【摘要】：康復醫(yī)學與控制工程、機器人學等學科高度交叉的手指康復訓練系統(tǒng)能夠有效縮短腦卒中患者手指功能康復周期、降低康復醫(yī)師的勞動強度和提高訓練效率,是有效解決手指康復問題的前沿技術途徑,具有重要的研究和應用價值。在整個手指運動中,拇指功能占50%以上,拇指和食指的對指功能占80%以上。腦卒中患者病后會出現對指等精細運動功能的喪失,也會失去一部分觸覺感知和本體感受功能,失去對運動的感知,日常生活和工作能力受到嚴重影響。本文針對現有手指康復訓練系統(tǒng)運動感知參數單一和缺少對指訓練功能的問題,創(chuàng)新性的設計并實現了一套基于運動感知的手指康復訓練系統(tǒng),重點解決了該系統(tǒng)實現過程中的一系列工程技術問題,其中包括機械結構設計、指力檢測、手指關節(jié)主動活動度(Active Range of Motion,AROM)測量、電路設計、主動和被動訓練模式設計、觸摸式和語音識別人機交互以及3D虛擬手模型實時隨動。主要研究結果如下:(1)根據對手指生理結構及運動特性的分析結果,創(chuàng)新性的設計了能夠實現對指訓練和拇指訓練的機械結構。與其它手指訓練裝置相比,具有結構簡單、安全性高的優(yōu)點。系統(tǒng)測試結果表明:機械結構達到了安全性、可靠性和舒適性的設計要求。(2)針對患者手指運動反饋感知喪失的問題,設計并實現了基于多傳感器的手指運動感知系統(tǒng),實現了手指角度、速度、位置以及指力的感知,為手指康復評價和康復訓練提供了客觀數據。針對指力信號的濾波問題,提出了一種改進型的限幅消抖平均濾波法。該方法融合了限幅濾波法、消抖濾波法和平均濾波法的優(yōu)點,能夠有效的抑制指力信號的抖動和受到的干擾,提高指力感知系統(tǒng)對電壓信號獲取的精度,為主動訓練模式的實現打下了基礎。實驗結果表明,相較于傳統(tǒng)的限幅遞推平均濾波法,所提出的改進型限幅消抖濾波法具有更強的消抖能力和抗干擾能力,其中樣本信號的最大誤差e_(max)可進一步降低31.8%,方差S~2可進一步降低37.4%。另外,針對手指AROM測量中存在的問題,本系統(tǒng)提出了一種雙九軸姿態(tài)傳感器測量手指AROM的方法,并設計了一種新型的可穿戴式測量裝置,實現了手指AROM的測量,為手功能康復評價提供了一種新的技術途徑。(3)基于手指運動感知系統(tǒng),設計并實現了手指康復訓練控制系統(tǒng),包括硬件電路、下位機控制系統(tǒng)軟件、人機交互系統(tǒng)和上位機監(jiān)控系統(tǒng)。傳統(tǒng)人機交互嚴重依賴PC機,導致康復訓練系統(tǒng)因便攜性差、價格貴難以實現家用化。本文設計了基于7寸智能觸摸屏和語音模塊的人機交互系統(tǒng),實現了手指康復訓練和康復評價的家用化。另外,為了能夠實時呈現手指關節(jié)變化的細節(jié),基于虛擬現實技術設計了3D虛擬手隨動系統(tǒng),其能夠更好的反饋手指康復效果的信息。測試結果表明:系統(tǒng)軟硬件均達到了安全性、和可靠性的設計要求。語音指令對系統(tǒng)控制的準確率在實驗室、醫(yī)院和住宅小區(qū)環(huán)境高達95%、90%和84%以上。(4)在康復醫(yī)師的指導下,進行了手指康復訓練實驗。實驗結果表明:訓練裝置能夠帶動拇指指腹和食指相碰完成對指被動訓練;當指力達到閾值時,電機轉動輔助手指完成對指主動訓練;拇指訓練時,其關節(jié)活動角均大于處于功能位的關節(jié)活動角。進一步驗證了手指康復訓練系統(tǒng)在不同訓練模式下具有安全性、穩(wěn)定性和有效性。
【學位授予單位】：鄭州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TH789
【圖文】：

我國 40 歲以上腦卒中患者有 1242 萬人。腦卒中患者病后有 55%~6出現上肢功能障礙[1,2]，其中手功能障礙約占 80%。握持功能是人類特有的功能，根據握持強度的不同，可將其分為強力握精細握持，其中精細握持需要拇指與 2~5 指對指[3]。對指特征測試結果表明指與 2~5 指的對指功能對于日常生活具有重要意義。研究表明，拇指和食對指功能占整個手指運動的 80%，其中拇指功能占整個手功能的 50%[4]。另外指既可以屈伸/伸展及內收/外展，是實現對指功能的關鍵。盡早對患者進行功能康復訓練，尤其是對指等精細化的運動功能訓練，能夠縮短手指功能復周期[5]�；颊邔χ腹δ芑謴秃�，能夠完成拿筆和拿水杯等重要的日常行為現一定程度的生活自理，減輕家庭經濟負擔。目前，腦卒中患者手指功能的康復仍依靠傳統(tǒng)療法，即康復醫(yī)師手把手患者進行康復訓練。該方法在臨床上積累了大量的經驗，也能取得一定的，但康復醫(yī)師勞動量大、效率低，訓練效果嚴重依賴康復醫(yī)師的經驗和水平乏與康復評價相關的客觀數據[6]，難以對訓練參數進行優(yōu)化以獲得最佳的康練方案。圖 1.1 中，（a）、（b）分別為手把手式的對指訓練、拇指訓練。

手指套與限位塊設計圖

圖 2.4 手指套與限位塊實物圖拇指訓練機械結構設計的生理結構和運動特性分析，設計了系統(tǒng)的機械指套、手臂支架、電機、電機座、滾珠絲桿滑臺不僅能夠進行對指訓練，還能夠做拇指的屈伸/伸者的舒適度，配備了高度可調節(jié)和水平面內自由移

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本文編號：2789340