[發明專利]基于人體運動模型的上肢個性化康復訓練方法和系統

有效

• 申請號: 202210199173.5
• 申請日: 2022-03-01
• 公開（公告）號: CN114602138B
• 公開（公告）日: 2023-08-01
• 發明（設計）人: 張騰宇;李增勇;張靜莎
• 申請（專利權）人: 國家康復輔具研究中心
• 主分類號: A63B23/12
• 分類號: A63B23/12;A63B71/06;A61H1/02
• 代理公司: 北京金咨知識產權代理有限公司 11612
• 代理人: 宋教花

提供一種基于人體運動模型的上肢個性化康復訓練方法和系統，包括：測量并輸入患者上肢尺寸和各關節活動度參數；基于預先建立的人體運動學模型計算患者上肢末端的活動軌跡的最大范圍；自動生成虛擬現實訓練游戲的參數設置，控制調整康復訓練裝置手柄的運動軌跡，不同游戲內容對應不同關節的運動訓練，系統內預先存儲正常人上肢各關節的最大活動度，通過將正常人上肢各關節的最大活動度和患者兩側各關節的最大活動角度對比，自動判斷哪些關節活動度不夠而需要進行訓練，匹配相應的游戲內容，游戲難度通過設置各游戲中肢體末端不同運動軌跡對應的游戲得分實現。本發明設置個性化的康復訓練范式，能夠在提高康復訓練效果的同時保障訓練過程中的安全。

技術領域

本發明涉及肢體運動康復訓練領域，特別涉及一種基于人體運動模型的上肢個性化康復訓練方法和系統，用于提供個性化的康復訓練方案。

背景技術

我國每年新增腦卒中患者200多萬人，而且呈逐年上升趨勢，其中，55-75％的腦卒中患者表現出運動功能障礙。同時，腦癱、腦外傷等引起的腦功能損傷也會導致肢體運動功能障礙，給患者及其家庭、社會帶來了沉重的負擔。

基于智能化設備的康復訓練是恢復患者運動功能的重要手段，而針對患者的不同情況制定個性化的康復訓練處方是保障訓練效果的重要條件。然而，目前的康復訓練設備大多訓練任務和難度固定或僅劃分固定等級，不能根據患者的功能水平進行調整，導致訓練內容和難度與患者當前的功能水平不匹配。難度過大會打擊患者訓練的積極性，太簡單又不能達到最佳的訓練效果。另外，一些帶動患者進行被動訓練的康復設備，預設的運動軌跡是按照正常人體運動范圍設計的，而患者由于一些關節活動范圍受限，不能達到預設的運動范圍，強行訓練會存在肌肉拉傷、關節脫位等損傷的風險。

因此，針對患者的肢體尺寸參數和關節活動范圍個性化設置訓練內容、難度和運動軌跡十分必要。

發明內容

基于上述問題，本發明的目的是提供一種基于人體運動模型的上肢個性化康復訓練方法和系統。具體地，其康復訓練方法包括以下步驟：

1)測量并輸入患者上肢尺寸參數和各關節活動度參數，包括雙側手掌、前臂、上臂的長度，以及雙側腕關節、肘關節和肩關節在各個自由度上的最大活動角度。

2)根據輸入的患者上肢尺寸參數和各關節活動度參數，基于預先建立的人體運動學模型自動計算患者上肢末端活動軌跡的最大范圍。

3)根據活動軌跡的最大范圍，自動生成虛擬現實訓練游戲的參數設置，包括選擇游戲內容、設置游戲難度、設置訓練模式，并且控制調整康復訓練裝置手柄的運動軌跡，以及控制調整康復訓練裝置手柄的運動軌跡，不同的游戲內容對應不同關節的運動訓練，系統內預先存儲了正常人上肢各關節的最大活動度，模型通過將正常人上肢各關節的最大活動度和患者兩側各關節的最大活動角度對比，自動判斷哪些關節活動度不夠而需要進行訓練，從而匹配相應的游戲內容，游戲難度通過設置各游戲中肢體末端不同運動軌跡對應的游戲得分實現，訓練模式包括關節活動度訓練、運動姿態訓練和被動訓練。

4)利用設置(例如綁定)在上肢上的運動傳感單元(例如運動傳感器)測量并計算患者實際運動過程中各關節的角度，并且利用預先建立的人體運動學模型計算得到肢體末端的實際運動軌跡，并與虛擬現實游戲結合進行擬實交互訓練。預先建立的人體運動學模型為多自由度剛體模型，將上肢簡化為上臂、前臂和手三個剛體，分別由肩關節、肘關節和腕關節連接而成。其中肩關節具有屈/伸、外展/內收、內/外旋三個運動自由度，肘關節具有屈/伸和前臂旋前/旋后兩個自由度，腕關節具有屈/伸和外展/內收兩個自由度。通過輸入患者上肢尺寸參數和各關節活動度參數，該預先建立的人體運動學模型能夠計算得到患者上肢末端在三維空間的最大活動范圍。

在一個有利實施例中，上述步驟3)中虛擬現實訓練游戲的參數設置包括選擇游戲內容、設置游戲難度、設置訓練模式等。