CN109173172A - 一种基于深度视觉的上肢康复训练系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于深度视觉的上肢康复训练系统及方法，所述训练系统包括立体显示设备、体感监测装置和与两者连接的数据处理及控制装置；数据处理及控制装置控制立体显示设备显示并更新训练画面，所述训练画面中患者待操作的目标物与背景在视觉深度上分离；体感监测装置用于测量患者上肢需训练部位的空间坐标及姿态，并将其传输至数据处理及控制装置；数据处理及控制装置对上肢需训练部位的空间坐标与目标物在患者视觉上的空间坐标进行匹配处理并对姿态的有效性进行判断，根据匹配结果和姿态的有效性控制立体显示设备的训练画面更新。本发明不但能让患者获得视觉上的愉悦从而更投入于运动能力的康复训练中，而且还能使患者进行空间定位的训练。
Description
技术领域
本发明涉及上肢康复训练系统技术领域，更具体地，涉及一种基于深度视觉的上肢康复训练系统及方法，用于辅助患者进行肩部、手肘、手腕及手指等部位的康复训练。
背景技术
中风是老年人常见的脑科疾病，近年来甚至中年人也出现了多发的趋势。中风患者常会出现逻辑认知、肢体动作困难等方面的功能障碍，严重影响生活质量。目前，已有许多的医务工作者和科研人员开展相关的研究和医疗实践。实践得到的反馈意见表明，现有的康复训练存在两个问题：①趣味性不强，在医疗康复中，需要患者在一段不短的时间内（例如半小时左右）重复几个简单的肢体动作，会让患者觉得乏味，从而不能专注于康复动作的训练，只能得到事倍功半的效果；②训练动作的空间指示性和互动性有待加强，常规的康复训练使用平面显示屏展示需要操作的目标，患者根据画面的提示，可以准确执行平行于身体的上肢运动（如侧向抬手、张臂等），但是对于垂直身体的动作（例如伸手、往前抬臂等）则只能做出动作，不能准确的实施定位操作，从而局限了上肢康复训练的维度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于深度视觉的上肢康复训练系统，不但能让患者获得视觉上的愉悦从而更投入于运动能力的康复训练中，而且还能使患者进行空间定位的训练，恢复大脑的应激反应，促进患者在行动能力和逻辑认知上的康复。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
提供一种基于深度视觉的上肢康复训练系统，包括立体显示设备、体感监测装置和与两者连接的数据处理及控制装置；数据处理及控制装置控制立体显示设备显示并更新训练画面，所述训练画面中患者待操作的目标物与背景在视觉深度上分离；体感监测装置用于测量患者上肢需训练部位的空间坐标及姿态，并将其传输至数据处理及控制装置；数据处理及控制装置对上肢需训练部位的空间坐标与目标物在患者视觉上的空间坐标进行匹配处理并对姿态的有效性进行判断，根据匹配结果和姿态的有效性控制立体显示设备的训练画面更新。
上述方案中，若上肢需训练部位的空间坐标与目标物在患者视觉上的空间坐标匹配，即两者空间坐标相等或者差值小于一定范围时，数据处理及控制装置则判断患者姿态的有效性，待有效性达到一定阈值时则判断该动作训练结束，以完成一个动作的多次训练，随后更新立体显示设备的训练画面；对于每一个训练画面，患者均进行多次训练以完成完整的康复训练。本发明一种基于深度视觉的上肢康复训练系统，不但能让患者获得视觉上的愉悦从而更投入于运动能力的康复训练中，而且还能使患者进行空间定位的训练，恢复大脑的应激反应，促进患者在行动能力和逻辑认知上的康复。
优选地，所述训练系统还包括高度适配装置，用于调整体感监测装置与患者上肢之间的高度差。由于体感监测装置有工作距离的限制，当患者上肢距离体感监测装置过远或者过近时，体感监测装置均无法准确定位上肢位置和姿态，甚至无法检测到上肢；与此矛盾的是，患者的上肢乏力，常常不能抬得较高，甚至仅能略微抬高，因此，必须使用高度适配装置，根据每位患者的实际情况，针对性地调整体感监测装置与患者上肢之间的高度差，保证患者上肢需训练部位能被完整的检测到；对于某些工作距离远大于患者上肢运动幅度的体感监测装置，则可以省去高度适配装置。
进一步优选地，所述高度适配装置包括机械调整结构及距离测量结构；机械调整结构用于承托体感监测装置并调整体感监测装置高度，距离测量结构用于测量患者上肢需训练部位与体感监测装置之间的高度差。
更进一步优选地，所述距离测量结构为激光测距探测器或超声测距探测器。如果为了简化测量的步骤或者碍于场地的局限，也可使用尺子或者目测替代距离测量结构。
优选地，所述训练系统还包括上肢支撑架，用于支撑患者上肢。在进行手肘、手腕和手指训练时，大部分上肢具有运动功能障碍的患者都较难独立长时间支撑悬空的上肢，而每次康复训练只有让患者持续训练达到一定的时长，才能达到康复的效果，因此，在训练时需将上肢例如上臂承托在上肢支撑架上，减轻患者因长时间支撑上臂所带来的疲劳。
进一步优选地，上肢支撑架为符合人体工学结构的支架。可根据每位患者的上肢体型，使用快速塑形材料制作个性化的支架，以提高舒适度。
更进一步优选地，上肢支撑架在承托上肢的同时，能在空间中实现较大范围的自由移动，这才不会束缚患者上肢的运动。
优选地，立体显示设备显示的训练画面中包括起提示作用的图像信息，即患者进行训练时上肢需具备的姿态、动作方向、动作频率及动作幅度。这样设置可以更好地辅助患者进行康复训练。
优选地，所述训练系统还包括与数据处理及控制装置连接的扬声器，用于与立体显示设备中的画面配合进行语音提示和播放让患者神经舒缓的背景音乐。扬声器既可以整合到立体显示设备中，也可以独立于立体显示设备。
优选地，立体显示设备显示的训练画面中，患者待操作的目标物为负视差，背景为正视差或零视差；负视差即目标物浮出立体显示设备前方，位于患者眼睛与立体显示设备之间，零视差即背景既不浮出立体显示设备前方也不缩进立体显示设备后方，正视差即背景缩进立体显示设备后方。这样设置能增强显示的视觉深度，提高患者康复训练过程中的视觉舒适度及患者操作目标物的精度。
进一步优选地，立体显示设备为裸眼3D显示设备。这样设置能提高患者使用体验，以避免患者佩戴3D辅助眼镜带来的不便；裸眼3D显示设备包括光栅式、柱透镜式、指向背光式等。立体显示设备也可为眼镜式3D显示设备（包括偏振式、色分（即红蓝、红绿等）式、时分式、头盔式、VR眼镜式等）。
优选地，所述体感监测装置使用双/多目视差、结构光或飞行时间（TOF）的方式工作。
进一步优选地，所述体感监测装置中自带处理器，能自动生成上肢模型及获取上肢需训练部位的空间坐标，例如体感监测装置为Leap Motion或Real Sence。
优选地，所述体感监测装置也可为双/多目视差摄像头。这些摄像头只需采集双/多视角的上肢图像并传输到数据处理及控制装置，而上肢的模型建立和需训练部位的空间坐标计算则由数据处理及控制装置完成。
优选地，所述数据处理及控制装置可由计算机、工控机、单片机、DSP、FPGA、嵌入式系统等组成。
本发明的另一个目的在于提供一种基于深度视觉的上肢康复训练方法，使用上述训练系统，包括如下步骤：
S1.数据处理及控制装置控制立体显示设备显示训练画面，其中训练画面中患者待操作的目标物与背景在视觉深度上分离；
S2.患者正视立体显示设备并根据训练画面用上肢需训练部位操作目标物，同时，体感监测装置测量患者上肢需训练部位的空间坐标及姿态并将其传输至数据处理及控制装置；
S3.数据处理及控制装置对上肢需训练部位的空间坐标与目标物在患者视觉上的空间坐标进行匹配处理；若两者不匹配，即两者空间坐标的差值大于一定范围，则重复步骤S2；若两者匹配，即两者空间坐标相等或者差值小于一定范围，则判断患者姿态的有效性，若无效则重复步骤S2，若有效次数达到一定阈值时则判断该动作训练结束；待该动作训练结束时，数据处理及控制装置控制立体显示设备更新训练画面；
S4.重复步骤S2至S4，直至训练结束，数据处理及控制装置控制立体显示设备退出训练画面。
优选地，训练过程中将上肢放置在上肢支撑架上。
优选地，在体感监测装置下方设置用于调整体感监测装置与患者上肢之间高度差的高度适配装置，以使训练过程中患者上肢位于体感监测装置的有效工作距离以内。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明一种基于深度视觉的上肢康复训练系统，使用立体视觉显示方式配合体感的纵深操作，训练患者上肢的运动能力和视觉上的定位能力；本发明不但能让患者获得视觉上的愉悦从而更投入于运动能力的康复训练中，而且还能使患者进行空间定位和逻辑认知能力的训练。
附图说明
图1为本实施例一种基于深度视觉的上肢康复训练系统的示意图。
图2为本实施例一种基于深度视觉的上肢康复训练方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例
本实施例一种基于深度视觉的上肢康复训练系统，其示意图如图1所示，包括立体显示设备1、体感监测装置2和与两者连接的数据处理及控制装置3；数据处理及控制装置3控制立体显示设备1显示并更新训练画面，所述训练画面中患者待操作的目标物与背景在视觉深度上分离；体感监测装置2用于测量患者上肢需训练部位的空间坐标及姿态并将其传输至数据处理及控制装置3；数据处理及控制装置3对上肢需训练部位的空间坐标与目标物在患者视觉上的空间坐标进行匹配处理并对姿态的有效性进行判断，根据匹配结果和姿态的有效性控制立体显示设备1的训练画面更新。
患者使用该训练系统进行康复训练时，若上肢需训练部位的空间坐标与目标物在患者视觉上的空间坐标匹配，即两者空间坐标相等或者差值小于一定范围时，数据处理及控制装置3则判断患者姿态的有效性，待有效性达到一定阈值时则判断该动作训练结束，以完成一个动作的多次训练，随后更新立体显示设备1的训练画面；对于每一个训练画面，患者均进行多次训练以完成完整的康复训练。本发明一种基于深度视觉的上肢康复训练系统，不但能让患者获得视觉上的愉悦从而更投入于运动能力的康复训练中，而且还能使患者进行空间定位和逻辑认知能力的训练。
其中，所述训练系统还包括高度适配装置，用于调整体感监测装置2与患者上肢之间的高度差。由于体感监测装置2有工作距离的限制，当患者上肢距离体感监测装置2过远或者过近时，体感监测装置2均无法准确定位上肢位置和姿态，甚至无法检测到上肢；与此矛盾的是，患者的上肢乏力，常常不能抬得较高，甚至仅能略微抬高，因此，必须使用高度适配装置，根据每位患者的实际情况，针对性地调整体感监测装置2与患者上肢之间的高度差，保证患者上肢需训练部位能被完整的检测到；对于某些工作距离远大于患者上肢运动幅度的体感监测装置2，则可以省去高度适配装置。
本实施例中，所述高度适配装置包括机械调整结构及距离测量结构；机械调整结构用于承托体感监测装置2并调整体感监测装置2高度，距离测量结构用于测量患者上肢需训练部位与体感监测装置2之间的高度差。所述距离测量结构为激光测距探测器或超声测距探测器；如果为了简化测量的步骤或者碍于场地的局限，也可使用尺子或者目测替代距离测量结构。
另外，所述训练系统还包括上肢支撑架4，用于支撑患者上肢。在进行手肘、手腕和手指训练时，大部分上肢具有运动功能障碍的患者都较难独立长时间支撑悬空的上肢，而每次康复训练只有让患者持续训练达到一定的时长，才能达到康复的效果，因此，在训练时需将上肢例如上臂承托在上肢支撑架4上，减轻患者因长时间支撑上臂所带来的疲劳。
本实施例中，上肢支撑架4为符合人体工学结构的支架。可根据每位患者的上肢体型，使用快速塑形材料制作个性化的支架，以提高舒适度。同时，上肢支撑架4在承托上肢的同时，能在空间中实现较大范围的自由移动，这才不会束缚患者上肢的运动。
其中，立体显示设备1显示的训练画面中包括其提示作用的图像信息，即患者进行训练时上肢需具备的姿态、动作方向、动作频率及动作幅度。这样设置可以更好地辅助患者进行康复训练。
另外，所述训练系统还包括与数据处理及控制装置3连接的扬声器，用于与立体显示设备1中的画面配合进行语音提示和播放让患者神经舒缓的背景音乐。扬声器既可以整合到立体显示设备1中，也可以独立于立体显示设备1。
其中，立体显示设备1显示的训练画面中，患者待操作的目标物为负视差，背景为正视差或零视差；负视差即目标物浮出立体显示设备1前方，位于患者眼睛与立体显示设备1之间，零视差即背景既不浮出立体显示设备1前方也不缩进立体显示设备1后方，正视差即背景缩进立体显示设备1后方。这样设置能增强显示的视觉深度，提高患者康复训练过程中的视觉舒适度及患者操作目标物的精度。
另外，立体显示设备1为裸眼3D显示设备。这样设置能提高患者使用体验，以避免患者佩戴3D辅助眼镜带来的不便；裸眼3D显示设备包括光栅式、柱透镜式、指向背光式等。立体显示设备1也可为眼镜式3D显示设备（包括偏振式、色分（即红蓝、红绿等）式、时分式、头盔式、VR眼镜式等）。
图1中展示的立体显示设备1为眼镜式3D显示设备，包括立体眼镜和屏幕，负视差即目标物浮出屏幕前方，位于患者眼睛与眼镜式3D显示设备之间，零视差即背景既不浮出屏幕前方也不缩进屏幕后方，正视差即背景缩进屏幕后方。
其中，所述体感监测装置2使用双/多目视差、结构光或飞行时间（TOF）的方式工作。
本实施例中，所述体感监测装置2中自带处理器，能自动生成上肢模型及获取上肢需训练部位的空间坐标，例如体感监测装置2为Leap Motion或Real Sence。
当然，所述体感监测装置2也可为双/多目视差摄像头。这些摄像头只需采集双/多视角的上肢图像并传输到数据处理及控制装置3，而上肢的模型建立和需训练部位的空间坐标计算则由数据处理及控制装置3完成。
另外，所述数据处理及控制装置3可由计算机、工控机、单片机、DSP、FPGA、嵌入式系统等组成。
本发明还提供了一种基于深度视觉的上肢康复训练方法，使用上述训练系统，流程图如图2所示，包括如下步骤：
S1.数据处理及控制装置3控制立体显示设备1显示训练画面，其中训练画面中患者待操作的目标物与背景在视觉深度上分离；
S2.患者正视立体显示设备1并根据训练画面用上肢需训练部位操作目标物，同时，体感监测装置2测量患者上肢需训练部位的空间坐标及姿态并将其传输至数据处理及控制装置3；
S3.数据处理及控制装置3对上肢需训练部位的空间坐标与目标物在患者视觉上的空间坐标进行匹配处理；若两者不匹配，即两者空间坐标的差值大于一定范围，则重复步骤S2；若两者匹配，即两者空间坐标相等或者差值小于一定范围，则判断患者姿态的有效性，若无效则重复步骤S2，若有效次数达到一定阈值时则判断该动作训练结束；待该动作训练结束时，数据处理及控制装置3控制立体显示设备1更新训练画面；
S4.重复步骤S2至S4，直至训练结束，数据处理及控制装置3控制立体显示设备1退出训练画面。
其中，训练过程中将上肢放置在上肢支撑架4上。
另外，在体感监测装置2下方设置用于调整体感监测装置2与患者上肢之间高度差的高度适配装置，以使训练过程中患者上肢位于体感监测装置2的有效工作距离以内。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于深度视觉的上肢康复训练系统，其特征在于，包括立体显示设备（1）、体感监测装置（2）和与两者连接的数据处理及控制装置（3）；数据处理及控制装置（3）控制立体显示设备（1）显示并更新训练画面，所述训练画面中患者待操作的目标物与背景在视觉深度上分离；体感监测装置（2）用于测量患者上肢需训练部位的空间坐标及姿态，并将其传输至数据处理及控制装置（3）；数据处理及控制装置（3）对上肢需训练部位的空间坐标与目标物在患者视觉上的空间坐标进行匹配处理并对姿态的有效性进行判断，根据匹配结果和姿态的有效性控制立体显示设备（1）的训练画面更新。
2.根据权利要求1所述的一种基于深度视觉的上肢康复训练系统，其特征在于，所述训练系统还包括高度适配装置，用于调整体感监测装置（2）与患者上肢之间的高度差。
3.根据权利要求2所述的一种基于深度视觉的上肢康复训练系统，其特征在于，所述高度适配装置包括机械调整结构及距离测量结构；机械调整结构用于承托体感监测装置（2）并调整体感监测装置（2）高度，距离测量结构用于测量患者上肢需训练部位与体感监测装置（2）之间的高度差。
4.根据权利要求1所述的一种基于深度视觉的上肢康复训练系统，其特征在于，所述训练系统还包括上肢支撑架（4），用于支撑患者上肢。
5.根据权利要求1所述的一种基于深度视觉的上肢康复训练系统，其特征在于，立体显示设备（1）显示的训练画面中包括起提示作用的图像信息，即患者进行训练时上肢需具备的姿态、动作方向、动作频率及动作幅度。
6.根据权利要求1所述的一种基于深度视觉的上肢康复训练系统，其特征在于，所述训练系统还包括与数据处理及控制装置（3）连接的扬声器，用于与立体显示设备（1）中的画面配合进行语音提示和播放让患者神经舒缓的背景音乐。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种基于深度视觉的上肢康复训练系统，其特征在于，立体显示设备（1）显示的训练画面中，患者待操作的目标物为负视差，背景为正视差或零视差；负视差即目标物浮出立体显示设备（1）前方，位于患者眼睛与立体显示设备（1）之间，零视差即背景既不浮出立体显示设备（1）前方也不缩进立体显示设备（1）后方，正视差即背景缩进立体显示设备（1）后方。
8.一种基于深度视觉的上肢康复训练方法，其特征在于，使用权利要求1所述的训练系统，包括如下步骤：
S1.数据处理及控制装置（3）控制立体显示设备（1）显示训练画面，其中训练画面中患者待操作的目标物与背景在视觉深度上分离；
S2.患者正视立体显示设备（1）并根据训练画面用上肢需训练部位操作目标物，同时，体感监测装置（2）测量患者上肢需训练部位的空间坐标及姿态并将其传输至数据处理及控制装置（3）；
S3.数据处理及控制装置（3）对上肢需训练部位的空间坐标与目标物在患者视觉上的空间坐标进行匹配处理；若两者不匹配，即两者空间坐标的差值大于一定范围，则重复步骤S2；若两者匹配，即两者空间坐标相等或者差值小于一定范围，则判断患者姿态的有效性，若无效则重复步骤S2，若有效次数达到一定阈值时则判断该动作训练结束；待该动作训练结束时，数据处理及控制装置（3）控制立体显示设备（1）更新训练画面；
S4.重复步骤S2至S4，直至训练结束，数据处理及控制装置（3）控制立体显示设备（1）退出训练画面。
9.根据权利要求8所述的一种基于深度视觉的上肢康复训练方法，其特征在于，训练过程中将上肢放置在上肢支撑架（4）上。
10.根据权利要求8所述的一种基于深度视觉的上肢康复训练方法，其特征在于，在体感监测装置（2）下方设置用于调整体感监测装置（2）与患者上肢之间高度差的高度适配装置，以使训练过程中患者上肢位于体感监测装置（2）的有效工作距离以内。
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