CN115364327A - 基于运动想象的手功能训练和评估康复手套系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于运动想象的手功能训练和评估康复手套系统，包括高精度压力传感器、压力采集和处理模块、虚拟现实头盔、运行虚拟现实严肃游戏的移动终端和康复手套。高精度压力传感器采集手指压力信号，压力采集和处理模块将压力传感器采集的指尖压力信号处理后，通过蓝牙发送给智能终端，将微小的手指压力映射为严肃游戏中虚拟手的运动，虚拟现实头盔和康复手套分别给予用户视听觉反馈和力触觉反馈。本系统中用户仅通过运动手指即可获得逼真的手部运动的感觉刺激，为运动功能严重不足的患者提供了康复可能性，此外系统会记录使用者的手指压力数据和严肃游戏完成情况，对用户的手功能进行评估或训练。

Description

基于运动想象的手功能训练和评估康复手套系统
技术领域
本发明涉及手功能康复系统，尤其涉及一种基于运动想象的手功能康复训练和评估系统。
背景技术
脑卒中是由于供应大脑的血管堵塞(缺血性中风)或脑出血(出血性中风)而导致脑组织损伤的急性脑血管疾病。中风可导致死亡或严重的神经损伤。80％的卒中后幸存者存在不同程度的运动功能损伤，其中超过60％的的患者进入慢性期后仍然持续存在各种挛缩和上肢运动功能不足，尤其是在手和腕部区。运动功能的损伤，使得这些患者不能独立进行进食、自理等日常生活活动。
镜像神经元的发现，为中风患者的康复提出了新的策略，镜像神经元系统在有无运动输入的条件下，均处于激活状态。基于镜像神经元，中风患者在运动功能损伤的情况下，也可以通过运动观察进入大脑运动皮层，实现自主功能的重建。这一过程称为运动想象。
目前已经有很多基于虚拟现实技术的手功能康复系统的设计和应用，根据交互方式的不同，可以分为以下三类：基于视觉交互的系统、基于机械结构交互的系统和柔性可穿戴康复系统。基于视觉交互的系统主要优点是受试者不需要佩戴相关的设备，或者仅需做一些简单的标记，这对一些运动功能严重不足的患者提供了一种康复可能性。目前在手功能康复领域使用最多的是Leap Motion和任天堂Wii。但是此类传感器精度不够高，难以获得精准的运动控制，而且没有力触觉反馈，对虚拟现实场景的沉浸感不够强。此外，这两种设备最开始主要用于游戏中的交互，设备不开源，导致基于这两种设备的虚拟现实开发难度较高，目前很多研究中使用的严肃游戏仅仅是这两种平台自带的商业游戏，针对性不足，不利于中风患者手功能的康复。基于机械结构的康复系统主要是一些机器人手臂，其优点是：首先对于运动能力不足的患者，机器人手臂可以辅助其完成相应动作，而且机器人有潜力提供持续时间更长的强化康复；其次，机器人便于提供力反馈，可以使得中风患者获得更加真实的感受。但是机器人辅助系统的问题是价格昂贵，可移植性很差，而且单个机械手臂针对的关节运动是有限的。很少有器械允许手臂的自由运动、手指的完全运动范围的控制，但是这些都是康复训练所必要的训练动作。基于柔性可穿戴的康复系统主要是数据手套等，其优点是价格便宜，容易开发和维护，对关节角度的跟踪准确度相对较高，而且便于携带，使用者可以在任何场合使用。但是手套需要佩戴，对运动功能严重不足的患者而言这不是一件易事。
发明内容
本发明的目的在于综合上述系统的优缺点设计了一种基于运动想象的手功能训练和评估康复手套系统。
本发明立足于运动想象，将微小的手指压力映射放大为虚拟手的运动，具体通过以下技术方案实现上述目的：
基于运动想象的手功能训练和评估康复手套系统，包括康复手套，包括手套、气囊连接件、气囊，其中气囊通过气囊连接件连接在手套的手掌区域，所述康复手套以抓握姿态放置在气囊上，并在指尖位置设置压力传感器，采集手指指尖压力信号；
手指压力采集和处理模块，接收压力传感器采集的信号，经过滤波放大处理后进行传输；
智能终端，运行虚拟现实严肃游戏，与手指压力采集和处理模块无线连接并接收压力数据，基于压力-运动控制算法控制虚拟场景中虚拟手的动作或姿态；记录测试过程压力数据和严肃游戏完成情况，实现对用户手功能的评估；
虚拟现实头盔，实现包括虚拟手的虚拟场景的立体显示，并给予用户听觉反馈。
还具有气囊控制部分，包括气压传感器、气泵和控制阀，气囊控制部分控制气泵以及控制阀实现对气囊进行充放气调节气囊压力，以实现不同硬度的物体的力触觉反馈。
压力-运动控制算法基于所述康复手套采集的指尖压力确定虚拟手的手指近端指间关节、远端指间关节和掌指关节的关节角度值，从而控制虚拟手的弯曲状态。
压力-运动控制算法的建立过程是：根据健康人手部弯曲状态的每根手指各关节运动参数模型，建立指尖压力和手指弯曲状态的对应函数关系，所述压力-运动控制算法可以根据训练或评估对象的手功能受限程度进行调节缩放比例。
健康人手部弯曲状态的手指关节运动参数模型具体为手指近端指间关节、远端指间关节和掌指关节的角度关系。
指尖压力和手指弯曲状态的函数关系为：指尖压力与掌指关节角度为线性关系。
压力-运动控制算法可以根据训练或评估对象的手功能受限程度进行调节缩放比例，具体为在训练或评估开始前标定每根手指在抓握中所能达到的最大指尖压力值，调整指尖压力和手指弯曲状态的函数关系使得所述最大指尖压力值对应手部弯曲状态的掌指关节最大角度。
虚拟现实严肃游戏包括
手势识别任务：根据给定的手势图片，控制左侧或右侧虚拟手完成同样的手势，评估内容包括成功完成的手势个数和完成时间。
物体抓握任务：控制虚拟手的动作完成物体抓握并保持一定的时间。
采用本发明基于运动想象的手功能训练和评估康复手套系统对手部功能受限个体进行训练或评估。
本发明的优点：
1)立足于运动想象疗法，将微小的手指压力映射为虚拟手的运动弯曲，在用户的手部功能有限、无法实现特定手势的情况下，能够实现虚拟手姿势的映射，帮助其建立自主运动想象；用户仅需轻微动作手指即可通过本系统进行训练和评估，为运动功能严重不足的患者提供了康复可能性，同时任务难度可调的虚拟现实严肃游戏方便给予用户针对性更强的训练。
2)在训练过程中，不仅能够给予用户视听觉反馈，还通过手掌气囊给予不同形式的力触觉反馈，帮助建立强烈的运动想象反应，增强对神经可塑性的诱导作用。
3)通过不同的任务结合设计，能够获得对手功能的比较全面的评估，不仅包括手指运动的稳定性、灵巧性，手指力量的大小和力量控制的稳定性评估，还能够评估单手指独立运动的能力以及多手指协同运动的能力。
4)对于手部功能受限的患者来说，正常人轻易做到的手势和动作变得非常困难，尤其是功能严重不足的患者。尽管通过训练能够加强手运动的控制能力，但是由于手部功能受限，患者无法明确清晰的主动实现大幅度的手指运动，使得训练和评估都十分困难，也难以制定评估标准。本研究通过采集手指压力，将微小的手指压力映射成虚拟手的运动，建立自主运动想象，为功能严重不足的患者手部功能的训练、评估提供了新的思路，具有广阔的应用前景。虚拟现实严肃游戏运行于智能终端，结构简单，携带方便，为家庭康复提供了方便。
5)可以根据患者的康复程度调整手指压力和虚拟手运动弯曲映射的缩放比例，始终为患者提供手灵活运动的视觉激励，提高康复训练的质量。
附图说明
图1为本发明的康复训练系统示意图；
图2为本发明的系统框图；
图3为本发明的结构示意图。
附图标记：
1、高精度压力传感器；2、控制单元；3、康复手套；4、智能终端；5、虚拟现实头盔；6、气囊及连接件；A、虚拟现实放大信号；B、强烈的手指运动；C、微小的手指运动。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1、图2所示，基于运动想象的手功能训练和评估康复手套系统，针对脑卒中手部运动障碍患者，通过运动想象增强对神经可塑性的诱导作用，包括高精度压力传感器1、手指压力采集和处理模块2、康复手套3、智能终端4和虚拟现实头盔5。
康复手套3包括手套、气囊连接件、气囊，其中气囊通过气囊连接件连接在手套的手掌区域，气囊连接件可以是织物、束带等结构，通过束带将气囊固定在手掌区域，如图2所示。康复手套3以抓握状态放置在气囊上，康复手套3至少有手指、手掌区域以及手腕部分。
高精度压力传感器1，分别位于康复手套3每个手指的指尖位置，采集用户的手指指尖/指腹按压的压力信号，采集量程为0-29.4N，并将压力信号转换为电压信号。高精度压力传感器1的具体位置可以根据用户手的尺寸作相应调整。在一个实施例中，为了减小对手指施压的阻碍，手套的手指部分仅保留指腹侧，手套的每根手指的指腹侧与气囊接触处设置压力传感器，将手套手指部分固定设置在气囊上。使用时，五个手指分别贴附于对应手套手指部分，可不受限制的微动施压，高精度压力传感器1采集获取对应手指的压力信号。
控制单元2包括压力采集和处理模块和气囊控制模块。压力采集和处理模块与高精度的压力传感器1连接，将采集的每个手指的电压信号经过放大滤波处理后，通过蓝牙模块发送。气囊控制部分包括气压传感器、气泵和控制阀，通过导管与气囊连接，控制气泵以及控制阀对气囊进行充放气，从而调节气囊中气压大小，从而，康复手套3通过控制气囊气压状态能够调节接触模式，设置不同的运动-压力关系，适用不同程度的功能受损的情况；同时模拟手指接触不同硬度的物体获得不同形式的力触觉反馈力触觉反馈可增强虚拟环境的沉浸感、交互性和构想性，可以让用户实时获得所操纵虚拟物体的物理属性(如硬度)，最重要的是能够帮助他们在虚拟环境中更好的建立自主运动想象，帮助诱导建立强烈的运动想象反应，降低使用者进行运动想象的难度。此外，力触觉反馈也有助于提高手指运动和肌肉力量的控制效率。在一个实施例中，控制器单元2位于手腕部分。
智能终端4，例如智能手机等智能显示设备，与控制模块无线连接，并接收处理后的压力信号，是运行控制程序的载体，控制程序分为两个部分：虚拟现实严肃游戏部分和评估系统部分。虚拟现实严肃游戏部分提供带有虚拟手的虚拟场景，包括三个严肃游戏任务:手势识别，物体抓握和弹钢琴任务，用户通过控制手指压力来控制场景中虚拟手的运动，完成对应任务，任务的难度可根据用户的完成情况和评估数据实时调整；通过评估系统部分，用户的压力数据和严肃游戏完成情况会被记录下来，这些数据经过分析和算法处理后，实现对用户手功能的评估，并可以长期记录和显示在控制程序中。优选的，上述控制程序封装为应用程序app，便于用户下载安装使用。
虚拟现实头盔5，严肃游戏场景运行时分屏显示在智能终端屏幕上，将智能终端插入虚拟现实头盔中，用户通过头盔的两个透镜分别观察两个屏幕，从而实现立体视觉的效果。
图1示出了本申请的发明思路，将微小的手指运动B的信号通过虚拟现实技术放大A为强烈的手指运动C，从而实现运动想象的建立。图2示出了本申请的系统组成，带有压力传感器的康复手套连接控制单元，控制单元中的压力采集和处理模块将压力信号数据处理后通过蓝牙发送至智能终端，智能终端接收处理后的压力数据，根据压力-运动算法控制虚拟手的动作姿态，并记录相关过程数据完成评估。智能终端实现虚拟场景显示，虚拟现实头盔可进行头动捕捉，实现在虚拟场景的人机交互。图3是系统硬件组成部分。
进一步的，虚拟手尺寸、形态均模拟真实手尺寸、形态，根据用户指尖压力控制虚拟手的运动状态，其压力-运动控制算法通过以下方式获得：(1)获取正常手弯曲运动参数模型：使用数据手套如WISEGLOVE获取抓握过程中手指近端指间关节、远端指间关节和掌指关节的关节角度值，对上述数据进行分析，获得每根手指抓握运动过程中这三个关节角度对应的函数关系；(2)建立指尖压力与手弯曲状态的相关关系，由于用户的手功能受限，其能够达到指尖压力值范围是不同的，需要根据个体情况对相关关系进行优化调整；(3)接收游戏任务中高精度的压力传感器测量的手指尖压力，通过基于相关关系的算法控制虚拟手弯曲状态，最终实现以指尖压力控制虚拟场景中虚拟手的运动。在一个实施例中，将用户指尖压力与手弯曲状态的相关关系简化为指尖压力与掌指关节角度线性关系。为了使得指尖压力和关节角度的关系与训练或评估对象的手功能受限程度相匹配，在实际操作中对对应函数关系调节缩放比例，具体的，在游戏开始前标定用户每根手指在抓握中所能达到的最大指尖压力值，然后建立手指指尖压力与对应虚拟手手指的掌指关节运动角度的线性相关关系，其中最大指尖压力值对应掌指关节最大角度，由于手指近端指间关节、远端指间关节与掌指关节的抓握运动中函数关系是已知的，从而整个手指部分的弯曲状态也得到确定。通过上述控制算法，根据采集的指尖压力实时映射出虚拟手部动作，从而实现对虚拟手的控制。
手势识别任务中，屏幕中会出现一张目标手势的图片，用户需要根据手势图片，控制左侧或右侧虚拟手完成同样的手势，目标手势包括0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，ok共11种手势。评估内容包括用户成功完成的手势的个数和完成时间，这可以反应用户多手指协同运动的能力；同时记录的测试过程中手指指尖压力数据，还可以用于分析评估用户手指运动的稳定性。
物体抓握任务中，目标物体放置于桌上，用户需要控制虚拟手去抓握物体，保持手指压力完成抓握状态3s后物体被拿起，即视为任务成功，目标物体的形状、大小影响任务难度，该任务用于评估用户的手指力量和力量控制的稳定性以及多指协同运动的能力。
弹钢琴任务中，虚拟场景中10个琴键对应不同的音符，用户根据琴键颜色提示控制手指运动，来按下相应琴键，成功按下音符响起，按照正确顺序按下琴键即可弹奏出正确的曲子，歌曲不同，任务难度不同，该任务用于评估用户手指运动的灵巧性和准确性，以及单手指独立运动的能力。
用户使用本系统进行训练和评估时，首先打开智能终端的应用程序，并将智能终端例如手机插入虚拟现实头盔的卡槽中，然后带上虚拟现实头盔和康复手套，双臂放松，放置在桌上，手以抓握姿态抓在康复球上。训练开始，用户依次进入并完成手势识别任务、物体抓握任务、弹钢琴任务，任务结束后，用户可在该应用程序中看到自己的评估结果。
在该应用程序中，用户注册账号，每次评估的数据将被记录到用户的账号中，方便长期使用，并对比观察训练效果和康复状态。
以上所述的具体实施例，对本发明的技术方案、解决的技术问题及有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于运动想象的手功能训练和评估康复手套系统，其特征在于，包括
康复手套(3)，包括手套、气囊连接件、气囊，其中气囊通过气囊连接件连接在手套的手掌区域，所述康复手套以抓握姿态放置在气囊上，并在指尖位置设置压力传感器(1)，采集手指指尖压力信号；
压力采集和处理模块(2)，接收压力传感器采集的指尖压力信号，经过滤波放大处理后进行传输；
智能终端(4)，运行虚拟现实严肃游戏，与手指压力采集和处理模块(2)无线连接并接收压力数据，基于压力-运动控制算法控制虚拟场景中虚拟手的动作或姿态；记录测试过程压力数据和严肃游戏完成情况，实现对用户手功能的评估；
虚拟现实头盔(5)，实现包括虚拟手的虚拟场景的立体显示，并给予用户听觉反馈。
2.根据权利要求1所述的基于运动想象的手功能训练和评估康复手套系统，其特征在于，还具有气囊控制部分，包括气压传感器、气泵和控制阀，所述气囊控制部分控制气泵以及控制阀实现对气囊进行充放气调节气囊压力，以实现不同硬度的物体的力触觉反馈。
3.根据权利要求2所述的基于运动想象的手功能训练和评估康复手套系统，其特征在于，所述压力-运动控制算法基于所述康复手套采集的指尖压力确定虚拟手的手指近端指间关节、远端指间关节和掌指关节的关节角度值，从而控制虚拟手的弯曲状态。
4.根据权利要求3所述的基于运动想象的手功能训练和评估康复手套系统，其特征在于，所述压力-运动控制算法的建立过程是：根据健康人手部弯曲状态的每根手指各关节运动参数模型，建立指尖压力和手指弯曲状态的对应函数关系，所述压力-运动控制算法可以根据训练或评估对象的手功能受限程度进行调节缩放比例。
5.根据权利要求4所述的基于运动想象的手功能训练和评估康复手套系统，其特征在于，所述健康人手部弯曲状态的手指关节运动参数模型具体为手指近端指间关节、远端指间关节和掌指关节的角度关系。
6.根据权利要求5所述的基于运动想象的手功能训练和评估康复手套系统，其特征在于，所述指尖压力和手指弯曲状态的函数关系为：指尖压力与掌指关节角度为线性关系。
7.根据权利要求6所述的基于运动想象的手功能训练和评估康复手套系统，其特征在于，所述压力-运动控制算法可以根据训练或评估对象的手功能受限程度进行调节缩放比例，具体为在训练或评估开始前标定每根手指在抓握中所能达到的最大指尖压力值，调整指尖压力和手指弯曲状态的函数关系使得所述最大指尖压力值对应手部弯曲状态的掌指关节最大角度。
8.根据权利要求7所述的基于运动想象的手功能训练和评估康复手套系统，其特征在于，所述虚拟现实严肃游戏包括手势识别任务，所述手势识别任务为：根据给定的手势图片，控制左侧或右侧虚拟手完成同样的手势，评估内容包括成功完成的手势个数和完成时间。
9.根据权利要求7所述的基于运动想象的手功能训练和评估康复手套系统，其特征在于，所述虚拟现实严肃游戏包括物体抓握任务，控制虚拟手的动作完成物体抓握并保持一定的时间。
10.根据权利要求8或9所述的基于运动想象的手功能训练和评估康复手套系统，其特征在于，采用所述基于运动想象的手功能训练和评估康复手套系统对手部功能受限个体进行训练或评估。
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