基于生物信息感知的双侧镜像康复系统技术方案

本发明专利技术是一种基于生物信息感知的双侧镜像康复系统，体感设备一端连接健康侧肢体，采集健康侧肢体的运动信号；另一端通过USB总线与计算机连接，将采集到的健康侧肢体的运动信号发送至计算机；电机驱动器通过CAN总线连接到计算机，用于接收计算机发送的运动控制指令；另一端与电机相连，将接收到的运动控制指令转化为相应的电流信号，发送到电机，驱动电机转动；所述电机设置于机械臂的运动关节处，电机转动时带动机械臂连杆进行运动；患侧肢体置于所述机械臂中，由机械臂连杆带动患侧肢体进行康复运动。本发明专利技术可以实现偏瘫患者的主动运动功能康复，调动偏瘫患者健康侧肢体的功能协助患侧进行康复训练。

【技术实现步骤摘要】
基于生物信息感知的双侧镜像康复系统
本专利技术涉及一种新型针对偏瘫患者的医疗康复领域，具体地说是一种基于生物信息感知的双侧镜像康复系统。
技术介绍
脑中风（又称脑卒中）是一种由诱发因素引起脑内动脉狭窄，闭塞或破裂，而造成急性脑血液循环障碍，临床上表现为一过性或永久性脑功能障碍的症状和体征。脑中风是临床常见病、多发病，其病死率和致残率均很高，与心脏病、恶性肿瘤构成多数国家的三大致死疾病，严重危害人类身体健康和生命安全，给病人带来极大的身心痛苦，给家庭和社会带来沉重负担。在发达国家，脑中风已经成为人们后天残疾的主要因素。在我国，每年发生脑中风的患者达到200万。随着医疗条件和治疗技术的不断提高，脑中风患者的死亡率已经明显的降低，但是在700万现幸存中风病人中，有450万患者不同程度的丧失了基本的劳动能力和生活的自理能力，其致残率在存活者中高达75%以上。运动功能障碍是脑中风患者最常见的表现,约有2/3的脑中风患者会有一侧上肢的功能障碍。上肢运动功能在人们日常生活和劳动中起着至关重要的作用，它不仅可以完成推、拉、抓、举等简单的上肢动作，而且可以实现一些复杂精细的手部操作，因此如果上肢遇到功能障碍就会严重影响患者的自理能力，降低其生活的独立性。经过十几年的发展,针对脑卒中偏瘫的上肢运动功能障碍,涌现了多种康复技术。但许多研究表明,传统的康复技术对脑卒中后运动功能的恢复作用并不十分明显。现在我们认识到所有的康复手段都是为了重获对运动的控制,运动皮质的功能改变依赖于肢体所经历的活动的多少和自身对运动的体验,康复治疗效果与神经肌肉系统受到自主运动刺激的程度有关,脑卒中后康复治疗的力度越大,就越有助于运动功能的恢复。传统的偏瘫康复治疗方式主要是偏瘫患者在多名治疗医师的帮助下，运用患侧肢体来重复地完成单一的训练动作。由于每次康复训练需要在两至三名的医师配合下才能确保训练的安全进行，不至于使病人在康复练习中造成再次受伤，所以康复费用较为昂贵，这给患者家庭带来巨大的经济压力，不少患者也因此放弃了治疗，错过术后康复的最佳时机，留下了巨大的遗憾。其次，重复单一的训练方式容易使病人感到乏味无趣，产生疲惫的感觉，从而降低治疗的效果，未能达到预期的康复目标。机器人技术的发展及其与临床康复医学的结合，为解决康复医师不足的现状提供了一个很好的解决方案。机器人康复具有以下几个方面的优点使得其非常适用于肢体患者康复训练：a）机器人适合长时间往复运动使用，满足康复训练需要；b）机器人对于施加在病人身上的力量可灵活控制；c)机器人可以准确的重复产生所需训练力量。以上特点使得医疗康复机器人在最近几年得到了快速发展。但是，当前的医疗康复机器人在以下几个方面亟需改善：患者主动参与度低：多数康复系统只是带动患者患侧进行康复，按照既定轨迹运动，患者属于被动运动方式；新的康复理念：双侧动作是两侧肢体执行共同时间和空间的动作模式。双侧镜像训练对于双侧半球有正面影响，非常有利于患者康复。然而，现有康复系统一般是带动患者患侧单侧运动；安全性问题：康复设备的运动控制未融合人肢体柔顺性的特点，使患者的康复训练操作僵硬，容易对患者肢体造成永久性的损伤；依从性问题：康复过程未考虑患者的疼痛感受，患者依从性差；康复客观评价问题：康复系统缺乏对康复效果的客观评价标准。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种基于生物信息感知的双侧镜像康复系统，实现偏瘫患者的主动运动功能康复，调动偏瘫患者健康侧肢体的功能协助患侧进行康复训练。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于生物信息感知的双侧镜像康复系统，体感设备一端连接健康侧肢体，采集健康侧肢体的运动信号，另一端通过USB总线与计算机连接，将采集到的健康侧肢体的运动信号发送至计算机；电机驱动器通过CAN总线连接到计算机，用于接收计算机发送的运动控制指令；另一端与电机相连，将接收到的运动控制指令转化为相应的电流信号，发送到电机，驱动电机转动；所述电机设置于机械臂的运动关节处，电机转动时带动机械臂连杆进行运动；患侧肢体置于所述机械臂中，由机械臂连杆带动患侧肢体进行康复运动。所述机械臂的运动关节处设有力矩传感器，测量关节转轴的力矩信息；数据采集卡的一端与所述力矩传感器连接，用于采集力矩信息；数据采集卡的另一端连接到计算机，将采集到的力矩信息发送到计算机。所述力矩传感器为应变式力矩测量元件。所述患侧肢体连接肌电信号采集装置的一端，用于采集患侧肢体肌电信号；所述肌电信号采集装置的另一端连接计算机，用于将采集到的信号发送到计算机。所述肌电信号采集装置包括依次连接的肌电电极、信号放大器和数据采集盒；其中所述肌电电极连接到患侧肢体，用于接收患侧肢体的信号，并将患侧肢体的信号发送到信号放大器，信号放大器将处理后的信号发送到数据采集盒，数据采集盒将采集到的信号发送给计算机。还包括由康复治疗师手持的失知制动控制按钮。所述失知制动控制按钮，与嵌入式实时系统连接，用于意外或紧急情况时由康复治疗师控制安全停止康复训练过程。所述体感设备为利用红外测量技术实现3D场景深度信息采集的设备。所述虚拟现实场景显示装置佩戴于患者头部，并与计算机连接，将计算机生成的虚拟现实场景展示在患者眼前形成患者康复训练的视觉反馈。本专利技术具有以下有益效果及优点：1.提高了患者康复训练时的参与度，患者的康复训练不再仅仅是基于固定的训练动作，还能基于日常生活常用行为进行康复，提高了康复效率；2.基于镜像运动康复理论，进一步有效提高患者康复的效率；3.采用机械臂带动患者康复解放了康复治疗师的体力劳动，使得康复治疗师可以集中精力与对康复疗程的安排和康复训练任务的设计，更加优化患者的康复效果；4.在康复设备上安装了多种传感器，能可靠定量地测量患者康复训练过程中的各项参数，方便对患者的康复效果做出有效的评价，基于此评价可对不同的患者提出不同的康复训练要求，达到因人治疗的目的。附图说明图1是本专利技术所述的双侧镜像康复系统原理框图；图2是本专利技术所述的肌电信号采集装置的原理框图；图3是本专利技术所述的基于力与位置混合控制的控制系统框图；图4是本专利技术所述的外骨骼上肢康复机械臂简图，其中图中1为肩关节外展内收自由度，2为肩关节上举下摆自由度，3为肘关节弯曲自由度。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步的详细说明。如图1所示为本专利技术所述的双侧镜像康复系统原理框图，包括以下几个主要部分：体感设备肢体运动状态采集，计算机生成的实时3D虚拟现实场景，直流电机驱动器，上肢外骨骼康复机械臂，机械臂关节力矩测量传感器，表面肌电信号采集系统，用于处理紧急情况的急停按钮，用于采集系统传感器数据的数据采集卡，运行在嵌入式实时系统的运动控制软件，融合力和位置信息的康复机械臂运动控制算法。体感设备采集到患者健康侧肢体所做的动作，并转化为运动学参数，传输到计算机上。计算机接收到患者健侧的运动状态，判断该状态是否在安全的状态空间中，若处于安全状态空间，则向运动控制算法发送控制指令，驱动外骨骼康复机械臂带动患者患侧肢体完成镜像动作；若该状态不在安全的状态空间中，则通过虚拟现实场景向患者发出报警，指示其康复训练动作偏离规范，需要重新调整。计算机端运行虚拟现实场景生成软件，利用3D图形引擎驱动基于骨骼蒙皮技术建立的人本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于生物信息感知的双侧镜像康复系统，其特征在于：体感设备一端连接健康侧肢体，采集健康侧肢体的运动信号，另一端通过USB总线与计算机连接，将采集到的健康侧肢体的运动信号发送至计算机；电机驱动器通过CAN总线连接到计算机，用于接收计算机发送的运动控制指令；另一端与电机相连，将接收到的运动控制指令转化为相应的电流信号，发送到电机，驱动电机转动；所述电机设置于机械臂的运动关节处，电机转动时带动机械臂连杆进行运动；患侧肢体置于所述机械臂中，由机械臂连杆带动患侧肢体进行康复运动。

【技术特征摘要】
1.一种基于生物信息感知的双侧镜像康复系统，其特征在于：包括体感设备、计算机和机械臂；体感设备一端连接健康侧肢体，采集健康侧肢体的运动信号，另一端通过USB总线与计算机连接，将采集到的健康侧肢体的运动信号发送至计算机；电机驱动器通过CAN总线连接到计算机，用于接收计算机发送的运动控制指令，另一端与电机相连，将接收到的运动控制指令转化为相应的电流信号，发送到电机，驱动电机转动；所述电机设置于机械臂的运动关节处，电机转动时带动机械臂连杆进行运动；患侧肢体置于所述机械臂中，由机械臂连杆带动患侧肢体进行康复运动；所述患侧肢体连接肌电信号采集装置的一端，用于采集患侧肢体肌电信号；所述肌电信号采集装置的另一端连接计算机，用于将采集到的信号发送到计算机；所述肌电信号采集装置包括依次连接的肌电电极、信号放大器和数据采集盒；其中所述肌电电极连接到患侧肢体，用于接收患侧肢体的信号，并将患侧肢体的信号发送到信号放大器，信号放大器将处理后的信号发送到数据采集盒，数据采集盒将采集到的信号发送给计算机；所述机械臂的运动关节处设有力矩传感器，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩建达，赵新刚，林光模，孙维，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21