CN109069901A - 治疗和物理训练设备 - Google Patents

Abstract

一种治疗和物理训练系统，包括：一个或多个移动传感器，每个移动传感器定位在用户的对应身体部位上；第一计算机，其中在第一计算机的处理器上运行应用；以及配置有显示器的头戴式壳体，由第一计算机生成的图像在该显示器上对用户可见。应用被配置为从每个传感器或从与每个传感器数据通信的第二计算机接收输入，该应用还被配置为响应于在执行锻炼相关的身体移动期间每个对应身体部位的实时部署而生成用户可观看的虚拟现实对象，该对象指示由用户进行的附加身体移动，以便依从特定于用户的锻炼计划。

Description

治疗和物理训练设备

技术领域

本发明涉及治疗领域和物理训练设备。更具体地，本发明涉及虚拟现实增强治疗和物理训练设备，其促进颈部或身体其它部位的肌肉的康复和加强。

背景技术

出于多种原因，许多人患有颈部疼痛或需要进行颈部锻炼。例如，在机动车事故中被牵涉或在玩诸如足球之类的接触性运动时受伤的人容易发展成颈部扭伤相关障碍(WAD)，这是由加速-减速机制或任何其它影响引起的状况，这会对颈部肌肉或颈部结构造成伤害。仅在美国就有大约400万人每年因WAD住院，而其中近四分之一的人从未完全恢复。WAD伤害的费用(包括健康和保险索赔)每年超过1000亿美元。

大多数患有非特异性颈部疼痛(NSNP)的人可能已经经历与WAD相关联的症状或具有未确诊的颈椎间盘突出症。对于这一人群，推荐的治疗方案包括各种促进颈部运动和其它功能活动训练的练习，从而导致改善的康复。

通常这些锻炼可以在舒适的家中进行。但是，由于这些锻炼的单调性质，或由于相关联的疼痛，许多人不依从推荐的方案，并且因此疼痛的感觉没有得到充分缓解。

H.Bahat等人，“Cervical Kinematic Training with and without InteractiveVR Training for Chronic Neck Pain-A Randomized Clinical Trial”，ManualTherapy20(2015)68-78，公开了一种虚拟现实(VR)设备，用作子宫颈运动学评估和训练工具，由此用户的注意力集中在外部刺激而不是身体移动。硬件包括带有三维运动跟踪器的头戴式显示器。使用运动范围(ROM)、速度和准确度模块来分析动态运动跟踪数据，以通过用户对由交互式3D虚拟环境提供的视觉刺激的响应来引发颈部运动。在VR会话期间，虚拟对象由用户在屈曲、伸展、右旋和左旋四个方向上的头部运动来控制。训练会话还涉及安装在用户头部的激光指示器，以便执行头部追踪任务。这种布置的缺点是专用VR系统的需要和成本，从而使得需要从颈部损伤恢复或防止潜在的颈部损伤的人不易接近训练。

家庭训练有一些局限性。在没有临床医生的直接指导的情况下，患者没有立即反馈来确认所需锻炼的正确表现。而且，缺乏这种指导和监督常常导致甚至更低的依从性；目前的文献讨论了低依从家庭训练的性质，从而暗示患者倾向于忽视规定的家庭训练的重要性。而且，患有慢性或其它长期病症(诸如与WAD或NSNP相关联的病症)的患者更不愿意执行推荐的家庭训练(J.Kirsten等人，“Barriers to Treatment Adherence inPhysiotherapy Outpatient Clinics:A Systematic Review”，Man Ther.2010年1月；15(32)：220-228)。因此，初始感觉状况的疼痛可以持续或者甚至恶化-从而导致可能已经预防的其它必要的医疗干预，因此也增加了初始状况的相关联成本(“Adherence to Long-Term Therapies:Evidence for Action”，世界卫生组织，瑞士日内瓦，2003年)。

支撑骨骼姿势的肌肉的激活是预防许多损伤的有效方式，例如在“CervicalResistance Training-Effects on Isometric and Dynamic Strength”中公开的(Taylor等人，Aviation，Space，and Environmental Mechcine，第77卷，第11期，2006年11月)。

本发明的目的是提供一种颈部治疗和物理训练设备，其促进颈部活动性恢复、鼓励对锻炼方案的遵从，并且是成本有效的。

本发明的另一个目的是提供一种促进康复和改善给定身体部位的调理的治疗和物理训练设备。

随着描述的进行，本发明的其它目的和优点将变得显而易见。

发明内容

本发明提供了一种颈部治疗和物理训练设备，包括头带和一个或多个阻力施加元件，阻力施加元件附连到所述头带的选定区域，所述一个或多个元件被构造为提供用户选择的和特定于位置的、针对具体颈部相关病症促进颈部肌肉活动的期望头部移动的抵抗程度。

头带优选地配置有多个间隔开的头部可接合的带子，所述带子中的每一个提供有可与阻力施加元件耦合的区域中的至少一个，该耦合的阻力施加元件适于张紧与其相对定位的颈部相关的肌肉并且迫使所述张紧的肌肉收缩直到头部达到平衡状况。

如本文所提及的，术语“与其相对定位”意味着在头部移动之前颈部相关肌肉或肌肉群相对于耦合的阻力施加元件的相对几何位置，使得所述颈部相关肌肉或肌肉群与位于从阻力施加元件延伸穿过头部相关旋转中心的线上的组织重合或连接，同时所述头部相关旋转中心介于所述组织和所述阻力施加元件之间。当肌肉或肌肉群被可以彼此左右对称的两个对侧定位的阻力施加元件张紧时，与肌肉或肌肉群重合或连接的组织位于两个阻力施加元件之间的中间延伸并穿过头部相关的旋转中心的线上。

在一个实施例中，颈部治疗设备还包括连接到头带的头戴式显示器，在头戴式显示器上可以看到计算机生成的图像，由此允许结合虚拟现实增强进行颈部康复训练。

头戴式显示器可以配置有图像形成透镜并且具有插槽，其中可插入处理器使能设备(诸如智能电话)。

本发明还针对一种系统，该系统包括颈部治疗设备、被配置为生成所述图像的计算机、与所述计算机进行数据通信以便在头带被身体接合时检测用户的头部的实时三维部署的传感器，以及在所述计算机的处理器上运行的应用。

所述应用被配置为从所述传感器接收输入并且响应于所述实时部署而生成用户在所述显示器上可观看的虚拟现实对象，所述对象指示用户为了依从特定于用户的锻炼计划而要进行的附加头部移动。

本发明还针对一种治疗和物理训练系统，包括一个或多个运动传感器(每个运动传感器位于用户的对应身体部位上)、在其处理器上运行应用的第一计算机，以及头戴式壳体，该头戴式壳体配置有显示器，由所述第一计算机生成的图像在显示器上对所述用户可见。

所述应用被配置为从所述传感器中的每一个或从与所述传感器中的每一个进行数据通信的第二计算机接收输入，所述应用还被配置为响应于在执行锻炼相关的身体移动期间所述对应身体部位中的每一个的实时部署而生成可由所述用户观看的虚拟现实对象，所述对象指示要由所述用户进行的附加身体运动，以便依从特定于用户的锻炼计划。

在一个实施例中，该系统还包括一个或多个生物反馈传感器，其与所述用户身体接合并与第一计算机或与第一计算机数据通信的处理器进行数据通信，所述一个或多个生物反馈传感器中的每一个被配置为输出信号，该信号指示在执行身体移动或附加身体移动期间用户所经历的疼痛强度级别或者特定于用户的损伤级别。该应用被配置为从一个或多个生物反馈传感器中的每一个、从第一计算机或从第二计算机接收输入，所述应用还被配置为响应于执行锻炼相关的身体移动期间的实时疼痛强度级别指示低于预定阈值而生成可由所述用户观看的虚拟现实对象，以促使锻炼相关的身体移动的持续。

本发明还针对一种用于确定颈部运动范围的系统，包括头带，该头带配置有多个间隔开的头部可接合的带子和位于上部且基本上水平部署的颅骨区域，所述多个带子从该颅骨区域延伸；附连到所述颅骨区域的传感器块，所述传感器块包括适于检测在多个平移方向和多个旋转方向上相对于头部相关旋转中心的头部移动的一个或多个传感器，以及处理器，该处理器可操作以从一个或多个传感器接收数据，并基于所述接收到的数据确定颈部运动范围，该颈部运动范围与在起始位置和结束位置之间所选择的颈部区域的位移对应；以及用于输出表示所述确定的颈部运动范围的数据的装置。

本发明还针对一种用于促进患有颈部运动受损的患者的颈部肌肉的康复的自动化方法，包括以下步骤：身体接合提供有一个或多个运动传感器的头带和处理器，所述头带连接到头戴式显示器，在头戴式显示器上可查看计算机生成的图像；身体接合一个或多个生物反馈传感器，这些传感器被配置为向所述处理器输出信号，该信号指示在执行身体移动期间用户所经历的疼痛强度级别；通过所述显示器观看所述图像；执行由所述生成的图像促使(urge)的对应头部运动；由所述处理器确定所选择的颈部区域的结束位置，并向与所述显示器数据通信的计算机化设备发送指示所述结束位置和所述患者在所述结束位置经历的疼痛强度级别的信号；并且如果该处的疼痛强度级别在那时低于预定阈值，那么由所述计算机化设备生成附加图像以促使所述患者继续头部运动超过所述结束位置。

附图说明

在图中：

-图1A是根据本发明的一个实施例的颈部治疗设备的从前部的透视图，在组装时示意性地示出；

-图1B是图1A的颈部治疗设备的从前部的透视图，在与其身体接合的用户已经经历了相对于图1A中所示的部署的头部运动之后示出；

-图1C是图1A的颈部治疗设备的前视图；

-图2A是根据本发明另一个实施例的颈部治疗设备的从前部的透视图；

-图2B是图2A的颈部治疗设备的后视图；

-图3A是根据本发明另一个实施例的颈部治疗设备的从后部的透视图；

-图3B是图3A的颈部治疗设备的从侧面的透视图；

-图4是根据本发明实施例的当身体安装时的治疗和物理训练系统的正面示意图；

-图5A是根据本发明另一个实施例的颈部治疗设备的从顶部和侧面的透视图；

-图5B是图5A的颈部治疗设备的从前部的透视图，在与其身体接合的用户已经经历头部运动之后示出；

-图6是根据本发明另一个实施例的颈部治疗设备的从顶部和前部的透视图；

-图7是与图6的颈部治疗设备结合使用的传感器块的框图；

-图8是采用图7的传感器块确定颈部运动范围的系统的示意图；

-图9是根据本发明另一个实施例的颈部治疗设备的从顶部和前部的透视图；以及

图10是用于使患有颈椎运动受损的患者自动康复的方法。

具体实施方式

根据由物理治疗师或训练者开发的校正锻炼程序，本发明的颈部治疗设备由可应用于用户选择的和特定于位置的阻力级别的头带来体现。借助于VR应用促进依从锻炼计划，该VR应用鼓励用户在刺激优化颈部肌肉的康复或优化锻炼会话的交互式活动的过程中执行头部运动。头带和虚拟现实系统都不贵，从而允许用户在舒适的家中执行推荐的颈部锻炼。

图1A-C图示了本发明的第一实施例，其中颈部治疗设备10包括头带1，头带1设有多个间隔开的贴片2，例如大约10克的康复重物3可通过钩环紧固材料、可移除粘合材料、按扣、磁铁或本领域技术人员众所周知的其它可移除紧固装置可移除地附连到每个贴片2，其中第一紧固元件固定到贴片，并且用于与第一元件配合的第二紧固元件固定到重物。

例如，当采用磁铁时，每个重物3可以嵌有例如用内部引线层和外部硅树脂或织物层覆盖的钕磁铁。因此，重物3可借助于磁性锁定系统附连到在选定贴片2中形成的铁质区域并且可从其上分离。

头带1具有贴片2固定到的两个带子。当身体接合时，第一个带12环绕头部，以定义近似横向平面的平面。第一个带子12的后部部分适于接合头的后部，并且其右前部分和左前部分固定到头戴式显示器(HMD)4，其可由鼻子支撑，同时适于接合头的对应一侧。还提供了基本垂直于第一个带子12的第二个带子13，并且在头的后部附连到HMD 4和第一个带子12的一部分，使得当身体接合时，它环绕头骨，以定义例如在接合颞骨(例如，额头)和顶骨时近似于前平面的平面。第一个带子12的右前部分和左前部分可以经由对应的接口元件7可释放地固定到HMD 4。

第一个带子12和第二个带子13可以由弹性材料制成，以允许头带1通过首先拉伸带子而安装在头上或被移除。可替代地，它们可以由刚性和不可拉伸的材料制成，诸如柔性塑料材料，例如聚丙烯或皮革，并通过合适的紧固件(诸如带扣)固定到彼此。带子12和13可以在不同位置用垫子缓冲(cushion)，垫子由例如超细纤维织物或硅胶制成。

将认识到的是，头带1也可以以其它方式配置，只要康复重物3可以可移除地附连到头骨的选定区域处的贴片2或任何其它紧固件。

物理治疗师或任何其他医疗工作者确定颈部疼痛的来源并开发锻炼计划，该计划将最佳地提供康复和疼痛缓解。当更多的重物3附连到对应的贴片2时，阻力级别增加。重物附连在头带1上的贴片位置处，其将促使用户作为响应而做出头部运动，这将加强已发现被削弱的颈部肌肉。

可以通过使用设备10进行的校正头部运动(例如，图1B中所示的倾斜头部运动)可以选自在头部向前弯曲时的屈曲以使下巴向下指向、当头部向后弯曲时的伸展以使下巴向上指向、使头部左右倾斜、使头部向左或向右旋转、纵向伸展或收缩由此颈部的总长度改变，以及它们的任何组合。可以计算由在具体头部区域施加重物的反应而向头部施加的力矩，以辅助或抵抗头部旋转。

在一方面，为了确保依从锻炼计划，用户由通过HMD 4出现的虚拟对象引导，HMD 4的尺寸被设计为覆盖用户的眼睛并提供虚拟现实显示。HMD被配置为提供感知深度，诸如在每只眼睛处使用偏振镜片以生成立体图像。以这种方式生成虚拟对象：在刺激交互式活动的过程中，促使用户根据先前开发出的锻炼计划进行校正头部运动。

为了增强颈部治疗设备的虚拟现实，加厚的HMD4配置有插槽6，智能电话5可插入插槽6中。智能电话5在插入插槽6后基本上平行于HMD4的外平面，使得智能电话的显示屏面向用户的眼睛，同时图像形成透镜介于显示屏和用户的眼睛之间，例如距离眼睛80mm。

用于提供虚拟现实体验的应用(诸如游戏)在智能电话5上运行。该应用有利地从内置在智能电话5内的传感器接收其输入，传感器确定实时3-D颈部部署，诸如朝向传感器、陀螺仪、加速度计和地磁场传感器，或其组合。可替代地，应用从安装在头带上的一个或多个传感器接收其输入。图像由应用生成，并且响应于3-D颈部部署而可由用户的眼睛观看。通常预期用户进而进行附加的头部移动，使得根据用户的康复需求而编程的结果将是可实现的。

例如，应用生成包括指针和目标的图像。指针和目标之间的空间距离被编程为，当随后进行将使指针变得与目标对准的合适头部移动时，确保用户依从给定的锻炼计划。

该应用优选地适于使智能电话5将作为反馈的信号通过合适的数据网络发送到物理治疗师与之接口的计算机化设备。所发送的信号可以指示传感器输入，从而允许物理治疗师随时间并在线监视用户的颈部运动，以确定锻炼依从程度。物理治疗师可以立即将数据发送到在用户的智能电话5上运行的应用，该应用将覆盖预编程的用户反应图像，使得将代替地显示物理治疗师选择的图像。物理治疗师选择的图像适于促使用户附加地依从所开发的锻炼计划。如果确实期望，那么物理治疗师选择的图像可以是在物理治疗师和用户之间玩的多阶段交互式游戏的一个阶段，其将鼓励用户在游戏的一个阶段实现最佳的锻炼依从性。

如可以认识到的，使用智能电话5作为用于实时跟踪和监视头部运动以及用于远程传输输入信号的装置，代替专用且昂贵的现有技术计算机连接的VR系统，显著地降低虚拟现实增强的颈部治疗设备的成本。

在另一方面，治疗设备的康复能力可以通过将外部传感器(诸如朝向传感器)身体接合到需要物理治疗的身体部位(诸如手臂或腿)来增加。这种外部传感器可以通过将例如短程蓝牙信号发送到智能电话收发器而与智能电话5无线数据通信。应用接收来自外部传感器的输入，并作为响应生成可在智能电话屏幕上观看的图像，该图像允许实现根据用户的康复需求编程的结果。编程结果(例如在校正性身体动作之后将指针与目标生成图像对准)促进接合的身体部分或靠近其的身体部位的康复。

除了从内置传感器导出的图像之外，还可以在智能电话屏幕上生成从外部传感器导出的图像，从而允许颈部以及给定身体部位的虚拟现实增强康复。可替代地，可以在智能电话屏幕上显示单个目标图像，以促进可以仅在颈部和给定身体部位一致地执行校正性动作时才实现的编程结果。可替代地，可以在智能电话屏幕上显示单个目标图像，以促进可以仅通过给定身体部位实现的编程结果。

图2A-B图示了本发明的第二实施例，其中颈部治疗设备20包括头带21、身体带23、多个可更换或可调节的阻力绳22，以及HMD 25。头带21固定到HMD 25。头带21和HMD 25两者可以与第一实施例中的对应物类似地配置，或者可替代地可以稍微不同地配置。

每根绳索22的第一纵向端部固定到头带21的选定区域，并且每根绳索22的第二纵向端部固定到身体带23的选定区域。绳索22的第一和第二纵向端部由对应的锚定元件24固定。锚定元件24进而通过夹子等可释放地附连到头带21或身体带23的织物上，或者可以永久地附连到织物上。可替代地，两根或更多根绳索22的一端可以固定到单个锚定元件24。由每根绳索22提供的阻力级别可以通过改变其长度来调节。可以通过移动锚定元件24的位置来执行长度改变操作。如果期望这样，那么可以将具有第一长度的第一根绳索与具有第二长度的第二根绳索交换，以提供不同的阻力。物理治疗师选择要施加预定阻力级别的头部区域，以便开发特定于用户的锻炼计划，用于在头部运动执行期间提供康复和疼痛缓解，该头部运动将加强已发现被削弱的颈部肌肉。

智能电话可插入HMD 25内，以与颈部治疗设备10类似地，与虚拟现实增强的颈部治疗设备20相结合地进行康复活动。

在本发明的另一个实施例中，本发明的治疗设备包括一个或多个生物反馈传感器，其适于在物理活动过程中监视和指导用户。

图3A-B图示了本发明的另一个实施例，其中颈部治疗设备30包括头带38，头带38设有多个间隔开的贴片2，康复重物可移除地可附连到每个贴片2；以及HMD 42，其中可插入智能电话，并且设有光学元件44，用于促进如上所述的虚拟现实体验，以及多个生物反馈传感器。光学元件44可以通过操纵安装在头带38外侧的一个或多个刻度盘57来聚焦，并且运动学地连接到光学元件的驱动单元。

一个生物反馈传感器可以是心率变异性(HRV)传感器52，其可定位在头带38的第一根带子的内面上，以便接触前额侧上的可触知的颞浅动脉。因此，HRV传感器52独立地或与其它生物反馈传感器组合，适于通过感测脉冲的突然变化来检测用户对疼痛的反应。当检测到突然疼痛时，例如当用户已经实现具体的3-D颈部部署时，用户变得意识到生成疼痛感并需要康复的颈部区域。生物反馈传感器可以与智能电话进行无线数据通信，从而允许该应用作为响应接收指示用户表现并且能够建议最佳锻炼计划(例如借助于通过智能电话屏幕可见的图像)的客观数据。

另一种生物反馈传感器可以是肌电图(EMG)传感器51，用于检测在给定活动期间由颈部肌肉产生的电位。因此，可以设有用户可接合的感测垫56的EMG传感器51能够在锻炼计划期间测量肌肉活动并且将测得的数据发送到应用。锻炼计划可以响应于接收的数据而被自动修改，或者由用户或物理治疗师输入手动改变。物理治疗师计算机可以通过与应用的通信链接连接。

可以与装置30结合使用的第三种类型的生物反馈传感器是脑电图(EEG)传感器54，用于在锻炼计划的过程中检测用户大脑中的电活动。因此，可以响应于所确定的用户的认知负荷来修改锻炼计划，用户的认知负荷可以指示突然感觉到的疼痛感。

将认识的是，也可以使用其它类型的生物反馈传感器，诸如汗液传感器53。

在图4所示的本发明的另一个实施例中，物理训练系统60包括位于所选择的身体部位(诸如手臂61或小腿63)上的一个或多个传感器。这些传感器可以是图3A-B中所示的生物反馈传感器51-54中的任何一个，或者本领域技术人员众所周知的任何其它传感器(诸如位置或朝向传感器)。

传感器可以借助于带子(诸如臂带66或腿带67)或通过任何其它众所周知的紧固装置放置在所选择的身体部位附近。带子可以配置有与传感器通信的微控制器、用于将检测到的数据发送到保持在壳体42中的智能电话的无线通信设备(连接到头带38，并且连接到在智能电话的处理器上运行的应用)，并配置有电池组(例如，具有3.3V的容量)用于为传感器供电。

将一个或多个重物69或本领域技术人员众所周知的阻力施加元件应用于所选择的身体部位的附近，以便提供对期望的身体移动的特定于位置的阻力级别，这促进给定的调节程序。用户通过壳体42的光学元件观看一个或多个虚拟现实对象，这些虚拟现实对象暗示用户需要进行附加身体移动以便依从特定于用户的锻炼计划。当HMD42连接到头带38时，用户不必握住智能电话或任何其它计算机化设备，从而允许手自由地执行应用推荐的锻炼。

每个重物69可以包括与智能电话无线通信的通信设备。因此，应用能够通过唯一标识符识别每个重物69和每个传感器，并因此确定与锻炼计划的依从性。

图5A示出了本发明的另一个实施例，其中颈部治疗设备70包括头带78，头带78配置有薄的右侧81和左侧83前后延伸的支撑区段，其适于与颧骨、颧骨过程(zygomaticprocess)(通常称为颊骨)和/或颞骨接合；位于前后延伸的支撑区段81和83下方的薄且略微向前弯曲的枕骨支撑区段87；每个前后延伸的支撑区段的界面部分88，具有弯曲的上边缘和下边缘以便以一个角度与枕骨支撑部分87连接；以及位于上方和水平部署的颅骨区域89，适于安装在颅骨或颅骨的基本平坦的顶部上。前后延伸的支撑区段81和83的前端在其后部区域附连(例如可移除地附连)到HMD 82的对应侧端。

颅骨区域89是多个带子71-76(例如，弓形带子)从其向下延伸到支撑区段的连接处。带子71和72分别附连到支撑区段83的前端和后端。带子75和76分别附连到支撑区段81的后端和前端。沿着顶骨向后延伸的带子73和74分别附连到支撑区段87的左和右区域。

带子71-76中的每一个被用于将康复重物定位在生理上重要的颈部相关位置。在这个实施例中，每个康复重物91可以与从支撑区段或从带子突出的对应螺纹柱94螺纹接合，以允许重物91快速地施加到头带78或从头带78释放。与螺纹柱94接合的螺母96可以固定到支撑区段或带子，诸如通过粘合或熔合，或者可替代地，螺纹柱94可以直接固定到支撑区段或带子。

为了平衡由HMD82的重量施加的关于头部相关的中心或旋转轴线的力矩，其可以与已知的解剖学特征重合，至少为150g(例如，300g)的相对重的重物被施加到支撑区段87与带子73和74的连接处。

当应用于不同头带区域处的对应螺纹柱94时，其它重物91用于使相对定位的颈部相关肌肉受到张力，并由此在肌肉收缩之后引起阻力和肌肉生长，以使头部与前庭系统一起返回到平衡的均衡(equilibrium)状况，直到头部直立。这些其它重物可以更轻，例如10-100g。当然，实际施加的重物可以根据健康专业人员的判断而变化，以便依从计划的锻炼计划。

在带76和支撑区段81的连接处以及在带子71和支撑区段83的连接处施加到螺纹柱94的重物造成屈曲，或下巴试图接触胸部的移动。屈曲引起髂骨、背最长肌和脊椎肌的阻力，这些肌肉组成竖脊肌，从颅骨下背一直延伸到骨盆，有助于腰部向前弯曲以及促进回复回到直立的位置。

施加到单个前后延伸的支撑区段的一个或多个位于后部的柱94的重物造成头部在一个旋转方向上的旋转，以在对侧定位的胸锁乳突肌(SCM)和位于侧向颈部的斜角肌的群中引起阻力。

施加到带子73和74的中心定位的柱94中的一个或多个的重物造成头部的延伸，使得下巴指向上方，以引起作为前椎体肌的长肌和长肌毛肌处的阻力。

图5B图示了与颈部治疗设备70的头带78身体接合的用户65，该用户已经经历颈椎的侧向屈曲运动，由此颈部倾斜，以试图使耳朵接触肩部。

如图6所示，头带78的颅骨区域89被构造为支撑位于其上方的传感器块105。传感器块105适于在九个方向(六个平移方向和三个旋转方向)上检测相对于头部相关的旋转中心的头部移动。已经发现加速度计或其它类型的移动传感器在水平部署时比在垂直部署时具有显著更高的准确性级别，因此传感器块105在基本水平的颅骨区域89的顶部上的定位增加了头部移动测量的准确性。

传感器块105的框图在图7中示出。传感器块105包括线性运动检测器103(诸如用于感测沿着每个笛卡尔轴的运动的加速度计)以及用于检测关于每个笛卡尔轴的角运动的角度运动检测器106(诸如陀螺仪)。如果那样期望，那么检测器103和106可以在单个设备(诸如惯性测量单元(IMU))中组合。本地处理器107接收来自检测器103和106中的每一个的输入，并基于这些输入和存储的指令(诸如借助于运动融合模块的9轴算法)来确定实时3-D颈部部署。发送器109(诸如收发器)将由处理器107经由信号S输出的数据无线地发送到计算机化设备111，计算机化设备111响应于所确定的实时3D颈部部署而生成推荐的特定于用户的动作。发送器109与相关联的通信电路系统一起可以适于经由蜂窝网络或借助于加密狗(例如插入设有传感器块105的USB端口)发送短程信号S或可替代地远程信号。

当计算机化设备111是智能电话或VR应用正在其上运行并容纳在HMD内的任何其它专用的处理器使能移动设备时，所推荐的特定于用户的动作是响应于通过HMD查看的应用生成的图像的校正性头部运动，以使一个或多个具体的颈部肌肉康复。校正性头部运动使特定于位置的颈部肌肉由于选择性施加的重物所强加的负荷而变得紧张，然后随后被加强。

当计算机化设备111是健康专业人员(诸如物理治疗师或医生)的计算机时，其通过通信链路与本地用户可访问的计算机(例如容纳在HMD中的计算机)连接，校正性头部运动由健康专业人员计划，以考虑最佳锻炼计划，该计划取代由应用生成的图像所代表的锻炼计划或原始计划的锻炼计划。关于校正性头部运动的指令可以通过本地用户可访问的计算机的麦克风或屏幕或者经由HMD被传送，例如与应用相结合。

可替代地，计算机化设备111可以是本地用户可访问的计算机，其构成基于PC的VR平台，具有显著更高级别的计算机资源，并因此比处理器使能的移动设备具有更复杂和更高质量的图像生成能力，用在例如用户移动性不太重要的诊所中。计算机化设备111连接到HMD，HMD包括显示器和用于通过有线或无线连接与来自VR平台的输入交互的软件。外部传感器可以被用来跟踪其它身体部位，而头部位置是HMD导出的。

如图8中所示，传感器块105可以是用作诊断工具的系统100的一部分，该系统100与图9中所示的头带78相结合用于确定颈部活动范围(CROM)，其中头带78被配置为没有重物耦合装置且没有HMD。在用户沿着弯曲路径或直线路径的头部运动期间，传感器块105的处理器107在从线性运动和角运动检测器中的每一个接收输入之后确定所选颈部区域在起始位置和结束位置之间的位移，例如相对于物理或虚拟参考点的位移。可以将该位移与健康人的类似头部运动的预期位移进行比较。预期的位移可以是例如大量受试者(例如，1000个受试者)的平均位移。

用于量化与颈部疼痛相关的损伤级别的CROM评估在现有技术中通过测角器和倾角仪进行；但是，通常只能用这些设备测量二维运动。电磁运动跟踪设备被用于测量三维运动，但是由于它们的成本、技术复杂性以及在所选颈部区域的实时连续跟踪期间利用大量计算机资源的要求，它们的使用是受限的。作为对照，系统100的处理器被编程为仅确定开始和结束位置。因此，能够以对计算机资源的最小负荷获得所选颈部区域的CROM，以提供成本有效的诊断工具，同时具有令人惊讶的高准确性级别。因而，本发明的诊断工具对政府机构具有很大的实用性，以便通过确定CROM来评估残疾级别。

除了图7中所示的传感器块105的部件之外，系统100还附加地包括与处理器107进行无线或有线数据通信的一个或多个生物反馈传感器(诸如于在给定的活动期间检测由颈部肌肉产生的电位的EMG传感器51、用于检测脉冲突然变化的HRV传感器52、汗液传感器53和用于检测脑中电活动的EEG传感器54)。生物反馈传感器可以安装在头带上或合适的身体部分上。在处理器107从这些生物反馈传感器中的一个或多个接收到指示突然检测到的疼痛感的信号P之后，它将信号S或信号T发送到计算机化设备111，使得推荐的特定于用户的动作将由此响应于存储的指令而生成。信号T指示已经感测到高于预定强度级别的疼痛，并且信号S表示在感测到疼痛时给定运动期间的结束颈部位置或总位移。在用户已经经历了他或她能够根据不同的可辨别的疼痛强度级别分类的不同类型的疼痛并且发现每个疼痛强度级别与一个或多个生物反馈传感器的测量值对应之后，可以预先校准处理器107以输出信号T。

发送器109(诸如收发器)将由处理器107经由信号S输出的数据无线地发送到计算机化设备111，计算机化设备111响应于所确定的实时CROM而生成推荐的特定于用户的动作。如果指示的疼痛强度级别不是极度高，那么健康专业人员可以依赖疼痛强度级别的指示来鼓励患者(即，头带身体接合在其上的用户)将颈部运动继续超出用户执行的结束位置。

图10图示了用于使患有颈椎运动受损的患者自动康复的方法。在步骤121中VR辅助和传感器块安装的头带身体接合在患者身上之后，应用在步骤123中生成图像，患者通过HMD观看该图像。因而，患者在步骤125中执行由所生成的VR图像促使的对应的头部运动。传感器块在步骤127中向计算机化设备发送指示头部运动的结束位置和患者在结束位置处的疼痛强度级别的信号，并且计算机化设备进而在步骤129中生成附加图像，以便如果该处的疼痛强度级别低于预定阈值，就促使患者继续头部运动超过前一个结束位置，如由存储的指令所定义的。

虽然已经通过说明的方式描述了本发明的一些实施例，但是清晰的是，可以用许多修改、变化和改编以及利用在本领域技术人员的范围内的许多等同物或替代解决方案来执行本发明，而不超出权利要求的范围。

Claims (24)

1.一种颈部治疗设备，包括头带和一个或多个阻力施加元件，阻力施加元件耦合到所述头带的选定区域，所述一个或多个元件被配置为向期望的头部移动提供用户选择的和特定于位置的阻力级别，该头部移动针对特定的颈部相关状况促进颈部肌肉活动。

2.如权利要求1所述的颈部治疗设备，其中头带配置有多个间隔开的头部可接合带，所述带子中的每一个带子设有可与阻力施加元件耦合的区域中的至少一个区域，耦合的阻力施加元件适于张紧与其相对定位的颈部相关肌肉并迫使所述张紧的肌肉收缩，直到头部达到平衡状况。

3.如权利要求2所述的颈部治疗设备，其中所述一个或多个阻力施加元件中的每一个阻力施加元件是通过可移除的紧固装置耦合到所述带子之一的选定区域的重物，所施加阻力的级别在移除重物时或者在第一重量值的第一重物与第二重量值的第二重物交换时可调节。

4.如权利要求3所述的颈部治疗设备，其中可移除的紧固装置选自钩环紧固材料、可移除的粘合材料、按扣、磁铁和螺纹连接件。

5.如权利要求2所述的颈部治疗设备，还包括身体带，其中所述一个或多个阻力施加元件中的每一个阻力施加元件是柔性绳索，柔性绳索在其第一纵向端部处固定到头带的选定区域并且在在其第二纵向端部处固定到身体带的选定区域，所施加阻力的级别在调节所述绳索的长度时可调节。

6.如权利要求5所述的颈部治疗设备，其中每根绳索的第一纵向端部和第二纵向端部由锚定元件固定。

7.如权利要求2所述的颈部治疗设备，还包括头戴式显示器，该头戴式显示器连接到头带，计算机生成的图像在该头戴式显示器上可观看，由此允许结合虚拟现实增强进行颈部康复训练。

8.如权利要求7所述的颈部治疗设备，其中头戴式显示器配置有图像形成透镜并且具有插槽，处理器使能设备能够插入该插槽中。

9.如权利要求7所述的颈部治疗设备，其中所述阻力施加元件中的一个或多个阻力施加元件适于平衡头戴式显示器的重量。

10.如权利要求8所述的颈部治疗设备，其中处理器使能设备是智能电话。

11.一种系统，包括如权利要求7所述的颈部治疗设备、被配置为生成所述图像的计算机、与所述计算机进行数据通信以便在头带身体接合时检测用户头部的实时三维部署的传感器，以及在所述计算机的处理器上运行的应用，

其中所述应用被配置为从所述传感器接收输入并且响应于所述实时部署而在所述显示器上生成由用户可观看的虚拟现实对象，所述对象指示由用户进行的附加头部移动，以便依从特定于用户的锻炼计划。

12.如权利要求11所述的系统，其中头带配置有位于上部且基本上水平部署的颅骨区域，所述多个带子从该区域延伸，并且其中传感器部署在所述颅骨区域上方。

13.如权利要求12所述的系统，其中传感器容纳在附连到颅骨区域的传感器块内，所述传感器块适于检测在多个平移方向和多个旋转方向上相对于头部相关旋转中心的头部移动。

14.如权利要求11所述的系统，其中计算机是容纳在头戴式显示器内的处理器使能设备，并且其中传感器容纳在处理器使能设备内。

15.一种治疗和物理训练系统，包括：一个或多个运动传感器，每个运动传感器定位在用户的对于应身体部位上；在其处理器上运行应用的第一计算机；以及配置有显示器的头戴式壳体，由所述第一计算机生成的图像在该显示器上对所述用户可见，

其中所述应用被配置为从所述传感器中的每一个传感器或从与所述传感器中的每一个传感器数据通信的第二计算机接收输入，所述应用还被配置为响应于在执行锻炼相关的身体移动期间所述对应身体部位中的每一个部位的实时部署而生成由所述用户可观看的虚拟现实对象，所述对象指示要由所述用户进行的附加身体移动，以便依从特定于用户的锻炼计划。

16.如权利要求15所述的系统，还包括与所述用户身体接合并与第一计算机、第二计算机或与和第一计算机数据通信的处理器进行数据通信的一个或多个生物反馈传感器，所述一个或多个生物反馈传感器中的每一个传感器被配置为输出信号，该信号指示在执行身体运动或附加身体运动期间用户所经历的疼痛强度级别以及特定于用户的损伤级别。

17.如权利要求15所述的系统，其中应用被配置为从所述一个或多个生物反馈传感器中的每一个传感器、从第一计算机或从第二计算机接收输入，所述应用还被配置为响应于在执行锻炼相关的身体移动期间的实时疼痛强度级别指示低于预定阈值而生成可由所述用户观看的虚拟现实对象，以促使锻炼相关的身体运动的继续。

18.如权利要求15所述的系统，其中第一计算机是配备有虚拟现实平台的个人计算机，并且连接到头戴式壳体。

19.如权利要求15所述的系统，其中第一计算机容纳在头戴式壳体内。

20.如权利要求15所述的系统，其中头戴式壳体的显示器被配置为至少一个图像形成透镜，虚拟现实对象可透射通过该图像形成透镜。

21.一种用于确定颈部运动范围的系统，包括：

a)头带，配置有多个间隔开的头部可接合的带子以及位于上部且基本水平部署的颅骨区域，所述多个带子从该区域延伸；

b)附连到所述颅骨区域的传感器块，所述传感器块包括一个或多个传感器，这些传感器适于检测在多个平移方向和多个旋转方向上相对于头部相关旋转中心的头部移动，以及处理器，该处理器可操作以从所述一个或多个传感器接收数据，并基于所述接收到的数据确定颈部运动范围，该颈部运动范围与起始位置和结束位置之间的所选颈部区域的位移对应；以及

c)用于输出表示所述确定的颈部运动范围的数据的装置。

22.如权利要求21所述的系统，还包括计算机化设备，被配置为基于所述输出数据生成推荐的特定于用户的动作。

23.如权利要求21所述的系统，其中处理器还可操作以将所确定的颈部运动范围与用于非残疾人的类似头部运动的预期颈部运动范围进行比较，以便量化残疾的级别。

24.一种促进颈椎运动受损患者颈部肌肉康复的自动化方法，包括以下步骤：

a)身体接合设有一个或多个运动传感器和处理器的头带，所述头带连接到头戴式显示器，在该头戴式显示器上可观看计算机生成的图像；

b)身体接合被配置为向所述处理器输出信号的一个或多个生物反馈传感器，该信号指示在执行身体移动期间用户所经历的疼痛强度级别；

c)通过所述显示器观看所述图像；

d)执行由所述生成的图像促使的对应头部运动；

e)由所述处理器确定所选颈部区域的结束位置，并且向与所述显示器数据通信的计算机化设备发送信号，该信号指示所述结束位置和所述患者在所述结束位置处所经历的疼痛强度级别；以及

f)如果该处的疼痛强度级别低于预定阈值，那么由所述计算机化设备生成附加图像，以促使所述患者继续头部运动超过所述结束位置。