本發(fā)明屬于康復訓練，具體涉及基于功能性電刺激的神經(jīng)肌肉協(xié)同康復訓練方法及裝置。

背景技術：

1、在眾多的康復手段中，功能性電刺激(functional?electrical?stimulation，fes)治療被廣泛應用于醫(yī)學康復領域，其主要的工作原理是使用一定強度的低頻電流刺激患者肢體的運動功能受損部位，誘發(fā)肌肉組織產(chǎn)生收縮，以模擬正常的自主運動，是一種應用場景廣泛的神經(jīng)系統(tǒng)損傷康復技術。

2、然而，目前市場上的功能性電刺激設備普遍存在功能單一的問題，其主要作為電刺激波形發(fā)生器使用，而患者在參與康復訓練時所經(jīng)歷的是一種重復性、機械性的電刺激過程，此過程依賴醫(yī)師手動設定工作參數(shù)，患者肌肉被在功能性電刺激作用下被動收縮與舒張，缺乏有效的反饋機制，電刺激參數(shù)和強度的調整完全依賴于醫(yī)生的經(jīng)驗和判斷，一般也不實現(xiàn)對肢體運動的精確控制。這種單一的刺激方式治療效果有限。

3、康復臨床研究表明，主被動結合康復訓練相對于被動康復訓練具有以下優(yōu)勢：

4、1)提高患者的主動參與：主被動結合康復訓練中，患者不僅接受被動的治療，還需要主動參與訓練。這可以幫助患者更好地理解和掌握運動技巧，增強主動性和積極性，提高治療效果。

5、2)促進肌肉控制和協(xié)調：通過主動參與康復訓練，患者可以加強對肌肉的控制和協(xié)調能力。主動參與訓練可以激活中樞神經(jīng)系統(tǒng)，加強神經(jīng)肌肉連接，從而提高肌肉的運動功能。

6、因此，主被動結合康復訓練相對于被動康復訓練可以更好地促進患者的康復進程，并提高康復效果。

7、因此，本發(fā)明提出一種能夠實現(xiàn)主被動相結合的功能性電刺激康復訓練方法及裝置。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術問題：如何提高患者的神經(jīng)肌肉協(xié)同康復訓練的效果，

2、本發(fā)明提供如下技術方案：

3、第一方面，

4、本發(fā)明提供一種基于功能性電刺激的神經(jīng)肌肉協(xié)同康復訓練方法，計算機中安裝有基于虛擬現(xiàn)實技術的康復游戲客戶端、上位機控制終端，神經(jīng)肌肉協(xié)同康復訓練方法包括如下步驟：

5、步驟s1、康復游戲客戶端生成虛擬場景和用戶界面，用戶通過用戶界面設置關節(jié)的訓練參數(shù)，包括設定需要訓練的關節(jié)、關節(jié)運動的目標角度的最大值和最小值、訓練時間，開啟訓練流程；

6、步驟s2、康復游戲客戶端生成虛擬場景中的初始虛擬角色，包括玩家角色、向導角色、若干個移動目標角色；玩家角色，用于反映關節(jié)實際運動；移動目標角色，為虛擬場景中移動的物體，作為玩家角色需要追蹤的目標；向導角色，用于引導玩家角色與移動目標角色相遇時所要到達的坐標；初始化功能性電刺激的初始強度為零；同時獲取距玩家角色最近的移動目標角色的縱坐標值，依據(jù)最近的移動目標角色的縱坐標值調整向導角色的縱坐標位置，將該向導角色的縱坐標位置轉換成關節(jié)運動的目標角度，向導角色的縱坐標位置與關節(jié)運動的目標角度互為映射；向導角色的縱坐標值與最近的移動目標角色的縱坐標值相同，向導角色的橫坐標值與玩家角色的橫坐標值相同；

7、步驟s3、進行神經(jīng)康復訓練：玩家角色、向導角色刺激患者的視覺神經(jīng)并反饋至患者大腦神經(jīng)，基于玩家角色、向導角色的高度確定關節(jié)運動康復訓練的目標高度，患者確定肢體運動方向，大腦神經(jīng)發(fā)出運動指令，并將該運動指令傳導給肌肉，患者神經(jīng)得到康復訓練；

8、步驟s4、進行肌肉康復訓練：肌肉一方面在患者運動指令產(chǎn)生肌肉主動運動；另一方面通過功能性電刺激閉環(huán)運動算法讀取關節(jié)運動的實際角度，計算關節(jié)運動的目標角度和關節(jié)運動的實際角度兩者的差值，若差值小于0，則無需使用功能性電刺激；若差值大于0，關節(jié)運動的實際角度小于目標角度，根據(jù)差值計算功能性電刺激強度，并發(fā)出該功能性電刺激，使肌肉產(chǎn)生收縮，從而產(chǎn)生關節(jié)運動；康復游戲客戶端讀取上位機控制終端發(fā)送過來的關節(jié)運動的實際角度，將該關節(jié)運動的實際角度實時映射為玩家角色的縱坐標位置，實時更新玩家角色位置；

9、步驟s5、上位機控制終端讀取康復游戲客戶端發(fā)送過來的關節(jié)運動的目標角度，對比上位機控制終端從imu傳感器接收到的關節(jié)運動的實際角度，基于關節(jié)運動的目標角度與實際角度差值，若關節(jié)運動的實際角度小于目標角度，則返回步驟s3繼續(xù)執(zhí)行，直至關節(jié)運動的目標角度大于實際角度，即玩家角色抵達向導角色的位置，功能性電刺激輔助用戶關節(jié)運動到目標角度，退出循環(huán)，完成用戶的神經(jīng)肌肉協(xié)同康復訓練。

10、進一步地，根據(jù)步驟s5中完成康復訓練時功能性電刺激累計強度和發(fā)生時間，在康復游戲中設置計分單元評估患者自主運動的能力，功能性電刺激累計強度、發(fā)生時間與患者自主運動的能力成反比；

11、若功能性電刺激不介入關節(jié)運動，患者完全自主控制玩家角色到達向導角色時，計分單元增加的分數(shù)為滿分a；

12、若功能性電刺激發(fā)生時間大于零、功能性電刺激強度大于零，患者需要功能性電刺激輔助后控制玩家角色到達向導角色，計分單元增加分數(shù)為滿分a×(1-功能電刺激發(fā)生時間/單次游戲總時間)×(1-功能性電刺激強度/功能性電刺激強度最大強度)，單次游戲總時間是指玩家角色從初始位置運動至向導角色位置的時間；

13、若患者完全依賴功能性電刺激才能控制玩家角色到達向導角色，計分單元增加分數(shù)為0。

14、進一步地，康復游戲客戶端包括：

15、連接管理模塊，用于負責建立康復游戲客戶端與上位機的通信連接，并接收上位機的數(shù)據(jù)和向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)，保持與上位機的通信，實時獲取功能性電刺激器的狀態(tài)信息；

16、游戲管理模塊，用于執(zhí)行康復游戲客戶端的功能，包括生成虛擬場景，虛擬場景中的玩家角色、向導角色、若干個移動目標角色；

17、訓練參數(shù)設定模塊，用于輸入關節(jié)的訓練參數(shù)。

18、進一步地，步驟s4中，玩家角色縱軸坐標y與關節(jié)運動的實際角度映射關系滿足：

19、

20、其中anglejoint是通過上位機控制終端的閉環(huán)控制模塊解算得出關節(jié)運動的實際角度，ytop為屏幕頂端縱坐標值，ybottom為屏幕底端縱坐標值，maxjoint、minjoint是用戶設置的訓練參數(shù)中的關節(jié)運動的目標角度的最大值、最小值，pos為虛擬場景中玩家角色的縱坐標位置歸一化值。

21、進一步地，步驟s4中，向導角色的縱坐標位置與關節(jié)運動的目標角度angledestination關系滿足：

22、

23、其中angledestination是康復游戲客戶端向上位機控制終端要發(fā)送的關節(jié)運動的目標角度，y是向導角色縱軸坐標，ytop為屏幕頂端縱坐標值，ybottom為屏幕底端縱坐標值，maxjoint、minjoint是用戶設置的訓練參數(shù)中的關節(jié)運動的目標角度的最大值、最小值，pos為虛擬場景中向導角色的縱坐標位置歸一化值。

24、進一步地，游戲管理模塊運行方法包括：

25、步驟s10、通過調用gamemanager類函數(shù)生成從顯示器上從右向左逐一移動的若干移動目標角色；

26、步驟s11、通過調用距離計算函數(shù)，計算距離玩家角色最近的移動目標角色的位置；

27、步驟s12、獲取該最近的移動目標角色的縱坐標值，并設定向導角色的目標位置的縱坐標為該最近的移動目標角色的縱坐標值。

28、進一步地，步驟s10，包括如下步驟：

29、步驟s101、初始化計時器和生成計數(shù)器；

30、步驟s102、當計時器超過預設時間間隔，且生成計數(shù)器小于最大移動目標角色生成數(shù)量時，執(zhí)行步驟s103；否則，不生成新的移動目標角色；

31、步驟s103、從預設的對象列表中隨機選擇一個對象模板；

32、步驟s104、根據(jù)選擇的對象模板，生成新的移動目標角色并設置其初始位置、大小和移動速度，其中初始位置為一個隨機的生成位置，橫坐標為固定值，即顯示虛擬場景的顯示器屏幕最右邊點的橫坐標，縱坐標在指定范圍內隨機；大小和移動速度為設置范圍內的隨機值；

33、步驟s105、將新生成的移動目標角色加入到當前對象列表中，為其設置編號；

34、步驟s106、持續(xù)更新生成的移動目標角色橫軸坐標位置值，使其從右向左移動；

35、步驟s107、重置計時器，返回步驟s101。

36、進一步地，步驟s11，用于尋找距離玩家角色最近的移動目標角色，包括如下步驟：

37、包括如下步驟：

38、步驟s111、如果當前目標對象列表為空，則返回空退出流程，否則繼續(xù)執(zhí)行步驟s112；

39、步驟s112、初始化記錄的最小距離為一個初始值，該初始值大于顯示虛擬場景的顯示器屏幕最右邊點的橫坐標值即可，初始化最近的移動目標角色的序號為0；

40、步驟s113、計算移動目標角色對象列表中當前序號的移動目標角色與玩家角色之間的距離；

41、步驟s114、如果計算出的當前距離小于記錄的最小距離，則更新記錄的最小距離為當前距離，更新最近的移動目標角色的序號為當前序號，當前序號遞增1，如果未完全遍歷移動目標角色對象列表中的所有對象，則返回上述的步驟s113；

42、步驟s115、通過最近的移動目標角色的序號返回最近的移動目標角色對象的位置。

43、進一步地，步驟s12，包括如下步驟：

44、步驟s121、初始化向導角色移動的持續(xù)時間為0，設定向導角色的當前位置移動到向導角色的目標位置的設定時間為1s；

45、步驟s122、累計持續(xù)時間，檢查向導角色的當前位置和目標位置的差值，如果差值小于0.001f的unity單位，則無需移動，結束當前流程，否則繼續(xù)執(zhí)行步驟s123；

46、步驟s123、當持續(xù)時間在設定時間內時，每幀做一次循環(huán)，執(zhí)行以下步驟：

47、持續(xù)時間增加固定量，固定量為0.04s，用于記錄移動過程中的時間進度；

48、根據(jù)時間進度插值更新向導角色當前位置，向導角色位置縱坐標變換值為：

49、(目標位置-當前位置)/(設定時間/每次持續(xù)時間增加的固定量)，橫坐標不變；

50、如果持續(xù)時間未到達設定時間，則重復跳轉至增加持續(xù)時間固定量步驟依次向下執(zhí)行，進行循環(huán)；

51、步驟s124、直到向導角色到達目標位置停止步驟s123的循環(huán)；

52、步驟s125、將向導角色縱坐標值映射為關節(jié)運動的目標角度，并將該關節(jié)運動的目標角度發(fā)送至上位機控制終端。

53、第二方面，本發(fā)明提供一種基于功能性電刺激的神經(jīng)肌肉協(xié)同康復訓練裝置，用于執(zhí)行前述的神經(jīng)肌肉協(xié)同康復訓練方法，包括計算機、功能性電刺激器、電極片、imu傳感器、急停開關，

54、計算機與imu傳感器建立通信連接，imu傳感器固定于上肢待訓練的關節(jié)處，imu傳感器用于測量和跟蹤待訓練的關節(jié)的姿態(tài)、加速度和角速度；

55、計算機與功能性電刺激器連接，功能性電刺激器通過電極線連接電極片，電極片固定于上肢上，功能性電刺激器能夠產(chǎn)生不同強弱的功能性電刺激，并通過電極片后刺激上肢肌肉收縮運動；

56、功能性電刺激器與急停開關連接；急停開關由患者手持，用于控制功能性電刺激器的運行與否；

57、計算機內安裝有：

58、上位機控制終端，包括：

59、imu傳感器控制模塊，用于建立或斷開imu傳感器與計算機的通信連接，掃描imu傳感器狀態(tài)和已連接的傳感器數(shù)量、獲取imu傳感器的id、imu傳感器的歐拉角實時參數(shù)、imu傳感器的電量信息；

60、fes控制模塊，用于實現(xiàn)功能性電刺激，建立或斷開功能性電刺激器與計算機的通信連接，獲取功能性電刺激器通道的開關狀態(tài)、刺激強度、頻率、正脈沖脈寬、過度脈寬、保護電壓、保護電流、刺激狀態(tài)；

61、關節(jié)角度閉環(huán)控制模塊，獲取實際根據(jù)患者自主運動能力自動調節(jié)功能性電刺激器的輸出的電刺激強度，使得患者關節(jié)運動到目標角度；

62、康復游戲客戶端連接模塊，用于建立康復游戲客戶端與上位機控制終端的通信連接；

63、康復游戲客戶端，采用虛擬現(xiàn)實技術，通過建立虛擬角色引導用戶上肢運動至預期的目標角度。

64、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

65、1.能夠實現(xiàn)從大腦神經(jīng)發(fā)出運動指令到肌肉實現(xiàn)該指令運動，整個運動回路的神經(jīng)與肌肉協(xié)同康復訓練。相對于傳統(tǒng)的功能性電刺激具有創(chuàng)新性和良好的療效。

66、具體的，

67、本發(fā)明基于虛擬現(xiàn)實技術，設計了虛擬的游戲場景，在游戲場景中將在屏幕右側按一定時間在隨機高度生成移動目標角色，患者為了能夠清除移動目標角色，需要通過控制腕部或肘部關節(jié)運動來上下移動玩家角色。該玩家角色的位置高度根據(jù)患者腕關節(jié)、肘關節(jié)等實際運動的關節(jié)角度設置，也就是患者關節(jié)運動的實際角度，該實際角度越大，則玩家角色高度越高。游戲中設計了一個向導角色，該向導角色的高度與移動目標一致，作用是提示患者運動的目標位置，其縱軸坐標與移動目標角色一致，均反映康復訓練運動中期望的目標角度。

68、康復訓練時，首先患者看到游戲界面的虛擬角色，對患者視覺神經(jīng)產(chǎn)生刺激，明確康復訓練的目標高度，隨后大腦神經(jīng)發(fā)出運動指令，肌肉接收到該運動指令，并盡力抬腕或肘等進行關節(jié)運動，此時患者的手可能運動一部分高度、全部高度或者一點都無法運動。貼放在患者腕部、肘部等imu傳感器檢測患者運動的關節(jié)角度，系統(tǒng)計算出與患者關節(jié)運動同步的玩家角色高度，并控制玩家角色移動到向導角色的高度。

69、當玩家無法達到相應的高度時，功能性電刺激刺激肌肉收縮運動，輔助患者腕關節(jié)或肘關節(jié)等達到目標高度，當患者關節(jié)運動到預期的目標角度時，患者看到玩家角色的高度到達向導角色高度時，患者神經(jīng)接收該信息，發(fā)出停止繼續(xù)運動，維持當前高度，肌肉執(zhí)行該命令維持相應高度，等待移動目標角色移動過來，使玩家角色碰上移動目標角色，從而完成神經(jīng)到肌肉整個運動環(huán)路的協(xié)同康復訓練。

70、本發(fā)明借助虛擬現(xiàn)實技術良好的沉浸感給患者提供強烈的視覺神經(jīng)反饋，在訓練過程中，患者大腦神經(jīng)發(fā)出主動運動命令，再肌肉執(zhí)行該運動，最后運動結果反饋到大腦，大腦根據(jù)當前運動狀態(tài)決定下次運動命令，循環(huán)訓練。這是一種從神經(jīng)到肌肉整個運動回路的協(xié)同康復訓練，具有更好的康復訓練效果。

71、2)本發(fā)明基于功能性電刺激的神經(jīng)肌肉協(xié)同康復訓練裝置，它通過游戲設計，將游戲元素融入康復訓練中，為患者提供了一種全新的治療體驗。這種方法巧妙地融合了游戲的樂趣與康復訓練的科學性，旨在調動患者的積極性，提高他們的參與度，從而加速康復進程。通過游戲化的體驗和定制化的康復目標，康復游戲能夠有效地促進患者的康復效果。

72、本發(fā)明的神經(jīng)肌肉協(xié)同康復訓練裝置能夠實現(xiàn)從神經(jīng)到肌肉的協(xié)同康復訓練。為了在肌肉康復訓練的同時能夠實現(xiàn)從神經(jīng)到肌肉整個運動回路的康復訓練，此康復訓練裝置，首先從游戲中接受運動命令信號，通過視覺神經(jīng)反饋到大腦神經(jīng)，再由大腦神經(jīng)系統(tǒng)確定手的運動方向，并將該運動命令信號通過神經(jīng)傳遞到肌肉，使肌肉產(chǎn)生運動，然后再由一種能夠根據(jù)患者自主運動能力自適應調節(jié)的神經(jīng)肌肉協(xié)同康復訓練裝置，首先讓患者盡可能自主運動，當患者無法運動到目標位置時，功能性電刺激器對肌肉產(chǎn)生刺激使與患者關節(jié)運動的實際角度映射的玩家角色與移動目標角色相遇。該過程中需要患者不斷根據(jù)移動目標角色的位置不斷嘗試使自己的手的末端位置到移動目標角色的位置。能夠實現(xiàn)從大腦發(fā)出命令到肌肉運動實現(xiàn)該命令整個運動回路的康復訓練。相對于傳統(tǒng)的功能性電刺激具有創(chuàng)新性和良好的療效。

73、3)在康復訓練時，本發(fā)明的康復訓練裝置及方法能夠量化患者實現(xiàn)康復訓練目標過程中患者主動運動的程度，根據(jù)功能性電刺激強度和發(fā)生時間，在康復游戲中設置計分單元評估患者自主運動的能力，功能性電刺激強度、發(fā)生時間與患者自主運動的能力成反比；從而激勵患者積極進行主動康復訓練，具有更好的療效。在康復訓練時，該裝置及方法能夠量化患者實現(xiàn)康復訓練目標過程中患者主動運動的程度，從而激勵患者積極進行主動康復訓練，具有更好的療效。