、充电座和训练APP。该产品可以通过与家用计算机相连，利用训练APP和感应器实现视觉、听觉和触觉的多感官反馈。患者可以自行将设备与计算机相连后，通过APP选择训练方案，并根据APP的指示操作感应器锻炼，从而达到康复训练的目的。这类产品解决了康复师手把手进行一对一的治疗过程，但是仍然无法脱离个人电脑，对老年患者和不熟悉电子设备使用的患者造成了一定的困难。
因此已知的上肢康复训练装置存在着上述种种不便和问题。
发明内容
本发明的目的，在于提出一种通过低成本智能硬件，可灵活匹配轻度认知障碍及上肢损伤患者康复需求的基于定向运动的认知和上肢综合训练装置。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种基于定向运动的认知和上肢综合训练装置，其特征在于：包括桌面沙盘及握持手柄，
所述桌面沙盘为提供视觉与触觉的人机交互式反馈界面，桌面沙盘包括表面层、包覆层、内层，包覆层包括由织物缝制成表层和底层；表层外表面的表面层贴有若干柔性OLED发光贴片，发光贴片发出多种颜色的光，以显示信息；内层设置RFID系统电子标签阵列、单片机处理器、蓝牙通信模块和电源，桌面沙盘由电源供电，由蓝牙通信模块负责单片机处理器与握持手柄通信；所述单片机处理器通过两个系统的接触交互和实时通信可间接计算测量握持手柄的定向运动速度、基于某个模式握持手柄在沙盘轨迹中的定向位置准确度、运动连贯性指标，并控制沙盘轨迹中柔性OLED发光贴片发光以提示患者上肢运动位置，并通过蓝牙通信模块向握持手柄反馈患者运动结果，并由状态显示灯显示；
所述单片机处理器或者握持手柄内有位置信息存储模块，预烧制有桌面沙盘格子矩阵中对应的位置信息(列、行)；每个格子独立，对应一个RFID标签，每个标签有自己天线，且每个标签具有唯一的电子编码，其ID芯片内已写入有桌面沙盘格子矩阵中对应的位置信息(列、行)；
所述握持手柄为人机交互部件，患者握住握持手柄进行互动训练，握持手柄内置状态显示灯、电池模块、压电握力传感器、RFID系统标签读取装置，所述RFID系统标签读取装置用于读取所述电子标签阵列信息并与所述蓝牙通信模块通信，所述内置状态显示灯用于指示患者所做训练动作是否正确；
其中：若干柔性OLED发光贴片与内层设置RFID系统电子标签配合布置，标签和通讯模块安装在桌面沙盘中，读取装置安装在手持握把中，标签进入读取装置发出的磁场后，接收读取装置发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(阵列中的位置信息)，无源标签或被动标签，读取装置读取信息并解码后，送至系统的信息处理中心进行有关数据处理通讯模块在标签和读取装置间传递射频信号，用于对患者操作握把所经过的位置做精确定位。
进一步的，所述单片机处理器或者握持手柄内有握持力度检测模块，其连接握持传感器；由传感器采集压力并提供于握持力度检测模块判断是否达到设定值，未达值则系统提示；患者可使用一只手或者两只手一起握住握持模块。
进一步的，所述单片机处理器或者握持手柄内有多个路径轨迹规划模块，并供选择；运行中，所述根据选择路径在沙盘格子矩阵中对应的位置信息任一点可以作为起始点，符合规划轨迹则经过的每个格子显亮，如此根据不同的亮灯模式进行上肢的定向运动来描绘出亮灯的路径；进一步的，每个LED灯的亮灯模式分为持续亮灯、亮起后熄灭、亮起后患者触碰熄灭、亮起不同颜色的灯；满足设定的标准(s\t\v\f)并完成轨迹则以亮灯显示或者音乐形式提示成功，以激励患者持续挑战，否则提示重新选择路径轨迹，重新开始。
所述标准的判别：握持者划过桌面沙盘格子的跨度s、时长t、速度v、握持力度f，都满足设定的初始值，则说明通过，否则给出提示未达标项和提示重新选择路径轨迹启动第二次训练游戏项目。速度v＝s/t；跨度s＝格子数量n*单位格子尺寸边长x。举例而非限制，单位格子为正方形。
本发明的基于定向运动的认知和上肢综合训练装置还可以采用以下的技术措施来进一步实现。
前述的基于定向运动的认知和上肢综合训练装置，其中所述织物为防水织物。
前述的基于定向运动的认知和上肢综合训练装置，其中所述柔性OLED发光贴片使用OLED技术在柔性塑料或者金属薄膜上制作显示器件，将小片的柔性OLED显示屏矩阵式排列贴在织物表面达到显示信息的功能。
前述的基于定向运动的认知和上肢综合训练装置，其中所述RFID电子标签系统由标签、读取装置和通讯模块组成，通过射频信号来识别目标对象并获取相关数据。
采用上述技术方案后，本发明的基于定向运动的认知和上肢综合训练装置具有以下优点：
1、结合手眼协调训练，同步强化患者的认知及上肢运动能力，训练患者持续注意力、瞬时记忆力、反应判断力、识别能力和定向能力；
2、通过定向运动促进患者个性化、重复、自主地完成各种上肢功能训练，诱发肌肉的主动运动，防止关节挛缩；
3、智能硬件给予患者及时的视觉反馈和纠错提醒来增加训练的积极性和有效性。
需要说明的是，本申请的创新在产品构造及使用设计上，而非硬件本身。
附图说明
图1为传统作业疗法训练道具示意图；
图2为已知的神经康复平台MindMotion Go产品示意图；
图3为已知的FitMi-互动式全身中风康复系统示意图；
图4为本发明实施例的认知和上肢综合训练装置的展开状态下结构示意图；
图5为本发明实施例的认知和上肢综合训练装置的卷曲收纳后的示意图，可以手持卷曲的装置；
图6为本发明实施例的认知和上肢综合训练装置的分层结构与手持握柄结构示意图；
图7为本发明实施例的认知和上肢综合训练装置的卷曲收纳后的示意图；
图8为本发明实施例的认知和上肢综合训练装置的电路原理示意图；
图9为本发明实施例的认知和上肢综合训练装置的手持握柄的患者手持示意图；
图10为本发明实施例的认知和上肢综合训练装置的多种有利于使用者康复锻炼的游戏形式(水平路径、垂直路径、特点曲线等示意图)；
图11为本发明实施例的认知和上肢综合训练装置的训练步骤流程图。
图中：1柔性OLED发光贴片，2防水织物表面，3电源插头，4手持握柄，4-1状态显示灯，4-2手持握柄电池模块，4-3压电握力传感器，4-4RFID系统标签读取装置，5RFID系统电子标签阵列，6电源模块，7蓝牙通信模块，8单片机处理器，9防水织物衬底。
具体实施方式
以下结合实施例及其附图对本发明作更进一步说明。
实施例1
本发明的基于定向运动的认知和上肢综合训练装置包括设有桌面沙盘及握持手柄。
现请参阅图4和图5，图4为本发明实施例的认知和上肢综合训练装置的展开状态下结构示意图，图5为本发明实施例的认知和上肢综合训练装置的卷曲收纳后的示意图，可以手持卷曲的装置。如图所示，所述桌面沙盘为相应交互式界面，为患者提供视觉与触觉的交互式反馈，由防水织物缝制而成，防水织物表面2有柔性OLED发光贴片1，可以发出多种颜色的光，从而达到显示信息的功能，同时保持了本发明设计整体的柔性便携。
图6为本发明实施例的认知和上肢综合训练装置的分层结构与手持握柄结构示意图。认知和上肢综合训练装置的内层布置RFID系统电子标签阵列5，单片机处理器8，蓝牙通信模块7和电源模块6。本认知和上肢综合训练装置产品由电源插头3供电，通过蓝牙通信模块7负责单片机处理器8与握持手柄等其他设备通信；所述单片机处理器可以用来间接测量定向运动速度、定向位置准确度、连贯性等指标，并控制柔性OLED发光贴片发光以提示患者上肢运动位置，并通过蓝牙通信模块反馈患者运动结果，并由状态显示灯显示。防水织物衬底9由防水织物缝制而成，柔性毯状方便携带和使用。图7为本发明实施例的认知和上肢综合训练装置的卷曲收纳后的示意图。
所述握持手柄4，为本发明设计的交互部件，通过患者握持，从而进行互动训练。内置状态显示灯，手持握柄电池模块4-2，压电握力传感器4-3及RFID系统标签读取装置4-4，所述RFID系统标签读取装置用于读取所述电子标签阵列信息并与所述蓝牙通信模块7通信，所述内置状态显示灯4-1用于指示患者所做训练动作是否正确。
柔性OLED发光贴片，是利用柔性OLED(FOLED)显示技术(使用OLED技术在柔性塑料或者金属薄膜上制作显示器件)，将小片的柔性OLED显示屏矩阵式排列贴在织物表面，从而达到显示信息的功能，多用于手机、显示器等数码产品的画面显示。采用该技术能够同时保持了本发明设计整体的柔性便携。
RFID电子标签系统是一种自动识别技术，通过射频信号来识别目标对象并获取相关数据。RFID电子标签系统是由标签、读取装置和通讯模块组成。每个格子独立，对应一个标签，每个标签有自己天线，且每个标签具有唯一的电子编码，其ID芯片内已写入有桌面沙盘格子矩阵中对应的位置信息(列、行)，并附着在游戏盘实际物体上各个格子中(即标识目标对象)；读取装置是握持手柄用于读取标签位置信息；通讯模块在标签和读取装置间传递射频信号。RFID电子标签系统的基本工作原理是游戏盘上各个静止的标签进入移动来的极近距离的握持手柄读取装置发出的磁场后，接收握持手柄读取装置发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息；握持手柄读取装置读取信息并解码后，送至单片机系统的信息处理中心进行有关数据处理，以实现对患者操作握把所经过的位置做精确定位。
图8为本发明实施例的认知和上肢综合训练装置的电路原理示意图，图9为本发明实施例的认知和上肢综合训练装置的手持握柄的患者手持示意图，
图10为本发明实施例的认知和上肢综合训练装置的多种有利于使用者康复锻炼的游戏形式(水平路径、垂直路径、圆周路径、特点曲线等示意图)，举例而非限定，多种游戏训练模式软件部分预先烧制于单片机控制模块中
图11为本发明实施例的认知和上肢综合训练装置的训练步骤流程图。根据患者的身体状况选择适宜训练项目，举例而非限定，首先选择第一组训练项目“水平路径”，应用设计及使用方式为：根据个体化治疗需要，游戏软件控制水平路径上，符合运动轨迹的OLED格子连续或间隔亮灯，亮灯图形的空间跨度、时长及速度匹配预先设定好的难度级别，提供具备动态美感的的亮灯色彩反馈(持续亮灯、亮起后熄灭、亮起后患者触碰熄灭、亮起特定动态图形的氛围灯组)，辅助使用者自主完成难度进阶提升的大臂及小臂运动。
单片机控制模块中预设有握持力度检测模块，其连接握持传感器；由传感器采集压力并提供于握持力度检测模块判断是否达到设定值，未达值则系统提示；患者可使用一只手或者两只手一起握住握持模块；
预设有多个路径轨迹规划模块，并供选择；运行中，所述根据选择路径在沙盘格子矩阵中对应的位置信息任一点可以作为起始点，符合规划轨迹则经过的每个格子显亮，如此根据不同的亮灯模式进行上肢的定向运动来描绘出亮灯的路径；进一步的，每个LED灯的亮灯模式分为持续亮灯、亮起后熄灭、亮起后患者触碰熄灭、亮起不同颜色的灯；满足设定的标准(s\t\v\f)并完成轨迹则以亮灯显示或者音乐形式提示成功，以激励患者持续挑战，否则提示重新选择路径轨迹，重新开始。
所述标准的判别：握持者划过桌面沙盘格子的跨度s、时长t、速度v、握持力度f，都满足设定的初始值，则说明通过，否则给出提示未达标项和提示重新选择路径轨迹启动第二次训练游戏项目。速度v＝s/t；跨度s＝格子数量n*单位格子尺寸边长x。举例而非限制，单位格子为正方形。
以上技术方案，有益效果：患者在运动握持模块的时候，可以提高患者的运动控制能力(其中包括肩关节上举、前屈、后伸、外展、内收、旋外、旋内；肘关节屈曲、伸展的关节活动),手的抓握及放松能力,在活动中还要求患者对空间关系有正确的认识，如水平路径、垂直路径、画圈路径、蛇形路径等。
本装置基于定向运动融合认知及上肢运动训练，通过低成本智能硬件，可灵活匹配轻度认知障碍及上肢损伤患者需求。
本发明具有实质性特点和显著的技术进步，本发明的基于定向运动的认知和上肢综合训练装置，融合认知及上肢运动训练，通过低成本智能硬件，可灵活匹配轻度认知障碍及上肢损伤患者需求。
进一步优化和开发技术方案，医护人员在远程管理平台上可以调节训练模式(即亮灯模式)来控制训练难度、时长和速度，从而对不同的患者进行个性化的训练和电子档案管理。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求限定。

Claims (5)

1.一种基于定向运动的认知和上肢综合训练装置，其特征在于：包括桌面沙盘及握持手柄，
所述桌面沙盘为提供视觉与触觉的人机交互式反馈界面，桌面沙盘包括表面层、包覆层、内层，包覆层包括由织物缝制成表层和底层；表层外表面的表面层贴有若干柔性OLED发光贴片，发光贴片发出多种颜色的光，以显示信息；内层设置RFID系统电子标签阵列、单片机处理器、蓝牙通信模块和电源，桌面沙盘由电源供电，由蓝牙通信模块负责单片机处理器与握持手柄通信；所述单片机处理器通过两个系统的接触交互和实时通信可间接计算测量握持手柄的定向运动速度、基于某个模式握持手柄在沙盘轨迹中的定向位置准确度、运动连贯性指标，并控制沙盘轨迹中柔性OLED发光贴片发光以提示患者上肢运动位置，并通过蓝牙通信模块向握持手柄反馈患者运动结果，并由状态显示灯显示；
所述单片机处理器或者握持手柄内有位置信息存储模块，预烧制有桌面沙盘格子矩阵中对应的位置信息(列、行)；每个格子独立，对应一个RFID标签，每个标签有自己天线，且每个标签具有唯一的电子编码，其ID芯片内已写入有桌面沙盘格子矩阵中对应的位置信息(列、行)；
所述握持手柄为人机交互部件，患者握住握持手柄进行互动训练，握持手柄内置状态显示灯、电池模块、压电握力传感器、RFID系统标签读取装置，所述RFID系统标签读取装置用于读取所述电子标签阵列信息并与所述蓝牙通信模块通信，所述内置状态显示灯用于指示患者所做训练动作是否正确；
其中：若干柔性OLED发光贴片与内层设置RFID系统电子标签配合布置，标签和通讯模块安装在桌面沙盘中，读取装置安装在手持握把中，标签进入读取装置发出的磁场后，接收读取装置发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(阵列中的位置信息)，无源标签或被动标签，读取装置读取信息并解码后，送至系统的信息处理中心进行有关数据处理通讯模块在标签和读取装置间传递射频信号，用于对患者操作握把所经过的位置做精确定位。
2.如权利要求1所述的基于定向运动的认知和上肢综合训练装置，其特征在于，
所述单片机处理器或者握持手柄内有握持力度检测模块，其连接握持传感器；由传感器采集压力并提供于握持力度检测模块判断是否达到设定值，未达值则系统提示；患者可使用一只手或者两只手一起握住握持模块。
3.如权利要求1所述的基于定向运动的认知和上肢综合训练装置，其特征在于，
所述单片机处理器或者握持手柄内有多个路径轨迹规划模块，并供选择；运行中，所述根据选择路径在沙盘格子矩阵中对应的位置信息任一点可以作为起始点，符合规划轨迹则经过的每个格子显亮，如此根据不同的亮灯模式进行上肢的定向运动来描绘出亮灯的路径；进一步的，每个LED灯的亮灯模式分为持续亮灯、亮起后熄灭、亮起后患者触碰熄灭、亮起不同颜色的灯；满足设定的标准(s\t\v\f)并完成轨迹则以亮灯显示或者音乐形式提示成功，以激励患者持续挑战，否则提示重新选择路径轨迹，重新开始。
4.如权利要求3所述的基于定向运动的认知和上肢综合训练装置，其特征在于，
所述标准的判别：握持者划过桌面沙盘格子的跨度s、时长t、速度v、握持力度f，都满足设定的初始值，则说明通过，否则给出提示未达标项和提示重新选择路径轨迹启动第二次训练游戏项目；速度v＝s/t；跨度s＝格子数量n*单位格子尺寸边长x。
5.如权利要求4所述的基于定向运动的认知和上肢综合训练装置，其特征在于，单位格子为正方形。
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