CN110432910A - 姿态校正系统和穿戴式治疗衣 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种姿态校正系统和穿戴式治疗衣。姿态校正系统包括运动治疗装置；运动治疗装置包括用于储存数据的远程服务端和本地服务器；远程服务端和本地服务器通讯连接；本地服务器包括核心服务模块、人机交互模块和腰部姿态数据处理模块；核心服务模块控制系统运行并处理数据；人机交互模块与核心服务模块通讯连接；人机交互模块获取指示并给予反馈；核心服务模块与腰部姿态数据处理模块通讯连接；腰部姿态数据处理模块通过力学信息获取和传输脊椎倾斜程度数据。穿戴式治疗衣安装有姿态矫正系统。本发明中通过精确的传感器进行数据采集并使用机器学习算法进行姿态识别，可以免去治疗中医师的全程陪同，降低了医院的人力成本。
Description
技术领域
本发明涉及康复设备，具体涉及一种姿态校正装置与矫正方法。
背景技术
目前市场上的矫正类脊椎康复设备主要分为两类：医用型与日常穿戴型。
医用型主要以康复床和牵引设备为主。康复床的原理是其弯曲程度可改变，患者趴在康复床上，设备自动弯曲至一定程度，有的会通过臂杠施加以压力，从而帮助患者做出准确的姿势。牵引设备是一条牵引带，拉住下巴，使得患者保持在一个姿势。设备庞大主要在医院使用且需要医师全程指导。不能满足用户在家自行使用的需求。
日常穿戴型设备，一般是一种包裹住腰部类似于背心的设备。通过强制固定腰部来实现腰椎的矫正。其缺点也很明显，此种设备的使用限制了用户的活动范围。
综上，现有技术的缺点为：
1、设计理念是围绕着临床手术和药物治疗的辅助被动治疗理念，缺少患者主动参与的成分，缺少预防和运动治疗成分；
2、设备庞大；
3、需专业医师或治疗师的全程指导或监控；
4、对用户活动的限制较多，用户在使用时较为被动；
5、有潜在安全问题，特殊人群不能使用，有一定的副作用，如肌肉萎缩的潜在风险。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种姿态校正装置与矫正方法。
本发明所采用的技术方案如下：
一种姿态校正系统，所述姿态校正系统包括运动治疗装置；所述运动治疗装置包括用于储存数据的远程服务端和本地服务器；所述远程服务端和所述本地服务器无线通讯连接；所述本地服务器包括核心服务模块、人机交互模块和腰部姿态数据处理模块；所述核心服务模块控制所述姿态校正系统运行并处理数据；所述人机交互模块与所述核心服务模块通过有线传输线相连接；所述人机交互模块获取外部指示并给予反馈；所述核心服务模块与所述腰部姿态数据处理模块通过有线传输线相连接；所述腰部姿态数据处理模块包括陀螺仪；所述陀螺仪获取脊椎倾斜程度数据。
其进一步的技术方案为：所述姿态矫正系统还包括物理治疗装置；所述物理治疗装置包括热水袋。
其进一步的技术方案为：所述本地服务器还包括姿势数据获取模块；所述姿势数据获取模块包括Kinect深度传感器；所述Kinect深度传感器获得骨骼特征点数据；所述Kinect深度传感器与所述核心服务模块通过有线传输线相连接。
其进一步的技术方案为：所述核心服务模块配置于CPU内，所述CPU连接有RAM模块和ROM模块；所述核心服务模块包括GUI可视化子模块和姿势识别算法子模块；所述GUI可视化子模块显示控制界面和康复信息界面；所述姿势识别算法子模块利用机器学习算法对康复姿势进行判别。
其进一步的技术方案为：所述人机交互模块包括CTP屏、音频设备和触摸屏；所述CTP屏通过HDMI数据线与所述核心服务模块相连接；所述音频设备通过3-pole TRS线与所述核心服务模块相连接；所述触摸屏通过USB3.0数据线与所述核心服务模块相连接。
其进一步的技术方案为：所述腰部姿态数据处理模块包括腰部姿态数据获取模块和腰部姿态数据接收模块；所述腰部姿态数据获取模块包括第一数据处理模块、多个陀螺仪和第一无线通信模块；所述腰部姿态数据接收模块包括第二数据处理模块和第二无线通信模块；多个所述陀螺仪通过通用I/O接口连接至所述第一数据处理模块；所述第一无线通信模块通过通用I/O接口连接至所述第一数据处理模块；所述腰部姿态数据获取模块与所述腰部姿态数据接收模块通讯连接；所述第二数据处理模块通过数据传输线连接至所述核心服务模块；
其进一步的技术方案为：所述陀螺仪是型号为MPU6050的6轴运动处理组件；所述第一无线通信模块和所述第二无线通信模块均为型号为nRF24L01+的无线收发器芯片；所述第一数据处理模块和所述第二数据处理模块均包括芯片芯片以及用于控制芯片的微处理器；所述芯片的型号为ATmegap；所述微处理器为Arduino Uno开发板。
一种基于如上任一项所述的姿态校正系统的穿戴式治疗衣，穿戴式治疗衣包括衣服本体；所述衣服本体的腰部缠绕有腰带和胸带；在所述腰带内部固定有陀螺仪。
其进一步的技术方案为：在所述衣服本体的背部的颈椎位置设置有颈椎定位条；在所述衣服本体之上、所述颈椎定位条的两个旁侧固定有条状的热水袋。
其进一步的技术方案为：在所述颈椎定位条上固定有多个Kinect深度传感器。
本发明的有益效果如下：
近年来腰椎间盘突出症患者人数持续增加，通过运动疗法进行矫治是一种有效的办法。本发明是为患者自行矫治而设计的一套系统，本发明利用传感器进行数据采集并使用机器学习算法进行姿态识别，纠正患者动作，达到治疗效果。本发明能够解决以技术下问题：
1、填补颈腰椎慢性病的治疗缺项，多年来，我国外科医生治疗颈椎病和腰椎间盘突出等慢性病的主要手段是药物或手术。但大量的该类疾病可以通过改变生活方式、运动、力学原理进行治疗。该技术是在麦肯基疗法(运动治疗技术的一种)的基础上，由原有运动治疗师指导应用的基础上，通过现代物联网技术，将人工指导训练转化为语音提示精准运动幅度和范围的标准化治疗；解决了运动治疗技术的运动幅度的量化问题、精度问题；
2、本发明除了具有治疗作用以外，同时兼有预防复发的作用。本发明的大量应用解决了卫健委提出的由治疗疾病转变为维护健康的颈腰椎慢病防治问题；
3、我国康复医学事业发展速度很慢，康复治疗师极度匮乏，运动治疗师数量有限，本发明可以解放治疗人员，能够节约医院的人力成本，抑制医疗问题。
4、颈腰椎疾病患者有关姿势维持、运动治疗等方法在医院接受医务人员的治疗依从性较好，但是，多数病人回家后很难坚持治疗，本发明能够使患者居家治疗，提高患者治疗的依从性。
5、有些病人使用传统的治疗仪器设备有禁忌症，该设备适用人群广，无副作用。
6、结合物理因子治疗与运动治疗的理念，在运动治疗训练的过程中，用户可以同时得到热疗的物理治疗。
本发明具有以下优点：
1、由于本技术精确的传感器进行数据采集并使用机器学习算法进行姿态识别，所以本技术可以免去医师的全程陪同，降低了医院的人力成本。
2、由于本技术只使用一个核心服务模块作为终端，终端占地很小，所以方便了用户在家中自行使用。
3、由于本技术在用户方为穿戴式治疗衣，且只有数个十分微小的陀螺仪传感器位于治疗衣脊椎部位，不会对用户的正常活动有很大的限制。
4、结合康复治疗中的物理因子治疗技术与运动治疗技术，以提高对用户的治疗效果。
5、热水袋位于健康衣传感器的两侧，在用户穿戴时可以确保传感器在用户脊椎部位的贴合程度，使传感器紧贴用户脊椎，采集到精确的脊椎数据。
本发明具有以下创新型：
1、创新设计理念：运用康复医学基本理论指导该产品的设计，利用力学原理、姿势和运动，将病人主动学习训练活动作为治疗方法；
2、复合设计理念：运用非侵入性、非药物性的物理因子治疗方法与运动治疗方法，复合两种方法，优化治疗效果；
3、在麦肯基疗法(运动治疗技术的一种)的基础上，由原有运动治疗师指导应用基础上，通过现代物联网技术，将人工指导训练转化为语音提示精准运动幅度和范围的标准化治疗；
4、将机器学习与康复治疗相结合，由医疗人员人工辅助治疗转变为机器智能辅助治疗；
5、将kinect深度视觉传感器与陀螺仪传感器相结合使用，构成了多传感器协同使用体系，采集的多维数据相比使用单一传感器所采集的数据更加全面，所以对用户的训练体位姿势信息可以具有更加全面的刻画，从而使得整个康复训练的效果更加优秀。
本发明具有以下实用性：
1、相比传统康复治疗仪，易海思智能康复仪体积小，方便用户在家中使用。
2、操作界面简单且可触屏，对用户的使用十分友好。
3、易海思智能康复仪可缓解目前康复治疗师人才缺口的问题，也可缓解目前医院对于腰部的过度医疗(即滥用药物、手术等治疗手段)的问题。
4、热水袋位于健康衣传感器的两侧，在用户穿戴时可以确保传感器在用户脊椎部位的贴合程度，使传感器紧贴用户脊椎，采集到精确的脊椎数据。运动治疗技术与物理因子治疗方法结合，两者相辅相成，使用户只使用本产品就可以进行两种治疗手段的利好。
附图说明
图1是运动治疗装置的实施例1的示意图。
图2是人机交互模块的示意图。
图3是腰部姿态数据处理模块的示意图。
图4是腰部姿态数据获取模块的电路图
图5是运动治疗装置的实施例2的示意图
图6是穿戴式治疗衣的正面示意图。
图7是穿戴式治疗衣的侧面示意图。
图8是穿戴式治疗衣的背面示意图。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
姿态校正系统包括运动治疗装置和物理治疗装置。
运动治疗装置包括远程服务端和本地服务器。远程服务端和本地服务器通过WIFI等无线通讯的方式连接。
远程服务端用于储存数据。远程服务端包括数据库模块。数据库模块使用MySQL数据库存储训练数据以及用户数据。本地服务器包括核心服务模块、人机交互模块和腰部姿态数据处理模块。在优选的技术方案中，本地服务器还包括姿势数据获取模块。腰部姿态数据处理模块和姿势数据获取模块均用于获取用户的姿态和姿势数据。
核心服务模块用于控制姿态校正系统运行、接收和处理数据，并将数据通过无线通讯的方式传输至远程服务端。人机交互模块与核心服务模块通过有线传输线相连接。人机交互模块用于用户输入的外部指示信息以及获取反馈。核心服务模块与腰部姿态数据处理模块通过有线传输线相连接。腰部姿态数据处理模块包括陀螺仪，陀螺仪获取脊椎倾斜程度数据。
物理治疗装置包括用于热敷的热水袋。
以下用两个实施例来具体说明本发明的实施方式。
实施例1。
图1是运动治疗装置的实施例1的示意图。如图1所示，本地服务器包括核心服务模块、人机交互模块和腰部姿态数据处理模块。
核心服务模块在up2开发板上开发实现。核心服务模块配置于CPU内，CPU连接有RAM模块和ROM模块。具体的，在本实施例中，CPU的型号是INTEL赛扬CPU，RAM模块为2G，ROM模块为32G。核心服务模块包括两个子模块：GUI可视化子模块显示控制界面和康复信息界面，用于控制着整个系统的运行并可以使康复信息呈现在屏幕上供患者方便使用；姿势识别算法子模块，利用机器学习算法对患者康复姿势进行判别。
人机交互模块包括触摸电容屏以及音箱，可以获取患者的指示并给予反馈。图2是人机交互模块的示意图。如图2所示，人机交互模块具体包括CTP屏、音频设备和触摸屏。CTP屏通过HDMI数据线与核心服务模块相连接。音频设备通过3-pole TRS线与核心服务模块相连接。触摸屏通过USB3.0数据线与与核心服务模块相连接。
腰部姿态数据处理模块可以通过传感器获取的力学信息数据获取和传输患者的脊椎倾斜程度。图3是腰部姿态数据处理模块的示意图。如图3所示，腰部姿态数据处理模块包括腰部姿态数据获取模块和腰部姿态数据接收模块。腰部姿态数据获取模块通过2.4G无线通信向腰部姿态数据接收模块发送采集到的数据。腰部数据接收模块将数据通过USB3.0数据线连接至核心服务模块。
腰部姿态数据获取模块包括多个陀螺仪和第一无线通信模块。在本实施例中，陀螺仪是型号为MPU6050的6轴运动处理组件，第一无线通信模块是型号为nRF24L01+的无线收发器芯片。腰部姿态数据获取模块还包括第一数据处理模块。第一数据处理模块包括芯片以及用于控制芯片的微处理器。芯片的型号为ATmegap。微处理器为Arduino Uno开发板。如图3所示，多个型号为MPU6050的陀螺仪通过通用I/O接口连接至第一数据处理模块。第一无线通信模块通过通用I/O接口连接至第一数据处理模块。
图4是腰部姿态数据获取模块的电路图，如图4所示，型号为MPU6050的6轴运动处理组件的第七引脚分别连接至微处理器的第二引脚至第五引脚。型号为nRF24L01+的无线收发器芯片的低电平引脚CSN、控制引脚CE、第一主设备发送/从设备接收引脚MOSI以及时钟引脚SCK(也即图5中无线收发器芯片的第三引脚至第六引脚)依次连接微处理器的第七引脚、第八引脚、第十一引脚和第十三引脚。无线收发器芯片的第二主设备发送/从设备接收引脚MISO(也即图5中的第八引脚)连接微处理器的第十二引脚。
腰部姿态数据接收模块包括用于数据处理的第二数据处理模块和第二无线通信模块。第二数据处理模块包括芯片以及用于控制芯片的微处理器。芯片的型号为ATmegap。微处理器为Arduino Uno开发板。第二无线通信模块是型号为nRF24L01+的无线收发器芯片。第二无线通信模块通过通用I/O接口连接至第二数据处理模块。
第一无线通信模块和第二无线通信模块通过2.4G无线通信的方式通讯连接。第二数据处理模块通过USB3.0数据线与核心服务模块相连接。
实施例1主要功能是获取腰部姿态数据，并对腰部姿态数据进行处理和传输。实施例1适用于腰部姿态不正确的预防。
实施例2。
图5是运动治疗装置的实施例2的示意图。如图5所示，在实施例2中，本地服务器包括核心服务模块、人机交互模块、腰部姿态数据处理模块和姿势数据获取模块。实施例2的核心服务模块、人机交互模块和腰部姿态数据处理模块与实施例1中相同。
姿势数据获取模块姿势数据获取模块与核心服务模块通过有线传输线相连接。姿势数据获取模块包括Kinect深度传感器。Kinect深度传感器可以通过视觉图像处理获得患者的骨骼特征点数据，并通过有线传输线传到核心服务模块。在实施例2中，有线传输线为USB3.0数据线。
实施例2适用于脊椎姿态和腰部姿态均不适的康复治疗。
如图1、图5所示，在各个实施例中，远程服务端与本地服务端结合在一起构成了一个智能康复治疗系统。患者可以自行进行操作，进行治疗时，系统可以准确进行姿态判断并提供相关反馈，帮助患者进行康复训练。
姿态校正系统还包括物理治疗装置。物理治疗装置包括热水袋，热水袋贴合于人体。热水袋与运动治疗装置的电源相连，以使热水袋升温，贴合于人体之后，达到治疗温度，起到热敷的疗效。
本发明还公开了一种安装有姿态校正系统的穿戴式治疗衣。
图6是穿戴式治疗衣的正面示意图。图7是穿戴式治疗衣的侧面示意图。如图6和图7所示，对应于上文中的实施例1，穿戴式治疗衣包括衣服本体1，衣服本体1的腰部缠绕有腰带3，衣服本体1的胸部缠绕有胸带6。在腰带3内部固定有腰部姿态数据获取模块。腰部姿态数据获取模块包括陀螺仪。
图8是穿戴式治疗衣的背面示意图。在衣服本体1的背部颈椎位置设置有颈椎定位条2。在衣服本体1之上、颈椎定位条2的两个旁侧固定有条状的热水袋4。
如图8所示，在优选的技术方案中，对应于上文中的实施例2，在颈椎定位条2之上还固定有多个Kinect深度传感器5。
本发明所公开的穿戴式治疗衣，热水袋4位于Kinect深度传感器5的两侧，在用户穿戴时可以确保Kinect深度传感器5在用户脊椎部位的贴合程度，使Kinect深度传感器5紧贴用户脊椎，采集到精确的脊椎数据。运动治疗技术与物理因子治疗方法结合，两者相辅相成，使用户只使用本产品就可以进行两种治疗手段的利好。
患者可以自行进行操作，进行治疗时，系统可以准确进行姿态判断并提供相关反馈，帮助患者进行康复训练。
患者在治疗前，需要对健康衣进行充电，使热水袋中的液体加热到所需温度，以使得健康衣的理疗功能可以正常使用。
患者在治疗时，需要将“健康衣”穿戴在身，将腰带3和胸带6分别系紧在腰部和胸部以固定“健康衣”。通电后，点击开始训练，选择训练种类后即可进行训练。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的基本结构的情况下，本发明可以作任何形式的修改。
Claims (10)
1.一种姿态校正系统，其特征在于：所述姿态校正系统包括运动治疗装置；所述运动治疗装置包括用于储存数据的远程服务端和本地服务器；所述远程服务端和所述本地服务器无线通讯连接；所述本地服务器包括核心服务模块、人机交互模块和腰部姿态数据处理模块；所述核心服务模块控制所述姿态校正系统运行并处理数据；所述人机交互模块与所述核心服务模块通过有线传输线相连接；所述人机交互模块获取外部指示并给予反馈；所述核心服务模块与所述腰部姿态数据处理模块通过有线传输线相连接；所述腰部姿态数据处理模块包括陀螺仪；所述陀螺仪获取脊椎倾斜程度数据。
2.根据权利要求1所述的姿态校正系统，其特征在于：所述姿态矫正系统还包括物理治疗装置；所述物理治疗装置包括热水袋。
3.根据权利要求1所述的姿态校正系统，其特征在于：所述本地服务器还包括姿势数据获取模块；所述姿势数据获取模块包括Kinect深度传感器；所述Kinect深度传感器获得骨骼特征点数据；所述Kinect深度传感器与所述核心服务模块通过有线传输线相连接。
4.根据权利要求1所述的姿态校正系统，其特征在于：所述核心服务模块配置于CPU内，所述CPU连接有RAM模块和ROM模块；所述核心服务模块包括GUI可视化子模块和姿势识别算法子模块；所述GUI可视化子模块显示控制界面和康复信息界面；所述姿势识别算法子模块利用机器学习算法对康复姿势进行判别。
5.根据权利要求1所述的姿态校正系统，其特征在于：所述人机交互模块包括CTP屏、音频设备和触摸屏；所述CTP屏通过HDMI数据线与所述核心服务模块相连接；所述音频设备通过3-pole TRS线与所述核心服务模块相连接；所述触摸屏通过USB3.0数据线与所述核心服务模块相连接。
6.根据权利要求1所述的姿态校正系统，其特征在于：所述腰部姿态数据处理模块包括腰部姿态数据获取模块和腰部姿态数据接收模块；所述腰部姿态数据获取模块包括第一数据处理模块、多个陀螺仪和第一无线通信模块；所述腰部姿态数据接收模块包括第二数据处理模块和第二无线通信模块；多个所述陀螺仪通过通用I/O接口连接至所述第一数据处理模块；所述第一无线通信模块通过通用I/O接口连接至所述第一数据处理模块；所述腰部姿态数据获取模块与所述腰部姿态数据接收模块通讯连接；所述第二数据处理模块通过数据传输线连接至所述核心服务模块。
7.根据权利要求1所述的姿态校正系统，其特征在于，所述陀螺仪是型号为MPU6050的6轴运动处理组件；所述第一无线通信模块和所述第二无线通信模块均为型号为nRF24L01+的无线收发器芯片；所述第一数据处理模块和所述第二数据处理模块均包括芯片芯片以及用于控制芯片的微处理器；所述芯片的型号为ATmegap；所述微处理器为Arduino Uno开发板。
8.一种基于1～7任一项所述的姿态校正系统的穿戴式治疗衣，其特征在于，穿戴式治疗衣包括衣服本体(1)；所述衣服本体(1)的腰部缠绕有腰带(3)和胸带(6)；在所述腰带(3)内部固定有陀螺仪。
9.如权利要求8所述的姿态校正系统的穿戴式治疗衣，其特征在于，在所述衣服本体(1)的背部的颈椎位置设置有颈椎定位条(2)；在所述衣服本体(1)之上、所述颈椎定位条(2)的两个旁侧固定有条状的热水袋(4)。
10.如权利要求8所述的姿态校正系统的穿戴式治疗衣，其特征在于，在所述颈椎定位条(2)上固定有多个Kinect深度传感器(5)。
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