一种用于上肢截肢康复的虚拟假肢手训练平台

1.本发明涉及一种仿真训练平台，尤其涉及一种用于上肢截肢康复的虚拟假肢手训练平台。


背景技术：

2.上肢截肢患者康复干预是帮助截肢患者快速融入正常生活的一个重要保障，其目标在于在治疗实践中帮助截肢患者重新学习丢失的运动技能和感知功能，并将这些转移到日常生活中的功能活动中。虚拟仿真平台因其高可控性、高稳定性等特点，能够通过控制物体的物理性质帮助截肢者进行复杂技能的学习和转化，已被广泛应用于上肢神经康复功能的训练和治疗中。然而，由于真实物理世界的高度复杂性，当前许多软件仿真平台遗漏了假肢手的生物力学特性和运动控制特性，不能真实地评价假肢手所达到的运动效果。因此，需要设计一款虚拟仿真平台，其在帮助截肢患者进行康复训练时能够模拟出真实世界的物理接触，同时保持与现实假肢手相同的控制机理与感觉反馈。
3.近年来大量的感知反馈技术开发可以用来帮助截肢患者恢复手部的触觉感觉信息。非侵入式的经皮神经电刺激(tens)是一种可行的方法可以将来自于假肢手指尖的触觉信息反馈到截肢者的残端。有研究表明，机械感觉能够在截肢者的残端诱发出缺失的手指感觉，应用tens到截肢者残端皮肤的投影手指区域，可以诱发局部匹配的手指的感觉。这种感觉反馈技术已被认为是安全、稳定的，已经集成在一些真实假肢手上，可以实现替代本体感知功能的上肢感觉功能重建。
4.但是现有的技术还是有一些缺点：
5.(1)现有的软件仿真平台其物理引擎并不是基于接触动力学而设计的，反动力学建模不够精密，在丰富接触的复杂动力学行为上包括软物体接触等方面可能会出现较大误差，无法真实反应物理世界的假肢手与物体的接触。
6.(2)已有虚拟仿真平台的目的多为控制物体的物理性质，将其限制在所分析的变量和范围内，从而消除由复杂环境所带来的不准确性。仿真平台中虚拟手的抓握并不能反应真实物理世界中假肢手的抓握过程，日常生活中存在的大量冗余信息导致患者在虚拟环境中学到的技能无法快速转化到日常生活中的实际应用中。
7.(3)许多软件仿真平台虚拟手抓握的控制模式大多为简单的开关或线性控制，康复训练过程中控制方法的神经兼容性差，导致学习效果缓慢，缺乏类似人手的柔顺控制能力。
8.(4)目前虚拟仿真平台使用的感知反馈技术，大多分为侵入式感知反馈和非侵入式感知反馈。侵入式反馈需要患者提前进行电极植入手术，成本高昂，且电极阵列无法长期植入到人体内。非侵入式感知反馈多采用机械反馈的方式，其反馈为替代反馈，无法诱发出失去的手部的感觉，截肢患者无法建立直接的上肢感觉反馈通路。
9.因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于上肢截肢康复的虚拟假肢手训练平台。


技术实现要素：

10.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是：(1)用于上肢康复训练的虚拟仿真平台需要建立在一款基于真实物理引擎的模拟器上，该模拟器需要能够模拟出真实世界的物理接触；(2)虚拟仿真平台需要能够尽可能还原真实物理世界中的假肢手抓握任务。在虚拟仿真平台上需要开发出一款真实假肢手的虚拟复制，该虚拟手需要具有类人手的柔顺特性，能够完成类人手的运动控制。设计虚拟任务时需要考虑到真实世界的复杂性，使患者在虚拟环境中学到的技能能够快速转化到实际生活应用中；(3)虚拟仿真平台需要能够帮助截肢患者恢复其上肢感觉反馈通路。
11.为实现上述目的，本发明提供一种用于上肢截肢康复的虚拟假肢手训练平台，其特征在于，包括虚拟假肢手或者虚拟假肢体、控制系统、软件接口，所述虚拟假肢手或者虚拟假肢体设置为肌腱驱动，驱动方式与人体类同；
12.所述控制系统设置为利用实时仿真算法模拟一对具有拉伸反射特征的拮抗肌；
13.所述软件接口设置为将假肢手指前端的触觉信息输入人体上肢感觉通路，形成不同的触觉感受。
14.进一步地，所述虚拟假肢手的肌腱驱动基于真实的手部结构的肌腱驱动；
15.进一步地，所述虚拟假肢手包括组件，所述组件设置为符合人体真实的手部结构或者设置为不符合人体的自定义结构，所述组件数量为1个或者多个。
16.进一步地，所述组件设置为诱发的指感反馈信息是患者真实产生的或者是模拟产生的；所述组件设置为传递触觉信息；所述指感反馈信息由经皮神经电刺激技术刺激截肢者稳定的诱发指感区域传递感觉信息或者由振动反馈或者由直接刺激截肢者残肢的中神经或者尺神经区域产生感觉得到。
17.进一步地，所述触觉信息，包括不同物体的大小。
18.进一步地，所述触觉信息包括不同软硬度。
19.进一步地，所述触觉信息包括所述虚拟假肢手与物体接触时的滑移信息。
20.进一步地，所述触觉信息包括所述虚拟假肢手与物体接触时手指表面的温度信息。
21.进一步地，所述触觉信息包括单个手指信息或者多个手指信息，所述触觉信息的传递方式设置为单通道或者多通道。
22.进一步地，还包括虚拟体组，所述虚拟体组包括1个或者多个虚拟体，所述虚拟体设置为与假肢手接触，所述虚拟体设置为刚度、重量基于真实世界物体的物理特性或者采用理想化的虚拟模型。
23.进一步地，所述拮抗肌设置为上肢任意一对拮抗肌，所述拮抗肌初始肌肉长度基于不同的肌肉类型设置。
24.将感知反馈技术与虚拟仿真平台进行有机结合，采用非侵入式经皮神经电刺激感觉反馈方法，虚拟假肢手前端的压力传感器产生的压力信息经电刺激编码反馈给截肢者，截肢者控制虚拟假肢手完成抓握物体的训练时能够感受到缺失手指上的不同大小、模态的感觉信息。
25.本发明是通过以下技术方案实现的：
26.其技术特点包括，基于物理引擎的虚拟环境，虚拟假肢手模型，基于生物真实性的
控制方法，基于诱发指感的经皮神经电刺激技术。
27.训练平台基于真实的物理引擎实现。物理引擎是一种计算机软件，它可以根据现实世界的物理约束，提供一个近似的物理系统。训练平台通过为刚性物体赋予真实的物理属性的方式来计算运动，模拟刚体行为，具有快速的计算速度以及准确的计算能力来计算物体相互接触时的交互，可以最大程度上模拟真实世界的物理接触。
28.该虚拟假肢手的手部结构主要来源于虚拟模块化假肢手(vmpl)模型，根据手部肌肉组织的解剖结构在相应位置添加了十根肌腱，每一根肌腱从前臂通过固定锚点延伸到每根手指的末端。手指各个关节的手掌侧和手背侧都会设置一个锚点，随着关节旋转而旋转。关节的旋转轴平行于手掌侧，使得虚拟假肢手只能够进行屈曲/伸展运动。该虚拟假肢手的整体手部结构包括五个接触传感器，贴覆在每个手指指尖用来传递与物体接触时的指尖压力；十四个关节，其中拇指具有两个关节，其他手指各有三个关节；十根肌腱，五根是屈肌肌腱，五根是伸肌肌腱，分别绕在每个手指的各个关节上，受力会被拉动；十个力驱动器，每个手指有两个，一个输出屈肌力牵拉屈肌腱使手指屈曲，另一个输出伸肌力牵拉伸肌腱用来伸展手指。
29.所述虚拟假肢手的控制系统采用生物真实的控制方法，利用可以达到实时计算的计算机程序模拟一对具有拉伸反射特征的拮抗肌。一对肌电传感器贴附在人体前臂的一对拮抗肌上，采集表面肌电信号并对其进行放大、滤波，从而作为虚拟假肢手的控制信号源。该信号源作为α运动命令通过运动神经元模型发送给肌肉模型产生输出力，同时肌梭模型实时感知此时肌肉的长度变化，其感觉神经元模型通过突触模型将肌肉的长度变化反馈给运动神经元模型来调控肌肉模型的输出力。屈肌和伸肌模型产生的肌肉输出力共同作用在肌腱上，牵拉手指的各个关节进行弯曲/伸展运动。
30.感知反馈系统中利用基于诱发指感的经皮神经电刺激技术使截肢者产生相应感觉。在软件仿真平台中，当受试者控制虚拟手与其他的虚拟物体进行接触时，虚拟手指末端的接触传感器产生压力信号发送给外界的感知反馈系统。感知反馈系统中的多通道多功能电刺激器将压力信号通过一定的编码转化为电刺激信号，产生的电流刺激为双相、电荷平衡、阴极优先的脉冲序列，每个脉冲之间间隔为10μs，并传送到投影手指区域(pfm)，使截肢者能够根据虚拟手指指尖压力的变化产生相对应的手指的压力感觉。
31.本发明有益的技术效果如下：
32.(1)本发明开发的虚拟仿真平台是基于真实的物理引擎，能够较为准确的模拟出真实世界的物理接触，有利于虚拟环境到真实环境康复训练后的技能转化。
33.(2)本发明开发的虚拟仿真平台，其优势在于模拟人类真实的上肢感觉运动系统，能够实现类人化的柔顺控制并结合了多模态感觉反馈通路。相比于其他虚拟平台，具有更高的神经兼容性，使用者能够快速上手，并能够完成更高难度的训练任务。
34.(3)本发明保持与现实假肢手相同的控制机理与感知能力，患者在虚拟环境中学习到的技能可以直接应用到现实假肢手上。
35.(4)本发明作为截肢患者上肢的康复训练平台，提供丰富的训练环境，可进行个性化训练定制，能够提高趣味性和用户的参与性。同时也可以为假肢手设计时的功能验证提供一个可重复的、高稳定性的环境。
附图说明
36.图1为虚拟环境中假肢手的结构图；
37.图2展示整个虚拟仿真平台；
38.图3为感知反馈系统的信号流图。
具体实施方式
39.以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
40.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
41.实施例1
42.本发明提供一种用于上肢截肢康复的虚拟假肢手训练平台，包括虚拟假肢手、控制系统、软件接口。
43.图1为虚拟环境中假肢手的结构图。如图1所示，所述虚拟假肢手由肌腱驱动，有十四个关节，十根肌腱，手指之间有五个接触传感器。
44.图2展示整个虚拟仿真平台，一对模拟肌肉经过alpha运动命令驱动产生肌肉输出力，牵拉虚拟假肢手的肌腱控制假肢手抓握物体。当手指与物体接触时，假肢手手指末端的压力传感器感知手指受到的压力，通过感觉反馈系统以经皮神经电刺激的方式将压力信息传递给截肢者。
45.图3为感知反馈系统的信号流图。展示了手指末端的传感器产生压力信号后通过一系列的感觉模态编码，产生电刺激发送给截肢者。
46.本发明是基于真实的物理引擎实现的，物理引擎是一种计算机软件，它可以根据现实世界的物理约束，提供一个近似的物理系统。该平台通过为刚性物体赋予真实的物理属性的方式来计算运动，模拟刚体行为，具有快速的计算速度以及准确的计算能力来计算物体相互接触时的交互，可以最大程度上模拟真实世界的物理接触。
47.所述虚拟假肢手的手部结构主要来源于虚拟模块化假肢手(vmpl)模型，根据手部肌肉组织的解剖结构在相应位置添加了十根肌腱，每一根肌腱从前臂通过固定锚点延伸到每根手指的末端。手指各个关节的手掌侧和手背侧都会设置一个锚点，随着关节旋转而旋转。关节的旋转轴平行于手掌侧，使得所述虚拟假肢手只能够进行屈曲/伸展运动。所述虚拟假肢手的整体手部结构包括五个接触传感器，贴覆在每个手指指尖用来传递与物体接触时的指尖压力；十四个关节，其中拇指具有两个关节，其他手指各有三个关节；十根肌腱，五根是屈肌肌腱，五根是伸肌肌腱，分别绕在每个手指的各个关节上，受力会被拉动；十个力驱动器，每个手指有两个，一个输出屈肌力牵拉屈肌腱使手指屈曲，另一个输出伸肌力牵拉伸肌腱用来伸展手指。
48.所述控制系统采用生物真实的控制方法，利用可以实时完成计算的计算机算法来模拟一对具有拉伸反射特征的拮抗肌。一对肌电传感器贴附在人体前臂的一对拮抗肌上，采集表面肌电信号并对其进行放大、滤波，从而作为虚拟假肢手的控制信号源。该信号源作
为α运动命令通过运动神经元模型发送给肌肉模型产生输出力，同时肌梭模型实时感知此时肌肉的长度变化，其感觉神经元模型通过突触模型将肌肉的长度变化反馈给运动神经元模型来调控肌肉模型的输出力。屈肌和伸肌模型产生的肌肉输出力共同作用在肌腱上，牵拉手指的各个关节进行弯曲/伸展运动。
49.感知反馈系统中利用基于诱发指感的经皮神经电刺激技术使截肢者产生相应感觉。在软件仿真平台中，当受试者控制虚拟手与其他的虚拟物体进行接触时，虚拟手指末端的接触传感器产生压力信号发送给外界的感知反馈系统。感知反馈系统中的多通道多功能电刺激器将压力信号通过一定的编码转化为电刺激信号，产生的电流刺激为双相、电荷平衡、阴极优先的脉冲序列，每个脉冲之间间隔为10μs，并传送到投影手指区域(pfm)，使截肢者能够根据虚拟手指指尖压力的变化产生相对应的手指的压力感觉。
50.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。