CN107485826B - 基于虚拟现实技术的手部康复训练系统 - Google Patents

基于虚拟现实技术的手部康复训练系统 Download PDF

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Abstract

基于虚拟现实技术的手部康复训练系统，涉及一种虚拟现实技术应用于康复医学领域，解决现有采用康复器材进行康复训练过程中，康复器只能起到被动式辅助性训练，导致训练效果差的问题，包括数据采集装置、数据处理系统和虚拟现实人机交互系统；所述数据采集装置用于获取手部的位置、移动状态以及手指位置的数据信息，并通过网络模块传至数据处理系统处理，虚拟现实人机交互系统提供用户手部康复训练的虚拟游戏界面；为用户提供指导说明，显示分数的消息，同时接收通知触发模块以及音频显示器的信息。本发明通过穿戴手套传感器采集用户活动手的运动与位置信息，以及运行有虚拟现实游戏界面增强康复训练。

Description

基于虚拟现实技术的手部康复训练系统
技术领域
本发明涉及一种虚拟现实技术应用于康复医学领域，具体涉及一种基于虚拟现实的手部康复训练系统。
背景技术
脑卒中又称“中风”、“脑血管意外”是一种急性脑血管疾病，具有发病率高、死亡率高和致残率高的特点。如今，全球有1500万人患有中风，用户发病后多伴有不同程度的残疾，因此脑卒中用户的康复治疗显得尤为重要。传统的康复治疗通常是在医院或者社区康复中由康复医师制定康复计划，利用医疗康复器材进行被动式辅助性康复训练，其康复治疗过程单调、枯燥，用户难以产生兴趣，治疗效果也不尽人意。
近年来，随着虚拟现实技术的广泛应用，将虚拟现实技术引入人的肢体康复治疗中已成为研究热点。虚拟现实技术由软件提供多种人工景物，如同置身于游戏之中，在用户使用虚拟现实技术进行康复治疗时，可以明显地感受到自己在动作技能、平衡、肌肉张力、躯干控制等方面的提高，使治疗过程充满乐趣，提高用户的乐观情绪。
发明内容
本发明为解决现有采用康复器材进行康复训练过程中，康复器只能起到被动式辅助性训练，导致训练效果差的问题，提供一种基于虚拟现实技术的手部康复系统，
基于虚拟现实技术的手部康复训练系统，包括数据采集装置、数据处理系统和虚拟现实人机交互系统；
所述数据采集装置包括五个附着于手指部位的弯曲传感器和手背部的集成电路；五个弯曲传感器记录用户手指弯曲数据，所述集成电路包括加速度计、陀螺仪和磁力计和网络模块，分别用于获取手部的位置、移动状态以及手指位置的数据信息，并通过网络模块将手指弯曲数据、手部的位置、移动状态以及手指位置的数据汇总至数据处理系统；
所述数据处理系统包括数据汇总模块、数据检查模块和后台控制模块，所述数据汇总模块获取数据采集装置的信息进行汇总并存储，数据检查模块用于检查用户是否开始执行目标任务，检查结果包含正在游戏和暂停游戏；
后台控制模块包括密钥识别模块、纠错模块和触发模块；
密钥识别模块用于识别虚拟现实游戏按键是否被按下或者释放，并通过触发模块将游戏按键信息反馈至虚拟现实人机交互系统；
纠错模块，用于对用户在进行虚拟游戏时存在不规范动作时而不能准确定位手部信息时纠错；
触发模块包括分数记录功能，通知触发生成按键反馈，发送通知至虚拟现实人机交互系统，并通过消息反馈模块将消息显示。当用户准确地完成虚拟游戏任务时，计分功能计分显示，分数将持续增加直至用户重置游戏为止；当用户成功地完成游戏，则在显示器上显示对应的消息功能；
虚拟现实人机交互系统包括虚拟用户界面和消息反馈模块；虚拟用户界面用于提供用户手部康复训练的虚拟游戏界面；
消息反馈模块用于为用户提供指导说明，显示分数的消息，同时接收通知触发模块以及音频显示器的信息。
本发明的有益效果：本发明所述的康复训练系统通过将引入虚拟现实技术到脑卒中用户的康复治疗之中，以往的康复训练利用一些器械对肢体进行主动或被动牵引，其整个康复过程过于单调、枯燥，用户很难产生兴趣，康复效果也不甚理想。虚拟现实技术可由软件提供富有沉浸感的游戏环境，使治疗过程充满乐趣，用户在治疗过程中可以感受到自己在动作技能、灵活性、肌肉张力等方面的提高，提高用户的乐观情绪和康复效果。
本发明通过可穿戴手套传感器采集用户活动手的运动与位置信息，以及运行有虚拟现实游戏界面的软件来增强康复训练的趣味性，并利用软件记录和分析用户康复训练数据。
附图说明
图1为本发明所述的基于虚拟现实技术的手部康复训练系统的整体框图；
图2为本发明所述的基于虚拟现实技术的手部康复训练系统中数据处理系统的原理图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，基于虚拟现实技术的手部康复训练系统，该系统包括数据采集装置、数据处理系统和虚拟现实人机交互系统；
数据采集装置采用基于传感器的康复手套来完成；基于传感器的康复手套由五个弯曲传感器和1个内置集成电路的电路盒，其中五个弯曲传感器记录用户手指弯曲数据，电路盒中的集成电路包含加速度计、陀螺仪和磁力计三个嵌入式传感器，具有高传感分辨率并且可以精确计算用户手部位置参数，如横滚角(roll)、俯仰角(pitch)、偏航角(yaw)。通过对传感器的配置可以使手感测系统能够感测到手的位置、移动状态以及手指位置等数据信息，并且通过USB或者WiFi将数据汇总至计算机。采用WiFi可同时进行多个手套的高数据速率传输。使用TCP/IP和WAP2，其单个手套的数据吞吐量可达到1Mbps。
数据处理系统包括数据汇总模块、数据检查模块和后台控制模块，数据通过USB或WiFi从康复手套发送到虚拟现实人机交互系统上位机。图2所示为数据处理部分流程框图。
数据汇总模块通过TCP/IP获取来自康复手套实时数据的套接字，数据以5Hz的频率采样，并将其存储为.txt文件以备制定下一步康复计划时使用。
数据检查模块含有一个决策树分类器，用于检查用户是否开始执行目标任务，其分类结果包含正在游戏和暂停游戏两种。决策树分类器的分类结果是通过分层训练进行的，并将输入空间递归为类区域，其结果是一个由决策节点和叶组成的树状结构，每个决策节点有含有一个测试功能以决定下一步骤采用哪一个分支，反复此过程，直到达到一个叶子从而作出相应决定。
后台控制模块包含密钥识别模块、纠错模块、触发子模块三部分。
密钥识别模块用于识别用户信息、虚拟现实游戏按键是否被按下或者释放。
纠错模块由错误检查过程构成，旨在降低系统的使用困难，使系统更容易访问。为实现纠错目的，制定以下规则：
(1)当虚拟游戏中某个按键被按下时间超过预先设定的时间时，则关闭密钥识别。这样防止由特定手指引起的连续显示问题而不能很好地定位手及手指的信息；
(2)当用户在游戏过程中，两个游戏按键被同时按下时，仅记录正确的按键。这样可以避免相邻的按键被认为同时按下的可能性。
(3)当某一特定的游戏按键被不正确地按下5次，则发送通知给触发模块，继续判断下一按键的正确性，以使整个游戏界面能够流畅地进行。
触发子模块包含计分功能和消息功能两部分。通知触发生成按键反馈，发送通知以触发视觉音频显示器。当用户准确地完成虚拟游戏任务时，计分功能则以累加1的方式将得分显示，分数将持续增加直至用户重置游戏为止。当用户成功地完成游戏，消息功能将在屏幕上显示“Great job！”等消息，以激励用户康复训练兴趣与信心。
虚拟现实人机交互系统包括虚拟用户界面和消息反馈模块两部分。虚拟用户界面主要提供以用户手部康复训练为目的的虚拟游戏界面。消息反馈模块提供指导说明、分数与消息和音频反馈等功能。指导说明主要规范用户在游戏过程中手部动作的正确性，以免影响用户手部康复训练的进程以及用户手部运动数据的采集。音频反馈主要用于产生虚拟游戏的音效，使虚拟游戏具有更加强烈的沉浸感，并且具有友好的人机交互体验。
具体实施方式二、本实施方式为具体实施方式一所述的基于虚拟现实技术的手部康复训练系统的实施例：本实施方式所述的基于虚拟现实技术的手部康复训练系统将以基于虚拟钢琴游戏的手部康复训练系统为例。本实施例中所述数据采集装置采用基于传感器的康复手套；所述数据处理系统采用2.4GHz的Windows操作系统计算机；述虚拟游戏用户界面采用虚拟钢琴游戏。
本实施例中，脑卒中用户在进行手部康复训练时，首先选择虚拟钢琴游戏演奏的音乐，当演奏音乐选定后，就可以根据指导说明规范手部动作进行手部康复训练。
所述的数据采集装置利用基于传感器的康复手套，基于传感器的康复手套由五个弯曲传感器和一个内置集成电路的电路盒，其中五个弯曲传感器记录手指弯曲数据，内置集成电路的电路盒其集成电路包含加速度计、陀螺仪和磁力计三个嵌入式传感器，具有高传感分辨率并且可以精确计算用户手部位置参数，如横滚角(roll)、俯仰角(pitch)、偏航角(yaw)。通过对传感器的配置可以使手感测系统能够感测到手的位置、移动状态以及手指位置等数据信息，并且通过USB或者WiFi将数据汇总至计算机。
所述的数据处理系统包括数据汇总模块和数据检查模块和后台控制模块。
所述的数据汇总模块属于计算机侧，通过TCP/IP获取来自用户佩戴的康复手套演奏音乐的实时数据，数据以5Hz的频率采样，并将其存储为.txt文件以备制定下一步康复计划时使用。
所述的数据检查模块用于检查用户是否开始执行目标任务，其分类结果包含正在弹琴和暂停休息两种。
所述的后台控制模块包含密钥识别模块、纠错模块、触发模块三部分。
所述的密钥识别模块用于识别虚拟钢琴游戏琴键是否被按下或者释放，其算法输入为连接到五个手指的弯曲传感器所采集到的数据，其密钥识别过程需要预先收集数据集。
所述的预先收集数据集利用三个健康成年人进行虚拟钢琴游戏的演奏，其中有1人具有10年以上的钢琴演奏经验，其余2人无钢琴演奏经验。预先收集数据集包括两个步骤：(1)收集训练数据，即收集三位健康成人演奏同一首目标乐曲5次，并且在每次演奏完毕休息相同的时间的数据。所收集到的数据用于在数据处理过程中对分类器进行训练，并在密钥建立过程中用于识别虚拟现实游戏按键是否被按下或者释放；(2)收集验证数据，即收集三位健康成人演奏同一目标音乐5次，并且在每次演奏完毕休息各自设定的休息时间的数据。
所述的验证数据其数据分析结果利用视频摄像头，手指位置和手指运动以及反馈界面都用音视频图像记录。具有数据分析知识和钢琴演奏技巧的专家手动记录下按键不正确的按键。
纠错模块由错误检查过程构成，旨在降低系统的使用困难，使系统更容易访问。为实现纠错目的，制定以下规则：
(1)当虚拟钢琴游戏某个琴键被按下时间超过预先设定的时间时，则关闭密钥识别。这样防止由特定手指引起的连续显示问题而不能很好地定位手及手指的信息；
(2)当用户在游戏过程中，两个琴键被同时按下时，仅记录正确的按键。这样可以避免相邻的按键被认为同时按下的可能性。
(3)当某一特定的琴键被不正确地按下5次，则发送通知给继续播放键，以使整个游戏界面能够流畅地进行。
通知触发部分即当用户开始游戏时，我们发送通知以触发用户界面中的视觉和音频显示，包括琴键指示和对应演奏的音乐。通知触发部分包含计分功能和消息功能两部分。通知触发生成按键反馈，发送通知以触发视觉音频显示器。当用户准确地演奏音符时，计分功能则以累加1的方式将得分显示，分数将持续增加直至用户重置游戏为止。当用户成功地演奏乐曲时，消息功能将在屏幕上显示“Great job！”等消息，以激励用户康复训练兴趣与信心。
虚拟现实人机交互系统包括虚拟用户界面和消息反馈模块两部分。虚拟用户界面主要提供以用户手部康复训练为目的的虚拟游戏界面。消息反馈模块提供指导说明、分数与消息和音频反馈等功能。指导说明主要规范用户在游戏过程中手部动作的正确性，以免影响用户手部康复训练的进程以及用户手部运动数据的采集。音频反馈主要用于产生虚拟游戏的音效，使虚拟游戏具有更加强烈的沉浸感，并且具有友好的人机交互体验。

Claims (2)

1.基于虚拟现实技术的手部康复训练系统，包括数据采集装置、数据处理系统和虚拟现实人机交互系统，其特征是；
所述数据采集装置包括五个附着于手指部位的弯曲传感器和手背部的集成电路；五个弯曲传感器记录用户手指弯曲数据，所述集成电路包括加速度计、陀螺仪和磁力计和网络模块，分别用于获取手部的位置、移动状态以及手指位置的数据信息，并通过网络模块将手指弯曲数据、手部的位置、移动状态以及手指位置的数据汇总至数据处理系统；
所述数据处理系统包括数据汇总模块、数据检查模块和后台控制模块；所述数据检查模块为决策树分类器；
所述数据汇总模块获取数据采集装置采集的信息进行汇总并存储，数据检查模块用于检查用户是否开始执行目标任务，检查结果包含正在游戏和暂停游戏；
后台控制模块包括密钥识别模块、纠错模块和触发模块；
密钥识别模块用于识别虚拟现实游戏按键是否被按下或者释放，并通过触发模块将游戏按键信息反馈至虚拟现实人机交互系统；
纠错模块，用于对用户在进行虚拟游戏时存在不规范动作时而不能准确定位手部信息时纠错；
触发模块包括分数记录功能，通知触发生成按键反馈，并发送反馈信息至虚拟现实人机交互系统；
当用户准确地完成虚拟游戏任务时，计分功能计分显示，分数将持续增加直至用户重置游戏为止；当用户成功地完成游戏，则在显示器上显示对应的消息功能；
所述虚拟现实人机交互系统包括虚拟用户界面和消息反馈模块；虚拟用户界面用于提供用户手部康复训练的虚拟游戏界面；
消息反馈模块用于为用户提供指导说明，显示分数的消息，同时接收触发模块的信息；
虚拟游戏界面采用虚拟钢琴游戏；
所述的密钥识别模块用于识别虚拟钢琴游戏琴键是否被按下或者释放，其算法输入为连接到五个手指的弯曲传感器所采集到的数据，其密钥识别过程需要预先收集数据集；
所述的预先收集数据集利用三个健康成年人进行虚拟钢琴游戏的演奏，其中有1人具有10年以上的钢琴演奏经验，其余2人无钢琴演奏经验；预先收集数据集包括两个步骤：(1)收集训练数据，即收集三位健康成人演奏同一首目标乐曲5次，并且在每次演奏完毕休息相同的时间的数据；所收集到的数据用于在数据处理过程中输入到数据处理系统的决策数分类器进行训练，并在密钥建立过程中用于识别虚拟现实游戏按键是否被按下或者释放；(2)收集验证数据，即收集三位健康成人演奏同一目标音乐5次，并且在每次演奏完毕休息各自设定的休息时间的数据；
所述的验证数据其数据分析结果利用视频摄像头，手指位置和手指运动以及反馈界面都用音视频图像记录；
所述纠错模块由错误检查过程构成，纠错模块的纠错方式有三种：
一、当虚拟游戏中某个按键被按下时间超过预先设定的时间时，则关闭密钥识别；
二、当用户在游戏过程中，两个游戏按键被同时按下时，仅记录正确的按键；
三、当某个游戏按键被不正确地按下五次，则将信息发送至触发模块，触发模块继续生成下一按键信息反馈，继续判断下一按键的正确性。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实技术的手部康复训练系统，其特征在于，所述网络模块为WIFI模块。
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