CN107899194B - 一种基于虚拟现实的腰部肌群康复训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟现实的腰部肌群康复训练系统，包括：输入设备，用于输入患者信息；游戏推送模块，用于根据患者信息推送游戏角色和游戏；游戏选择模块，基于患者的选择操作确定训练角色和训练游戏；游戏模型生成模块，用于根据训练游戏获取对应的三维游戏场景和三维人物模型；动作捕捉设备，用于实时获取患者的肢体动作数据；驱动模块，用于根据肢体动作数据驱动三维人物模型在三维游戏场景中的动作变化；交互头盔，用于根据三维游戏场景产生对应的响应动作，使得患者产生与响应动作对应的视觉、听觉或触觉。采用本发明的腰部肌群康复训练系统能够减少医疗机构的人员成本、增加患者参与的积极性和提高腰部肌群康复训练的训练效率。

Description

一种基于虚拟现实的腰部肌群康复训练系统

技术领域

本发明涉及人体运动康复治疗技术领域，尤其涉及一种基于虚拟现实的腰部肌群康复训练系统。

背景技术

腰痛是一种临床常见症状，以腰部一侧或两侧疼痛为主，常可放射到腿部，常伴有外感或内伤症状，严重影响人们的劳动能力和生活质量。近年来，腰痛的发生趋于年轻化且发病率逐年增长。国内外大量临床研究表明，腰部肌群的状态与慢性腰痛密切相关，腰部肌群的训练可明显改善慢性腰痛症状和腰椎功能，减少复发。

然而，现有的腰部肌群康复训练通常是患者在治疗师的指导下配合简单的辅助器械，使患者恢复一定的运动和协调能力，治疗师通过评量表来进行记录与反馈，其存在以下问题：(1)通常一名治疗师只能指导一名患者的治疗，使得医疗机构的人员成本较高；(2)枯燥的训练模式使患者依从性较差，降低患者参与的积极性；(3)治疗师通常采用评量表来对患者腰部肌群训练情况进行评估，无法实时跟踪和调整训练，降低康复训练效率。

发明内容

针对上述问题，本发明的一种基于虚拟现实的腰部肌群康复训练系统能够减少医疗机构的人员成本、增加患者参与的积极性和提高腰部肌群康复训练的训练效率。

为解决上述技术问题，本发明的一种基于虚拟现实的腰部肌群康复训练系统，包括：

输入设备，用于输入患者信息；所述患者信息包括患者的性别、年龄和腰部肌肉损伤等级；

游戏推送模块，用于根据所述患者信息推送至少一个游戏角色和至少一款游戏；所述游戏包括游戏场景、游戏难度和游戏关卡；

游戏选择模块，基于所述患者的选择操作，从所述至少一个游戏角色中确定训练角色以及从所述至少一款游戏中确定训练游戏；

游戏模型生成模块，用于根据所述训练游戏从预设的模型数据库中获取对应的三维游戏场景和三维人物模型；

动作捕捉设备，连接至患者的肢体，用于实时获取所述患者的肢体动作数据；

驱动模块，用于根据所述肢体动作数据发出驱动信号，以驱动所述三维人物模型在所述三维游戏场景中的动作变化；

交互头盔，用于根据所述三维游戏场景产生对应的响应动作，使得所述患者产生与所述响应动作对应的视觉、听觉或触觉；所述场景响应动作用于指示所述三维游戏场景中的图像、声音和触碰感。

与现有技术相比，本发明的基于虚拟现实的腰部肌群康复训练系统具有以下有益效果：

(1)将患者的腰部肌群康复训练与虚拟现实相结合，使得患者采用本发明的腰部肌群康复训练系统就能完成康复训练，可减少医疗机构的人员成本；

(2)本发明的腰部肌群康复训练系统通过丰富的三维游戏场景来呈现不同的训练场景，使得训练模式多样，增加患者参与的积极性；

(3)本发明的腰部肌群康复训练系统可实时获取患者的肢体动作数据以反馈患者的训练情况，可提高腰部肌群康复训练的训练效率，增强训练效果。

作为上述方案的改进，所述交互头盔包括：

虚拟现实眼镜，设于所述交互头盔的正面以实时显示所述三维人物模型在所述三维游戏场景中的动作变化；

两个立体音响，分别设于所述交互头盔的两侧以产生所述三维游戏场景中的声音；

冷风扇，设于所述交互头盔的顶部以根据所述三维游戏场景中的冷色调场景产生冷风；

暖风扇，设于所述交互头盔的顶部以根据所述三维游戏场景中的暖色调场景产生暖风；

加湿器，设于所述交互头盔的底部以根据所述三维游戏场景中天气湿度信息产生湿气；

麦克风，设于所述交互头盔的底部以获取所述患者的交互语音，使得所述交互语音呈现在所述三维游戏场景中。

作为上述方案的改进，所述腰部肌群康复训练系统，还包括：

评估模块，用于将所述肢体动作数据与预设的标准动作数据进行比对，得到评估数据；所述评估数据用于指示患者的训练情况。

作为上述方案的改进，所述评估模块包括：

比对单元，用于比对所述肢体动作数据与所述预设的标准动作数据之间的相似度，得到相似度值；

通关判定单元，用于在所述相似度值达到预设的相似度阈值时，判定对应的游戏关卡通过；

评估单元，用于根据游戏关卡的通关情况评估所述患者的训练，得到评估数据。

作为上述方案的改进，所述评估模块还包括：

动作调整单元，用于在所述相似度值小于所述预设的相似度阈值时，通过所述交互头盔显示所述预设的标准动作数据所对应的标准动作，以使所述患者调整肢体动作。

作为上述方案的改进，所述腰部肌群康复训练系统，还包括：

积分模块，用于在所述患者通过游戏关卡时，累计所述患者的游戏积分；其中，所述游戏关卡设置有多种游戏情节，所述游戏情节用于指示游戏积分；

记录模块，用于根据所述患者的通关情况，记录所述患者的游戏记录。

作为上述方案的改进，所述游戏关卡设置有不同的运动幅度、运动时间和运动量；

所述腰部肌群康复训练系统还包括：

关卡调整模块，用于在预设游戏关卡的游戏积分小于积分阈值时，减少未通过的游戏关卡的运动幅度、运动时间和运动量。

作为上述方案的改进，所述动作捕捉设备包括：

数据手套，佩戴于所述患者的手部，以检测所述患者的手部动作变化；

两个可穿戴传感器，分别连接至所述患者的肩部和肘部，以检测所述患者的肩部动作变化和肘部动作变化；

位移传感器，连接至所述患者的胯部，以检测所述患者的胯部动作变化；

数据采集器，与所述数据手套、所述两个可穿戴传感器和所述位移传感器分别连接，以实时获取所述患者的肢体动作数据。

作为上述方案的改进，所述腰部肌群康复训练系统，还包括：

表面肌电电极，连接至所述患者的腰部，以检测所述患者的腰部肌肉收缩数据；所述腰部肌肉收缩数据用于指示所述患者的腰部肌肉的收缩时间；

报警模块，用于在所述收缩时间超过预设时间阈值时，通过所述交互头盔显示肌肉疲劳警报。

附图说明

图1是本发明实施例1的一种基于虚拟现实的腰部肌群康复训练系统的结构示意图。

图2是本发明实施例1中评估模块的结构示意图。

图3是本发明实施例2的一种基于虚拟现实的腰部肌群康复训练系统的结构示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

实施例1

如图1所示，是本发明的一种基于虚拟现实的腰部肌群康复训练系统的结构示意图。

本发明的基于虚拟现实的腰部肌群康复训练系统，包括：输入设备1，用于输入患者信息；患者信息包括患者的性别、年龄和腰部肌肉损伤等级；游戏推送模块2，用于根据患者信息从预设的游戏数据库中推送至少一个游戏角色和至少一款游戏，其中，游戏包括游戏场景、游戏难度和游戏关卡；游戏包括游戏场景、游戏难度和游戏关卡；游戏选择模块3，基于患者对至少一个游戏角色的选择操作，选取一个游戏角色作为训练角色，以及基于患者对至少一款游戏的选择操作，从至少一款游戏中选取一款游戏作为训练游戏；游戏模型生成模块4，用于根据训练游戏从预设的游戏数据库中获取对应的三维游戏场景和三维人物模型；动作捕捉设备5，连接至患者的肢体，用于实时获取患者的肢体动作数据；驱动模块6，用于根据肢体动作数据发出驱动信号，以驱动三维人物模型在三维游戏场景中的动作变化；交互头盔7，用于根据三维游戏场景产生对应的响应动作，使得患者产生与响应动作对应的视觉、听觉或触觉；场景响应动作用于指示三维游戏场景中的图像、声音和触碰感。

其中，本发明本的交互头盔7包括：虚拟现实眼镜，设于交互头盔7的正面以实时显示三维人物模型在三维游戏场景中的动作变化；两个立体音响，分别设于交互头盔7的两侧以产生三维游戏场景中的声音；冷风扇，设于交互头盔7的顶部以根据三维游戏场景中的冷色调场景产生冷风；暖风扇，设于交互头盔7的顶部以根据三维游戏场景中的暖色调场景产生暖风；加湿器，设于交互头盔7的底部以根据三维游戏场景中天气湿度信息产生湿气；麦克风，设于交互头盔7的底部以获取患者的交互语音，使得交互语音呈现在三维游戏场景中。

具体地，本发明的腰部肌群康复训练系统通过输入设备1输入患者的性别、年龄和腰部肌肉损伤等级，使得游戏推送模块2根据患者的性别从预设的角色模型库中推送三维人物模型，根据患者的年龄和腰部肌肉损伤等级从预设的游戏数据库推送匹配的游戏，供患者通过游戏选择模块3完成三维人物模型和游戏的选择；其中，预设的游戏数据库中设置有多个三维游戏场景，每个三维游戏场景设置有年龄标识和损伤标识，该年龄标识为预设的年龄范围，损伤标识为预设的损伤等级范围。

例如，当输入的患者信息为“男、30岁、5级损伤”时，则游戏推送模块2从预设的角色模型库中选取默认的男性三维人物模型进行推送，从预设的游戏数据库选取年龄标识与“30岁”相匹配且损伤标识与“5级损伤等级”相匹配的游戏进行推送，以通过交互头盔7显示男性三维人物模型和匹配的游戏，供患者选择三维人物模型和训练游戏。相似地，当输入的患者信息为“女、20岁、4级损伤”时，则游戏推送模块2从预设的角色模型库中推送女性三维人物模型，从预设的游戏数据库选取年龄标识与“20岁”相匹配且损伤标识与“4级损伤等级”相匹配的游戏，以通过交互头盔7显示该女性三维人物模型和匹配的游戏。

当患者通过该训练游戏进行训练时，游戏模型生成模块4从预设的模型数据库中获取与训练游戏对应的三维游戏场景和三维人物模型，动作捕捉设备5实时获取患者的肢体动作数据，驱动模块6根据肢体动作数据发出驱动信号来驱动三维人物模型在三维游戏场景中的动作变化，交互头盔7则根据三维游戏场景产生对应的响应动作，使得患者产生对应的视觉、听觉和触觉。例如，当三维游戏场景为沙漠场景时，则交互头盔7通过热风扇产生热风，使得患者从虚拟环境中感受沙漠环境的高温；当三维游戏场景为大海场景时，则冷风扇产生冷风，加湿器产生湿气，且立体音响产生海浪声，使得患者从虚拟环境中感受到大海环境的视觉、触觉和听觉。

与现有技术相比，本发明的基于虚拟现实的腰部肌群康复训练系统具有以下有益效果：

(1)将患者的腰部肌群康复训练与虚拟现实相结合，使得患者采用本发明的腰部肌群康复训练系统就能完成康复训练，可减少医疗机构的人员成本；

(2)本发明的腰部肌群康复训练系统通过丰富的三维游戏场景来呈现不同的训练场景，使得训练模式多样，增加患者参与的积极性；

(3)本发明的腰部肌群康复训练系统可实时获取患者的肢体动作数据以反馈患者的训练情况，可提高腰部肌群康复训练的训练效率，增强训练效果。

进一步，为了能够实时地对患者的康复训练效果进行科学评估，进而来判读患者的训练效果。如图1所示，本发明的腰部肌群康复训练系统还包括：评估模块8，用于将肢体动作数据与预设的标准动作数据进行比对，得到评估数据；评估数据用于指示患者的训练情况。

具体地，如图1和图2所示，该评估模块8包括：比对单元81，用于比对肢体动作数据与预设的标准动作数据之间的相似度，得到相似度值；通关判定单元82，用于在相似度值达到预设的相似度阈值时，判定对应的游戏关卡通过；评估单元83，用于根据游戏关卡的通关情况评估患者的训练，得到评估数据。

为了增强康复训练的效果和提高康复训练的效率，该评估模块8还包括：动作调整单元84，用于在相似度值小于预设的相似度阈值时，通过交互头盔7显示预设的标准动作数据所对应的标准动作，以使患者调整肢体动作。

进一步地，本发明的腰部肌群康复训练系统中动作捕捉设备5包括：数据手套，佩戴于患者的手部，以检测患者的手部动作变化；两个可穿戴传感器，分别连接至患者的肩部和肘部，以检测患者的肩部动作变化和肘部动作变化；位移传感器，连接至患者的胯部，以检测患者的胯部动作变化；数据采集器，与数据手套、两个可穿戴传感器和位移传感器分别连接，以实时获取患者的肢体动作数据。

实施例2

如图3所示，是本发明实施例2的一种基于虚拟现实的腰部肌群康复训练系统的结构示意图。

为了激励患者完成腰部肌群康复训练，增加康复训练的乐趣，本发明实施例2中的腰部肌群康复训练系统除了包括实施例1中的全部组成模块之外，还包括：积分模块9，用于在患者通过游戏关卡时，累计患者的游戏积分；其中，游戏关卡设置有多种游戏情节，游戏情节用于指示游戏积分；记录模块10，用于根据患者的通关情况，记录患者的游戏记录。

进一步地，如图3所示，本发明的腰部肌群康复训练系统还包括：关卡调整模块11，用于根据评估数据调整未通过的游戏关卡的运动幅度、运动时间、运动量和等级角色。例如，当患者在预设的游戏关卡未达到预设通关积分时，则关卡调整模块11通过降低后续未通过的游戏关卡的运动幅度、运动时间和运动量来降低未通过游戏关卡的难度，以激励患者进行腰部肌群康复训练的积极性。

进一步地，如图3所示，本发明的腰部肌群康复训练系统还包括：表面肌电电极12，连接至患者的腰部，以检测患者的腰部肌肉收缩数据；腰部肌肉收缩数据用于指示患者的腰部肌肉的收缩时间；报警模块13，用于在收缩时间超过预设时间阈值时，通过交互头盔7显示肌肉疲劳警报，使得患者的训练时间更加科学合理。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种基于虚拟现实的腰部肌群康复训练系统，其特征在于，包括：

输入设备，用于输入患者信息；所述患者信息包括患者的性别、年龄和腰部肌肉损伤等级；

游戏推送模块，用于根据所述患者信息从预设的游戏数据库中推送至少一个游戏角色和至少一款游戏；所述游戏包括游戏场景、游戏难度和游戏关卡；所述游戏关卡设置有不同的运动幅度、运动时间和运动量；

游戏选择模块，基于所述患者的选择操作，从所述至少一个游戏角色中确定训练角色以及从所述至少一款游戏中确定训练游戏；

游戏模型生成模块，用于根据所述训练游戏从预设的模型数据库中获取对应的三维游戏场景和三维人物模型；

动作捕捉设备，连接至患者的肢体，用于实时获取所述患者的肢体动作数据；

驱动模块，用于根据所述肢体动作数据发出驱动信号，以驱动所述三维人物模型在所述三维游戏场景中的动作变化；

评估模块，用于将所述肢体动作数据与预设的标准动作数据进行比对，得到评估数据；所述评估数据用于指示患者的训练情况；所述评估模块包括：

比对单元，用于比对所述肢体动作数据与所述预设的标准动作数据之间的相似度，得到相似度值；

通关判定单元，用于在所述相似度值达到预设的相似度阈值时，判定对应的游戏关卡通过；

评估单元，用于根据游戏关卡的通关情况评估所述患者的训练，得到评估数据；

积分模块，用于在所述患者通过游戏关卡时，累计所述患者的游戏积分；

关卡调整模块，用于在预设游戏关卡的游戏积分小于积分阈值时，减少未通过的游戏关卡的运动幅度、运动时间和运动量；

交互头盔，用于根据所述三维游戏场景产生对应的响应动作，使得所述患者产生与所述响应动作对应的视觉、听觉或触觉；所述场景响应动作用于指示所述三维游戏场景中的图像、声音和触碰感。

2.如权利要求1所述的腰部肌群康复训练系统，其特征在于，所述交互头盔包括：

虚拟现实眼镜，设于所述交互头盔的正面以实时显示所述三维人物模型在所述三维游戏场景中的动作变化；

两个立体音响，分别设于所述交互头盔的两侧以产生所述三维游戏场景中的声音；

冷风扇，设于所述交互头盔的顶部以根据所述三维游戏场景中的冷色调场景产生冷风；

暖风扇，设于所述交互头盔的顶部以根据所述三维游戏场景中的暖色调场景产生暖风；

加湿器，设于所述交互头盔的底部以根据所述三维游戏场景中天气湿度信息产生湿气；

麦克风，设于所述交互头盔的底部以获取所述患者的交互语音，使得所述交互语音呈现在所述三维游戏场景中。

3.如权利要求1所述的腰部肌群康复训练系统，其特征在于，所述评估模块还包括：

动作调整单元，用于在所述相似度值小于所述预设的相似度阈值时，通过所述交互头盔显示所述预设的标准动作数据所对应的标准动作，以使所述患者调整肢体动作。

4.如权利要求1所述的腰部肌群康复训练系统，其特征在于，所述游戏关卡设置有多种游戏情节，所述游戏情节用于指示游戏积分；

所述系统还包括记录模块，用于根据所述患者的通关情况，记录所述患者的游戏记录。

5.如权利要求1所述的腰部肌群康复训练系统，其特征在于，所述动作捕捉设备包括：

数据手套，佩戴于所述患者的手部以检测所述患者的手部动作变化；

两个可穿戴传感器，分别连接至所述患者的肩部和肘部，以检测所述患者的肩部动作变化和肘部动作变化；

位移传感器，连接至所述患者的胯部以检测所述患者的胯部动作变化；

数据采集器，与所述数据手套、所述两个可穿戴传感器和所述位移传感器分别连接，以实时获取所述患者的肢体动作数据。

6.如权利要求1所述的腰部肌群康复训练系统，其特征在于，还包括：

表面肌电电极，连接至所述患者的腰部以检测所述患者的腰部肌肉收缩数据；所述腰部肌肉收缩数据用于指示所述患者的腰部肌肉的收缩时间；

报警模块，用于在所述收缩时间超过预设时间阈值时，通过所述交互头盔显示肌肉疲劳警报。

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