基于运动感知的手指康复训练系统的设计与实现

发布时间：2020-08-11 17:12

【摘要】：康复医学与控制工程、机器人学等学科高度交叉的手指康复训练系统能够有效缩短脑卒中患者手指功能康复周期、降低康复医师的劳动强度和提高训练效率,是有效解决手指康复问题的前沿技术途径,具有重要的研究和应用价值。在整个手指运动中,拇指功能占50%以上,拇指和食指的对指功能占80%以上。脑卒中患者病后会出现对指等精细运动功能的丧失,也会失去一部分触觉感知和本体感受功能,失去对运动的感知,日常生活和工作能力受到严重影响。本文针对现有手指康复训练系统运动感知参数单一和缺少对指训练功能的问题,创新性的设计并实现了一套基于运动感知的手指康复训练系统,重点解决了该系统实现过程中的一系列工程技术问题,其中包括机械结构设计、指力检测、手指关节主动活动度(Active Range of Motion,AROM)测量、电路设计、主动和被动训练模式设计、触摸式和语音识别人机交互以及3D虚拟手模型实时随动。主要研究结果如下:(1)根据对手指生理结构及运动特性的分析结果,创新性的设计了能够实现对指训练和拇指训练的机械结构。与其它手指训练装置相比,具有结构简单、安全性高的优点。系统测试结果表明:机械结构达到了安全性、可靠性和舒适性的设计要求。(2)针对患者手指运动反馈感知丧失的问题,设计并实现了基于多传感器的手指运动感知系统,实现了手指角度、速度、位置以及指力的感知,为手指康复评价和康复训练提供了客观数据。针对指力信号的滤波问题,提出了一种改进型的限幅消抖平均滤波法。该方法融合了限幅滤波法、消抖滤波法和平均滤波法的优点,能够有效的抑制指力信号的抖动和受到的干扰,提高指力感知系统对电压信号获取的精度,为主动训练模式的实现打下了基础。实验结果表明,相较于传统的限幅递推平均滤波法,所提出的改进型限幅消抖滤波法具有更强的消抖能力和抗干扰能力,其中样本信号的最大误差e_(max)可进一步降低31.8%,方差S~2可进一步降低37.4%。另外,针对手指AROM测量中存在的问题,本系统提出了一种双九轴姿态传感器测量手指AROM的方法,并设计了一种新型的可穿戴式测量装置,实现了手指AROM的测量,为手功能康复评价提供了一种新的技术途径。(3)基于手指运动感知系统,设计并实现了手指康复训练控制系统,包括硬件电路、下位机控制系统软件、人机交互系统和上位机监控系统。传统人机交互严重依赖PC机,导致康复训练系统因便携性差、价格贵难以实现家用化。本文设计了基于7寸智能触摸屏和语音模块的人机交互系统,实现了手指康复训练和康复评价的家用化。另外,为了能够实时呈现手指关节变化的细节,基于虚拟现实技术设计了3D虚拟手随动系统,其能够更好的反馈手指康复效果的信息。测试结果表明:系统软硬件均达到了安全性、和可靠性的设计要求。语音指令对系统控制的准确率在实验室、医院和住宅小区环境高达95%、90%和84%以上。(4)在康复医师的指导下,进行了手指康复训练实验。实验结果表明:训练装置能够带动拇指指腹和食指相碰完成对指被动训练;当指力达到阈值时,电机转动辅助手指完成对指主动训练;拇指训练时,其关节活动角均大于处于功能位的关节活动角。进一步验证了手指康复训练系统在不同训练模式下具有安全性、稳定性和有效性。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH789
【图文】：

我国 40 岁以上脑卒中患者有 1242 万人。脑卒中患者病后有 55%~6出现上肢功能障碍[1,2]，其中手功能障碍约占 80%。握持功能是人类特有的功能，根据握持强度的不同，可将其分为强力握精细握持，其中精细握持需要拇指与 2~5 指对指[3]。对指特征测试结果表明指与 2~5 指的对指功能对于日常生活具有重要意义。研究表明，拇指和食对指功能占整个手指运动的 80%，其中拇指功能占整个手功能的 50%[4]。另外指既可以屈伸/伸展及内收/外展，是实现对指功能的关键。尽早对患者进行功能康复训练，尤其是对指等精细化的运动功能训练，能够缩短手指功能复周期[5]。患者对指功能恢复后，能够完成拿笔和拿水杯等重要的日常行为现一定程度的生活自理，减轻家庭经济负担。目前，脑卒中患者手指功能的康复仍依靠传统疗法，即康复医师手把手患者进行康复训练。该方法在临床上积累了大量的经验，也能取得一定的，但康复医师劳动量大、效率低，训练效果严重依赖康复医师的经验和水平乏与康复评价相关的客观数据[6]，难以对训练参数进行优化以获得最佳的康练方案。图 1.1 中，（a）、（b）分别为手把手式的对指训练、拇指训练。

手指套与限位块设计图

图 2.4 手指套与限位块实物图拇指训练机械结构设计的生理结构和运动特性分析，设计了系统的机械指套、手臂支架、电机、电机座、滚珠丝杆滑台不仅能够进行对指训练，还能够做拇指的屈伸/伸者的舒适度，配备了高度可调节和水平面内自由移

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 曲娜;;多元呼吸康复训练对老年慢性阻塞性肺疾病的疗效观察[J];临床医药文献电子杂志;2019年40期

2 陆育钿;陈文翰;张展渠;;肺康复训练对急性期中重度COPD患者肺功能的影响[J];内科;2017年01期

3 王丽微;李忠梅;;肺康复训练在不同程度慢性阻塞性肺疾病中的应用价值[J];中国医药指南;2017年06期

4 杨华新;;日间康复训练用于精神分裂症患者治疗中的效果[J];双足与保健;2017年04期

5 张莉;;轻、中度老年痴呆患者采取小组康复训练的作用分析[J];实用临床护理学电子杂志;2017年24期

6 王春丽;;对高血压脑出血偏瘫70例实施临床肢体康复训练护理的有效性探讨[J];世界最新医学信息文摘;2017年23期

7 周坤;苏建华;赖玉田;李鹏飞;吴砚铭;车国卫;;术前肺康复训练对肺癌患者术后肺炎的影响[J];中华胸部外科电子杂志;2017年03期

8 杨卫杰;曹晶晶;曹轶;;电针合康复训练治疗格林-巴利综合征35例[J];中国中医药现代远程教育;2016年01期

9 崔瑞玲;李秋芳;;家庭康复训练对脑瘫患儿康复疗效的影响[J];大家健康(学术版);2016年06期

10 吴淑玲;;康复训练护理在促进尺桡骨双骨折患者功能恢复中的应用探讨[J];中国卫生标准管理;2016年07期

相关会议论文 前10条

1 张梓威;贾澄杰;卞立;任彩丽;;针刺配合康复训练治疗脑卒中患者临床观察[A];中国中药杂志2015/专集：基层医疗机构从业人员科技论文写作培训会议论文集[C];2016年

2 孟金霞;徐俊菊;席芳;;呼吸康复训练对老年慢性阻塞性肺疾病患者自我效能感的影响[A];河南省老年患者多元需求与持续护理服务研讨会论文集[C];2013年

3 魏国荣;;偏瘫患者进行集体康复训练初探[A];中国康复医学会第二届全国康复治疗学术会议论文汇编[C];1999年

4 陆建华;;社会康复训练对脑卒中疗效的观察[A];中国康复医学会第四届会员代表大会暨第三届中国康复医学学术大会论文汇编[C];2001年

5 皮峻峰;柳春生;;慢性精神分裂症患者康复训练措施的探索与实践[A];全国民政医学护理专业第三次学术会议论文汇编[C];2001年

6 董岩;;综合性康复训练对冠心病患者日常生活活动能力的影响[A];国家级康复护理新进展学术高峰论坛暨第四届第三次中国康复医学会康复护理专业委员会工作会议论文汇编[C];2014年

7 刘昆;;制动与运动、康复评价与康复训练的研究进展[A];第六次全国运动疗法学术会议论文集[C];2002年

8 冯建华;;偏瘫患者回归家庭康复训练几点措施[A];继往开来 与时俱进——2003年康复医学发展论坛暨庆祝中国康复医学会成立20周年学术大会论文集[C];2003年

9 张超;侯群;陈眉;洪雪琴;;坐位训练对脑卒中患者康复训练的影响[A];2005年浙江省物理医学与康复医学年会论文汇编[C];2005年

10 李岚;;康复训练对老年痴呆患者疗效的对照研究[A];全国第11届老年护理学术交流暨专题讲座会议论文汇编[C];2008年

相关重要报纸文章 前10条

1 记者 甘丽华;为“星星的孩子”设立公办康复训练机构[N];中国青年报;2011年

2 李卫;创新康复训练方式 丰富教育戒治载体[N];山西法制报;2019年

3 张中桥;康复训练加NGF联合治疗脑损伤[N];中国医药报;2003年

4 记者 俞艳婷;康复训练帮残疾人重新“站起来”[N];嘉兴日报;2008年

5 记者 张洪河;南皮新事:残疾人康复训练不用出家门[N];新华每日电讯;2010年

6 徐灿;开始实施康复训练[N];人民公安报;2007年

7 邓小群;深圳逾千残疾人将参与康复训练[N];深圳商报;2006年

8 李丹;美国：“康复训练营”治疼痛,好受不贵[N];新华每日电讯;2008年

9 李丹;美国“康复训练营”治疼痛“疗”有所值[N];中国中医药报;2008年

10 孔令敏;我国仅1/6残疾人获康复训练[N];健康报;2006年

相关博士学位论文 前10条

1 陈燕燕;上肢外骨骼机器人康复训练系统研究[D];哈尔滨工业大学;2017年

2 李峰;下肢康复训练机器人主动控制的研究[D];上海大学;2014年

3 杨海芳;电针联合康复训练治疗脑卒中后吞咽障碍的临床研究[D];广州中医药大学;2010年

4 张晓超;下肢康复训练机器人关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年

5 陈彦钊;基于sEMG信号的上肢自主康复训练动作模式识别[D];山东大学;2015年

6 卿鹏;巨刺法结合康复训练对缺血性脑卒中后神经可塑性的影响研究[D];广州中医药大学;2012年

7 白殿春;下肢康复训练机器人控制策略与康复评价方法研究[D];沈阳工业大学;2011年

8 程祥利;上肢康复训练机器人的肌电控制研究[D];山东大学;2013年

9 谢芹;针刺结合康复训练治疗脑卒中肩手综合征的临床研究[D];广州中医药大学;2010年

10 黄伟新;针灸联合康复训练治疗卒中后吞咽障碍的文献及临床研究[D];广州中医药大学;2016年

相关硕士学位论文 前10条

1 刘豪杰;基于运动感知的手指康复训练系统的设计与实现[D];郑州大学;2019年

2 周剑波;踝关节康复训练机器人虚拟场景设计与实现[D];苏州大学;2018年

3 叶明;减重式辅助站起康复训练机器人机构设计与控制[D];吉林大学;2018年

4 黄国健;面向触觉交互康复训练的中风患者情绪识别方法研究[D];南京邮电大学;2018年

5 李俊;基于Kinect的上肢康复训练系统设计与实现[D];北京工业大学;2018年

6 眭演祥;基于大脑信息的康复训练模式判别与运动控制研究[D];苏州大学;2017年

7 耿花蕾;中医康复训练法对不同神经功能缺损程度中风偏瘫痉挛的疗效观察[D];北京中医药大学;2018年

8 李汶静;早期肺康复训练对行无创机械通气的慢性阻塞性肺疾病急性加重期患者的影响[D];遵义医学院;2018年

9 吴振宏;球面四杆式肩关节康复训练装置的尺度综合及结构化设计[D];重庆理工大学;2018年

10 李梦楠;表面肌电信号分析及辅助康复训练系统设计[D];河北大学;2017年

本文编号：2789340