CN109692392A - 一种基于云平台的音乐治疗方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种基于云平台的音乐治疗系统，它包括用于提供公共信息资源的云平台、与该云平台信号连接的头盔以及辅助外设；头盔内设有工控机；工控机内设有工控机主板，该工控机主板位于所述环形遮罩的正前方，该工控机主板包括基本硬件、视频控制器单元、多功能数据采集单元、图像数据采集单元及音频播放单元；所述辅助外设为地垫，该地垫上设有红外摄像头和脚踏式轻触开关；本发明基于云平台的音乐治疗实现了由虚拟治疗师替代真人治疗师参与的主动音乐治疗完整流程；其方法颠覆了以往音乐治疗的单一仪器和单一真人治疗师参与的形式，创新了主动式音乐治疗中受试者与治疗师之间的信息传递模式及方法，开辟了主动式音乐治疗方式方法的新思路。

Description

一种基于云平台的音乐治疗方法及系统
技术领域
本发明涉及音乐治疗、虚拟现实、计算机控制领域，特别是一种基于云平台的音乐治疗方法及系统。
背景技术
音乐治疗从中国两千年前的皇帝内经中提出，直到近代的十九世纪50年代正式成立专门的音乐治疗学科。经过半个多世纪的发展，音乐治疗已经逐步发展成为一门成熟的、完整的边缘学科。目前比较公认的音乐治疗定义认为音乐治疗是一个系统的干预过程，在这个过程中，治疗师利用音乐体验的各种形式，以及在治疗过程中发展起来的，作为治疗的动力的治疗关系，帮助被治疗者达到健康的目的。
市面上常见的音乐治疗仪器，根据其工作原理可以总结为播放预置类型音乐的音乐播放器，这一治疗过程中没有治疗师的参与，受试者仅能被动收听仪器播放的音乐，从而达到舒缓情绪，愉悦心情的目的。
另外，还有一种是以治疗师参与为标志的音乐治疗过程。这一过程中，体现了围绕音乐治疗系统工程所需的“以音乐为中心体验”、“以治疗师和访问者的关系为基础”以及“以健康为目的”三大要素，与音乐治疗仪的最大区别是是有治疗师参与的主动音乐治疗过程。
经检索，申请公布号为CN 104307111 A的中国专利《激光音乐治疗仪》，它是在给受试者播放音乐的同时，利用激光照射经络穴位的原理，实现音乐治疗目的的仪器。该方案中没有治疗师的参与，是一种被动式的音乐治疗模式。
授权公告号为CN 205183043 U的中国专利《一种音乐治疗仪》，它是受试者通过卡拉OK方式演唱歌曲的同时与“音乐喷泉”装置进行关联，受试者在演唱过程中随情绪变化分等级用力踩压踏板可以控制喷泉射水的高度，演唱者的音量大学与喷水高度也进行关联，从而间接的使受试者情绪渲染、兴奋，激动，进而间接达到音乐治疗的相关作用。该方案，没有治疗师的参与，但利用了受试者主动控制音乐输出的相关性，起到了“部分”主动治疗的作用。
授权公告号为CN 207640807 U的中国专利《一种头戴式音乐治疗仪》，它是让受试者佩戴一个音乐治疗头盔，并且头盔带有可连接受试者穴位的电极，通过头盔内的音乐播放器向受试者播放音乐，并向受试者穴位释放电脉冲信号，进而达到了音乐治疗目的。该方案没有治疗师的参与，受试者被动收听播放的音乐以及接收电极脉冲刺激，也是被动式治疗手段。
申请公布号为CN 102188773 A的中国专利《数字音乐治疗仪》，它是让受试者通过收听播放音乐的同时，利用仪器产生与音乐节奏同步的电极脉冲信号刺激受试者的穴位，起到了音乐治疗的作用。该方案没有治疗师的参与，也属于被动治疗方式。
授权公告号为CN 202982865 U的中国专利《心理音乐治疗仪》，它是让受试者佩戴一个音乐播放装置，利用仪器播放音乐，起到音乐治疗的作用。方案中，没有治疗师的参与，属于被动式治疗方式。
申请公布号为CN 102920442 A的中国专利《生理信息反馈音乐治疗床》，它是由一套计算机(包含生理信息检测采集模块)和一个音乐治疗床组成，受试者躺在音乐治疗床上，通过治疗床与播放音乐关联的音振子与受试者身体接触，使受试者体感产生振动效果，再由计算机采集受试者体温、皮肤阻抗、脉搏、肌电信号来判断这一音乐治疗过程的康复效果。此方案中，没有治疗师的参与，是一种被动式治疗方式，但辅助了检测装置，强调了治疗过程的同步反馈监测。
申请公布号为CN 105963844 A的中国专利《一种音乐指挥及音乐治疗系统》，它是一套由受试者手持内置多种采集受试者(指挥)的脉搏、指挥棒空中姿态的信息，并通过无线与CPU相连，从数据库中匹配出与受试者身体协调的音乐和声道频率，并实现响应环境灯光控制，动态营造出一个身临其境的场景，从而起到音乐治疗的作用。该方案中，没有治疗师的参与，但通过受试者自身相关体征信息的主动输出启动了主动调控治疗场景的目的，属于主动式音乐治疗模式。
业界普遍还认为，有经验的治疗师参与的主动音乐治疗过程，具有更好的交互效果，能够伴随治疗过程中动态优化一成不变的治疗方案。但由于有经验的治疗师资源少，而且受限于所在地区等实际问题，很多受试者并不能够享受到优质治疗师资源提供的高效治疗服务。
为了克服上述问题，有必要在不违背音乐治疗基础理论的前提下，创新研制一种主动音乐治疗的新方法，为音乐治疗方向提供一种更为有益的解决方案。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种基于云平台的音乐治疗系统，它包括：用于提供公共信息资源的云平台、与该云平台信号连接的头盔以及辅助外设；所述头盔为一环形遮罩；
所述工控机内设有工控机主板和基本硬件，该工控机主板位于所述环形遮罩的正前方，该工控机主板包括视频控制器单元、多功能数据采集单元、图像数据采集单元及音频播放单元；
所述基本硬件至少包括CPU、内存、硬盘接口、有线网络接口、无线网络接口、USB接口、音频接口、HDMI接口、总线控制器、电源管理模块；
所述头盔内还设有双眼观看的液晶显示器、检测耳垂静脉血管用的光电心率传感器、检测头盔佩戴角度以及头颈上部运动姿态的三轴加速度传感器、检测头盔佩戴正确的红外接近传感器、检测脑电波变化的脑电波传感器、检测头盔温湿度变化的温湿度传感器、检测双眼瞳孔变化和虹膜图像的红外高清摄像头和指纹传感器、用于采集受试者语音的麦克风以及用于播放治疗音乐的扬声器；
所述硬盘接口用于连接固态硬盘，以及存储与所述云平台通信下载的相关数据和所述头盔、地垫采集到的数据；
所述有线网络接口：用于连接至路由器或调制解调器，使头盔能连接至互联网，构成与云平台的通信连接；
所述无线网络接口：用于连接至无线路由器，使头盔能连接至互联网，构成与云平台的通信连接；
所述USB接口：用于连接外围设备；
所述HDMI接口：用于连接外置的大屏幕液晶显示器，供管理人员辅助监测下位机软件的相关数据；
所述视频控制器单元：用于输出双屏视频图像，供双屏液晶显示工控机的虚拟治疗环境及系统软件信息；
所述多功能数据采集单元：用于采集传感器输出的多通道的模拟信号和数字信号以及采集输出数字信号和传感器信号；
所述图像数据采集单元：用于采集受试者的虹膜图像、瞳孔变化以及地垫中红外摄像头输出的数字图像信号。
作为本发明的优选方案，所述液晶显示器设有2个，对称安装于所述环形遮罩内侧壁，与受试者的双眼位置对应，该液晶显示器与所述工控机主板的视频控制器单元输出连接；
所述扬声器设有5个，其沿所述环形遮罩内侧壁均分布设置，其与所述工控机主板音频接口相连，用于播放系统各种提示信息和治疗过程中的多声道音乐；
所述三轴加速度传感器设有2个，分别放置在环形头盔的左右两侧，与所述多功能数据采集单元相连，用于采集头盔的姿态数据，同时能够辅助确定治疗过程中受试者头颈部姿态及判断受试者头颈部的运动趋势，也用作虚拟治疗师决策治疗方案的要素；
所述光电心率传感器设有2个，分别位于所述环形遮罩内侧与受试者双耳相对应的位置，其与所述多功能数据采集单元相连，通过耳垂采集受试者心率；该传感器在装配时，其固定位置能够微调，从而保证能适合受试者耳垂位置接收光电心率传感器发射和接收的信号；
所述红外接近传感器设有4个，其分别设置在环形遮罩内侧壁的四周，且与所述多功能数据采集单元相连，能够采集受试者佩戴时是否完全合适佩戴的信息，若出现佩戴不平衡导致头盔倾斜，提示头盔做出相应的调试；
所述温湿度传感器设有2个，对称放置于环形遮罩内侧，并与所述光电心率传感器相邻设置，并与所述多功能数据采集单元相连，用于检测头盔环境温湿度。由于头盔内置紧凑型工控机主板，工作时会持续发出热量，受试者在接收治疗的过程中也会散发出热量。采集两者工作时的温度和湿度，用于判断系统工作的可靠性，也用作虚拟治疗师决策治疗方案的要素；
所述红外高清摄像头设有2个，分别与所述液晶显示器相邻设置，且与所述图像数据采集单元相连，用于拍摄虹膜高清图像，用作录入虹膜信息和比对虹膜信息。拍摄前，头盔提示受试者双眼正视液晶显示屏旁的红外高清摄像头，从而保证拍摄图像符合识别基本要求；
所述指纹传感器与所述USB接口相邻设置，位于所述环形遮罩的外侧壁，且该指纹传感器与所述多功能数据采集单元相连，用于扫描用户的身份，确定音乐治疗云平台的用户合法身份。同时作为虹膜身份识别失效时的有效身份识别备用方案。
作为本发明的优选方案，所述辅助外设包括一用于采集下肢运动数据及图像的地垫；该地垫上设有若干红外摄像头和脚踏式轻触开关，所述红外摄像头均匀分布于该地垫的周围，该红外摄像头与所述图像数据采集单元相连；
所述地垫内设有单片机，该单片机与脚踏轻触开关连接，实现脚踏轻触开关的按下或弹起的信号采集，所述单片机中的嵌入式电路板设有串口通信接口和无线数据传输电路。
作为本发明的优选方案，所述环形遮罩内部还设有紧凑型水冷散热装置。
作为本发明的优选方案，该系统还包括2个用于检测受试者左右手心率和上肢运动姿态的蓝牙手环。
进一步地，为了便于受试者佩戴头盔，所述工控机与所述三轴加速度传感器、光电心率传感器、红外接近传感器、指纹传感器、脑电波传感器之间采用柔性电路板连接。
进一步地，所述地垫内还设有锂电池供电组，和/或所述地垫设有电源接口。
进一步地，所述云平台包括真实治疗师管理单元、虚拟治疗师管理单元、受试者管理单元、治疗设备管理单元和数据存储管理单元；
所述真实治疗师管理单元包括：治疗师注册数据模块、真实治疗方案模型库模块；
所述虚拟治疗师管理单元包括：虚拟治疗师3D模型库模块、虚拟治疗师声纹特征库模块、音源、音色、节奏数据库模块、虚拟环境素材库模块；
所述受试者管理单元包括：受试者注册数据模块、受试者治疗数据模块；
所述治疗设备管理单元包括：在线设备管理模块、设备信息检测模块；所述数据存储管理单元包括：传感器数据存储模块、数据分析处理模块。
进一步地，所述头盔内还安装有下位机软件，用于管理并运行所述工控机；
该下位机软件包括设备管理单元、权限管理单元、虚拟治疗师资源管理单元、虚拟场景构建单元和治疗数据管理单元；
所述设备管理单元包括自检模块和状态记录模块；
所述权限管理单元包括虹膜检测模块、指纹检测模块和密码检测模块；
所述虚拟治疗师资源管理单元包括音源、音色、节奏、数据库模块、虚拟环境素材库模块、声纹特征库模块、虚拟治疗3D模型管理模块、治疗方案动态生成器模块；
所述虚拟场景构建单元包括：3D模型重构模块、声纹特征重构模块、波表合成模块；
所述治疗数据管理单元包括：麦克风数据模块、三轴加速度传感器数据模块、心率传感器数据模块、红外接近传感器数据模块、指纹传感器数据模块、红外高清摄像头数据模块、温湿度数据传感器模块。
一种基于云平台的音乐治疗方法，包括以下步骤：
S0：提供云平台的公共信息资源；
治疗师在云平台内注册会员，并录入以下信息：指纹、数字字符密码、治疗擅长领域、治疗手段、治疗方法、适用年龄范围、治疗效果证明、从业时间、全身3D扫描照片以及声纹信息；
工控机根据治疗师的录入信息通过深度神经网络算法学习该治疗师的治疗手段与方法，并为治疗师生成个人3D人体模型数据准备虚拟治疗师数据、样式模板，用于受试者申请时生成副本；
受试者在云平台内注册会员，并录入以下信息：年龄、性别、身高、体重、虹膜数据、指纹、数字字符混合密码、全身3D扫描照片、治疗需求、具体症状描述、可接受的治疗时长；
工控机根据受试者注册提供的信息(治疗需求、具体症状描述、可接受的治疗时长)，由工控机将其与治疗师注册的信息数据(治疗擅长领域、治疗手段、治疗方法、适用年龄范围、治疗效果证明、从业时间)特征进行查找匹配，以满足的匹配条件数量最多者为最高优先顺序排列，若无完全条件匹配的则以接近近似条件的顺序排列，从而获得相同或近似的适用的治疗师数据信息，等待生成初始治疗方案数据并将其推送至头盔；
S1：自检：受试者在拿起头盔或踩踏地垫时，启动云平台对头盔、地垫自检，完成自检后等待受试者权限识别；
S2：受试者权限识别；受试者佩戴头盔，多功能数据采集单元采集到三轴加速度传感器和红外接近传感器的数据变化，若正常则发出“识别受试者身份”指令，并根据三轴加速度传感器和红外接近传感器的数据判断佩戴是否平衡，头盔将声光提示受试者调整头盔倾斜角度，直至佩戴符合要求；若不正常，判断三轴加速度传感器和红外接近传感器故障；
头盔内的红外高清摄像头持续开始拍摄；红外高清摄像头拍摄到可识别的虹膜图像，将其与注册信息比对，确认身份是否合法；若由于外伤或其他原因导致眼部虹膜数据无法采集；采用指纹数据或数字字符密码通过工控机外接键盘输入进行身份确认；若佩戴头盔不正确导致无法正确拍摄虹膜图像，红外接近传感器与三轴加速度传感器协同判断是否佩戴平衡，液晶显示器将更新显示出三轴加速度传感器数据判断佩戴方式倾斜方向及应该调整的方向，同时进行语音提示，帮助调整佩戴角度，确保佩戴正确合适；完成受试者身份识别后，液晶显示器提示完成登录，扬声器同时进行声音提示；头盔的工控机将记录登录时间，液晶显示器提示“虚拟治疗师和方案准备中”；
S3：平台推送治疗方案至工控机中，受试者确认接收该治疗方案，若拒绝并由工控机推送下一个智能匹配；受试者确认选择治疗方案后，“虚拟治疗师管理单元”的虚拟治疗师3D模型库、虚拟治疗师声纹特征库、音源、音色、节奏数据库、虚拟环境素材库中下载相应的治疗师数据到头盔，生成虚拟治疗师数据库；
S4：治疗过程：工控机接收来自云平台的虚拟治疗师模型数据，在工控机中生成虚拟治疗师角色；根据被选择方案中治疗师的3D模型数据，工控机通过液晶显示器显示生成虚拟治疗师，并由工控机默认设置虚拟治疗场景的背景和音乐，通过液晶显示器和扬声器向受试者播出；工控机通过麦克风采集受试者的语音信号，完成受试者和虚拟治疗师的语言交流；同时，头盔和地垫同步检测受试者的体征参数变化，该体征参数变化包括瞳孔尺寸变化、心率变化、是否有主动语音发出、下肢运动趋势、步频、步幅变化，形成虚拟治疗师对话内容的决策方案，保持虚拟治疗师与受试者的持续语言交流；治疗师治疗期间的对话内容由深度神经网络算法决定交流内容，虚拟治疗师的对话语音通过头盔的下位机软件负责声纹特征合成；治疗期间虚拟治疗师使用的音乐由深度神经网络算法智能生成旋律并输出，通过波表技术合成进行播放，音源、音色、节奏由步骤S3中所述的虚拟治疗师数据库提供；虚拟治疗环境的生成，由深度神经网络算法根据虚拟治疗师与受试者之间对话内容的语义生成相应的虚拟背景贴图，该虚拟背景贴图由步骤S3中所述的虚拟治疗师数据库提供；
S5：音乐治疗持续的时间长度由深度神经网络算法根据受试者注册信息中的接受的治疗时长判断，并结合头盔、地垫采集的数据做出判断是否结束治疗，保证受试者平缓完成治疗。
与现有技术对比，本发明的有益效果：
(1)本发明中，云平台与治疗终端设备构成C/S(头盔/服务器端)工作模式，区别于现有技术的单机工作模式。
(2)本发明中，通过“虚拟现实技术”再现“虚拟治疗师”角色，为主动式音乐治疗提供了重要条件支撑，满足了构成“音乐治疗”定义的三大基本要素。即通过虚拟治疗师与受试者之间的互动，动态调整仪器播放的音乐配置方案，在两者间形成的治疗信号反馈循环传递，从而达到治疗和康复的目的。
(3)本发明中，头盔中的虚拟治疗师是基于音乐治疗云平台实现的，通过云计算并融合真实注册治疗师的数据信息，生成灵活的“虚拟治疗师”配置方案，弥补了传统单机设备方案中可支配治疗方案不足的缺陷。
(4)本发明中，硬件设备结构紧凑，占地面积小，满足具有隐私性质的自我康复治疗使用。它包括：一套用于提供公共信息资源的云平台、一套头戴式的头盔、一套用于采集下肢运动数据及图像的地垫、一台可以连接互联网的个人计算机或移动设备。区别传统的音乐治疗设备中用于渲染、沉浸气氛的灯光阵列、音响阵列(5.1或7.1)装置，减少了设备的占地，使治疗设备小型化轻量化，同时也使得治疗信息数据具备了智能化处理。
(5)本发明中，与治疗相关的数据均通过云平台进行大数据管理，实现服务器与终端之间的信息双向传输。头盔中的各种传感器和地垫中的传感器除了可以在头盔中保存，还能通授权网络连接压缩发送到云平台实现数据云存储。个人计算机、手机、平板电脑也可以通过均能通过与云平台直接的合法通信连接获得相关治疗信息的查询、下载与科学研究分析。头盔还能通过合法网络下载云服务器中以往的治疗数据，通过头盔和地垫回放。微信公众号或支付宝公众号与云平台连接后，治疗机构或个人可以通过手机或平板电脑等移动终端设备查询治疗方案的相关信息以及反馈真实治疗效果
本发明使用虚拟现实技术和深度神经网络算法实现了治疗师的实体虚拟化，解决了真实优质治疗师资源匮乏的首要难题。其次，基于网络服务实现了虚拟中治疗师的批量化供应，满足了身处不同区域的受试者享受同等优质有经验治疗师服务的需求。整个音乐治疗过程实现了音乐治疗管理的数据化和智能化。
附图说明
图1是本发明总体构成框图；
图2是云平台的拓扑结构框图；
图3是本发明头盔的结构示意图；
图4是本发明地垫的结构示意图；
图5是本发明云平台拓扑结构图；
图6是本发明下位机软件拓扑结构图；
图7是本发明医疗师注册流程图；
图8是本发明受试者注册流程图；
图9是本发明虚拟医疗师数据准备流程图；
图10是本发明权限识别流程图；
图11是本发明治疗方案数据准备流程图；
图中，1-工控机主板，2-麦克风，3-红外接近传感器，4-扬声器，5-多功能数据采集单元，6-图像数据采集单元，7-电源管理模块，8-红外高清摄像头，9-液晶显示器，10-扬声器，11-温湿度传感器，12-头盔，13-光电心率传感器，14-指纹传感器，15-线束接口，16-USB接口，17-脑电波传感器，18-三轴加速度传感器，19-红外摄像头，20-脚踏式轻触开关，21-地垫。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
实施例1
由图1、2所示，一种基于云平台的音乐治疗系统，它包括：用于提供公共信息资源的云平台、与该云平台信号连接的头盔12以及辅助外设；所述头盔12为一环形遮罩，其内部设有工控机，本实施例的工控机采用高性能紧凑型工控机；所述工控机内设有工控机主板1以及基本硬件，该工控机主板1位于所述环形遮罩的正前方，该工控机主板1包括视频控制器单元、多功能数据采集单元、图像数据采集单元及音频播放单元；
所述基本硬件包括CPU、内存、硬盘接口、有线网络接口、无线网络接口、USB接口、VGA接口、音频接口、HDMI接口、总线控制器、键盘、鼠标、电源管理模块以及线束接口15；
如图3所示，头盔12内还设有双眼观看的液晶显示器9、检测耳垂静脉血管用的光电心率传感器13、检测头盔佩戴角度以及头颈上部运动姿态的三轴加速度传感器18、检测头盔佩戴正确的红外接近传感器3、检测脑电波变化的脑电波传感器17、检测头盔温湿度变化的温湿度传感器11、检测双眼瞳孔变化和虹膜图像的红外高清摄像头8和指纹传感器14、用于采集受试者语音的麦克风2以及用于播放治疗音乐的扬声器4。
所述硬盘接口用于连接固态硬盘，以及存储与所述云平台通信下载的相关数据和所述头盔、地垫采集到的数据；
所述有线网络接口：用于连接至路由器或调制解调器，使头盔能连接至互联网，构成与云平台的通信连接；
所述无线网络接口：用于连接至无线路由器，使头盔能连接至互联网，构成与云平台的通信连接；
所述USB接口：用于连接外围设备；
所述HDMI接口：用于连接外置的大屏幕液晶显示器，供管理人员辅助监测下位机软件的相关数据；
所述视频控制器单元：用于输出双屏视频图像，供双屏液晶显示下位机软件的虚拟治疗环境及系统软件信息；
所述多功能数据采集单元：用于采集传感器输出的多通道的模拟信号和数字信号以及采集输出数字信号和传感器信号；具体时采用16通道16位ADC的多功能(模拟信号输入、数字信号输入输出)数据采集单元；
所述图像数据采集单元：用于采集受试者的虹膜图像、瞳孔变化以及地垫中红外摄像头输出的数字图像信号，具体时采用8通道彩色24位图像数据采集单元。
实施例2
如图3所示，本实施例是基于实施例1的基础上作出的进一步优化，具体是所述液晶显示器9设有2个，对称安装于所述环形遮罩内侧壁，与受试者的双眼位置对应，该液晶显示器9与所述工控机主板的视频控制器单元输出连接；
所述扬声器4设有5个，其沿所述环形遮罩内侧壁均分布设置，其与所述工控机主板1的HDMI接口相连，用于播放系统各种提示信息和治疗过程中的多声道音乐，具体时，扬声器4采用5.1或7.1微型高保真扬声器；
所述三轴加速度传感器18设有2个，分别放置在环形遮罩的左右两侧，与所述多功能数据采集单元5相连，用于采集头盔12的姿态数据，同时能够辅助确定治疗过程中受试者头颈部姿态及判断受试者头颈部的运动趋势，也用作虚拟治疗师决策治疗方案的要素；
所述光电心率传感器13设有2个，分别位于所述环形遮罩内侧与受试者双耳相对应的位置，其与所述多功能数据采集单元5相连，通过耳垂采集受试者心率；该传感器在装配时，其固定位置能够微调，从而保证能适合受试者耳垂位置接收光电心率传感器13发射和接收的信号；
所述红外接近传感器3设有4个，其分别设置在环形遮罩内侧壁的四周，具体地，其中两个设置在环形遮罩内侧壁中受试者前额对应的位置(图3所示的位置)，另两个设置在环形遮罩内侧壁中受试者后脑勺对应的位置(图3所示的位置)，且其与所述多功能数据采集单元5相连，能够采集受试者佩戴时是否完全合适佩戴的信息，若出现佩戴不平衡导致头盔倾斜，提示头盔12做出相应的调试；
所述温湿度传感器11设有2个，对称放置于环形遮罩内侧，并与所述光电心率传感器相邻设置，并与所述多功能数据采集单元5相连，用于检测头盔环境温湿度。由于头盔12内置紧凑型工控机主板，工作时会持续发出热量，受试者在接收治疗的过程中也会散发出热量。采集两者工作时的温度和湿度，用于判断系统工作的可靠性，同时用作虚拟治疗师决策治疗方案的要素；
所述红外高清摄像头8设有2个，分别与所述液晶显示器9相邻设置，且与所述图像数据采集单元5相连，用于拍摄虹膜高清图像，用作录入虹膜信息和比对虹膜信息。拍摄前，头盔12提示受试者双眼正视液晶显示屏旁的红外高清摄像头，从而保证拍摄图像符合识别基本要求；
所述指纹传感器14与所述USB接口16相邻设置，位于所述环形遮罩的外侧壁，且该指纹传感器14与所述多功能数据采集单元5相连，用于扫描用户的身份，确定音乐治疗云平台的用户合法身份。同时作为虹膜身份识别失效时的有效身份识别备用方案。
实施例3
本实施例是基于实施例1或2的基础上作出的进一步优化，如图4所示，具体是所述辅助外设包括一用于采集下肢运动数据及图像的地垫21；该地垫21上设有若干红外摄像头19和脚踏式轻触开关20，用于下位机软件对治疗过程中步幅、步频、位移的分析计算；单片机通过串口线缆与头盔连接；单片机内置按钮防抖动的采集程序，采集点阵开关的按下和弹起状态，输出30位字符的按钮状态信息(二进制)；编码规则：第一位行号校验，第一行即输出1，第二行即输出2，第三行即输出3，第四行即输出4、第五行即输出5；第二位为按下或弹起状态代码，1表示按下，0表示弹起。
所述单片机中的嵌入式电路板设有串口通信接口和无线数据传输电路。
所述红外摄像头19均匀分布于该地垫21的周围，该红外摄像头19与所述图像数据采集单元5相连；
如图5所示；具体实施时，地垫由5*5点阵式脚踏轻触开关20和4个红外摄像头19组成，脚踏轻触开关20及红外摄像头19与头盔12通过缆线连接；上述的4个红外摄像头通过数据线与头盔12连接，从不同方向朝受试者拍摄下肢运动时的连续图像，记录下肢(小腿、大腿、脚踝)发生的的角度、幅度、频率变化，用作虚拟治疗师决策治疗方案的要素；红外摄像头19可以通过可调节支架进行安装固定，方便调节仰角。
实施例4
本实施例是基于实施例3的基础上作出的进一步优化，具体是所述环形遮罩内部还设有紧凑型水冷散热装置，具体可以采用紧凑型水冷散热器，确保系统的平稳运行。
还有一些实施例中，该系统还包括2个用于检测受试者左右手心率和上肢运动姿态的蓝牙手环。
还有一些实施例中，为了便于受试者佩戴头盔，所述工控机与所述三轴加速度传感器、光电心率传感器、红外接近传感器、指纹传感器、脑电波传感器之间采用柔性电路板连接。
所述地垫21内还设有锂电池供电组，和/或所述地垫21设有电源接口。
实施例5
本实施例是基于实施例4的基础上作出的进一步优化，具体是云平台是整个系统的核心，所有的服务资源、信息管理都存储在云平台中。如图5所示，云平台通过网站形式提供服务；云平台由真实治疗师管理单元、虚拟治疗师管理单元、受试者管理单元、治疗设备管理单元和数据存储管理单元组成。云平台的软件以网站后台服务软件的形式存储在服务器中。
所述真实治疗师管理单元包括：治疗师注册数据模块、真实治疗方案模型库模块；
所述虚拟治疗师管理单元包括：虚拟治疗师3D模型库模块、虚拟治疗师声纹特征库模块、音源、音色、节奏数据库模块、虚拟环境素材库模块；
所述受试者管理单元包括：受试者注册数据模块、受试者治疗数据模块；
所述治疗设备管理单元包括：在线设备管理模块、设备信息检测模块；所述数据存储管理单元包括：传感器数据存储模块、数据分析处理模块。
如图6所示，所述工控机内设有下位机软件，用于管理所述工控机主板的数据；
该下位机软件包括设备管理单元、权限管理单元、虚拟治疗师资源管理单元和治疗数据管理单元；
所述设备管理单元包括自检模块和状态记录模块；所述权限管理单元包括虹膜检测模块、指纹检测模块和密码检测模块；
所述虚拟治疗师资源管理单元包括音源、音色、节奏、数据库模块、虚拟环境素材库模块、声纹特征库模块、虚拟治疗3D模型管理模块、治疗方案动态生成器模块；
所述治疗数据管理单元包括：麦克风数据模块、三轴加速度传感器数据模块、心率传感器数据模块、红外接近传感器数据模块、指纹传感器数据模块、红外高清摄像头数据模块、温湿度数据传感器模块。
实施例6
一种基于云平台的音乐治疗方法，包括以下步骤：
S0：提供云平台的公共信息资源；
如图7所示，治疗师在云平台内注册会员，并录入以下信息：指纹、数字字符密码、治疗擅长领域、治疗手段、治疗方法、适用年龄范围、治疗效果证明、从业时间、全身3D扫描照片以及声纹信息；
工控机根据治疗师的录入信息通过深度神经网络算法学习该治疗师的治疗手段与方法，并为治疗师生成个人3D人体模型数据准备虚拟治疗师数据、样式模板，用于受试者申请时生成副本；
如图8所示，受试者在云平台内注册会员，并录入以下信息：年龄、性别、身高、体重、虹膜数据、指纹、数字字符混合密码、全身3D扫描照片、治疗需求、具体症状描述、可接受的治疗时长；
工控机根据受试者注册提供的信息(治疗需求、具体症状描述、可接受的治疗时长)，由工控机将其与治疗师注册的信息数据(治疗擅长领域、治疗手段、治疗方法、适用年龄范围、治疗效果证明、从业时间)特征进行查找匹配，以满足的匹配条件数量最多者为最高优先顺序排列，若无完全条件匹配的则以接近近似条件的顺序排列，从而获得相同或近似的适用的治疗师数据信息，等待生成初始治疗方案数据并将其推送至头盔；
如图9所示，治疗师数据准备：根据当前登录用户(受试者)的基本信息，云平台在治疗师注册数据库中匹配相关治疗方案。云平台保存治疗师上传的相关数据信息，根据擅长治疗的适用年龄段、目标障碍、设计的音乐体验活动样式进行分类保存，用于生成虚拟治疗师角色和分配组合治疗方案。其中，治疗师擅长的治疗的年龄适用段分为：3-岁、7-11岁，12-14岁，15-17岁，18-21，22-30岁，31-40岁，41-50岁，51-60岁，61-70岁，71岁以上。擅长治疗的目标障碍分类：语言障碍、视觉认知障碍、听觉认知障碍、头颈以上部协调运动认知障碍、上肢下肢协调运动与认知障碍。设计音乐体验活动样式分为：听、唱、奏、创作、音乐运动、音乐讨论。
S1：头盔内含高性能紧凑型工控机，所述下位机软件需安装在头盔中，云平台7*24*365天运行并提供服务，受试者在拿起头盔或踩踏地垫时，头盔从低功耗模式中被唤醒，启动云平台对头盔、地垫的硬件自检，完成自检后等待用户权限识别状态。
S2：若头盔或地垫任一硬件出现故障，工控机无正常待机数据输出时；或地垫21未与头盔12正确连接，系统将通过扬声器发出间隔1秒的连续单音报警，下位机软件将不会进入用户权限识别状态；等待用户关机，检查排除设备故障或联系专业技术人员检修；若硬件正常完成自检，系统将驱动扬声器发出单次1秒的单音提示。
S3：如图10所示，受试者权限识别：准备接受音乐治疗时，受试者拿起头盔准备佩戴头盔，此时多功能数据采集单元采集到头盔左、右2个三轴加速度传感器和4个接近传感器的数据变化，若正常则发出“识别受试者身份”指令，根据3轴加速度传感器和4个红外接近传感器的数据判断头盔佩戴是否平衡，头盔将声光提示受试者重新调整头盔倾斜角度，直至佩戴复合要求；若传感器输出数据不正常，判断传感器故障。
头盔12内的红外高清摄像头8持续开始拍摄。红外高清摄像头8拍摄到可识别的虹膜图像，将与注册信息比对，确认身份是否合法。若由于外伤或其他原因导致眼部虹膜数据无法采集(供检测10次，前3次检测发生错误时将启用检测图像是否可用)，可转为采集指纹数据或数字字符密码通过工控机外接键盘输入进行身份确认。若佩戴头盔不正确导致的无法正确拍摄虹膜图像，4个位于头盔内侧的红外接近传感器3与三轴加速度传感器18协同判断是否佩戴合适，头盔12中的液晶显示器9将更新三轴加速度传感器18数据判断佩戴方式倾斜方向及应该调整的方向，同时扬声器4将播放对应的语音提示，帮助调整佩戴角度，确保佩戴正确合适。完成受试者身份识别后，液晶显示器9提示完成登录，扬声器4进行声音提示。头盔中的工控机将记录登录时间，液晶显示器9提示“虚拟治疗师和方案准备中”。
S4：如图11所示，受试者治疗方案智能匹配：云平台根据受试者和治疗师注册的信息，以受试者条件为优先条件，匹配最近筛选结果作为系统推荐的最佳治疗方案，该方案推送至头盔12，受试者可以确认接收系统推荐方案，也可以拒绝并由头盔推送下一个智能匹配。受试者或陪同人员可以放弃以受试者条件为优先，选择治疗师擅长领域为优先条件，进行智能匹配。受试者确认选择治疗方案后，“虚拟治疗师管理单元”的4个数据库中下载相应的治疗师数据到头盔，准备虚拟治疗师所需的数据。
S5：治疗过程：工控机接收来自平台的虚拟治疗师模型相关数据，开始在工控机中生成虚拟治疗师角色。首先，根据选择方案中治疗师的3D模型数据，头盔通过液晶显示器9显示生成的虚拟治疗师的外形，并由头盔默认设置虚拟治疗场景的背景和音乐，通过液晶显示器9和扬声器10向受试者播出。头盔12通过麦克风2采集受试者的语音信号，完成受试者和虚拟治疗师的语言交流。同时，红外高清摄像头8等其他传感器同步检测受试者的各项体征参数变化(如：瞳孔尺寸变化、心率变化、是否有主动语音发出、下肢运动趋势、步频、步幅变化)，形成虚拟治疗师谈话内容的决策方案，保持虚拟治疗师与受试者的持续语言交流，具体地，虚拟治疗师和受试者之间的持续谈话分为听和说两大部分，这两部分内容是交替进行的，形成对话交互；虚拟治疗师将治疗过程中需要与受试者沟通的语音通过工控机的语音合成技术通过扬声器4播放给受试者听；受试者听到虚拟治疗师的说话内容后，受试者陈述自身的情况或回答虚拟治疗师的提问；
上述过程就形成了虚拟治疗师和受试者之间的对话的过程。
虚拟治疗师通过工控机的语音合成技术将需要说的文本转换为音频播放给受试者听；受试者的说话内容，虚拟治疗师需要通过麦克风2采集并经过数字信号处理转换后，得到可以作为深度神经网络算法输入的数据；通过神经网络算法识别出受试者说话的语义，即听懂受试者说话的内容。
虚拟治疗师听懂了受试者说话的内容后，将听懂的内容转换为“文本”作为深度神经网络算法的输入。由深度神经网络根据听懂的内容做出虚拟治疗师接下来的谈话内容或要演奏的音乐等行为。谈话内容由深度神经网络算法在治疗师治疗期间，虚拟治疗师的谈话语言通过头盔12的声纹特征合成语音输出，包括语气轻重等谈话细节均由深度神经网络算法完成。另外，治疗期间虚拟治疗师使用的音乐由深度神经网络算法智能完成作曲，播放则通过波表技术合成，音源、音色、节奏由下载到头盔12的数据库提供；虚拟治疗环境，由深度神经网络算法根据虚拟治疗师与受试者之间谈话内容的语义生成相应的虚拟背景贴图，贴图资源由头盔的贴图资源库提供。
S6：音乐治疗持续的时间长度由深度神经网络算法根据头盔12和地垫21中各个传感器采集的数据做出判断是否可以结束，从而保证受试者平缓完成治疗。
上述实施例仅描述现有设备最优使用方式，而运用类似的常用机械手段代替本实施例中的元素，均落入保护范围。

Claims (10)

1.一种基于云平台的音乐治疗系统，其特征在于：它包括：用于提供公共信息资源的云平台、与该云平台信号连接的头盔(12)以及辅助外设；所述头盔(12)为一环形遮罩，其内部设有工控机；
所述工控机内设有工控机主板(1)和基本硬件，该工控机主板(1)位于所述环形遮罩的正前方，该工控机主板(1)包括视频控制器单元、多功能数据采集单元、图像数据采集单元及音频播放单元；
所述基本硬件至少包括CPU、内存、硬盘接口、有线网络接口、无线网络接口、USB接口、音频接口、HDMI接口、总线控制器、电源管理模块；
所述头盔(12)内还设有双眼观看的液晶显示器(9)、检测耳垂静脉血管用的光电心率传感器(13)、检测头盔佩戴角度以及头颈上部运动姿态的三轴加速度传感器(18)、检测头盔佩戴正确的红外接近传感器(3)、检测脑电波变化的脑电波传感器(17)、检测头盔温湿度变化的温湿度传感器(11)、检测双眼瞳孔变化和虹膜图像的红外高清摄像头(8)和指纹传感器(14)、用于采集受试者语音的麦克风(2)以及用于播放治疗音乐的扬声器(4)。
2.根据权利要求1所述的一种基于云平台的音乐治疗系统，其特征在于：
所述液晶显示器(9)设有2个，对称安装于所述环形遮罩内侧壁，与受试者的双眼位置对应，该液晶显示器(9)与所述工控机主板(1)的视频控制器单元输出连接；
所述扬声器(4)设有5个，其沿所述环形遮罩内侧壁均分布设置，其与所述工控机主板(1)音频接口相连；
所述三轴加速度传感器(18)设有2个，分别放置在环形遮罩的左右两侧，与所述多功能数据采集单元(5)电信号相连；
所述光电心率传感器(13)设有2个，分别位于所述环形遮罩内侧与受试者双耳相对应的位置，其与所述多功能数据采集单元(5)电信号相连；
所述红外接近传感器(3)设有4个，其分别设置在环形遮罩内侧壁的四周，且与所述多功能数据采集单元(5)电信号相连；
所述温湿度传感器(11)设有2个，对称放置于环形遮罩内侧，并与所述光电心率传感器(13)相邻设置，并与所述多功能数据采集单元(5)电信号相连；
所述红外高清摄像头(8)设有2个，分别与所述液晶显示器(9)相邻设置，且与所述图像数据采集单元(6)相连；
所述指纹传感器(14)与所述USB接口(16)相邻设置，位于所述环形遮罩的外侧壁，且该指纹传感器(14)与所述多功能数据采集单元(5)电信号相连。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于云平台的音乐治疗系统，其特征在于：所述辅助外设包括一用于采集下肢运动数据及图像的地垫(21)；该地垫(21)上设有若干红外摄像头(19)和脚踏式轻触开关(20)，所述红外摄像头(21)均匀分布于该地垫(21)的周围，该红外摄像头(21)与所述图像数据采集单元(6)相连；
所述地垫(21)内设有单片机，该单片机(21)与脚踏轻触开关(20)连接，实现脚踏轻触开关(20)的按下或弹起的信号采集，所述单片机中的嵌入式电路板设有串口通信接口和无线数据传输电路。
4.根据权利要求3所述的一种基于云平台的音乐治疗系统，其特征在于：所述环形遮罩内部还设有紧凑型水冷散热装置。
5.根据权利要求4所述的一种基于云平台的音乐治疗系统，其特征在于：所述辅助外设还包括2个用于检测受试者左右手心率和上肢运动姿态的蓝牙手环。
6.根据权利要求5所述的一种基于云平台的音乐治疗系统，其特征在于：所述工控机与所述三轴加速度传感器、光电心率传感器、红外接近传感器、指纹传感器、脑电波传感器之间采用柔性电路板连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于云平台的音乐治疗系统，其特征在于：所述地垫(21)内还设有锂电池供电组，和/或所述地垫设有电源接口。
8.根据权利要求7所述的一种基于云平台的音乐治疗系统，其特征在于：所述云平台包括真实治疗师管理单元、虚拟治疗师管理单元、受试者管理单元、治疗设备管理单元和数据存储管理单元；
所述真实治疗师管理单元包括：治疗师注册数据模块、真实治疗方案模型库模块；
所述虚拟治疗师管理单元包括：虚拟治疗师3D模型库模块、虚拟治疗师声纹特征库模块、音源、音色、节奏数据库模块、虚拟环境素材库模块；
所述受试者管理单元包括：受试者注册数据模块、受试者治疗数据模块；
所述治疗设备管理单元包括：在线设备管理模块、设备信息检测模块；所述数据存储管理单元包括：传感器数据存储模块、数据分析处理模块。
9.根据权利要求8所述的一种基于云平台的音乐治疗系统，其特征在于：所述工控机内还安装有下位机软件，用于管理并运行所述工控机；
该下位机软件包括设备管理单元、权限管理单元、虚拟治疗师资源管理单元和治疗数据管理单元；
所述设备管理单元包括自检模块和状态记录模块；所述权限管理单元包括虹膜检测模块、指纹检测模块和密码检测模块；
所述虚拟治疗师资源管理单元包括音源、音色、节奏、数据库模块、虚拟环境素材库模块、声纹特征库模块、虚拟治疗3D模型管理模块、治疗方案动态生成器模块；
所述治疗数据管理单元包括：麦克风数据模块、三轴加速度传感器数据模块、心率传感器数据模块、红外接近传感器数据模块、指纹传感器数据模块、红外高清摄像头数据模块、温湿度传感器数据模块。
10.根据权利要求4～9任意一项所述的一种基于云平台的音乐治疗方法，其特征在于：包括以下步骤：
S0：提供云平台的公共信息资源；
治疗师在云平台内注册会员，并录入以下信息：指纹、数字字符密码、治疗擅长领域、治疗手段、治疗方法、适用年龄范围、治疗效果证明、从业时间、全身3D扫描照片以及声纹信息；
工控机根据治疗师的录入信息通过深度神经网络算法学习该治疗师的治疗手段与方法，并为治疗师生成个人3D人体模型数据准备虚拟治疗师数据、样式模板，用于受试者申请时生成副本；
受试者在云平台内注册会员，并录入以下信息：年龄、性别、身高、体重、虹膜数据、指纹、数字字符混合密码、全身3D扫描照片、治疗需求、具体症状描述、可接受的治疗时长；
工控机根据受试者注册提供的信息，由工控机将其与治疗师注册的信息数据进行查找匹配，以满足的匹配条件数量最多者为最高优先顺序排列，若无完全条件匹配的则以接近近似条件的顺序排列，从而获得相同或近似的适用的治疗师数据信息，等待生成初始治疗方案数据并将其推送至头盔(12)；
S1：自检：受试者在拿起头盔(12)或踩踏地垫(21)时，启动云平台对头盔(12)、地垫(21)自检，完成自检后等待受试者权限识别；
S2：受试者权限识别；受试者佩戴头盔(12)，多功能数据采集单元(5)采集到三轴加速度传感器(18)和红外接近传感器(3)的数据变化，若正常则发出“识别受试者身份”指令，并根据三轴加速度传感器(18)和红外接近传感器(3)的数据判断佩戴是否平衡，头盔(12)将声光提示受试者调整头盔倾斜角度，直至佩戴符合要求；若不正常，判断三轴加速度传感器(18)和红外接近传感器(3)故障；
头盔(12)内的红外高清摄像头(8)持续开始拍摄；红外高清摄像头(8)拍摄到可识别的虹膜图像，将其与注册信息比对，确认身份是否合法；若由于外伤或其他原因导致眼部虹膜数据无法采集；采用指纹数据或数字字符密码通过工控机外接键盘输入身份确认；若佩戴头盔不正确导致无法正确拍摄虹膜图像，红外接近传感器(3)与三轴加速度传感器(18)协同判断是否佩戴平衡，液晶显示器(9)将更新显示出三轴加速度传感器(18)数据判断佩戴方式倾斜方向及应该调整的方向，同时进行语音提示，帮助调整佩戴角度，确保佩戴正确合适；完成受试者身份识别后，液晶显示器(9)提示完成登录，扬声器(4)同时进行声音提示；头盔的工控机将记录登录时间，液晶显示器(9)提示“虚拟治疗师和方案准备中”；
S3：云平台推送治疗方案至工控机中，受试者确认接收该治疗方案，若拒绝并由工控机推送下一个智能匹配；受试者确认选择治疗方案后，“虚拟治疗师管理单元”的虚拟治疗师3D模型库、虚拟治疗师声纹特征库、音源、音色、节奏数据库、虚拟环境素材库中下载相应的治疗师数据到头盔，生成虚拟治疗师数据库；
S4：治疗过程：工控机接收来自云平台的虚拟治疗师模型数据，在工控机中生成虚拟治疗师角色；根据被选择方案中治疗师的3D模型数据，工控机通过液晶显示器显示生成虚拟治疗师，并由工控机默认设置虚拟治疗场景的背景和音乐，通过液晶显示器(9)和扬声器(4)向受试者播出；工控机通过麦克风(2)采集受试者的语音信号，完成受试者和虚拟治疗师的语言交流；同时，头盔(12)和地垫(21)同步检测受试者的体征参数变化，该体征参数变化包括瞳孔尺寸变化、心率变化、是否有主动语音发出、下肢运动趋势、步频、步幅变化，形成虚拟治疗师对话内容的决策方案，保持虚拟治疗师与受试者的持续语言交流；治疗师治疗期间的对话内容由深度神经网络算法决定交流内容，虚拟治疗师的对话语音通过头盔的下位机软件负责声纹特征合成语音输出；治疗期间虚拟治疗师使用的音乐由深度神经网络算法判断需要使用的音源、节奏、音色，生成所需的治疗音乐，通过波表技术合成进行播放，音源、音色、节奏由步骤S3中所述的虚拟治疗师数据库提供；虚拟治疗环境的生成，由深度神经网络算法根据虚拟治疗师与受试者之间的对话内容语义判断选择输出相应的虚拟背景贴图，该虚拟背景贴图由步骤S3中所述的虚拟治疗师数据库提供；
S5：音乐治疗持续的时间长度由深度神经网络算法根据受试者注册信息中的接受的治疗时长判断，并结合头盔(12)、地垫(21)采集的数据做出判断是否结束治疗，保证受试者平缓完成治疗。
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