CN113750346B - 一种面向脑功能认知障碍人群的训练装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向脑功能认知障碍人群的训练装置，包括分别与控制器连接的手柄和键盘组件，手柄内部设有无线模块和AD转换模块，手柄外侧设有第一压力传感器，手柄一端设有第二压力传感器，第一压力传感器和第二压力传感器均与AD转换模块连接，AD转换模块与无线模块连接，无线模块通过控制器与键盘组件连接。利用侧部和底部均带有压力传感器的手柄获取训练者握持手柄时的握力和手柄触碰键盘时的压力，通过获取键盘被按下时的位置和时间帮助训练者提升认知能力。

Description

一种面向脑功能认知障碍人群的训练装置

技术领域

本发明涉及康复训练领域，具体为一种面向脑功能认知障碍人群的训练装置。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

人体的认知能力和上肢运动能力存在“一损俱损”的现象，认知能力下降引起上肢运动能力下降引发行为障碍；对于脑功能障碍的人群，由于病理原因的脑功能障碍会导致人的记忆能力损失，引起注意力、语言流程性、视空间能力、执行能力等能力下降，人体依靠自身的认知能力可以对抗病理侵害和自然老化引起的认知下降，但在运动方面，由于认知下降，易出现缺乏主动性、无法理解康复训练任务、无法完成指定康复训练时长、执行能力较差等问题，会发展为行为障碍。

临床研究中，常见的认知训练方法有经颅直流电刺激(transcranial directcurrent stimulation,tDCS)、经颅磁刺激(transcranial direct current stimulation,tDCS)、物理刺激(如声音、光照、温度、电等)、以及传统的认知训练(视知觉训练、听知觉训练、记忆力训练、执行力训练)方式。

经颅直流电刺激起效快，但是效果维持时间不理想，经颅磁刺激有诱发癫痫的风险，而且设备便携性较差；物理刺激方法简单，但容易受到环境影响，且能够调节的认知能力有限；传统认知训练有效时间较长，但所耗费的训练时间也相对较长。

现有技术应用的上肢训练方法包括有氧运动、等速肌力训练、抗阻训练以及治疗师辅助作业治疗训练等，这类训练方式中，由于训练者自身存在脑功能障碍引发的认知能力下降，因此缺乏积极性，无法完整的完成训练，进而引发训练反馈不及时、训练难度调整情况不理想、训练模式和动作单一等问题。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种面向脑功能认知障碍人群的训练装置，利用侧部和底部均带有压力传感器的手柄获取训练者握持手柄时的握力和手柄触碰键盘时的压力，通过获取键盘被按下时的位置和时间帮助训练者提升认知能力。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种面向脑功能认知障碍人群的训练装置，包括分别与控制器连接的手柄和键盘组件，手柄内部设有无线模块和AD转换模块，手柄外侧设有第一压力传感器，手柄一端设有第二压力传感器，第一压力传感器和第二压力传感器均与AD转换模块连接，AD转换模块与无线模块连接，无线模块通过控制器与键盘组件连接。

手柄为空心圆筒型，第一压力传感器沿手柄圆周方向均匀布置，第二压力传感器位于手柄轴向方向一端。

第一压力传感器获取手柄被握持的压力，第二压力传感器获取手柄末端接触键盘面板时的压力。

键盘组件包括与面板连接的触发开关、电源和蜂鸣器，面板背侧连接LED组件。

面板的每一个按键均与触发开关连接，触发开关基于手柄末端按压按键发出触发信号，向蜂鸣器和对应的LED组件发出触发信号。

LED组件接收触发信号亮起或熄灭。

键盘组件还具有时间传感器，时间传感器获取触发开关的动作时间、LED组件亮起和熄灭的时间和蜂鸣器发出声音信号的时间。

控制器设有输入装置，通过输入装置将设定的键盘组件按压组合输入到控制器中，控制器基于设定的键盘组件按压组合，向键盘组件发出指令，使键盘组件对应的LED组件亮起或熄灭。

控制器将训练指令发送给键盘组件，键盘组件显示与训练指令对应的图形或数字；

手柄带有第二压力传感器的一端按压对应按键至LED组件熄灭；

处理器获取LED组件从亮起到熄灭的时间、LED熄灭的顺序、手柄外侧第一压力传感器检测的握力值以及第二压力传感器检测的压力值；

利用已构建的多模态学习深度神经网络模型实现脑功能认知障碍训练。

与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、训练装置适合脑功能障碍人群的交互方式，符合脑功能障碍人群的认知和行为训练规律。

2、利用输入装置设定不同的键盘亮起顺序对处于不同脑功能障碍阶段的训练者提供差异化的训练方案，阶梯化训练难度，有利于医师对康复训练任务规划。

3、按压键盘的压力和手柄承受的握力形成压力信号，压力信号的大小和训练者的康复水平有一定的映射关系，通过已建立的神经网络映射模型，压力大小可以体现康复水平。

4、通过键盘位置数据可以统计训练任务的应答准确率，准确率越高，说明训练者参加康复训练后的认知水平越高，按压的越准确，相应的从LED亮起到被按压熄灭的时间越短。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明一个或多个实施例提供的手柄结构示意图；

图2是本发明一个或多个实施例提供的键盘面板结构示意图；

图3是本发明一个或多个实施例提供的多模态学习深度神经网络模型结构示意图；

图中：1-手柄；2-无线模块；3-AD转换模块；4-第一压力传感器；5-第二压力传感器；6-连接线。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

大脑组织结构和功能可塑性是康复训练的理论基础。人体正常的思维活动和肢体运动功能依赖于大脑各区域的协同作用，这种协同作用以大脑结构网络为生理基础，通过脑功能网络实现，脑功能网络重构在认知功能的恢复中起到关键作用。对于脑功能障碍而言，常见的脑功能疾病(如脑中风)会造成脑损伤引发脑部功能障碍，致使患者的认知和运动功能受损。

正如背景技术中所描述的，脑功能障碍的人群通过认知与上肢训练实现康复，而现有技术中的一些康复训练方式效果不理想，因此以下实施例给出了一种面向脑功能认知障碍人群的训练装置的硬件结构，利用侧部和底部均带有压力传感器的手柄获取训练者握持手柄时的握力和手柄触碰键盘时的压力，通过获取键盘被按下时的位置和时间帮助训练者提升认知能力。

实施例一：

如图1-3所示，本实施例的目的是提供一种面向脑功能认知障碍人群的训练装置，包括分别与控制器连接的手柄1和键盘组件，手柄1内部设有无线模块2和AD转换模块3，手柄1外侧设有第一压力传感器4，手柄1一端设有第二压力传感器5，第一压力传感器4和第二压力传感器5均通过连接线6与AD转换模块3连接，AD转换模块3与无线模块2连接，无线模块2通过控制器与键盘组件连接。

手柄1为空心圆筒型，第一压力传感器4沿手柄1圆周方向均匀布置，第二压力传感器5位于手柄1轴向方向一端。

键盘组件包括与面板连接的触发开关、电源和蜂鸣器，面板背侧连接LED组件。

第一压力传感器4获取手柄1被握持的压力，第二压力传感器5获取手柄1末端接触键盘面板时的压力。

面板的每一个按键均与触发开关和LED组件连接，触发开关获取按键按下产生的压力，发出触发信号，对应的LED组件熄灭。

键盘组件的形式如图2所示，本实施例中的键盘组件为一个可发光的键盘，键个数为16*16个，每个键盘大小不小于常见的机械键盘。

本实施例中，面上每个案件的排列间距与常见的电脑键盘相同，每个键盘均通过LED组件发出红色亮光(或其他任意颜色的光)，可以通过单片机控制每个键是否发光，键盘实现数字(0-9)或者字母(A-Z)显示(每次运行前可以通过控制器设置显示数字和字符的顺序及个数)。每个发光的按键按下后，LED组件熄灭，蜂鸣器发出一声提示音，如果未发光的按键被按下，提示音两声(或三声、四声等任意信号，也可以设置为LED组件闪烁或其他任意提醒)。

本实施例中，键盘组件的单片机为STM32型单片机，连接了CH452数码管控制驱动芯片。串口(有线)输出亮的键值，实时输出手柄按键的位置(记录手柄1按键的时间并随按下键的位置值一起发送给控制器)。

控制器还连接输入装置，通过输入装置将设定的键盘组件按压组合输入到控制器中，控制器基于设定的键盘组件按压组合，向键盘组件发出指令，使键盘组件对应的LED组件亮起或熄灭。

键盘组件还具有时间传感器，时间传感器获取触发开关的动作时间、LED组件亮起和熄灭的时间和蜂鸣器发出声音信号的时间。

本实施例中，手柄如图1所示，训练者握住手柄，利用手柄末端将键盘组件中发光的键盘一个一个按灭，操作期间手柄外侧的第一压力传感器4获取训练者手部的握力，手柄末端的第二压力传感器5获取按压键盘时的压力，键盘获取每一个按键被按下时的时间和按键的位置，利用LED灯熄灭提示按键正确，利用蜂鸣器发出声音信号提示按键错误，上述手柄外侧训练者手部的握力、手柄末端按压键盘时的压力、键盘按下时的时间和按键位置发送给控制器。

这里的正确和错误是相对于预先设定好的键盘LED亮起组合而言，利用通过输入装置设定键盘按照某个组合亮起LED组件，当亮起的按键被按下时认为按键是正确的，此时LED熄灭不发出声音；而如果未亮起的按键被按下，则认为按键错误，LED组件不动作蜂鸣器发出声音信号。

认知功能训练：按键键盘灯亮起后，受试者需要对亮起区域的位置，图形等进行感知和判断，为了增强训练效果，需要对图形进行记忆等，上述装置可以从注意力、感知觉、记忆力、思维力、情绪等方面进行认知能力训练，帮助训练者提升认知水平。

上肢训练：键盘组件上的LED亮起后，训练者根据任务去点击并熄灭亮起的键盘，进行X、Y和Z三个方向的运动，在此过程中可以增强受试者的上肢训练水平。

手柄内部的AD转换模块和无线发射模块，该模块可以将模拟量转换为数字量，然后将信号通过无线传输到控制器中(控制器有接收模块，串口输出)。

按压键盘的压力和手柄承受的握力通过模拟数字转换(AD)成数字信号，之后经过滤波提取精确的压力信号。压力信号的大小和病人的康复水平有一定的映射关系，正常人的握力和按压键盘时的压力与脑功能人群存在差异，通过神经网络建立映射模型，压力大小可以体现康复水平。

通过键盘位置数据可以统计训练任务的应答准确率，准确率越高，说明训练者参加康复训练后的认知水平越高，按压的越准确，从LED亮起到被按压熄灭的时间越短。

上述装置针对脑功能障碍的人群，开发适合其交互方式的上肢精细操作康复辅具，符合脑功能障碍患者的认知和行为训练规律。

对处于不同脑功能障碍阶段的患者提供差异化的训练方案，阶梯化训练难度，方便医师对患者康复训练任务规划。

可以通过结合脑功能评估技术和行为学数据，并与临床量表组合，形成主观-生理数据为一体的多模态、多角度、多手段的康复评估系统，有利于对患者多维度进行康复效果评估，为患者后续恢复提供有效建议，为医生规划训练任务提供参考指标。

利用上述装置实现脑功能认知障碍训练的方法，包括以下步骤：

通过控制器将训练指令发送给键盘组件，键盘组件显示与训练指令对应的图形或数字；

利用手柄带有第二压力传感器的一端按压对应按键至LED组件熄灭；

处理器获取LED组件从亮起到熄灭的时间、LED熄灭的顺序、手柄外侧第一压力传感器检测的握力值以及第二压力传感器检测的压力值；

利用已构建的多模态学习深度神经网络模型实现脑功能认知障碍训练。

通过对训练设备采集到的相关数据综合分析，得到受训者的反应时间和反应准确度等信息。受训者通过反复操作与练习，促进大脑与身体机能的协调能力，达到提高反应时间和准确度的训练目的。

本实施例采用多模态学习方法构建康复训练时训练者的脑功能的耦合强度数值、行为反应能力、主观心理评估得分与康复水平的映射关系的预测模型，多模态学习深度神经网络模型的架构如图3所示，思路如下：

通过分析多模态数据的格式和特点，建立多模态学习深度神经网络模型(Multimodal Learning Deep Neural Network，MDNN)，通过分析研究输入层与隐藏层之间的连接方式，设计神经元连接规则。为使MDNN可以根据不同模态数据的输入特点学习所有模态的融合抽象特征，在该层加入多模态结构正则项来优化该层的权值参数。

利用用户行为数据(实施例一获取的压力值、按键顺序、时间等数据)，脑功能数据(参训者训练期间大脑表现出出的医学特征)和主观量表调查数据分别构建用于神经网络模型的优化和训练的代价函数，训练完毕后的神经网络模型利用实施例一获取的数据作为模型的输入，输出参训者的康复功效水平。

该方法使MDNN根据不同模态输入的特点及其与心理健康水平的相关性，学习所有模态的高层融合抽象特征，增强不同模态数据之间的互补性和交互性，提高心理健康水平识别精度。通过训练实验，分析不同的多模态输入层结构、正则项系数及多模态网络结构对映射关系有效性的影响。

现阶段针对脑功能障碍患者的康复水平评估主要由医生主观评估、量表评估和患者主动报告等形式，利用上述实施例一中的装置获取的按键压力值、按键顺序和按键时间等数据更加客观，能够从用户行为的角度帮助医生评估患者康复水平。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种面向脑功能认知障碍人群的训练装置，其特征在于：包括分别与控制器连接的手柄和键盘组件，手柄内部设有无线模块和AD转换模块，手柄外侧设有第一压力传感器，手柄一端设有第二压力传感器，第一压力传感器和第二压力传感器均与AD转换模块连接，AD转换模块与无线模块连接，无线模块通过控制器与键盘组件连接；

所述手柄为空心圆筒型，第一压力传感器沿手柄圆周方向均匀布置，获取手柄被握持的压力；第二压力传感器位于手柄轴向方向一端，获取手柄末端接触键盘面板时的压力；

所述键盘组件的面板的每一个按键均与触发开关连接，触发开关基于手柄末端按压按键发出触发信号，向蜂鸣器和对应的LED组件发出触发信号，LED组件接收触发信号亮起或熄灭；

控制器将训练指令发送给键盘组件，处理器获取LED组件从亮起到熄灭的时间、LED熄灭的顺序、第一压力传感器检测的握力值以及第二压力传感器检测的压力值，利用已构建的多模态学习深度神经网络模型实现脑功能认知障碍训练。

2.如权利要求1所述的一种面向脑功能认知障碍人群的训练装置，其特征在于：所述键盘组件包括与面板连接的触发开关、电源和蜂鸣器，面板背侧连接LED组件。

3.如权利要求1所述的一种面向脑功能认知障碍人群的训练装置，其特征在于：所述键盘组件还具有时间传感器，时间传感器获取触发开关的动作时间、LED组件亮起与熄灭的时间和蜂鸣器发出声音信号的时间。

4.如权利要求1所述的一种面向脑功能认知障碍人群的训练装置，其特征在于：所述控制器设有输入装置，通过输入装置将设定的键盘组件按压组合输入到控制器中。

5.如权利要求4所述的一种面向脑功能认知障碍人群的训练装置，其特征在于：所述控制器基于设定的键盘组件按压组合，向键盘组件发出指令，使键盘组件对应的LED组件亮起或熄灭。

6.如权利要求1所述的一种面向脑功能认知障碍人群的训练装置，其特征在于：所述控制器将训练指令发送给键盘组件，键盘组件显示与训练指令对应的图形或数字；

手柄带有第二压力传感器的一端按压对应按键至LED组件熄灭；

处理器获取LED组件从亮起到熄灭的时间、LED熄灭的顺序、手柄外侧第一压力传感器检测的握力值以及第二压力传感器检测的压力值；

利用已构建的多模态学习深度神经网络模型实现脑功能认知障碍训练。

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