CN110504014A

CN110504014A - 一种具有实时反馈功能的颈椎康复训练信息管理方法及系统

Info

Publication number: CN110504014A
Application number: CN201910766585.0A
Authority: CN
Inventors: 李玉榕; 陈建国; 杜民; 王烜; 苏志超; 黄得炳
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2019-11-26
Anticipated expiration: 2039-08-20
Also published as: CN110504014B; CN110504014A8

Abstract

本发明涉及一种具有实时反馈功能的颈椎康复训练信息管理方法及系统，包括但不限于以下步骤：提供通信相连的平板电脑与计算机；在计算机上搭建数据库，存储用户的个人信息以及训练信息；将平板电脑与康复训练设备建立通信，获取康复训练过程中的定量评估参数，发送数据及指令给康复训练设备，以及显示训练过程的数据；平板电脑将康复训练过程中获取的定量评估参数传输至计算机上进行存储。本发明可应用于现有的颈椎康复训练设备上，弥补现有康复设备无法进行训练过程实时反馈和信息管理的缺陷。

Description

一种具有实时反馈功能的颈椎康复训练信息管理方法及系统

技术领域

本发明涉及智能康复训练信息技术领域，特别是一种具有实时反馈功能的颈椎康复训练信息管理方法及系统。

背景技术

随着电脑、手机等电子设备的广泛普及，“低头族”越来越普遍，颈椎问题呈现普遍化、年轻化的趋势。据资料统计，我国颈椎病患者人数已高达2亿，发病率为17.3％，每年约有5亿人民币用于颈椎相关疾病的治疗。

临床发现传统的治疗方法存在明显的弊端，例如：牵引疗法不能促进颈椎生理曲度恢复，相反拉直了颈椎，弱化颈椎生理曲度；药物治疗与手术治疗有较明显的副作用；脊髓型颈椎病一般禁止重力按摩。随着康复治疗理念的转变，传统的颈椎康复训练存在训练目标不可量化、训练过程无法记录与保存、缺乏实时反馈环节等问题，导致患者在训练过程中无法明确动作是否标准，无法及时调整训练姿态，使治疗疗效大打折扣。

因此，研制适用具有反馈功能的颈椎康复训练信息管理系统不仅具有重要的社会意义，也具有广泛的市场前景和经济效益。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种具有实时反馈功能的颈椎康复训练信息管理方法及系统，可应用于现有的颈椎康复训练设备上，弥补现有康复设备无法进行训练过程实时反馈和信息管理的缺陷。

本发明采用以下方案实现：一种具有实时反馈功能的颈椎康复训练信息管理方法，具体包括以下步骤：

提供通信相连的平板电脑与计算机；

在计算机上搭建数据库，存储用户的个人信息以及训练信息；

将平板电脑与康复训练设备建立通信，获取康复训练过程中的定量评估参数，发送数据及指令给康复训练设备，以及显示训练过程的数据；

平板电脑将康复训练过程中获取的定量评估参数传输至计算机上进行存储。

进一步地，用户通过平板电脑登录自己的账号，并选择进行评估还是进行生物反馈训练，若进行评估，则包括步骤S11至步骤S13，若进行生物反馈训练，则包括步骤S21至步骤S22；

步骤S11：平板电脑提供评估项目供用户选择，评估项目包括但不限于：颈前屈、颈后伸、颈左侧屈、颈右侧屈、颈左旋、颈右旋六个自由度的关节活动角度和颈部肌肉力量；

步骤S12：平板电脑以曲线的方式显示评估过程中颈部肌肉力量或关节活动角度的数值随时间的变化曲线；

步骤S13：平板电脑判断先后两次评估所获取的参数差异是否大于预设值，若是，则再进行一次评估，然后显示三次评估参数的最大值并将其更新至计算机中的数据库，否则直接显示两次评估参数的最大值并将其更新至计算机中的数据库；

步骤S21：平板电脑提供训练项目供用户选择，训练项目包括但不限于：颈前屈、颈后伸、颈左侧屈、颈右侧屈、颈左旋、颈右旋六个自由度的关节活动角度和颈部肌肉力量；

步骤S22：训练过程中，平板电脑显示关节活动角度或者颈部肌肉力量随时间变化的曲线，并根据患者训练过程初始阶段的训练数据自动生成目标训练曲线，训练结束后将训练记录更新至计算机中的数据库。

进一步地，所述根据患者训练过程初始阶段的训练数据自动生成目标训练曲线具体包括以下步骤：

步骤S221：在训练的初始阶段，连续取三组曲线波形相似的训练数据，对波形进行截取，得到三组截取后的曲线；所述截取具体为：记曲线第一次大于k点的下标为N，最后一次大于k点的点下标为M，选取三组曲线中下标为N-1至M+1的部分，其中k为预设的角度阈值；

步骤S222：分别计算三组曲线的幅值和周期，并判断三组曲线的周期比T1/T2、T1/T3、T2/T3是否均在在a和b的范围内，若是，则对三组曲线截取的部分进行动态时间规整，并计算规整后的三组曲线两两间的相关系数；若否，则返回步骤S221；其中，周期比判断阈值a、b取值分别为0.75和1.3；

步骤S223：当所有相关系数均高于阈值h时，由三组曲线的周期、幅值的平均值A和T生成目标训练曲线，目标训练曲线的公式为若并非所有的相关系数均高于阈值h，则返回步骤S221。

进一步地，所述个人信息包括但不限于：出生日期、身高、体重、联系方式。

进一步地，所述训练信息包括但不限于：训练目标、训练方案、训练过程数据记录。

进一步地，还包括以下步骤：用户通过平板电脑或者计算机登录自己的账号查看该账号下的评估结果以及训练信息。

本发明还提供了一种基于上文所述的具有实时反馈功能的颈椎康复训练信息管理系统，包括平板电脑、计算机以及一个以上的康复训练设备，所述平板电脑分别与计算机、康复训练设备通信相连；所述计算机上搭建有数据库，用以存储用户的个人信息以及训练信息；所述平板电脑用以获取康复训练过程中的定量评估参数，发送数据及指令给康复训练设备，以及显示训练过程中的数据；平板电脑将康复训练过程中获取的定量评估参数传输至计算机上进行存储。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1.本发明实现训练过程的数据记录及反馈，能够根据患者自身情况生成特定的目标训练曲线，使患者在训练过程中能够主动、及时调整姿态。

2.本发明包含实现用户建档、数据查看、康复记录查询等功能，方便诊所及治疗师管理大量的用户数据，患者可以通过互联网查看自己的训练进度及报告。

3.本发明满足了实时反馈功能的颈椎康复训练信息管理的需求，因其操作方便的特点，而适用于中小型医院及康复诊所，具有重要的社会意义和广泛的市场前景。

附图说明

图1为本发明实施例的系统功能模块示意图。

图2为本发明实施例的个人计算机端的控制流程示意图。

图3为本发明实施例的平板电脑端的控制流程示意图。

图4为本发明实施例的系统中数据通信功能模块的控制流程示意图。

图5为本发明实施例的训练目标曲线生成流程示意图。

图6为本发明实施例系统的使用步骤。

图7为本发明实施例的波形截取示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种具有实时反馈功能的颈椎康复训练信息管理方法，具体包括以下步骤：

提供通信相连的平板电脑与计算机；

在本实施例中，用户通过平板电脑登录自己的账号，并选择进行评估训练还是进行生物反馈训练，若进行评估训练，则包括步骤S11至步骤S13，若进行生物反馈训练，则包括步骤S21至步骤S22；

步骤S13：平板电脑判断先后两次训练所获取的参数差异是否大于预设值，若是，则再进行一次评估，然后显示三次训练的评估数据的最大值并将其更新至计算机中的数据库，否则直接将两次训练的显示评估数据的最大值更新至计算机中的数据库；

在本实施例中，所述根据患者训练过程初始阶段的训练数据自动生成目标训练曲线具体包括以下步骤：

在本实施例中，所述个人信息包括但不限于：出生日期、身高、体重、联系方式。

在本实施例中，所述训练信息包括但不限于：训练目标、训练方案、训练过程数据记录。

在本实施例中，还包括以下步骤：用户通过平板电脑或者计算机登录自己的账号查看该账号下的评估结果以及训练信息。

本实施例还提供了一种基于上文所述的具有实时反馈功能的颈椎康复训练信息管理系统，包括平板电脑、计算机以及一个以上的康复训练设备，所述平板电脑分别与计算机、康复训练设备通信相连；所述计算机上搭建有数据库，用以存储用户的个人信息以及训练信息；所述平板电脑用以获取康复训练过程中的定量评估参数，发送数据及指令给康复训练设备，以及显示训练过程中的数据；平板电脑将康复训练过程中获取的定量评估参数传输至计算机上进行存储。

本实施例提出的系统可用于进行用户信息管理，可自动根据用户的初始数据生成训练目标曲线，以及实现颈前屈、颈后伸、颈左侧屈、颈右侧屈、颈左旋、颈右旋六个自由度的实时反馈功能。

本实施例的系统原理图具体如图1所示，分别包括数据通信功能模块、生物反馈训练功能模块以及用户管理功能模块。具体如下：

用户数据管理功能模块：该模块在个人计算机端搭建数据库，例如可采用开源数据库mySQL，用于存储用户的个人信息(包括出生日期、身高、体重、联系方式等)及训练信息(训练目标、训练方案、训练过程记录等)。此外，该模块还实现了康复训练记录查询功能，用户(治疗师或患者)可随时查看评估报告和训练记录，及时了解康复进程。

数据通信功能模块：通过该模块，平板电脑控制程序可与通信协议一致的各种不同康复训练设备相连接，从而获取康复训练过程中的定量评估参数，例如压力、关节活动角度和训练负荷等参数，并可发送数据及指令给康复训练设备。

反馈训练功能模块：该模块为颈椎康复训练提供反馈功能。在训练过程中，该模块根据所选择的训练项目，可以在平板电脑上显示颈前屈、颈后伸、颈左侧屈、颈右侧屈、颈左旋、颈右旋六个自由度目标曲线与训练轨迹。训练目标曲线设定为正弦曲线，当患者完成前三次训练动作时，系统根据患者的训练时的关节活动度幅值和速率，自动生成正弦目标曲线。训练轨迹即为实际关节活动度变化曲线。患者在使用时利用本实施例的反馈功能，可依据目标曲线与训练轨迹的差异，自行调整训练动作，使得训练动作准确、符合规范。

计算机端的控制程序如图2所示，启动程序，根据用户(治疗师或患者)的选择进入创建用户或用户登陆界面。在创建用户界面，可填写个人信息，包括基本信息(姓名、出生日期、联系方式、家庭住址等)，人体数据(身高、体重、体重指数等)及既往病史登记。治疗师可根据患者身体状况及需求设置训练目标，康复训练的目标包括减轻体重、提高体能、力量训练等，并设置训练周期。在完成用户创建或每次评估、训练后，用户可在个人计算机端程序中通过用户登陆查看用户信息。选择查看个人信息，可查看用户创建账号时填写的信息，若需要修改，程序跳转至创建用户进程，可修改基本信息、人体数据、训练目标等，并将数据保存至数据库。用户在设备上完成评估后，可以在个人计算机端程序中查看评估结果，治疗师将根据训练结果设定训练方案，根据医学训练疗法的理念，训练方案包含训练组数、训练负荷重量、重复次数等，设置完毕后，程序将信息更新至数据库。

在本实施例中，平板电脑端的控制程序如图3所示，用户登录后，可选择进行评估或训练。如果选择评估，首先需要设置评估项目。评估项目可设置为颈前屈、颈后伸、颈左侧屈、颈右侧屈、左旋、颈右旋六个自由度的关节活动角度和颈部力量。设置评估项目后，控制程序可由用户手动输入已知的评估结果，或通过数据通信功能模块从外部康复设备读取评估过程参数，并以曲线方式显示评估过程中颈部肌肉力量或关节活动度的数值随时间的变化曲线。可根据显示的两次评估的两条曲线，判断差异是否过大，从而选择是否再一次评估，若差异过大治疗师可决定再一次评估，控制程序将跳转至评估参数获取界面，第三次评估完成后，控制程序计算出评估中关节活动角度或颈部肌肉力量的最大值，并保存至数据库。用户登陆后，如果选择训练，首先需要设置训练项目，训练项目有带可调负载的颈前屈、颈后伸、颈左侧屈、颈右侧屈、颈左旋、颈右旋六个自由度的活动训练。设置好训练项目后即可开始进行训练，训练过程将显示关节角度随时间变化的曲线，并可根据患者的训练过程自动生成目标训练曲线(正弦曲线)，训练结束后程序将训练记录更新至数据库。

在本实施中，平板电脑端在评估与训练环节中开启数据通信模块，与外部康复设备进行数据通信。数据通信模块的控制流程如图4所示。本实施例以串口通信方式为例，首先程序将初始化平板的通信口，检测串口是否被占用，若被占用则提示错误并结束；若串口可用则判断串口是否可用，若串口可用则进入参数设置，不可用则提示错误并结束。串口参数设置，并进入输入输出数据流的初始化，随后开启串口数据发送、串口数据监听线程。串口数据发送的频率为100Hz。数据监听线程接收数据，并在系统的评估与测试环节将数据显示出来。

本实施例很显然具有反馈训练的功能。首先根据患者在训练初始阶段的颈部关节活动度和活动速度自动生成目标训练曲线，然后实时显示患者训练过程中的实际角度曲线以及目标训练曲线，以直观的方式提示用户当前的训练误差，能够促使用户调整运动过程，保证实际训练的关节活动度曲线和目标训练曲线之间的误差尽量小。本发明的反馈功能实现方法如图5所示。康复训练开始时，取连续三组幅值、周期、曲线波形相似的训练数据，考虑实际训练过程中的误动作、康复训练设备与人体发生相对移动等因素，会导致角度曲线在零度附近存在误差及振荡现象，故对波形进行截取。记三组曲线第一次大于k点的下标为N，最后一次大于k点的点下标为M，选取曲线中下标为N-1至M+1的部分(其中波形的截取示意图如图7所示)，计算幅值和周期，周期比判断阈值a、b取值分别为0.75和1.3，判断三组曲线T1/T2,T1/T3,T2/T3是否在a和b的范围内，如果没有，则重新选取曲线，进行计算动态时间规整(Dynamic Time Warping，DTW)，并计算三组曲线两两间的相关系数r，当相关系数均高于阈值h时，由三组曲线的周期、幅值的平均值A和T生成目标训练曲线(正弦曲线)，若不满足条件则更新三组曲线，重复上述过程。其中，目标训练曲线的函数为：

较佳的，图5中的周期比判断阈值a、b取值分别为0.75和1.3。S₁′、S₂′为S₁和S₂进行动态时间规整后的曲线；S₁″、S₃′为S₁和S₃进行动态时间规整后的曲线；S₂″、S₃″为S₂和S₃进行动态时间规整后的曲线。r₁₂为S₁′和S₂′间的相关系数；r₁₃为S₁″和S₃′间的相关系数；r₂₃为S₂″和S₃″间的相关系数，阈值h取0.8。

其中，动态时间规整(Dynamic Time Warping，DTW)用满足一定条件的时间规整函数W(k)描述两个模版的时间对应关系，可求解两模板匹配时累计距离最小所对应的规整函数，在此基础上可得到两条长度相等的时间序列，具体过程为：

设时间序列Q＝(q₁,q₂,…，q_n)、C＝{c₁,c₂,…，c_m}，构造n×m维矩阵D，矩阵元素d_ij＝d(q_i,c_j)，其中d(q_i,c_j)表示q_i与c_j间的欧式距离。在矩阵中找出从d₁₁到d_nm的最短路径W，设W＝w(1),w(2),…,W(k)…W(K)；

W(k)需满足：

(1)边界条件：W(1)＝D(1,1)和W(K)＝D(m,n)；

(2)连续性：若W(k-1)＝D(a′,b′)、W(k)＝D(a,b)，则a-a′≤1，b-b′≤1，保证Q、C中的每个点都被匹配到。

(3)单调性：W(k-1)＝D(a′,b′)、W(k)＝D(a,b)，则a-a′≥0，b-b′≥0，保证W上的点随时间单调进行。

故W(k)＝D(i,j)移动的方向为W(k+1)＝D(i+1,j),(i,j+1)或(i+1,j+1)，两个序列的DTW距离定义为：

γ(i,j)＝d(q_i,c_j)+min{γ(i-1,j-1),γ(i-1,j),γ(i,j-1)}0≤i≤m,0≤j≤n；

其中，d(q_i,c_j)为q_i与c_j间的欧式距离。通过该式可以得到满足动态规划路线下时间序列Q、C的点，分别构成时间长度相同的新序列Q＇与C＇。根据上述动态时间规整后的结果Q＇与C＇,计算两条曲线间的相关系数r，相关系数的定义为：

式中，为样本X_i、Y_i的样本均值

相关系数r反映了两个变量间的线性相关程度，r的绝对值越大表明两个样本间的相关性越大。一般认为，r的绝对值范围为0.8-1.0表明两个样本具有极强的相关性。故判断动态时间规整后的结果Q＇与C＇的相关性时，选取阈值h为0.8，当Q＇与C＇的相关系数r大于0.8时，认为两条曲线相似。

如图6所示，本实施例在使用时具体可遵循以下步骤：

(1)在个人计算机中进行用户创建：

填写基本信息包括：登录账号，身份证号、姓名、性别、联系方式、家庭住址、出生年月、用户密码；

填写人体数据及既往病例：身高、体重、自动计算体重指数、身体存在问题、危险因素、药物；

设置训练目标：减轻体重、改善整体健康程度、提高体能、力量训练；设置训练周期、每周预计训练时间。

(2)平板电脑固定在用户正前方。使用时可以在平板电脑端选择进行评估或训练。当第一次使用时需进行评估。或者已完成一个阶段训练后，可再次进行评估。

如果选择评估，首先选择评估项目，包括：颈前屈、颈后伸伸、颈左侧屈、颈右侧屈、左旋、右旋。治疗师可直接根据已知的评估结果手动输入评估数据，或者通过平板电脑上的数据通信功能，自动获取力(或力矩)、关节活动度随时间变化的数值，并在平板电脑上以曲线形式显示。获取两次评估数据，平板电脑界面显示评估结果，包括：第一次最大值与第二次最大值。治疗师可以根据两次评估的差异决定是否再一次获取评估数据，并保存评估的最大值。然后可以选择其它评估项目或退出。

如果选择训练，首先选择训练项目，可选择的训练项目包括颈前屈、颈后伸、颈左侧屈、颈右侧屈、颈左旋、颈右旋。开始进行训练，系统先根据患者初始训练的幅度和速率，自动生成正弦目标曲线，界面显示目标曲线和颈部关节活动度随时间变化的实际曲线，对用户进行实时反馈，促使患者根据目标曲线调整训练的姿态，从而提高训练效果。训练结束后，界面显示训练过程中的重复次数、组数、重量、功率、热量、持续时间；并对训练主观感受进行评价：非常轻松、轻松、有些累、累、困难、非常困难。训练结束后可选择其它训练项目或退出。

(3)可在个人计算机端登录用户，查看用户信息中的评估结果。治疗师可根据评估报告设定训练方案，设置的训练方案包括组数、速度、训练重量、重复次数、休息时间。也可以在个人计算机端查看训练结果。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种具有实时反馈功能的颈椎康复训练信息管理方法，其特征在于，包括但不限于以下步骤：

提供通信相连的平板电脑与计算机；

2.根据权利要求1所述的一种具有实时反馈功能的颈椎康复训练信息管理方法，其特征在于，用户通过平板电脑登录自己的账号，并选择进行评估还是进行生物反馈训练，若进行评估，则包括步骤S11至步骤S13，若进行生物反馈训练，则包括步骤S21至步骤S22；

3.根据权利要求2所述的一种具有实时反馈功能的颈椎康复训练信息管理方法，其特征在于，所述根据患者训练过程初始阶段的训练数据自动生成目标训练曲线具体包括以下步骤：

步骤S222：分别计算三组曲线的幅值和周期，并判断三组曲线的周期比T1/T2、T1/T3、T2/T3是否均在在a和b的范围内，若是，则对三组曲线截取的部分进行动态时间规整，并计算规整后的三组曲线两两间的相关系数；若否，则返回步骤S221；

4.根据权利要求1所述的一种具有实时反馈功能的颈椎康复训练信息管理方法，其特征在于，所述个人信息包括但不限于：出生日期、身高、体重、联系方式。

5.根据权利要求1所述的一种具有实时反馈功能的颈椎康复训练信息管理方法，其特征在于，所述训练信息包括但不限于：训练目标、训练方案、训练过程数据记录。

6.根据权利要求1所述的一种具有实时反馈功能的颈椎康复训练信息管理方法，其特征在于，还包括以下步骤：用户通过平板电脑或者计算机登录自己的账号查看该账号下的评估结果以及训练信息。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述的具有实时反馈功能的颈椎康复训练信息管理系统，其特征在于，包括平板电脑、计算机以及一个以上的康复训练设备，所述平板电脑分别与计算机、康复训练设备通信相连；所述计算机上搭建有数据库，用以存储用户的个人信息以及训练信息；所述平板电脑用以获取康复训练过程中的定量评估参数，发送数据及指令给康复训练设备，以及显示训练过程中的数据；平板电脑将康复训练过程中获取的定量评估参数传输至计算机上进行存储。