【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及医疗康复设备，一种新型多感觉上肢运动测量系统。
技术介绍
1、在康复医疗领域，脑卒中患者的康复治疗一直是研究的重点与难点。随着医疗技术的进步，康复训练手段不断发展，但仍面临诸多挑战。传统的康复训练往往侧重于单纯的肢体运动训练，例如依靠康复治疗师手动辅助患者进行关节活动或使用简单的机械装置引导肢体运动。这种方式缺乏对患者在训练过程中全面状态的精准监测与量化评估，难以深入了解患者的神经肌肉控制情况以及康复进展的细微变化。
2、近年来，虚拟现实(vr)技术逐渐被引入多感觉训练中，旨在为患者提供更加丰富和沉浸式的训练环境。然而，现有的vr多感觉训练设备与患者实际运动数据的结合存在明显不足。一方面，在获取患者上肢姿态信息时，多数设备采用的方法不够精准和全面，例如imu所获取的位置信息会出现累计误差，无法准确地反映上肢在三维空间中的复杂运动，包括各个关节的细微角度变化以及肢体整体的空间位置和姿态变化。这导致在vr场景中虚拟上肢与患者真实上肢的运动同步性较差，容易出现延迟、偏差等问题，严重影响患者的深度感知和训练效果。
3、另一方面，在多感觉数据采集方面也存在缺陷。对于手部的触觉、温度觉等感觉信息的采集不够完善，未能充分模拟真实环境中的感官刺激，使得患者在vr训练过程中难以获得真实的交互体验。例如，在抓取虚拟物体时，无法准确感知物体的质地、重量和温度等属性，这对于患者的运动再学习和神经功能重塑极为不利，甚至可能导致患者形成适应不良的运动模式，限制了功能恢复的潜力。
4、同时，随着康复医学对个性
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术目的是提供一种新型多感觉上肢运动测量系统，解决现有肢体运动和感知训练与vr训练融合不足，致使患者多感觉刺激欠缺、运动反馈失准，进而产生深度感知困难、易形成不良运动习惯并限制功能恢复等一系列问题，通过创新的技术手段实现二者的深度交互与精准协同，提升康复训练的有效性和个性化程度，助力患者更好地恢复肢体功能与神经感知能力。
2、技术方案：本专利技术所述的新型多感觉上肢运动测量系统，包括软体毛毡服装集成多模态数据采集系统和多模信号处理传输模块；运动测量子系统和感觉测量子系统分别获取运动和感知的多模信号传输给多模信号处理模块进行放大、滤波处理；无线信号集中器收集来自多模信号处理模块处理过后的数据，并发送给电脑客户端，此过程可用wifi传输；电脑客户端整合多模态信号构建一套完整、精确且实时更新的上肢运动感知状态信息体系，其包括上肢运动计算模型和多感觉信息实时状态；上肢运动计算模型通过运动测量子系统采集的多模信号进行计算，形成有各关节实时位置坐标数据的运动模型。
3、进一步地，所述系统由软体毛毡服装用于集成和固定所述运动测量子系统、感觉测量子系统、多模信号处理模块、数据蓝牙传输模块及无线信号集中器于一个穿戴设备；
4、所述上肢运动计算模型通过运动多模数据计算上肢关节的实时位置，包括三角函数、向量旋转、坐标变换的计算；
5、所述运动测量子系统采集运动时上肢关节运动的内收外展、前伸后屈以及内外旋的角度数据，头部相对于胸锁关节的位置关系，固定在测量对应数据的对应获取位置，采集对应原始电信号输出到多模信号处理模块；
6、所述感觉测量子系统采集手部温度和压力信号，获取温感、触觉和痛觉，并输出原始电信号；
7、所述多模信号处理模块接收源自运动测量子系统和感觉测量子系统的原始电信号，对其进行滤波、放大以及针对特定关节运动数据的特征提取，再将处理后的多模态数据分别传输到数据蓝牙传输模块及无线信号集中器；
8、所述数据蓝牙传输模块及无线信号集中器在完成蓝牙数据汇聚整合后，将所有数据传输给电脑客户端；
9、所述电脑终端对接收到的数据构建上肢运动感知状态信息体系，包括上肢运动计算模型和多感觉信息实时状态。
10、进一步地，所述上肢运动计算模型包括从胸锁关节o0到肩关节旋转中心o2、肘关节旋转中心o3、腕关节旋转中心o4、掌指关节、近端指关节、远端指关节、指尖依次连接，另外的，o1为所述超声波接收时钟同步设备所在位置局部坐标系原点，所述上肢运动计算模型计算过程如下：
11、所述胸锁关节为全局坐标系原点胸锁关节为全局坐标系原点o，规定向前为x轴正方向(人体正前方)，向左为y轴正方向(人体左侧)，向上为z轴正方向(垂直地面向上)，建立右手直角坐标系.其余各关节点的局部坐标系方向与之相同；
12、所述肩关节旋转中心o2相对于胸锁关节o0的坐标变换，设测量的肩宽为dshoulder，所以一半肩宽为l1，根据解剖学知识设其在全局坐标系x轴方向上，且在水平线上，则肩关节旋转中心相对于胸锁关节的坐标为(x2，y2，z2)＝(0，l1，0)(此处忽略人体个体差异带来的微小垂直方向偏移，以左侧上肢为例)；
13、所述肘关节旋转中心o3相对于肩关节旋转中心的坐标计算，设大臂长度为lupperarm，上臂绕肩关节转动中心o2局部坐标系x2轴的旋转角为θ1，上臂绕肩关节旋转中心o2局部坐标系z轴的旋转角为θ2，则在全局坐标系下o3的坐标为(x3，y3，z3)：
14、
15、所述腕关节旋转中心为o4，上臂矢量为其长度为lupperarm，前臂矢量为其长度为lforearm，∠o2o3o4＝α1，绕上臂矢量旋转的角度为α2，在肘关节屈曲后与夹角为α1，表示为(δx，δy，δz)，根据向量投影和三角函数关系可得：
16、
17、进行绕的旋转α2，通过罗德里格斯旋转公式(ro乩gues′rotation formula)来计算：
18、r＝i+(sinα2)k+(1-sinα2)k2
19、其中i是单位矩阵k是与旋转轴对应的反对称矩阵，其形式为：
20、
21、先计算k2：
22、
23、然后将其代入罗德里格斯旋转公式计算出旋转矩阵r：
24、
25、将在初始位置的坐标(δx，δy，δz)与旋转矩阵r相乘，得到旋转后的坐标(x4，y4，z4)，即：
26、
27、通过矩阵乘法展开可得x4，y4，z4的具体表达式；
28、所述腕关节到掌骨关节的坐标变换，通过拉力传感装置获取到肘关节内外旋角度，用和计算腕关节坐标相同的方法计算得出，掌指关节对于全局坐标本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种新型多感觉上肢运动测量系统，其特征在于，包括软体毛毡服装(10)集成多模态数据采集系统和多模信号处理传输模块(14)；运动测量子系统(12)和感觉测量子系统(13)分别获取运动和感知的多模信号传输给多模信号处理模块(14)进行放大、滤波处理；无线信号集中器(15)收集来自多模信号处理模块(14)处理过后的数据，并发送给电脑客户端(16)，此过程可用WiFi传输；电脑客户端(16)整合多模态信号构建一套完整、精确且实时更新的上肢运动感知状态信息体系，其包括上肢运动计算模型(11)和多感觉信息实时状态；上肢运动计算模型(11)通过运动测量子系统(12)采集的多模信号进行计算，形成有各关节实时位置坐标数据的运动模型。
2.根据权利要求1所述的新型多感觉上肢运动测量系统，其特征在于，所述软体毛毡服装(10)用于集成和固定所述运动测量子系统(12)、感觉测量子系统(13)、多模信号处理模块(14)、数据蓝牙传输模块及无线信号集中器(15)于一个穿戴设备；
3.根据权利要求2所述的新型多感觉上肢运动测量系统，其特征在于，所述上肢运动计算模型(11)包括从胸锁关
4.根据权利要求2所述的新型多感觉上肢运动测量系统，其特征在于，所述运动测量子系统(12)由多种高精度传感器协同构成，包括拉力传感装置、单轴柔性弯曲应变传感器、超声波低功耗超声波发射器模块、超声波接收装置、时钟同步模块、柔性印刷电路板和电气连接线，其中，
5.根据权利要求2所述的新型多感觉上肢运动测量系统，其特征在于，所述感觉测量子系统(13)由条状柔性压电薄膜传感器(300)、圆形压力薄膜传感器(301)以及高精度热敏电阻温感传感器(302)构成；
6.根据权利要求2所述的新型多感觉上肢运动测量系统，所述拉力传感模块(240)获取肩关节和肘关节旋转角度n的方法是：将上臂看作是底面圆周长为cupperarm，高为hupperarm的圆柱体，当肩关节内外旋时，两端固定在绑带上的弹性绳会产生弹性应变x，由胡可定律指出弹簧的弹力F与弹簧的伸长或压缩量x成正比，其表达式为F＝kx，其中k为弹性系数，那么，已知弹性系数k和拉力Fupperarm，则伸长量x＝Fupperarm/k，由此可得伸长后的弹性绳和其初始状态以及圆柱底边所构成的三角形的底边长为可得所述肩关节内外旋角度计算公式为：
7.根据权利要求2所述的新型多感觉上肢运动测量系统，其特征在于，所述低功耗超声波发射器模块(242)与所述超声波接收时钟同步设备(243)用于确定胸锁关节O0相对于所述超声波接收时钟同步设备(243)O1的坐标(x0，y0，z0)，设超声波在当前环境下的传播速度为v(其根据环境温度T按照v＝331.4+0.6T计算得出)，胸锁关节O0处的三个超声波发射器A、B、C构成三角形，设A、B、C三点到对应固定在头顶的所述超声波接收时钟同步设备(243)的飞行时间分别为tA、tB、tC，则可根据空间几何关系计算胸锁关节O0位置坐标：
...【技术特征摘要】
1.一种新型多感觉上肢运动测量系统，其特征在于，包括软体毛毡服装(10)集成多模态数据采集系统和多模信号处理传输模块(14)；运动测量子系统(12)和感觉测量子系统(13)分别获取运动和感知的多模信号传输给多模信号处理模块(14)进行放大、滤波处理；无线信号集中器(15)收集来自多模信号处理模块(14)处理过后的数据，并发送给电脑客户端(16)，此过程可用wifi传输；电脑客户端(16)整合多模态信号构建一套完整、精确且实时更新的上肢运动感知状态信息体系，其包括上肢运动计算模型(11)和多感觉信息实时状态；上肢运动计算模型(11)通过运动测量子系统(12)采集的多模信号进行计算，形成有各关节实时位置坐标数据的运动模型。
2.根据权利要求1所述的新型多感觉上肢运动测量系统，其特征在于，所述软体毛毡服装(10)用于集成和固定所述运动测量子系统(12)、感觉测量子系统(13)、多模信号处理模块(14)、数据蓝牙传输模块及无线信号集中器(15)于一个穿戴设备；
3.根据权利要求2所述的新型多感觉上肢运动测量系统，其特征在于，所述上肢运动计算模型(11)包括从胸锁关节o0到肩关节旋转中心o2、肘关节旋转中心o3、腕关节旋转中心o4、掌指关节、近端指关节、远端指关节、指尖依次连接，o1为所述超声波接收时钟同步设备(243)所在位置局部坐标系原点，所述上肢运动计算模型(11)计算过程如下：
4.根据权利要求2所述的新型多感觉上肢运动测量系统，其特征在于，所述运动测量子系统(12)由多种高精度传感器协同构成，包括拉力传感装置、单轴柔性弯曲应变传感器、超...
【专利技术属性】
技术研发人员：孟巧玲，李卓恒，许蓉娜，胡逸，邓淞苧，喻洪流，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：
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