在线手指运动功能评测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种在线手指运动功能评测系统，包括手指运动参数采集模块、手指运动参数处理模块和手指运动功能评估模块，可实时准确评测手指运动功能，克服了传统手指运动功能评测技术要求高、费时费力等缺点。基于手指运动功能损伤评测标准，在人机交互界面中设计虚拟示教手指的一系列运动任务，引导受试者自主完成相应的手指动作；手指运动功能评估模块判定手指动作的完成情况，自动给出手指运动功能损失等级，并将评测参数及报告保存，便于医生与患者实时查询与跟踪。此系统经济实用，方便快捷，评测结果客观且可参考性高，便于推广。

【技术实现步骤摘要】
在线手指运动功能评测系统
本专利技术涉及手指运动功能评测领域，具体涉及一种基于多传感器信息融合技术与虚拟仿真技术的在线手指运动功能评测系统。
技术介绍
人手是与外界环境进行交互的重要器官，由手指和手掌构成，手指在完成各种精细活动中承担着重要的作用，手指运动功能的损失，虽不会危及生命，但给患者的日常生活带来了诸多不便。手指运动功能评测是康复工作中的重要环节，以便根据评测结果选择合理的康复方案，传统的手指运动功能损失评测工作由专业评测医师与患者一对一进行，患者在医师的指导下完成一系列手指动作，医师根据患者的完成情况，结合业内手指运动功能评测标准，为患者划定手指运动功能损失等级。传统的手指运动功能评测工作费时费力，有经验的专业评测人员在我国也相当匮乏，造成手指运动功能评测工作很难正常进行，康复训练师在不充分了解患者手指运动功能损失的前提下，无法选择合适的康复训练方案，使训练的效果大打折扣。针对传统手指运动功能损失评测工作的局限性，将多传感器信息融合技术和虚拟仿真系统引入手指运动功能损失评测中去，构成在线手指运动功能评测系统，既缓解了我国医疗资源匮乏的压力，又大大减轻了患者的医疗负担，配合高可视化的人机交互界面，使得评测过程富有趣味性，激发患者主动参与性。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对目前手指运动功能损失评测工作的局限性，提供一种在线手指运动功能评测系统，该系统结构简单，操作简便，经济实用，便于推广。本专利技术的技术解决方案如下。如图1所示的在线手指运动功能评测系统，包括手指运动参数采集模块(1-3)、手指运动参数处理模块(4)、手指运动功能评估模块(5)，能够方便地评定手指运动功能损失等级。如图2所示的手指运动参数采集模块的硬件结构是由基于接触式测量的6轴姿态传感器(1)、光学式测量的LeapMotion传感器(2)和通信模块(3)构成。所述的6轴姿态传感器和LeapMotion传感器以接触式与非接触式测量方式同时采集手指运动数据，通信模块将采集到的手指运动数据通过USB接口通信或无线通信发送至手指运动参数处理模块。所述的手指运动参数采集模块可以同时采集五根手指指尖及各关节的角度、角速度和和角加速度等手指运动数据。如图2所示的手指运动参数处理模块接收来自手指运动参数采集模块的数据，并对数据进行滤波和融合，以此来减少采样环节产生的干扰及误差，使数据更加接近真实值。所述的手指运动参数处理模块将受试者手指运动数据处理后，以无线通信方式发送至手指运动功能评估模块以供使用。所述的手指运动功能评估模块，其特征在于：由人机交互界面与参数分析模块构成，能够实时地模拟出手正常示教手指标准运动轨迹的动画效果与受试者手指运动轨迹的动画效果，并可对相关手指运动参数进行智能解析、反馈与评估。所述的人机交互界面由提示栏、模拟动画窗口和显示栏构成，在手指运动功能评测时，可以引导患者完成手指运动评测任务，并实时地显示手指运动的模拟动画和参数信息。所述的人机交互界面的模拟动画窗口中，为了便于区分患者手指和正常示教手指，定义患者手指为红色，正常示教手指为绿色。所述的手指运动功能评估模块，其特征在于：患者手指的运动数据经手指运动参数采集模块与手指运动参数处理模块后，将作为控制信号驱动红色手指运动，即用人机交互界面的模拟动画中红色手指的运动来反映出患者真实手指的运动。所述的手指运动功能评估模块参考国际手外科学会推出的《手指运动功能损失评测标准》进行开发，在人机交互界面的模拟动画中，绿色示教手指的运动表示进行手指运动功能评测时需要完成的动作，起到演示和示教的作用。本专利技术的优势：传统的手指运动功能评测工作需要相关专业人员与患者面对面进行，过程复杂，评测工作枯燥无味，需要双方均有足够的耐心，且人为评测难免会受主观因素的影响，不能保证评测结果的客观性和准确性；在线手指运动功能评测系统将多传感器信息融合技术和虚拟仿真技术引入手指运动功能评测工作中，使采样的手指运动数据更加真实可靠，提高了手指运动功能评测过程的趣味性及受试者参与的主动性，使患者足不出户即可完成评测，大大节约了人力、物力和财力；另外，参考国际手外科学会推出的《手指运动功能损失评测标准》，采用高鲁棒性的嵌入式系统开发手指运动参数处理模块和手指运动功能评估模块，评测参数及报告可在线记录及储存，便于医生与患者查询与跟踪，可以很好地满足临床评测需求。附图说明图1在线手指运动功能评测系统框图。图2在线手指运动功能评测系统机构图。图3在线手指运动功能评测系统工作原理图。具体实施方法如图1所示的在线手指运动功能评测系统，包括手指运动参数采集模块、手指运动参数处理模块、手指运动功能评估模块，其中手指运动参数处理模块和手指运动功能评估模块均在嵌入式系统中开发。如图2所示的手指运动参数采集模块由6轴姿态传感器、LeapMotion传感器、通信模块构成。6轴姿态传感器包含3轴加速度传感器和3轴陀螺仪，可以测量手指运动在空间中的角度、角速度和角加速度，通过设置6轴姿态传感器，能够方便地测量手指指尖和手指各关节在空间中的位置及姿态。五指指尖、五指各关节背侧均贴附1个6轴姿态传感器，因拇指有掌指关节和远端指关节2个关节和1个指尖，其余四指各有掌指关节、近端指关节、远端指关节3个关节和1个指尖，因此，所述的在线手指运动功能评测系统可完全采集五指指尖、五指各关节的角度和角速度参数至少需要19个6轴姿态传感器。LeapMotion体感控制器可以检测并跟踪手指运动，具有高精度和高跟踪帧率，其可视范围为一个倒金字塔型，塔尖在LeapMotion坐标系统的原点，因为LeapMotion体感控制器基于光学式立体空间智能识别和自动跟踪技术采集手指运动参数，手掌和手指应与LeapMotion屏幕所在的平面保持平行，有利于提升采样数据的准确性。手指运动功能评测时，手指应放在LeapMotion体感控制器上方20cm-40cm的最佳采样区域，LeapMotion可实时获取并追踪指尖及其各关节的角度、角速度和角加速度参数。如图2所示的手指运动参数采集模块中的通信模块可采用USB接口的通信方式，USB接口具有统一的通信标准，可以连接多个设备，且传输速度快；也可通过无线通信方式进行数据传输，如Wi-Fi，Zigbee，Z-Wave或Bluetooth等，通信模块将6轴姿态传感器和LeapMotion传感器采集到的手指运动参数发送至基于嵌入式系统开发的手指运动参数处理模块。如图2所示的手指运动参数处理模块基于嵌入式系统开发，利用算法对通信模块发送的角度、角速度及角加速度等数据进行参数滤波与参数融合，参数滤波采用卡尔曼滤波，即由当前时刻的观测值、上一时刻的预测值及预测产生的误差，计算得到当前时刻的最优值并预测下一时刻的值，具体的，对6轴姿态传感器和LeapMotion传感器采集到包含噪声的手指运动数据进行处理，计算出手指运动参数，使之更加接近真实值；参数融合是比对和计算以姿态传感器和LeapMotion传感器两种不同方式得到的手指运动参数，剔除具有较大误差的参数，再求取二者的平均值及均方根值，从而在一定程度上减小了客观因素造成的误差，经参数滤波和参数融合优化后的手指指尖及其各关节的角度、角速度和角加速度等参数更加接近真实测量者的手指运动参数。如图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.在线手指运动功能评测系统，包括手指运动参数采集模块、手指运动参数处理模块及手指运动功能评估模块，其特征在于：所述的手指运动参数模块包括19个接触式测量的6轴姿态传感器（1）、1个光学式测量的Leap Motion传感器（2）和通信模块（3）；19个接触式测量的6轴姿态传感器和1个光学式测量的Leap Motion传感器均用来采集手指指尖及各关节的位置、姿态、角度、角速度和角加速度等手指运动参数，通信模块将这些采集到的参数通过USB接口通信或无线通信发送至手指运动参数处理模块（4）；所述的手指运动参数处理模块包括参数滤波和参数融合两个步骤，使采集到的手指运动数据更加准确；所述的手指运动功能评估模块（5）包括人机交互界面和参数分析模块；人机交互界面由提示栏、模拟动画窗口、显示栏构成，在手指运动功能评测时，承担着受试者与在线手指运动功能评测系统交互的重要作用；基于手指运动功能损伤评测标准，参数分析模块具有手指运动参数智能解析、反馈与评估功能，是评测手指运动功能损失的核心。

【技术特征摘要】
1.在线手指运动功能评测系统，包括手指运动参数采集模块、手指运动参数处理模块及手指运动功能评估模块，其特征在于：所述的手指运动参数模块包括19个接触式测量的6轴姿态传感器（1）、1个光学式测量的LeapMotion传感器（2）和通信模块（3）；19个接触式测量的6轴姿态传感器和1个光学式测量的LeapMotion传感器均用来采集手指指尖及各关节的位置、姿态、角度、角速度和角加速度等手指运动参数，通信模块将这些采集到的参数通过USB接口通信或无线通信发送至手指运动参数处理模块（4）；所述的手指运动参数处理模块包括参数滤波和参数融合两个步骤，使采集到的手指运动数据更加准确；所述的手指运动功能评估模块（5）包括人机交互界面和参数分析模块；人机交互界面由提示栏、模拟动画窗口、显示栏构成，在手指运动功...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘艳红，宋奇，任海川，岳宗晓，曹桂州，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南,41