鄭州大學(xué)

王一帆，孫嘉星，韓舒航，閆曉亭

1 作品介紹

本系統(tǒng)是基于ZigBee人體局域網(wǎng)與Fugl-meyer特征評(píng)估模型的下肢智能康復(fù)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)障礙患者的科學(xué)性指導(dǎo)和輔助治療。本系統(tǒng)主要分為康復(fù)評(píng)估和康復(fù)訓(xùn)練兩大部分。

1.1 康復(fù)評(píng)估部分

康復(fù)評(píng)估部分由患者穿戴的下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)評(píng)估設(shè)備和云平臺(tái)的特征評(píng)估模型組成。

康復(fù)評(píng)估設(shè)備的6個(gè)九軸姿態(tài)傳感器分別分布在左右腿的腳踝、小腿、大腿處，MPU9250九軸傳感器如圖1所示。通過采集各部分的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)表征下肢運(yùn)動(dòng)障礙康復(fù)情況，同時(shí)各傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)ZigBee人體局域網(wǎng)組網(wǎng)，將終端采集的數(shù)據(jù)通過WiFi以MQTT協(xié)議上傳至康復(fù)評(píng)估平臺(tái)。載有ZigBee模塊的姿態(tài)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)如圖2所示。示意圖如圖3所示。

圖1 MPU9250九軸傳感器

圖2 載有ZigBee模塊的姿態(tài)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)（自主研發(fā)）

圖3 人體動(dòng)態(tài)三維可視化展示示意圖

云平臺(tái)對(duì)傳感器采集的姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析，通過算法比較患者與正常人各項(xiàng)指標(biāo)的差異，使用Fugl-meyer特征評(píng)估模型進(jìn)行康復(fù)評(píng)估，匹配符合患者康復(fù)程度的康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作集。同時(shí)，客戶端接收服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬人體模型的可視化展示。人體動(dòng)態(tài)三維可視化展示

1.2 康復(fù)訓(xùn)練部分

康復(fù)訓(xùn)練部分由下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人組成，該設(shè)備使用基于矢量控制方法的外骨骼無刷電機(jī)伺服控制方案，實(shí)時(shí)性好，精確度高，執(zhí)行云平臺(tái)發(fā)送的下肢康復(fù)動(dòng)作集，帶動(dòng)患者的下肢進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。

2 技術(shù)原理

該下肢智能康復(fù)系統(tǒng)主要由MPU9250九軸傳感器、Fugl-meyer特征評(píng)估模型、基于ZigBee的人體局域網(wǎng)、云平臺(tái)數(shù)據(jù)及三維人體模型可視化展示技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

MPU9250九軸傳感器對(duì)傳感器采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行九軸融合姿態(tài)解算，再經(jīng)由 ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，然后基于MQTT協(xié)議發(fā)送至云平臺(tái)。該項(xiàng)目的技術(shù)核心為Fugl-meyer特征評(píng)估模型，該模型將Fugl-meyer方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，利用FP-Growth算法對(duì)患者數(shù)據(jù)集進(jìn)行挖掘，從而反饋匹配的治療方案。下肢康復(fù)平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和挖掘的同時(shí)建立由患者驅(qū)動(dòng)的三維人體動(dòng)態(tài)模型。項(xiàng)目總體流程示意圖如圖4所示。

圖4 項(xiàng)目總體流程示意圖

3 創(chuàng)新點(diǎn)

下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)評(píng)估系統(tǒng)包含多個(gè)傳感器，采集數(shù)據(jù)量大，傳輸速率高，需結(jié)合 ZigBee無線通信技術(shù)，以實(shí)時(shí)匹配精準(zhǔn)的康復(fù)治療方案。同時(shí)采用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，創(chuàng)建虛擬人體三維模型，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，從而更加直觀地判斷患者的康復(fù)情況。載有下肢智能康復(fù)評(píng)估設(shè)備的下肢行走機(jī)器人如圖5所示。

圖5 載有下肢智能康復(fù)評(píng)估設(shè)備的下肢行走機(jī)器人

4 應(yīng)用前景及市場(chǎng)

應(yīng)用前景：患有腦卒中下肢障礙疾病的患者，病情多樣，有時(shí)無法及時(shí)獲得準(zhǔn)確、科學(xué)的治療方案，且目前治療資源分布不均衡，現(xiàn)有康復(fù)醫(yī)療設(shè)備價(jià)格昂貴，而本產(chǎn)品具有便捷、場(chǎng)地靈活、匹配方案精準(zhǔn)等優(yōu)勢(shì)，所以本系統(tǒng)的應(yīng)用前景較為廣闊。

市場(chǎng)：通過對(duì)技術(shù)的進(jìn)一步技術(shù)完善，可實(shí)現(xiàn)人體組網(wǎng)，提出更多疾病的治療方案。