CN110353695B - 一种可穿戴式运动康复指导和监护系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可穿戴式运动康复指导和监护系统包括：生理特征采集模块、GPS模块、运动信息采集模块、MCU模块、显示模块、数据传输模块、存储模块、客户端和云服务器。通过生理特征采集模块和运动信息采集模块获取用户在进行运动康复训练时的运动状态信息，经过MCU模块与已存入存储模块的信息分析比对后，对用户此次训练进行一个整体评价，并通过数据传输模块将信息传送至云服务器，供治疗师及时了解用户的恢复情况和训练效果，及时调整训练计划。训练过程中如果遭遇紧急情况，用户监护人客户端会收到报警信号和用户此时的位置信息，以实施救援；本发明为脱离康复中心的需要进行运动康复的用户提供了指导和监护。

Description

一种可穿戴式运动康复指导和监护系统及其方法

技术领域

本专利涉及一种对正在进行运动康复的人群进行康复指导和监护的系统和方法，具体涉及一种可穿戴式运动康复指导和监护系统及其方法。

背景技术

随着现代社会老龄化速度的加快，因中风等疾病造成的肢体运动功能障碍的患者也在逐年增多。现代神经康复医学及其临床研究结果表明,通过科学的康复训练可以在一定程度上恢复其受损的肢体运动功能。

运动疗法是现代康复医学重要手段之一，它不是患者被动的接受治疗，其本质是本身主动地进行运动而达到治疗的目的，但并不是意味着让患者任意地尽自己所能及地活动，而是要严格按照治疗师的运动处方提示和指导进行治疗。在整个康复训练过程中,治疗师需对患者的身体状态和训练效果进行实时监测和评估,以便制定或调整后续康复训练方案。目前针对当前问题，国内外也有相关的研究，并提出了如可以自动获取医护终端中的与用户ID绑定的运动康复计划，并且定时提醒和监督用户执行运动康复计划的系统。

现有技术CN108694992A公开了一种可穿戴的运动辅助康复系统，用于腿部受伤和行动不便的患者进行康复辅助训练或用于老年人锻炼监控。系统包括超声波测距设备和软件系统，所述超声波测距装置内置单片机控制器，正面有超声波传感器，侧面分别有震动马达以及蓝牙芯片；软件系统包括超声波测距装置端、患者端、医生端以及服务器端，超声波测距装置端将步距信息发送到患者端，患者端采集运动步距大小，并根据数据控制手机媒体音量大小，并将数据上传至服务器端，患者端与医生端分别与服务器端进行通讯连接。现有技术CN106551684A公开了一种人体躯干运动锻炼效能评估方法和装置，包括心率电极和主板，心率电极包括左电极和右电极，主板位于左电极和右电极中间位置，分别由导线或导电布和电极连接，主板上设有MCU、陀螺仪、加速度计、计时器、存储器、电池、振动马达、指示灯、心率传感器和无线传输模块，陀螺仪、加速度计和心率传感器分别与MCU连接，并将检测到的角速度信息、轨迹信息和心率信息发送到MCU，电池提供电源，计时器配合MCU工作，MCU结合角速度信息、轨迹信息计和心率信息计算并评估待测人员的运动强度锻炼效能，振动马达和指示灯均与MCU连接，在锻炼强度过高时报警，储存器是MCU储存信息所用，MCU与无线传输模块连接，并将评估结果发送出去评估装置采集人体生理数据、锻炼做的总功和心率，建立锻炼效能评估函数β＝W/B，结合实验累积的数据而做出的判断标准，对待测人体进行检测。

但是这种系统仅仅起到提醒和监督的作用，用户并不能实时知道自己康复训练的效果，相应的治疗师也不能知道患者的康复训练的效果，以及患者的恢复情况，从而及时的调整训练计划。

发明内容

本发明为克服现有技术水平的不足之处，提出了一种可以人机交互的可穿戴式运动康复指导和监护系统。在它的帮助下，患者可以在医院外实施预定的康复计划，并且得到相应的指导和激励，并且治疗师可以实时的了解到患者的康复训练效果和恢复情况，从而及时的调整训练计划。

本发明为了达到上述发明目的采用了如下的技术方案：

一种可穿戴式运动康复指导和监护系统，其特征在于，包括生理特征采集模块、GPS模块、运动信息采集模块、MCU模块、显示模块、数据传输模块、存储模块、客户端和云服务器；所述生理特征采集模块、MCU模块、数据传输模块、显示模块、存储模块、GPS模块集成于手表内；所述运动信息采集模块集成于可穿戴于身体任意部位的敷带上；

所述生理特征采集模块，用于采集生理特征并发送给所述MCU模块，其中，采集的生理特征包括心率、血压、血氧和体温；

所述GPS模块，用于获取用户的位置信息并发送给所述MCU模块；

所述运动信息采集模块，用于采集敷带佩戴位置的运动数据并发送给所述MCU模块；

所述显示模块，用于显示用户实时的生理特征，以方便用户及时调整运动状态；

所述MCU模块，用于接收和处理生理特征采集模块、GPS模块和运动信息采集模块发送的数据；其中，所述MCU模块根据生理特征采集模块采集的数据计算得到特征曲线；

所述存储模块，用于存储特征曲线；

所述数据传输模块，用于将所述MCU模块接收和处理的数据传输到云服务器；

所述客户端，用于通过所述云服务器获取用户的信息。

一种可穿戴式运动康复指导和监护系统的指导和监护方法，具体包括以下步骤：

步骤1、所述运动信息采集模块采集标准康复动作、准备动作和结束动作的运动数据并发送给所述MCU模块；

步骤2、所述MCU模块处理所述步骤1中的运动数据得到目标特征曲线，并将目标特征曲线保存在所述存储模块中；

步骤3、用户进行准备动作，所述运动信息采集模块采集实时运动数据，所述MCU模块处理实时运动数据得到准备动作的实时特征曲线，然后判断准备动作的实时特征曲线与准备动作的目标特征曲线一致时，所述MCU模块控制所述生理特征采集模块采集用户的生理特征并存储在所述存储模块中，同时，所述运动信息采集模块采集用户康复动作的实时运动数据；

步骤4、所述MCU模块根据康复动作的实时运动数据计算得到康复动作的实时特征曲线，并与所述存储模块中康复动作的目标特征曲线进行相似度计算，所述MCU模块根据相似度进行评分并将评分结果发送到所述显示模块和云服务器；

步骤5、康复训练结束后用户进行结束动作，所述MCU模块接收到结束动作的实时运动数据后计算得到结束动作的实时特征曲线，然后判断结束动作的实时特征曲线与结束动作的目标特征曲线一致时，所述MCU模块控制所述运动信息采集模块停止采集实时运动数据，所述生理特征采集模块继续采集用户的生理特征并存储在存储模块中；

步骤6、所述存储模块中的数据通过数据传输模块上传到云服务器，通过云服务器在客户端能够获取用户的康复训练信息。

具体地，所述步骤1中运动数据包括敷带位置处的加速度和角速度。

具体地，所述加速度包括敷带位置处三个方向上的加速度a_x，a_y，a_z；所述角速度包括敷带位置处三个方向上的角速度

具体地，所述步骤4中相似度的计算方法如下：

S1、所述MCU模块将康复动作的实时特征曲线和目标特征曲线进行离散化，设实时特征曲线G(S)是由p个轨迹点所组成，目标特征曲线G(S)是由q个轨迹点所组成，使用Y(P)和Y(Q)分别表示两轨迹点的顺序集合，则有Y(P)＝(u1,...,up)和Y(Q)＝(v1,...,vq)，得到如下序列点对

M(ua1,vb1),(ua2,vb2),...,(uam,vbm)

其中，a1＝1，b1＝1，am＝p，bm＝q,对于任意i＝1,...,q有ai+1＝ai和bi+1＝bi；

S2、P、Q轨迹点之间的序列对之间长度||L||定义为各序列对中欧式距离最大的值，表达式如下：

那么其离散Fréchet距离定义如下

δdF(P,Q)＝min‖L‖

通过离散Fréchet距离反映两条曲线的相似程度，离散Fréchet距离越小表示两条曲线的相似程度越高。

具体地，所述特征曲线G(S)的计算方法包括以下步骤：

1)、通过下式计算实时欧拉角

2)、将加速度a_x，a_y，a_z通过步骤1)中的实时欧拉角分解到三个方向上累加求得加速度A_x，A_y，A_z，并计算t时刻加速度的矢量值S_t；即得特征曲线G(S)。

具体地，所述t时刻加速度的矢量值S_t采用下式计算：

以F为采样频率，形成一条以时间t为自变量，S_t为因变量的特征曲线G(S)。

具体地，所述MCU模块还包括报警功能，其实现方法包括以下步骤：

1)在所述存储模块设置加速度、角速度和生理特征的阈值；

2)所述MCU模块将接收的加速度、角速度和生理特征与所述存储模块中的阈值进行比较，对超出阈值的数据进行判断是否产生报警信息；

3)所述步骤2)中的报警信息通过数据传输模块传输给云服务器，所述云服务器再将报警信息推送到客户端实现报警。

具体地，所述MCU模块通过将检测到结束动作的特征曲线的时间与检测到开始动作的特征曲线的时间作差即得到康复训练时长。

具体地，所述显示模块选用LCD显示屏。

与已有技术相比，本发明的具有以下有益效果：

一、本发明对用户的运动时间和运动状态数据进行实时监测，通过分析数据，对比已有的数据，对用户此次的训练有一个整体评价，让用户能够实时了解训练的好坏效果，比起以往只是按照医嘱枯燥的训练，更有激励作用，让用户更愿意去主动的执行训练计划。

二、本发明通过将实时监测的数据上传到云服务器，治疗师可以通过访问云服务器的数据对患者训练过程中St特征曲线分析，从而了解的到患者的恢复情况和训练效果，及时的调整训练计划。

三、本发明通过对用户训练过程中的突发情况的监测，比如跌倒，身体不适，将报警信息上传到云服务器，然后将报警信息推送到监护人的客户端，让监护人及时的知道紧急情况，从而减少意外情况的发生。

附图说明

图1为本发明提供的系统示意图。

具体实施方式：

如图1所示，本实施例中提供一种可穿戴式运动康复指导和监护系统，包括生理特征采集模块、GPS模块、运动信息采集模块、MCU模块、显示模块、数据传输模块，存储模块、客户端和云服务器；生理特征采集模块、MCU模块、数据传输模块、显示模块、存储模块、GPS模块集成于手表内；所述运动信息采集模块集成于可穿戴于身体任意部位的敷带上；

客户端对于每一个用户都有一个特定的ID，根据用户、治疗师和监护人的角色不同。具有不同的权限，用户和监护人可以实时查看自己的运动状态信息以及位置数据，治疗师只能实时查看用户的运动状态信息；

生理特征采集模块，采集包括心率，血压，血氧，体温在内的生理特征并发送给所述MCU模块；

GPS模块，用于获取用户的位置信息并发送给所述MCU模块，所述MCU模块对所述位置信息进行处理后通过所述数据传输模块发送给所述云服务器进行存储，并实时更新。

运动信息采集模块，采集用户佩戴位置三个方向上的加速度a_x，a_y，a_z和三个方向上的角速度

并传输的给所述MCU模块；

显示模块为LCD屏，将用户的实时的生理特征显示在该屏上，以方便用户及时调整运动状态；

MCU模块，用于接收和处理生理特征采集模块、GPS模块和运动信息采集模块发送的数据；将接收到的加速度和角速度进行处理得到本次动作的特征曲线；

存储模块，用于存储动作的特征曲线；

数据传输模块将所述本次动作的特征曲线以及生理特征发送给所述云服务器，使得所述客户端能从所述云服务端获取实时数据。

监护人客服端可以通过所述云服务器获取用户的位置信息；

一种可穿戴式运动康复指导和监护的方法，按如下步骤进行：

步骤1、治疗师根据用户运动障碍位置，将穿戴设备选择合适的位置佩戴好，在治疗师选择好位置后，用户在后面的康复训练过程中不得随意变换佩戴位置；治疗师根据用户实际情况指导用户进行一个在开始康复训练前的准备动作、一个结束康复训练的结束动作和标准的康复训练动作，所述运动信息采集模块采集标准康复动作、准备动作和结束动作的运动数据并发送给所述MCU模块；

步骤2、所述MCU模块处理所述步骤1中的运动数据得到目标特征曲线，并将目标特征曲线保存在所述存储模块中；

步骤3、康复训练考试，用户进行准备动作，所述运动信息采集模块采集实时运动数据，所述MCU模块处理实时运动数据得到准备动作的实时特征曲线，然后判断准备动作的实时特征曲线与准备动作的目标特征曲线一致时，所述MCU模块控制所述生理特征采集模块采集用户的生理特征并存储在所述存储模块中，同时，所述运动信息采集模块采集用户康复动作的实时运动数据；

步骤4、所述MCU模块根据康复动作的实时运动数据计算得到康复动作的实时特征曲线，并与所述存储模块中康复动作的目标特征曲线进行相似度计算，所述MCU模块根据相似度进行评分并将评分结果发送到所述显示模块和云服务器；

相似度的计算方法如下：

S1、所述MCU模块将康复动作的实时特征曲线和目标特征曲线进行离散化，设实时特征曲线G(S)是由p个轨迹点所组成，目标特征曲线G(S)是由q个轨迹点所组成，使用Y(P)和Y(Q)分别表示两轨迹点的顺序集合，则有Y(P)＝(u1,...,up)和Y(Q)＝(v1,...,vq)，得到如下序列点对

M(ua1,vb1),(ua2,vb2),...,(uam,vbm)

其中，a1＝1，b1＝1，am＝p，bm＝q,对于任意i＝1,...,q有ai+1＝ai和bi+1＝bi；

S2、P、Q轨迹点之间的序列对之间长度||L||定义为各序列对中欧式距离最大的值，表达式如下：

那么其离散Fréchet距离定义如下

δdF(P，Q)＝min||L||

通过离散Fréchet距离反映两条曲线的相似程度，离散Fréchet距离越小表示两条曲线的相似程度越高。

步骤5、康复训练结束后用户进行结束动作，MCU模块接收到结束动作的实时运动数据后计算得到结束动作的实时特征曲线，然后判断结束动作的实时特征曲线与结束动作的目标特征曲线一致时，MCU模块控制所述运动信息采集模块停止采集实时运动数据，所述生理特征采集模块继续采集用户的生理特征并存储在存储模块中；

特征曲线G(S)的计算方法包括以下步骤：

1)、通过下式计算实时欧拉角

2)、将加速度a_x，a_y，a_z通过步骤1)中的实时欧拉角分解到三个方向上累加求得加速度A_x，A_y，A_z，并计算t时刻加速度的矢量值S_t；即形成一条F为采样频率，以时间t为自变量，S_t为因变量的特征曲线G(S)。

具体地，所述t时刻加速度的矢量值S_t采用下式计算：

步骤6、所述存储模块中的数据通过数据传输模块上传到云服务器，治疗师通过云服务器在客户端获取用户的康复训练信息。

MCU模块还包括报警功能，其实现方法包括以下步骤：

1)在存储模块设置加速度、角速度和生理特征的阈值；

2)MCU模块将接收的加速度、角速度和生理特征与所述存储模块中的阈值进行比较，对超出阈值的数据进行判断是否产生报警信息；

3)步骤2)中的报警信息通过数据传输模块传输给云服务器，所述云服务器再将报警信息推送到客户端实现报警。

MCU模块通过将检测到结束动作的特征曲线的时间与检测到开始动作的特征曲线的时间作差即得到康复训练时长。

以上所述，仅是本发明的较佳实例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，本领域的技术人员在不脱离本发明所保护的范围和思想下，可根据不同的实际需要做出各种具体的变化，但是仍属于本专利的保护范围。

Claims (3)

1.一种可穿戴式运动康复指导和监护系统，其特征在于，包括生理特征采集模块、GPS模块、运动信息采集模块、MCU模块、显示模块、数据传输模块、存储模块、客户端和云服务器；所述生理特征采集模块、MCU模块、数据传输模块、显示模块、存储模块、GPS模块集成于手表内；所述运动信息采集模块集成于可穿戴于身体任意部位的敷带上；

所述生理特征采集模块，用于采集生理特征并发送给所述MCU模块，其中，采集的生理特征包括心率、血压、血氧和体温；

所述GPS模块，用于获取用户的位置信息并发送给所述MCU模块；

所述运动信息采集模块，用于采集敷带佩戴位置的运动数据并发送给所述MCU模块；

所述显示模块，用于显示用户实时的生理特征，以方便用户及时调整运动状态；

所述MCU模块，用于接收和处理生理特征采集模块、GPS模块和运动信息采集模块发送的数据，其中，所述MCU模块根据所述运动信息采集模块采集的数据计算得到特征曲线；

所述存储模块，用于存储特征曲线；

所述数据传输模块，用于将所述MCU模块接收和处理的数据传输到云服务器；

所述客户端，用于通过所述云服务器获取用户的信息；

所述运动数据包括敷带位置处的加速度和角速度；

所述特征曲线包括实时特征曲线和目标特征曲线，所述MCU模块将所述实时特征曲线和所述目标特征曲线进行相似度比较得出评分结果发送至所述显示模块和所述云服务器；

特征曲线G(S)的计算方法包括以下步骤：

1)、通过下式计算实时欧拉角

2)、将加速度a_x，a_y，a_z通过步骤1)中的实时欧拉角分解到三个方向上累加求得加速度A_x，A_y，A_z，并计算t时刻加速度的矢量值S_t；即形成一条F为采样频率，以时间t为自变量，S_t为因变量的特征曲线G(S)；

具体地，所述t时刻加速度的矢量值S_t采用下式计算：

a_x，a_y，a_z为用户佩戴位置三个方向的加速度，

为用户佩戴位置三个方向上的角速度。

2.根据权利要求1所述的可穿戴式运动康复指导和监护系统，其特征在于，所述MCU模块还包括报警功能，其实现方法包括以下步骤：

1)在所述存储模块设置加速度、角速度和生理特征的阈值；

2)所述MCU模块将接收的加速度、角速度和生理特征与所述存储模块中的阈值进行比较，对超出阈值的数据进行判断是否产生报警信息；

3)所述步骤2)中的报警信息通过数据传输模块传输给云服务器，所述云服务器再将报警信息推送到客户端实现报警。

3.根据权利要求1所述的可穿戴式运动康复指导和监护系统，其特征在于，所述显示模块选用LCD显示屏。

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