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基于结构优化的DDAG-SVM上肢康复训练动作识别方法

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自动化学报 2020年第3期46卷 549-561页

作者：左国玉徐兆坤卢佳豪龚道雄北京工业大学信息学部北京100124 计算智能与智能系统北京市重点实验室北京100124

针对上肢康复训练系统中训练评估方法核心的动作识别问题,提出一种面向Brunnstrom 4~5期患者上肢康复训练动作的SODDAG-SVM(Structure-optimized decision directed acyclic graph-support vector machine)多分类识别方法.首先将多分类问题分解成一组二分类问题,并使用支持向量机构建各二分类器,分别采用遗传算法和特征子集区分度准则对各二分类器的核函数参数及特征子集进行优化.然后使用类对的SVM二分类器泛化误差来衡量每个类对的易被分离程度,并由其建立类对泛化误差上三角矩阵.最后由根节点开始,依次根据各节点的泛化误差矩阵,通过选择其中最易被分离类对的SVM分类器构成该节点的方式,来构建SODDAG-SVM多分类器结构.当待预测的实例较少时,直接构建实例经过的SODDAG-SVM部分结构并对实例进行预测;当待预测的实例较多时,先构建完整的SODDAG-SVM结构,再代入所有实例进行预测.通过人体传感技术获得Brunnstrom 4~5阶段上肢康复训练的常用动作样本集,进行SODDAG-SVM动作识别实验,准确率达到了95.49%,结果均优于常规的决策有向无环图(Decision directed acyceic graph,DDAG)和MaxWins方法,实验表明本文方法能有效地提高上肢康复训练动作识别的准确率.

关键词：上肢康复训练动作识别 SODDAG-SVM 多分类器二分类器

基于肌音信号的上肢康复训练动作模式识别方法

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中华物理医学与康复杂志 2015年第11期37卷 876-878页

作者：孟巧玲易金花喻洪流赵胜楠石萍上海理工大学医疗器械与食品学院康复工程与技术研究所上海康复器械工程技术中心上海200093

研究表明，建立受损大脑与障碍肢体运动间的联系是加速恢复肢体功能的有效办法，而生物反馈则是借助精密的专业工具，探查和放大人体固有的生理变化过程中所产生的各种信息，通过显示系统将此种信息转变为易于为患者理解的信号或读数，... 详细信息

研究表明，建立受损大脑与障碍肢体运动间的联系是加速恢复肢体功能的有效办法，而生物反馈则是借助精密的专业工具，探查和放大人体固有的生理变化过程中所产生的各种信息，通过显示系统将此种信息转变为易于为患者理解的信号或读数，在医务人员的指导下进行训练，使患者学会利用经过处理的自身信号，有意识地控制体内各种生理、病理的过程。

关键词：肌音信号上肢康复训练动作模式识别方法

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面向上肢康复训练的人体动作识别研究

面向上肢康复训练的人体动作识别研究

作者：徐兆坤北京工业大学

学位级别：硕士

上肢康复训练能够改善并治疗脑卒中患者的上肢运动功能障碍。传统的康复训练需要在医护人员和大型训练器械的协助下进行,该方法虽然可以有效的完成对患者的训练,但其成本高、自主性差、单调乏味且难以对康复效果进行实时有效的测量和评... 详细信息

上肢康复训练能够改善并治疗脑卒中患者的上肢运动功能障碍。传统的康复训练需要在医护人员和大型训练器械的协助下进行,该方法虽然可以有效的完成对患者的训练,但其成本高、自主性差、单调乏味且难以对康复效果进行实时有效的测量和评价。为解决上述问题,论文将人体动作传感技术与脑卒中患者的康复训练相结合,使用人体动作传感技术提供患者的康复训练动作信息,并以SVM技术为基础对上肢康复训练系统中训练动作评价方法的核心动作识别问题进行了研究,提出一种面向Brunnstrom 4-5期患者上肢康复训练动作的识别方法,并构建了以该方法为核心的上肢康复训练系统。论文主要研究内容如下:1.特征选择研究动作识别方法的泛化性能往往受到样本高维特征向量的影响。特征选择方法可以有效改善动作识别方法性能,降低样本特征维度和计算量,提高远程康复治疗系统的实时性。但是在大多特征选择研究中,仅考虑了单个候选特征对于类间区分度的作用,而忽略了候选特征和已选特征对于类间区分度的联合作用。论文针对这一问题结合SVM方法,提出了一种基于联合特征的特征子集区分度混合评价方法(Fisher Score based on Joint Feature and Support Vector Machine,FSJFSVM),在该方法中提出联合特征的概念,来将候选特征和已选特征对于类间区分度的联合贡献引入评价方法中。实验表明,该方法可以得到具有更高分类准确率和更小特征维度的特征子集。2.多分类动作识别方法研究在采用分解集成方法来用二分类器解决多分类问题时,会出现存在不可分区域的问题,本文针对这一问题结合SVM方法,提出了一种结构优化的DDAGSVM多分类动作识别方法(Structure-Optimized DDAG-SVM,SODDAG-SVM),根据各类对的易被分离程度,优化DDAG-SVM多分类器结构,用易被分离类对间的SVM二分类器,把处于不可分区域内的样本引导到正确的类别。使用GA方法和本文提出的特征选择方法优化各类对间的SVM二分类器,并构建SODDAG-SVM多分类器。实验结果表明,该方法能够较好的对不可分区域内的样本进行分类,分类性能优于Max-Wins和DDAG方法。3.构建基于人体传感技术的上肢康复训练系统基于上述特征选择和动作识别方法构建本文的人体动作混合评价方法,并以此方法为核心,结合可穿戴人体动作信息采集系统,构建基于人体传感技术的上肢康复训练系统。该系统可以对人体动作信息采集系统得到的患者康复训练动作信息进行评价,并构建3D卡通形象人体模型对患者进行示教和动作姿态反馈。康复训练动作的识别研究是辅助康复训练技术中的一个重要研究内容。本课题的研究工作既具有重要的理论价值也具有很大的实用价值,可以提高辅助康复训练技术,缓解社会对康复训练越来越大的需求。

关键词：上肢康复训练 Brunnstrom4-5期特征选择动作识别 FSJF-SVM SODDAG-SVM

基于上肢康复训练动作的EEG模式识别技术研究

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基于上肢康复训练动作的EEG模式识别技术研究

作者：陈婧宇上海师范大学

学位级别：硕士

我国中风患者众多,其中70%-85%的患者伴有偏瘫。偏瘫患者上肢丧失活动能力后,如果不及时进行康复治疗,容易造成肌肉萎缩、关节僵化等问题。所以,患者需要借助康复治疗器材进行康复训练。脑机接口（BCI）指在人脑和计算机或其他电子设备... 详细信息

我国中风患者众多,其中70%-85%的患者伴有偏瘫。偏瘫患者上肢丧失活动能力后,如果不及时进行康复治疗,容易造成肌肉萎缩、关节僵化等问题。所以,患者需要借助康复治疗器材进行康复训练。脑机接口（BCI）指在人脑和计算机或其他电子设备之间建立一种不需要依赖外周神经系统和肌肉组织进行信息传输的人机交互系统。该系统可以直接将人体脑电信号（EEG）翻译成外部设备控制命令并支配外部设备进行运动。基于神经生理学可塑性原理,患者的EEG直接控制康复训练机器人进行康复训练,能够促进受损运动神经的修复。因此,本文旨在研究基于上肢康复训练动作的EEG模式识别技术。将该技术应用于上肢康复训练系统,可以使患者实现上肢康复主动训练,加快康复进程。本文针对上肢运动意图的EEG数据集进行了模式识别技术研究,最后将研究成果应用于上肢康复训练系统,并完成系统功能测试。本文的主要工作内容包括:（1）本文对传统的EEG能量特征值提取方法进行了改进。研究表明,基于上肢运动意图的EEG在不同时间段的能量特征可能存在较大差异。针对此现象,本文分别对同一个动作不同时间段的EEG进行能量特征值提取,通过权值限定方法,对各时间段能量特征值进行特征稳定性检验,从而保证每个动作的EEG提取到的能量特征值的有效性。经实验验证,改进的能量特征值提取方法能有效提高特征分类结果的正确率。（2）本文将灰狼算法（GWO）应用于EEG特征选择。遗传算法（GA）是目前应用于EEG特征选择较为经典的算法之一。本文分别将GWO算法和GA算法应用于对能量特征进行特征选择,通过对比实验,充分验证了GWO算法应用于EEG特征选择的优越性。（3）本文自主设计并实现了一款应用于上肢康复机器人的BCI系统软件。该软件结合了本文研究的模式识别技术,将BCI与上肢康复训练机器人相结合,最终形成了一款基于BCI的上肢康复训练系统。该系统主要验证了本文研究的模式识别技术应用于上肢康复训练系统的可行性。系统测试结果显示,该系统在线动作识别率能达到76.50%。

关键词：脑电信号脑机接口上肢康复训练灰狼算法遗传算法

脑卒中患者上肢康复训练中健体代偿运动学建模及评估方法研究

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脑卒中患者上肢康复训练中健体代偿运动学建模及评估方法研究

作者：何艳华中科技大学

学位级别：硕士

脑卒中患者康复进程中,其健体会出现明显的功能代偿,以弥补患侧功能的衰退和丧失,而健体代偿会极大程度地影响脑卒中患者患侧的康复,正确评估代偿并抑制代偿具有重要意义。当前有关健体代偿评估方法多依赖于专家知识,具有很强的主观性,... 详细信息

脑卒中患者康复进程中,其健体会出现明显的功能代偿,以弥补患侧功能的衰退和丧失,而健体代偿会极大程度地影响脑卒中患者患侧的康复,正确评估代偿并抑制代偿具有重要意义。当前有关健体代偿评估方法多依赖于专家知识,具有很强的主观性,且实时性不好,效率也不高。本文基于行为识别技术,构建脑卒中患者康复训练过程中健体代偿评估模型,以实现对健体代偿的智能实时评估,避免在评估过程中对专家知识的强依赖。首先,基于无标定的双目视觉传感器和OpenPose人体骨骼模型库得到人体骨骼模型,实现人体运动数据采集,并对得到的运动数据进行标定、转换、融合、滤波等预处理,为脑卒中患者运动及姿态建模提供基础数据。接着,从上肢康复训练基本原理出发,分析上肢康复训练中脑卒中患者的代偿模式,构建上肢训练项目-运动模式-代偿健体映射模型,并提出可表征代偿机制的人体上肢模型及运动学模型构建方法。然后,构建上肢康复训练中脑卒中患者健体代偿评估模型。从健体代偿的定义入手,提出健体代偿概念模型,进而构建代偿评估指标体系,并建立以运动学参数为主要特征值的健体代偿评估模型。最后基于Visual Studio 2010和Qt平台搭建了代偿评估原型系统,对系统架构、功能模块、业务流程和数据库设计进行了说明。以脑卒中患者肩肘复合前屈运动为例进行实例验证,证明了论文所提出的健体代偿评估方法的有效性。

关键词：脑卒中上肢康复训练健体代偿评估模型

基于Kinect的上肢康复训练系统设计与实现

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基于Kinect的上肢康复训练系统设计与实现

作者：李俊北京工业大学

学位级别：硕士

康复训练是运动功能障碍者必要的治疗过程,在上肢运动障碍疾病的治疗中具有非常重要的作用。目前上肢运动功能障碍患者的康复训练一般为人工指导的方式,但这种训练方式具有人员场地资源限制、训练过程枯燥以及训练数据难以记录管理的缺... 详细信息

康复训练是运动功能障碍者必要的治疗过程,在上肢运动障碍疾病的治疗中具有非常重要的作用。目前上肢运动功能障碍患者的康复训练一般为人工指导的方式,但这种训练方式具有人员场地资源限制、训练过程枯燥以及训练数据难以记录管理的缺点。为了解决这些问题,有必要建立一套可自主进行训练、具有较高趣味性、对训练数据可以详细记录与查询的康复训练系统。基于上述背景,本文提出了一种基于Kinect的上肢康复训练系统的设计方案,该方案满足上述需求,具有很高的使用价值。主要研究内容包括基于Kinect的运动数据采集、上肢姿势与运动匹配、上肢运动三维仿真、康复训练软件的设计与实现、训练数据管理系统的设计与实现。首先对上肢康复训练系统的需求进行了分析,根据分析结果对基于Kinect的上肢训练康复系统进行了设计。设计了系统的架构模型,确定了系统的组成结构,并在此基础上对系统需要实现的具体功能进行了设定,确定了各部分开发的技术选型方案。之后对动作匹配与三维仿真的关键技术进行了研究与分析,提出采用Kinect采集到的骨骼关节点坐标数据计算上肢空间向量作为特征,并介绍了基于此特征的姿势匹配、动作匹配、三维仿真实现方案。针对动作匹配的DTW算法,提出了添加阈值限定条件的改进方法,使算法更加符合本系统的使用需求。最后,对基于Kinect的上肢康复训练系统进行了开发,分别完成了PC端康复软件和基于SSM框架的训练数据管理系统的开发。具体的开发工作包括PC端软件的康复训练、康复游戏、三维仿真、数据采集功能的开发,以及数据管理系统的数据库的构建、后台服务器的搭建、管理系统网站的开发。经过测试表明,所述基于Kinect的上肢康复训练系统具有低成本、高趣味性、数据易于存储与查询的优势,满足了上肢运动障碍患者与康复教练的需求。系统运行稳定,具有较高的实际应用价值,为康复训练者提供了一个理想的选择。

关键词： Kinect 上肢康复训练 DTW 三维仿真 SSM框架

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引导式上肢康复训练产品创新设计研究

引导式上肢康复训练产品创新设计研究

作者：王金科长安大学

学位级别：硕士

随着社会经济的稳步发展,人们对自身健康问题的重视程度也逐渐提高,对于相关服务及产品的要求不再仅仅局限于其功能的实现。医疗相关的产品及服务也在朝着人性化、科技化、整合化等的方向发展,通过人工智能、物联网、虚拟现实、产品游... 详细信息

随着社会经济的稳步发展,人们对自身健康问题的重视程度也逐渐提高,对于相关服务及产品的要求不再仅仅局限于其功能的实现。医疗相关的产品及服务也在朝着人性化、科技化、整合化等的方向发展,通过人工智能、物联网、虚拟现实、产品游戏化等方式方法提升医疗服务,本文从现有产品设计要求与趋势入手,通过游戏化设计的思想,设计一款上肢康复训练产品。本文首先通过查阅文献、访谈、问卷等方法提取了产品的设计需求,再使用层次分析法对需求进行重要度排序。使用功能分析法对产品的硬件部分进行分析求解,建立功能结构图,确定了上肢康复训练机器人的功能方案。再根据游戏化的相关理论,建立了上肢康复训练产品的DMC游戏金字塔,并确定了产品配套系统的游戏化设计步骤。首先,根据功能元解构思产品结构,完成产品的硬件设计;然后,使用Creo进行硬件部分的三维建模以及初步运动仿真,确定了产品结构的可行性后,再通过Matlab对方案进行运动仿真,验证方案的安全性与合理性,基于上肢康复训练产品的设计需求与要点,通过材料选择、色彩选取以及造型因素等方面对产品硬件设计进行完善。最后,根据前文得出的上肢康复训练产品配套系统的设计步骤,对系统软件部分展开游戏设计,拟定了配套系统的软件名称、界面结构、游戏形式等,最终确定了游戏的整体方案,并完成了原型图的绘制。

关键词：上肢康复训练产品设计游戏化优化设计

上肢康复训练联合微波热疗对经外周静脉穿刺中心静脉置管术乳腺癌患者的影响

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实用临床医药杂志 2021年第8期25卷 39-42页

作者：赵春红封旭光王晓喜尹长恒河北省衡水市人民医院/哈励逊国际和平医院普外科河北衡水053000

目的探讨上肢康复训练联合微波热疗对乳腺癌患者经外周静脉穿刺中心静脉置管术(PICC)后静脉血流及血栓的影响。方法选取行PICC置管的乳腺癌患者80例为研究对象,采用随机数字表法分为对照组和观察组,每组40例。对照组接受常规护理干预,... 详细信息

目的探讨上肢康复训练联合微波热疗对乳腺癌患者经外周静脉穿刺中心静脉置管术(PICC)后静脉血流及血栓的影响。方法选取行PICC置管的乳腺癌患者80例为研究对象,采用随机数字表法分为对照组和观察组,每组40例。对照组接受常规护理干预,研究组接受上肢康复训练联合微波热疗干预。比较2组置管前后腋静脉血流速(Vmax)、单位时间平均血液流速(TMFV)、凝血功能指标水平,同时比较2组血栓及导管相关并发症发生率。结果观察组置管后21、28 d腋静脉Vmax和腋静脉TMFV高于对照组,差异有统计学意义(P 上肢静脉血栓发生率比较,差异有统计学意义(P 0.05)。结论上肢康复训练联合微波热疗能够增加乳腺癌PICC患者腋静脉血流量,改善血液凝血指标水平,降低血栓发生率,且不增高导管相关并发症发生率。

关键词：上肢康复训练微波热疗乳腺癌经外周静脉穿刺中心静脉置管术静脉血流血栓

基于游戏化理论的老年人上肢康复训练产品设计研究

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基于游戏化理论的老年人上肢康复训练产品设计研究

作者：林天成华南理工大学

学位级别：硕士

随着中国人口老龄化的趋势不断加深,老年人口规模的不断扩大,未来失能老年人口数量将不断攀升,根据相关学者预测,在到达2050年时,失能老年人口将占老年人口总数的13.68%。对于老年人口的失能,一方面需要通过建立完善的社区和居家照料,... 详细信息

随着中国人口老龄化的趋势不断加深,老年人口规模的不断扩大,未来失能老年人口数量将不断攀升,根据相关学者预测,在到达2050年时,失能老年人口将占老年人口总数的13.68%。对于老年人口的失能,一方面需要通过建立完善的社区和居家照料,另一方面则需要通过健康的生活方式加以预防。肢体运动功能障碍是老年人失能的主要原因之一,患帕金森、心脑血管疾病、脑卒中等老年性疾病都有可能导致老年人肢体运动功能障碍。有关医学证据表明,有针对性的康复训练能够帮助老年人实现运动功能的有效恢复。从当前的老年产品市场来看,现有的老年人康复训练产品大多以单一的机械训练为主,训练内容重复枯燥,没有考虑到老年人的使用体验,容易让老年人产生消极情绪,缺乏训练积极性。游戏化在激发用户参与积极性,消除用户在使用过程中的畏难情绪,提升用户体验等方面具有优势,为实现具有针对性的老年人上肢康复训练产品设计,本文基于游戏化理论的角度进行切入,寻求游戏化设计方法介入老年人上肢训练产品设计的可行性。通过文献收集和分析,了解当前老龄化现状,明确康复训练内容及其对老年人意义,分析当前市场上肢康复训练产品的优缺点,针对现有产品中缺少适老化,游戏化程度低,无法普及和家用等问题,进行产品设计优化和创新。通过进行用户访谈和问卷调研,了解老年人在康复训练各环节中的不同方面的需求,从而总结出目标人群的功能需求,建立老年人上肢康复训练产品的游戏化DMC模型并分析相应要素。根据产品具体功能需求明确产品功能框架,最后根据前文的分析总结进行老年人上肢训练产品的游戏化设计研究,并进行最终产品方案的硬件设计与软件原型设计。本文基于健康老龄化与积极老龄化的倡导,充分利用现代信息技术,提高老年人在康复训练过程中积极性与主动性。通过分析和对比,选择适合的游戏化理论模型用于上肢康复训练产品,通过调研分析,明确老年人对游戏化康复训练的实际需求,构建老年人上肢康复训练产品游戏化DMC模型,提供设计要素,指导完成设计实践,为老年人康复训练的相关产品设计开发提供新的思路和解决方案。

关键词：老年人上肢康复训练游戏化游戏化DMC模型