專利名稱：一種便攜式肢體運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練裝置及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)療器械領(lǐng)域，具體涉及一種肢體運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練裝置及其使用方法。
技術(shù)背景
對需要肢體康復(fù)的使用者進(jìn)行肢體康復(fù)訓(xùn)練可以有效地輔助使用者重獲肢體的 運(yùn)動功能，對使用者具有重要意義。傳統(tǒng)的肢體運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練是由治療師人力協(xié)助使用者 進(jìn)行。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)的肢體運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練效率低、內(nèi)容枯燥、評價指標(biāo)不夠精確等缺點(diǎn)，目 前醫(yī)療界廣泛應(yīng)用康復(fù)工程設(shè)備輔助治療?？祻?fù)工程設(shè)備是用于肢體運(yùn)動功能恢復(fù)的醫(yī) 療器械，可以使肌肉按一定順序運(yùn)動，除直接鍛煉肌力外，還可以協(xié)調(diào)和支配肢體的功能狀 態(tài)，使其恢復(fù)動態(tài)平衡；同時多次重復(fù)的運(yùn)動可以向大腦反饋信息，使其盡快地最大限度地 實(shí)現(xiàn)功能重建。因此，采用康復(fù)工程設(shè)備不僅可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練效率低、內(nèi)容枯 燥、評價指標(biāo)不夠精確等缺點(diǎn)，而且可以輔助分析患肢的各項(xiàng)運(yùn)動參數(shù)，以促進(jìn)康復(fù)訓(xùn)練模 式的改進(jìn)，為康復(fù)醫(yī)學(xué)提供了全新的治療手段。
經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，存在一種訓(xùn)練平面可調(diào)式上肢偏癱康復(fù)機(jī)器人裝 置，該裝置可以滿足偏癱康復(fù)訓(xùn)練中對于醫(yī)療機(jī)器人提出的空間訓(xùn)練的要求，包括座椅、訓(xùn) 練平面、訓(xùn)練平面調(diào)節(jié)裝置，安裝在訓(xùn)練平面上的機(jī)械臂、腕部固定托架和肘部托架。訓(xùn)練 平面調(diào)節(jié)裝置可以調(diào)節(jié)訓(xùn)練平面相對于地面的高度，以及訓(xùn)練平面與水平面的夾角，以適 應(yīng)不同使用者在多平面內(nèi)完成多種康復(fù)訓(xùn)練動作的需要。
雖然這種訓(xùn)練平面可調(diào)式上肢偏癱康復(fù)機(jī)器人裝置可以調(diào)整訓(xùn)練平面，但使用者 使用該裝置的訓(xùn)練過程中只能在某一平面上進(jìn)行康復(fù)動作訓(xùn)練，這限制了康復(fù)使用者肌肉 練習(xí)動作的多樣性；此外，該裝置體積較大，重量較重，不便于攜帶；并且僅適用于上肢康 復(fù)訓(xùn)練，而不適用于下肢的康復(fù)訓(xùn)練。
因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種肢體運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練裝置，可以在多個平 面內(nèi)進(jìn)行康復(fù)動作訓(xùn)練，便于攜帶，并且適用于下肢的康復(fù)訓(xùn)練。發(fā)明內(nèi)容
有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明提出了一種便攜式肢體運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練裝置。 本發(fā)明使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使接受訓(xùn)練的肢體可以在三維空間任意運(yùn)動而不必局限于平 面，可以在簡易環(huán)境下，輔助使用者進(jìn)行多種方式訓(xùn)練，有益于豐富康復(fù)訓(xùn)練手段，提高康 復(fù)訓(xùn)練效率。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種便攜式肢體運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練裝置，包括硬件部 分和軟件部分。其中硬件部分包括拉線傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)；軟件部分包括康 復(fù)游戲算法模塊、康復(fù)游戲動作顯示模塊、康復(fù)游戲背景顯示模塊、康復(fù)游戲內(nèi)容顯示模塊 和得分評估模塊。其中拉線傳感器的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的輸入端相連，數(shù)據(jù)采集卡的輸 出端連接到計算機(jī)。拉線傳感器為使用者與本裝置的人機(jī)交互接口，使用者肢體末端與拉 線傳感器拉線端相連，使用者通過肢體運(yùn)動改變拉線的長度，拉線長度變化量即為拉線傳感器的輸入，拉線傳感器將拉線物理長度變化值轉(zhuǎn)化成為模擬電壓值，并輸入數(shù)據(jù)采集卡； 數(shù)據(jù)采集卡將該模擬電壓值轉(zhuǎn)化成數(shù)字電壓值，并輸入計算機(jī)；計算機(jī)將該數(shù)字電壓值還 原成為物理長度變化值，并將還原得到的物理長度變化值輸送給康復(fù)游戲算法模塊?？祻?fù) 游戲算法模塊對該物理長度變化值計算并輸出游戲動作數(shù)據(jù)，并將該游戲動作數(shù)據(jù)輸出至 康復(fù)游戲動作顯示模塊和得分評估模塊，一方面游戲動作數(shù)據(jù)經(jīng)過康復(fù)游戲動作顯示模塊 的處理后，與康復(fù)游戲背景顯示模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，融合后的數(shù)據(jù)輸入至康復(fù)游戲內(nèi)容 顯示模塊并顯示出來；另一方面，游戲動作數(shù)據(jù)通過得分評估模塊分析使用者得分與病情。 使用者在康復(fù)過程中可以通過康復(fù)游戲內(nèi)容顯示模塊的輸出得到視覺反饋與聽覺反饋，從 而實(shí)現(xiàn)了人與系統(tǒng)的互動。
本發(fā)明根據(jù)不同的康復(fù)訓(xùn)練方案，可以設(shè)計不同的使用所述便攜式肢體運(yùn)動康復(fù) 訓(xùn)練裝置的方法。所述便攜式肢體運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練裝置的一種使用方法為將拉線傳感器的主 體固定，拉線傳感器的拉線與使用者的上肢或者下肢相連，使用者按照對角線路徑上提與 拉線傳感器的拉線相連的上肢或者下肢，進(jìn)行訓(xùn)練。
所述便攜式肢體運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練裝置的一種使用方法為將拉線傳感器的主體固定， 拉線傳感器的拉線與使用者的上肢或下肢相連，使用者按照對角線路徑下拉與拉線傳感器 的拉線相連的上肢或者下肢，進(jìn)行訓(xùn)練。
所述便攜式肢體運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練裝置的一種使用方法為將拉線傳感器的主體固定， 將拉線傳感器的拉線與使用者的上肢或下肢相連，使用者通過單獨(dú)活動與拉線傳感器的拉 線相連的上肢或者下肢的關(guān)節(jié)，進(jìn)行訓(xùn)練。
本發(fā)明提供的便攜式肢體運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練裝置包括硬件部分和軟件部分。其中硬 件部分包括拉線傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)；軟件部分包括康復(fù)游戲算法模塊、康復(fù) 游戲動作顯示模塊、康復(fù)游戲背景顯示模塊、得分評估模塊和康復(fù)游戲內(nèi)容顯示模塊。其 中，拉線傳感器的輸出連接到數(shù)據(jù)采集卡的輸入，數(shù)據(jù)采集卡的輸出連接到計算機(jī)。拉線傳 感器為使用者與本裝置的人機(jī)交互接口，使用者肢體末端與拉線傳感器拉線端相連，使用 者通過肢體運(yùn)動改變拉線的長度，拉線長度變化量即為拉線傳感器的輸入，通過操作拉線 傳感器來進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練；使用者在康復(fù)過程中可以通過軟件部分的康復(fù)游戲內(nèi)容顯示模塊 的輸出得到視覺反饋與聽覺反饋，從而實(shí)現(xiàn)了人與系統(tǒng)的互動。
本發(fā)明提供的便攜式肢體運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練裝置，相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)康復(fù) 訓(xùn)練裝置整體結(jié)構(gòu)簡潔，體積小，重量輕，便于攜帶，適用于普通家庭等環(huán)境，且易于操作； 接受訓(xùn)練的肢體可以在三維空間的運(yùn)動，而不必局限于平面，并且訓(xùn)練內(nèi)容豐富，人機(jī)交互 性強(qiáng)；通過設(shè)計不同的訓(xùn)練方案，本發(fā)明不僅使用于上肢康復(fù)訓(xùn)練，也適用于下肢康復(fù)訓(xùn)練。
以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以 充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。


圖1是本發(fā)明的一個具體實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，在本實(shí)施例中，便攜式肢體運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練裝置包括拉線傳感器1、數(shù) 據(jù)采集卡2、計算機(jī)3、康復(fù)游戲算法模塊4、康復(fù)游戲動作顯示模塊5、康復(fù)游戲背景顯示模 塊6、得分評估模塊7和康復(fù)游戲內(nèi)容顯示模塊8。
在本實(shí)施例中，采用便攜式肢體運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練裝置對使用者進(jìn)行肢體康復(fù)訓(xùn)練 時，康復(fù)使用者坐于椅子的合適位置，將無線鼠標(biāo)固定在食指，將拉線傳感器I末端固定在 手部，即可進(jìn)行運(yùn)動訓(xùn)練。傳統(tǒng)鼠標(biāo)只能在某一平面內(nèi)測量二維位置坐標(biāo)，而本實(shí)施例中的 裝置采用拉線傳感器來測量空間任意方向的三維運(yùn)動數(shù)據(jù)，使得使用者的康復(fù)運(yùn)動不僅僅 局限于某一平面，從而擴(kuò)展了康復(fù)運(yùn)動空間范圍。無線鼠標(biāo)的按鈕作為康復(fù)游戲中的觸碰 開關(guān)，實(shí)現(xiàn)人與游戲的互動。本系統(tǒng)的軟件部分將拉線傳感器I的拉線長度變化與康復(fù)游 戲聯(lián)系在一起。
康復(fù)使用者操作拉線傳感器1，使得拉線傳感器I的拉線長度產(chǎn)生變化。拉線傳 感器I將拉線物理長度變化值轉(zhuǎn)化成為模擬電壓值，輸入數(shù)據(jù)采集卡1，轉(zhuǎn)化過程中，拉線 的長度變化值與模擬電壓值成線性比例關(guān)系。數(shù)據(jù)采集卡2通過USB (Universal Serial Bus)接口與計算機(jī)3相連接,并將模擬電壓值轉(zhuǎn)化成數(shù)字電壓值，輸入計算機(jī)3。計算機(jī)3 將數(shù)字電壓值，還原成為物理長度變化值，并輸送給軟件部分的康復(fù)游戲算法模塊4。經(jīng)過 康復(fù)游戲算法模塊4計算，拉線的物理長度變化值轉(zhuǎn)化為游戲動作數(shù)據(jù)，一方面輸入康復(fù) 游戲動作顯示模塊5，另一方面輸入得分評估模塊7。游戲動作數(shù)據(jù)經(jīng)過康復(fù)游戲動作顯示 模塊5的處理后，與康復(fù)游戲背景顯示模塊6的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。康復(fù)游戲背景顯示模塊6 是將游戲背景內(nèi)容以靜態(tài)畫面的形式展示給使用者，增加康復(fù)的觀賞性與趣味性；康復(fù)游 戲動作顯示模塊5是將使用者的動作信息以動態(tài)畫面的形式展示出來，游戲動作數(shù)據(jù)經(jīng)過 康復(fù)游戲動作顯示模塊5的處理后，與康復(fù)游戲背景顯示模塊6的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，融合后 的數(shù)據(jù)輸入至康復(fù)游戲內(nèi)容顯示模塊8并顯示出來，從而為使用者提供視覺反饋與聽覺反 饋。使用者根據(jù)系統(tǒng)的要求完成相應(yīng)的訓(xùn)練動作，以游戲互動的方式進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，有助于 提高使用者的積極性，減小使用者在康復(fù)治療過程中的心理負(fù)擔(dān)。
以“彈鋼琴”康復(fù)游戲?yàn)槔?。根?jù)游戲設(shè)計，康復(fù)游戲背景顯示模塊6顯示一幅 鋼琴的鍵盤畫面作為游戲背景。使用者可以選擇喜歡的演奏曲目。訓(xùn)練開始后，康復(fù)游戲 背景顯示模塊6將曲目演奏進(jìn)行時音符所對應(yīng)的鍵盤位置高亮突顯，以引導(dǎo)使用者按鍵彈 奏。使用者將無線鼠標(biāo)固定在手的食指，并將拉線傳感器I的拉線端與該手部相連，通過移 動手指位置，控制拉線長度。康復(fù)游戲動作顯示模塊5將根據(jù)拉線的物理長度變化值，相應(yīng) 移動計算機(jī)屏幕上虛擬手指的位置，當(dāng)使用者按下無線鼠標(biāo)控制鍵時，虛擬手指相應(yīng)按下 當(dāng)前鍵，鋼琴發(fā)出相應(yīng)的音符。得分評估模塊7綜合分析使用者動作的幅度，速度等信息， 從而進(jìn)行康復(fù)游戲得分計算，并分析使用者的病情。使用者運(yùn)動能力在康復(fù)游戲過程中得 到提升。
使用者在康復(fù)過程中可以通過計算機(jī)得到視覺反饋與聽覺反饋，實(shí)現(xiàn)了人與系統(tǒng) 的互動。使用者訓(xùn)練時，可根據(jù)病情不同，訓(xùn)練目的的不同，選擇不同的訓(xùn)練方式。本發(fā)明 基于PNF(proprioceptive neuromuscular facilitation)技術(shù)，即本體感覺神經(jīng)肌肉促進(jìn) 技術(shù)，為該康復(fù)訓(xùn)練裝置設(shè)計了三種訓(xùn)練方案(I)基于PNF的單側(cè)上肢對角螺旋運(yùn)動訓(xùn)練 方案，即上提式使用者可坐在椅子上，將拉線傳感器主體固定于地面上，使用者體側(cè)的適 當(dāng)位置。拉線傳感器拉線端與手部相連，使用者按照對角線路徑上提，進(jìn)行訓(xùn)練；(2)基于PNF的單側(cè)上肢對角螺旋運(yùn)動訓(xùn)練方案，即下拉式使用者可坐在椅子上，將拉線傳感器主 體固定于使用者頭部側(cè)面的適當(dāng)位置。拉線傳感器拉線端與手部相連，使用者按照對角線 路徑下拉，進(jìn)行訓(xùn)練；(3)單關(guān)節(jié)訓(xùn)練方案使用者可坐在椅子上，將拉線傳感器主體固定 于空間合適位置，將拉線傳感器拉線端與手部相連，使用者通過單獨(dú)活動肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)或 腕關(guān)節(jié)，來進(jìn)行訓(xùn)練。
進(jìn)一步地，將拉線傳感器拉線端固定在下肢，并設(shè)計適當(dāng)?shù)挠?xùn)練路徑，該系統(tǒng)也適 用與下肢康復(fù)運(yùn)動訓(xùn)練。
以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無需創(chuàng) 造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員 依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù) 方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種便攜式肢體運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練裝置，包括硬件部分和軟件部分，硬件部分包括拉線傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)；其特征在于，軟件部分包括康復(fù)游戲算法模塊、康復(fù)游戲動作顯示模塊、康復(fù)游戲背景顯示模塊、康復(fù)游戲內(nèi)容顯示模塊和得分評估模塊，其中所述拉線傳感器的輸出端與所述數(shù)據(jù)采集卡的輸入端相連，所述數(shù)據(jù)采集卡的輸出端連接到所述計算機(jī)；所述拉線傳感器為使用者與所述肢體運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練裝置的人機(jī)交互接口，所述拉線傳感器將拉線的物理長度變化值轉(zhuǎn)化成為模擬電壓值，并輸入所述數(shù)據(jù)采集卡；所述數(shù)據(jù)采集卡將所述模擬電壓值轉(zhuǎn)化成數(shù)字電壓值，并輸入所述計算機(jī)；所述計算機(jī)將所述數(shù)字電壓值還原成為所述物理長度變化值，并將還原得到的所述物理長度變化值輸送給所述康復(fù)游戲算法模塊；所述康復(fù)游戲算法模塊對所述物理長度變化值計算并輸出游戲動作數(shù)據(jù)，并將所述游戲動作數(shù)據(jù)輸出至所述康復(fù)游戲動作顯示模塊和所述得分評估模塊。
2.如權(quán)利要求1所述的一種便攜式肢體運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練裝置，其特征在于，所述游戲動作數(shù)據(jù)輸出至所述康復(fù)游戲動作顯示模塊，所述游戲動作數(shù)據(jù)經(jīng)過所述康復(fù)游戲動作顯示模塊的處理后，與所述康復(fù)游戲背景顯示模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，融合后的數(shù)據(jù)輸入至所述康復(fù)游戲內(nèi)容顯示模塊并顯示，所述使用者在康復(fù)過程中通過所述康復(fù)游戲內(nèi)容顯示模塊的輸出得到視覺反饋與聽覺反饋，從而實(shí)現(xiàn)了人與系統(tǒng)的互動。
3.如權(quán)利要求2所述的一種便攜式肢體運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練裝置，其特征在于，所述游戲動作數(shù)據(jù)輸出至所述得分評估模塊，所述游戲動作數(shù)據(jù)通過所述得分評估模塊分析所述使用者得分與病情。
4.一種使用如權(quán)利要求1-3中任意一個所述的便攜式肢體運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練裝置的方法， 其特征在于，將所述拉線傳感器的主體固定，所述拉線傳感器的所述拉線與所述使用者的上肢或者下肢相連，所述使用者按照對角線路徑上提與所述拉線傳感器的所述拉線相連的所述上肢或者下肢，進(jìn)行訓(xùn)練。
5.一種使用如權(quán)利要求1-3中任意一個所述的便攜式肢體運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練裝置的方法， 其特征在于，將所述拉線傳感器的主體固定，所述拉線傳感器的所述拉線與所述使用者的上肢或下肢相連，所述使用者按照對角線路徑下拉與所述拉線傳感器的所述拉線相連的所述上肢或者下肢，進(jìn)行訓(xùn)練。
6.一種使用如權(quán)利要求1-3中任意一個所述的便攜式肢體運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練裝置的方法， 其特征在于，將所述拉線傳感器的主體固定，將所述拉線傳感器的所述拉線與所述使用者的上肢或下肢相連，所述使用者通過單獨(dú)活動與所述拉線傳感器的所述拉線相連的所述上肢或者下肢的關(guān)節(jié)，進(jìn)行訓(xùn)練。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種便攜式肢體運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練裝置，包括硬件部分和軟件部分，硬件部分包括拉線傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)；其特征在于，軟件部分包括康復(fù)游戲算法模塊、康復(fù)游戲動作顯示模塊、康復(fù)游戲背景顯示模塊、康復(fù)游戲內(nèi)容顯示模塊和得分評估模塊。該康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡潔，易操作。接受訓(xùn)練的肢體可以在三維空間的運(yùn)動，不必局限于平面，訓(xùn)練內(nèi)容豐富，人機(jī)交互性強(qiáng)。本發(fā)明中裝置具有體積小，重量輕等特點(diǎn)，便于攜帶，適用于普通家庭等環(huán)境。本發(fā)明不僅使用于上肢康復(fù)訓(xùn)練，也適用于下肢康復(fù)訓(xùn)練。有益于豐富康復(fù)訓(xùn)練手段，提高康復(fù)訓(xùn)練效率。
文檔編號A63B23/04GK102989124SQ20121055340
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月19日
發(fā)明者謝叻, 于海龍, 邵衛(wèi), 蔣峻, 李海麗, 凌徽華 申請人:上海交通大學(xué)