CN111124102A - 混合现实全息头显四肢和脊柱运动康复系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合现实全息头显四肢和脊柱运动康复系统及方法，系统包括：四肢及脊柱关节运动数据采集模块，采用体感设备；游戏场景图像引擎模块，采用Unity引擎；人机交互模块，采用混合现实全息头显设备；数据处理及反馈模块，采用PC计算机；采集模块采集追踪患者的四肢及脊柱骨骼关节位置及状态的运动数据，并传输至数据处理及反馈模块，经运动学算法处理所述采集运动数据，反馈至图像引擎，由图像引擎在所述人机交互模块采用的混合现实全息头显设备混合现实场景中产生游戏动态效果。本发明主要利用混合现实技术为是患者在康复评估和训练过程中并未与周围的真实世界相分离，提高患者的积极性，使被动训练变成主动训练。
Description
技术领域
本发明涉及康复医学中的虚拟现实技术，特备是涉及到一种混合现实全息头显四肢和脊柱运动康复系统及方法。
背景技术
虚拟现实技术目前已经成为多种康复新技术的基础整合平台。虚拟现实技术是将人体置于一个虚拟出来的环境当中，随着技术的演进，虚拟现实技术被发展具有很强的兼容性，可以轻易的整合众多的检测技术和治疗技术，并且改变了以前的治疗模式，使得患者在训练的同时可以边练边评估。借助这个平台，以前专业性极高、操作极复杂的康复评估及康复治疗被傻瓜化了。预计未来虚拟现实设备将成为康复新技术的生力军，虚拟现实成为运动障碍康复手段。为了让康复训练更加便捷，人们将虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术引入康复训练领域。虚拟现实技术是由计算机构造一个与真实场景类似的虚拟环境，用户通过穿戴多种传感器设备，能让自身完全沉浸在虚拟的环境中，并能够实现与虚拟环境进行交互。基于虚拟现实的下肢康复还能带给用户实时的视觉、听觉等反馈，增加训练的兴趣，提高了用户参与康复训练的积极性和主动性。虽然虚拟现实技术能够模拟真实世界，但是构造的虚拟环境与真实场景完全分离。
混合现实技术是将真实世界和虚拟世界混合在一起，来产生新的可视化环境，环境中同时包含了物理实体与虚拟信息，并允许用户与在真实世界中一样的方式与数字信息或对象进行交互，从而将环境将变得更加丰富且更接近现实，与其他虚拟现实技术相比，虚拟现实是纯虚拟数字画面，增强是虚拟数字画面加上裸眼现实，混合现实是通过在现实场景呈现虚拟场景信息，在现实世界、虚拟世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。
发明内容
根据上述提出现有技术针对四肢及脊柱康复训练在虚拟环境中脱离了现实环境的问题，而提供一种应用混合现实技术的四肢及脊柱运动康复评估及训练系统及方法。
本发明采用以下技术方案：
一种混合现实全息头显四肢和脊柱运动康复系统，包括：
四肢及脊柱关节运动数据采集模块，采用体感设备；
游戏场景图像引擎模块，采用Unity引擎；
人机交互模块，采用混合现实全息头显设备；
数据处理及反馈模块，采用PC计算机；
所述四肢及脊柱关节运动数据采集模块采集追踪患者的四肢及脊柱骨骼关节位置及状态的运动数据，并传输至数据处理及反馈模块，经运动学算法处理所述采集运动数据，反馈至图像引擎，由图像引擎在所述人机交互模块采用的混合现实全息头显设备混合现实场景中产生游戏动态效果。
所述体感设备追踪患者的骨骼关节动作状态，并且不用穿戴额外的其他部件。
所述混合现实全息头显设备为无线设备，不需要连接与外部连接线缆，所创造的混合现实环境使身处其中的患者并未与周围的真实世界相分离，患者可以以更加自然的方式与真实世界及虚拟物体进行人机交互完成康复评估和训练。
所述数据处理及反馈模块还包括用户服务模块，所述用户服务模块用于录入患者和所属医师的基础信息，用以患者登录系统运动并记录存储运动数据对患者进行评估并向 患者给出康复建议。患者及医师可登录相应账号，根据账户权限，远程实时查看相应训练数 据及评估结果。所述运动数据包括患者使用系统运动的时间、四肢及脊柱运动位移，次数，速度及力量。
所述混合现实全息头显设备中有不同运动康复训练场景，所述运动康复训练场景依据患者康复阶段设置不同的难度阶段，所述难度阶段由动作幅度决定，由医师指导患者依据康复阶段进行选择。
本发明还提供了一种混合现实全息头显四肢和脊柱运动康复训练方法，包括如下步骤：
步骤S1：安装部署好四肢及脊柱追踪的体感设备，使体感设备可以正确追踪患者的骨骼关节位置及运动状态，并将采集的信息数据传输至数据处理及反馈模块。
步骤S2：数据处理及反馈模块通过运动学算法计算评估患者，同时评定患者动作是否符合难度阶段的动作幅度标准，若达到难度阶段的动作幅度标准，所述数据处理及反馈模块反馈数据至图像引擎并在所述混合现实全息头显混合现实环境中产生动态效果，生成虚拟武器攻击混合现实场景中的虚拟生物。
步骤S3：若患者完成了所述混合现实全息头显设备中选定的运动康复训练场景所设定的阶段训练目标，则当前康复训练难度阶段完成，后续可依据医嘱进行其他难度阶段的训练。
步骤S4：患者及医师可登录相应账号，根据账户权限，远程实时查看相应训练数据及评估结果。
有益效果
本发明主要利用混合现实技术为是患者在康复训练过程中并未与周围的真实世界相分离，能够在场景中看到自己真实的肢体，同时可以以更加自然的方式与真实世界及虚拟物体进行人机交互，并为下肢康复训练提供了可以反复进行的运动，以日常生活中熟悉动作为基础，增加治疗的趣味性，提高患者参与康复训练的积极性，使得原来被动训练变成主动训练。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明系统流程图。
图2是本发明的第一实施例的流程图。
图3为本发明追踪四肢及脊柱关节运动状态图。
图4位本发明混合现实场景示例。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，由此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD－ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括非暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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，因此不能理解为对本发明的限制。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在本发明中的具体含义。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。。
如图1、图3、图4所示，本发明的混合现实全息头显四肢和脊柱运动康复系统系统包括四肢及脊柱关节运动数据采集模块，采用体感设备；游戏场景图像引擎模块，采用Unity引擎；人机交互模块，采用混合现实全息头显设备；数据处理及反馈模块，采用PC计算机，所述体感设备使用有线电缆连接PC计算机进行数据通讯，混合现实全息头显设备使用无线网络与PC计算机进行数据通讯。所述四肢及脊柱关节运动数据采集模块采集追踪患者的四肢及脊柱骨骼关节位置及状态的运动数据，并传输至数据处理及反馈模块，经运动学算法处理所述采集运动数据进行评估，评估结果反馈至图像引擎，由图像引擎在所述人机交互模块采用的混合现实全息头显设备混合现实场景中产生游戏动态效果。
四肢及脊柱关节运动数据采集模块，采用体感设备；所采用的体感设备可以通过图像识别追踪人体关节点位，共计25个关节点位，检测范围为0.5m至4.5米，检测范围较大，对安装部署的环境要求低，且不用穿戴额外的其他部件即可进行追踪。
游戏场景图像引擎模块，采用Unity引擎；Unity引擎具有优秀的图形渲染能力，能够在所述的混合现实全息头显设备的混合现实场景中实现高端视觉效果，提高患者对运动康复训练的兴趣。
人机交互模块，采用混合现实全息头显设备；所述混合现实全息头显设备为无线设备，不需要连接与外部连接线缆；所显示的运动康复训练场景为现实世界和虚拟世界的结合，达到让患者在自然真实环境中体验虚拟训练的效果，将混合现实场景内的虚拟游戏动作与患者四肢及脊柱运动的状态结合起来，患者完成符合标准的四肢及脊柱康复运动，场景中的虚拟生物会受到攻击。所述混合现实场景的游戏进行了难度阶段的划分，难度阶段依据数据采集后评估康复阶段循序渐进，让患者能依照医嘱有针对性的训练，提高患者的康复训练的积极性和效果。
数据处理及反馈模块，采用PC计算机；所述数据处理及反馈模块采用计算机语言编程，运行于PC计算机上，负责接收体感设备采集到的患者四肢及脊柱运动数据，计算运动数据是否符合混合现实场景当前难度阶段的要求，符合则反馈人机交互模块的混合现实全息头显场景中攻击虚拟生物，不符合则记录数据并反馈患者动作不符合要求。
如图2所示，本发明还提供了一种混合现实全息头显四肢和脊柱运动康复训练方法，包括如下步骤：
步骤S1：安装部署好四肢及脊柱追踪的体感设备，使体感设备可以正确追踪患者的骨骼关节位置及运动状态，并将采集的信息数据传输至数据处理及反馈模块。
步骤S2：数据处理及反馈模块通过运动学算法计算患者动作运动幅度是否符合难度阶段的动作幅度标准，若达到难度阶段的动作幅度标准，所述数据处理及反馈模块反馈数据至图像引擎并在所述混合现实全息头显混合现实环境中产生动态效果，如图3所示生成虚拟武器攻击混合现实场景中的虚拟生物。
步骤S3：若患者完成了所述混合现实全息头显设备中选定的运动康复训练场景所设定的阶段训练目标，则当前康复训练难度阶段完成，后续可依据评估结果进行其他难度阶段的训练。
步骤S4：患者及医师可登录相应账号，根据账户权限，远程实时查看相应训练数据及评估结果。
本发明是将混合现实技术应用于四肢和脊柱康复，使身处其中的患者并未与周围的真实世界相分离，患者以更加自然的方式与真实世界及虚拟物体进行人机交互完成康复评估和训练，并以日常生活中熟悉动作为基础，增加治疗的趣味性，提高患者参与康复训练的积极性，使得原来被动训练变成主动训练。同时，利用系统评估患者，规范康复训练过程，简化康复训练条件，患者可以自主、便捷的完成康复训练。训练过程的数据存储于云端数据库数据库，建立用户的信息库和训练过程及结果数据，针对训练数据进行多维度的数据分析，建立一套新颖的评估系统，同时为医护人员向患者提供个性化的康复训练建议提供数据支撑。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种混合现实全息头显四肢和脊柱运动康复系统，其特征在于：包括：
四肢及脊柱关节运动数据采集模块，该采集模块采用体感设备；
游戏场景图像引擎模块，采用Unity引擎；
人机交互模块，采用混合现实全息头显设备；
数据处理及反馈模块，采用PC计算机，所述体感设备使用有线电缆连接PC计算机进行数据通讯，混合现实全息头显设备使用无线网络与PC计算机进行数据通讯；
所述四肢及脊柱关节运动数据采集模块采集追踪患者的四肢及脊柱骨骼关节位置及状态的运动数据，并传输至数据处理及反馈模块，经运动学算法处理所述采集运动数据，反馈至图像引擎，由图像引擎在所述人机交互模块采用的混合现实全息头显设备混合现实场景中产生游戏动态效果。
2.根据权利要求1所述的合现实全息头显四肢和脊柱运动康复系统，其特征在于：所述体感设备追踪患者的骨骼关节动作状态，并且不用穿戴额外的其他数据采集传感器部件。
3.根据权利要求1所述的混合现实全息头显四肢和脊柱运动康复系统，其特征在于：所述混合现实全息头显设备为无线设备，不需要连接与外部连接线缆，所创造的混合现实环境使身处其中的患者并未与周围的真实世界相分离，患者可以以更加自然的方式与真实世界及虚拟物体进行人机交互完成康复训练。
4.根据权利要求1所述的混合现实全息头显四肢和脊柱运动康复系统，其特征在于：所述混合现实全息头显设备中有不同运动康复训练场景，所述运动康复训练场景依据患者康复阶段设置不同的难度阶段，所述难度阶段由动作幅度决定，由医师指导患者依据康复阶段进行选择。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的混合现实全息头显四肢和脊柱运动康复系统，其特征在于：还包括：
用户服务模块，所述用户服务模块用于录入患者和所属医师的基础信息，用以患者登录系统运动并记录存储运动数据对患者进行评估并向患者给出康复建议。所述运动数据包括患者使用系统运动的时间、四肢及脊柱运动位移，次数，速度及力量。
6.根据权利要求5所述的混合现实全息头显四肢和脊柱运动康复系统，其特征在于：还包括：登录模块，所述登录模块为患者及医师生成相应的登录账号，根据账户权限，远程实时查看相应训练数据及评估结果。
7.一种混合现实全息头显四肢和脊柱运动康复训练方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：安装部署好四肢及脊柱追踪的体感设备，使体感设备可以正确追踪患者的骨骼关节位置及运动状态，并将采集的信息数据进行数据处理及反馈；
步骤S2：通过运动学算法计算患者动作是否符合难度阶段的动作幅度标准，若达到难度阶段的动作幅度标准，反馈数据至图像引擎并在混合现实全息头显混合现实环境中产生动态效果，生成虚拟武器攻击混合现实场景中的虚拟生物；
步骤S3：若患者完成了所述混合现实全息头显设备中选定的运动康复训练场景所设定的阶段训练目标，则当前康复训练难度阶段完成，后续可依据医嘱进行其他难度阶段的训练。
8.根据权利要求7所述的混合现实全息头显四肢和脊柱运动康复评估和训练方法，其特征在于，还包括：步骤S4：患者及医师可登录相应账号，根据账户权限，远程实时查看相应训练数据及评估结果。
9.根据权利要求7所述的混合现实全息头显四肢和脊柱运动康复训练方法，其特征在于，步骤S1中还包括：采集追踪患者的四肢及脊柱骨骼关节位置及状态的运动数据，并传输至数据处理及反馈模块，经运动学算法处理所述采集运动数据，反馈至图像引擎，由图像引擎在所述人机交互模块采用的混合现实全息头显设备混合现实场景中产生游戏动态效果。
10.根据权利要求7所述的混合现实全息头显四肢和脊柱运动康复训练方法，其特征在于，所述混合现实全息头显设备中有不同运动康复训练场景，所述运动康复训练场景依据患者康复阶段设置不同的难度阶段，所述难度阶段由动作幅度决定，由医师指导患者依据康复阶段进行选择。
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