基于运动想象的手功能训练和评估康复手套系统技术方案

本发明专利技术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。手功能进行评估或训练。手功能进行评估或训练。

【技术实现步骤摘要】
基于运动想象的手功能训练和评估康复手套系统


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]本专利技术立足于运动想象，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
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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
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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
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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
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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
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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。采用本专利技术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。
[0017]本专利技术的优点：
[0018]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。
[0018]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。
[0020]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。
[0019]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。
[0020]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
[0021]图1为本专利技术的康复训练系统示意图；
[0022]图2为本专利技术的系统框图；
[0023]图3为本专利技术的结构示意图。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
[0024]为使本专利技术实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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
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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
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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
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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<...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘笑宇，唐敏，乔啸峰，吴智鑫，范林源，樊瑜波，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：