CN111223550B - 配置可视化激励界面的锻炼控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种配置可视化激励界面的锻炼控制系统，所述锻炼控制系统包括可穿戴套件、可视化激励界面以及压力振动组合传感台，所述可穿戴设备套件包括相互连接的四肢套件以及AR头盔；所述可视化激励界面显示于近端控制计算机，所述近端控制计算机与所述可穿戴设备套件无线通信，并且所述近端控制计算机包括姿态识别引擎，所述姿态识别引擎识别穿戴所述可穿戴设备套件的目标人物的姿态参数。本发明的技术方案将可视化技术与激励因素引入脑卒中患者的康复锻炼过程中，改善其与老年卒中患者之间的交互关系，为使用者带来更加方便易用、亲切轻松的使用体验，令他们融入充满积极乐观气氛的康复环境中，帮助他们早日恢复日常生活活动能力。

Description

配置可视化激励界面的锻炼控制系统

技术领域

本发明属于健康控制技术领域，尤其涉及一种配置可视化激励界面的锻炼控制系统。

背景技术

脑卒中是目前严重威胁人类健康与生命的常见疾病， 具有高死亡率、致残率的特点，约有1/4 的患者会复发。

脑卒中的康复目标是使患者残存功能得以最大程度发挥， 减少神经功能缺失，提高自主生活能力及生存质量，回归家庭和社会。现代康复理论与实践证明， 与康复训练有关的锻炼控制是降低脑卒中致残率最有效的方法，有效的康复训练能减轻患者功能上的残疾，加速脑卒中的康复进程, 降低护理费用 , 节约社会资源，提高患者的满意度。

据不完全统计，经过早期康复治疗，８０％的脑卒中患者可恢复行走能力或者借助拐杖实现步行功能；近５０％的患者可基本恢复手部功能。康复介入越早，并发症越少，功能恢复效果越好。

目前除了推广规范的康复评价体系外，卒中康复专家对卒中康复的新理念、新技术等方面进行了深入研究，将现代生物医学工程和计算机技术大量地应用于卒中康复临床领域。虚拟现实坏境技术也大量应用于临床康复，包括康复机器人等。

申请号为CN201910945737.3的中国发明专利申请提出一种刚柔耦合结构的脑卒中患者手部功能康复机器人，采用刚性支撑节块和柔性弹簧钢片几何的设计方法，结构紧凑，兼具刚性外骨骼机构和软体外骨骼机构手部康复机器人的优点；具有根据患者手部尺寸差异的指节间距调节机构，满足不同患者的需要；具有手指弯曲伸展和五指并拢张开两种运动驱动的训练模式；五指的弯曲伸展独立驱动，可以完成五指协调驱动运动康复训练。

申请号为CN201810665479.9的中国发明专利申请提出基于人工智能和互联网技术的智能脑卒中语言康复机器人系统，针对上述我国传统脑卒中语言康复领域中的瓶颈问题和主要矛盾，将人工智能技术和互联网技术与脑卒中语言康复有机的融合起来，提供一套基于人工智能和互联网技术的智能脑卒中语言康复机器人系统，以大幅度提高临床脑卒中语言康复的效果和效率，并为解决我国脑卒中语言康复相关医疗资源供给和需求矛盾提供新思路、新方法和新模式。

然而，脑卒中康复的原理是通过正确的康复训练恢复某些失去的脑功能是一个缓慢长期的过程，卒中老人的康复周期相对更长，因此大多数卒中患者只能在短暂的早期康复后回家继续康复；现有康复产品种类较少，功能单一，质量和康复效果参差不齐；更重要的是，康复治疗对卒中患者来说是极其痛苦的过程，对于缺乏对患者（尤其是老年患者）需求的考虑，导致产品的使用率较低、医护人员不足、患者康复周期增长、甚至是患者康复的误用和废用等问题，不仅给患者及其家属带来压力，也造成了社会资源和医疗资源的浪费。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种配置可视化激励界面的锻炼控制系统，所述锻炼控制系统包括可穿戴套件、可视化激励界面以及压力振动组合传感台，所述可穿戴设备套件包括相互连接的四肢套件以及AR头盔；所述可视化激励界面显示于近端控制计算机，所述近端控制计算机与所述可穿戴设备套件无线通信，并且所述近端控制计算机包括姿态识别引擎，所述姿态识别引擎识别穿戴所述可穿戴设备套件的目标人物的姿态参数。本发明的技术方案将可视化技术与激励因素引入脑卒中患者的康复锻炼过程中，改善其与老年卒中患者之间的交互关系，为使用者带来更加方便易用、亲切轻松的使用体验，令他们融入充满积极乐观气氛的康复环境中，帮助他们早日恢复日常生活活动能力。

具体来说，本发明的技术方案是这样实现的：

一种配置可视化激励界面的锻炼控制系统，所述锻炼控制系统包括可穿戴套件，所述可穿戴设备套件包括相互连接的四肢套件以及AR头盔。

不同于现有技术单调的被动锻炼方式，作为本发明的关键技术手段之一，所述锻炼控制系统还包括可视化激励界面，所述可视化激励界面显示于近端控制计算机，所述近端控制计算机与所述可穿戴设备套件无线通信，并且所述近端控制计算机包括姿态识别引擎，所述姿态识别引擎识别穿戴所述可穿戴设备套件的目标人物的姿态参数；

进一步的，本发明的技术方案充分考虑了患者心理因素与激励要求，在所述可视化激励界面至少包括并排显示的第一可视化区域与第二可视化区域；在所述第一可视化区域上，同步显示所述目标人物的当前动作和姿态；

所述锻炼控制系统还包括压力振动组合传感台，用于获取所述目标人物当前的压力参数；

本发明的技术方案完全基于患者当前状态下的实际的客观生理状态参数进行评估和引导，从而避免了医生或者护理者的主观因素印象，因此，本发明在具体实现还包括：

在预定时间段内，通过所述可穿戴设备套件获取所述目标人物的四肢动作参数与头部姿态参数，连同所述压力参数发送给所述近端控制计算机，所述近端控制计算机基于上述参数得出目标人物在所述预定时间段内的当前平衡能力得分，并将所述当前平衡能力得分显示于所述第一可视化区域；

同时，所述近端控制计算机基于所述压力振动组合传感台当前的工作参数与所述压力参数，在预设的标准姿态数据库中查找匹配的激励人物视频以及所述激励人物视频对应的标准平衡能力得分，显示于所述第二可视化区域；

在所述可视化激励界面的所述第一可视化区域和第二可视化区域中，高亮显示所述目标人物与所述激励人物的动作和/或姿态参数差异。

作为本发明的另一个优点，在所述预设的标准姿态数据库中，预先存储了对应于不同压力-振动参数范围的激励人物视频，所述激励人物视频对应的标准平衡能力得分表征激励人物在所述压力-振动参数范围内，执行所述四肢动作参数和/或头部状态参数时的标准平衡能力。

作为客观的评述性标准，若所述目标人物在所述预定时间段内的当前平衡能力得分大于所述激励人物视频对应的标准平衡能力得分，则在所述AR头盔的显示域内显示对应于所述当前平衡能力的AR场景。

与此相对应的，若所述目标人物在所述预定时间段内的当前平衡能力得分小于所述激励人物视频对应的标准平衡能力得分，则在所述AR头盔的显示域内显示对应于所述标准平衡能力得分的AR场景。

如此以来，既能够在患者达到目的时予以鼓励，也能够在尚未到达目的时，予以激励，并且给出预期效果。

当然，作为另一个重要方面，本发明不仅仅是被动的评测和差异显示，还需要在视觉和触觉上给与患者具体的反馈，从而引导患者进行正确的反馈，例如纠正或者加强特定位置的锻炼，具体表现为：

在显示所述标准平衡能力得分的AR场景的同时，同时显示所述目标人物与所述激励人物的动作和/或姿态参数差异显示，并触发反馈信号给存在差异的所述动作和姿态参数对应的四肢套件和/或AR头盔。

为了达到上述技术效果，本发明的所述四肢套件的每一个均包含多个动作传感器，用于采集多个指定位置的动作传感信号。

所述AR头盔包含姿态传感器，用于采集头部的姿态传感信号。

与此相对应的，所述在预定时间段内，通过所述可穿戴设备套件获取所述目标人物的四肢动作参数与头部姿态参数，连同所述压力参数发送给所述近端控制计算机，所述近端控制计算机基于上述参数得出目标人物在所述预定时间段内的当前平衡能力得分，具体包括：

在所述预定时间段内设置多个采样点，分别获取所述多个动作传感器在每一个采样点对应的四肢动作参数以及多个压力参数；

基于所述多个压力参数与所述多个动作传感器在每一个采样点获取的对应的四肢动作参数，生成平衡参数矩阵；

基于所述平衡参数矩阵，获取所述当前平衡能力得分。

所述采集头部的姿态传感信号，具体包括：

在预定时间段内，采集所述目标人物直立状态与下蹲状态转换期间的头部的姿态传感信号。

本发明的技术方案，充分利用了可穿戴技术的优点，从而客观准确的利用了患者的实际状态参数，避免医生或者护理者的主观判断过程；引入近端计算机控制的可视化激励界面，将患者的当前状态和锻炼效果可视化的直观与目标激励人物进行比对，从而从心理上鼓励以及激励患者主动参与锻炼过程，相对于现有技术所指出的被动模式，效果更佳显著。

本发明的进一步优点将结合说明书附图在具体实施例部分进一步详细体现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例的配置可视化激励界面的锻炼控制系统的整体架构图;

图2是图1所述系统的可视化激励界面的一个实施例示意图;

图3是图1所述实施例的恢复效果数据对比图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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做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。下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做出进一步的描述。

参照图1，是本发明一个实施例的配置可视化激励界面的锻炼控制系统的整体架构图。

图1中，所述锻炼控制系统包括可穿戴套件、可视化激励界面以及压力振动组合传感台，所述可穿戴设备套件包括相互连接的四肢套件以及AR头盔。

在本实施例中，作为体现本发明发明构思的关键技术手段之一，所述锻炼控制系统还包括可视化激励界面，所述可视化激励界面显示于近端控制计算机，所述近端控制计算机与所述可穿戴设备套件无线通信，并且所述近端控制计算机包括姿态识别引擎，所述姿态识别引擎识别穿戴所述可穿戴设备套件的目标人物的姿态参数；

在所述可视化激励界面至少包括并排显示的第一可视化区域与第二可视化区域；在所述第一可视化区域上，同步显示所述目标人物的当前动作和姿态。

上述配置充分考虑了患者心理因素与激励要求，能够增强患者恢复信息与主动参与锻炼的决心。

所述锻炼控制系统还包括压力振动组合传感台，用于获取所述目标人物当前的压力参数。

所述压力振动组合传感台包括压力传感器与振动传感器，所述压力传感器置于所述振动传感器之上，所述压力传感器用于在预定时间段内采集患者站立于所述压力振动组合传感台上时的压力传感信号；所述振动传感器基于近端控制计算机与所述可穿戴设备套件无线通信的信号，发出振动传感信号，例如使得所述振动传感台在水平面的上下和/或左右以预定频率以及幅度振动。

此时，在预定时间段内，通过所述可穿戴设备套件获取所述目标人物的四肢动作参数与头部姿态参数，连同所述压力参数发送给所述近端控制计算机，所述近端控制计算机基于上述参数得出目标人物在所述预定时间段内的当前平衡能力得分，并将所述当前平衡能力得分显示于所述第一可视化区域；

同时，所述近端控制计算机基于所述压力振动组合传感台当前的工作参数与所述压力参数，在预设的标准姿态数据库中查找匹配的激励人物视频以及所述激励人物视频对应的标准平衡能力得分，显示于所述第二可视化区域；

如此，参见图2所示，可在所述可视化激励界面的所述第一可视化区域和第二可视化区域中，高亮显示所述目标人物与所述激励人物的动作和/或姿态参数差异。

在所述预设的标准姿态数据库中，预先存储了对应于不同压力-振动参数范围的激励人物视频，所述激励人物视频对应的标准平衡能力得分表征激励人物在所述压力-振动参数范围内，执行所述四肢动作参数和/或头部状态参数时的标准平衡能力。

作为客观的评述性标准，若所述目标人物在所述预定时间段内的当前平衡能力得分大于所述激励人物视频对应的标准平衡能力得分，则在所述AR头盔的显示域内显示对应于所述当前平衡能力的AR场景。

对应于所述当前平衡能力的AR场景，包括基于当前平衡能力患者可以完成的各种生活日常活动操作以及其实现效果的增强现实（AR）场景；

与此相对应的，若所述目标人物在所述预定时间段内的当前平衡能力得分小于所述激励人物视频对应的标准平衡能力得分，则在所述AR头盔的显示域内显示对应于所述标准平衡能力得分的AR场景。

对应于所述标准平衡能力得分的AR场景，是指所述标准姿态数据库预先存储的基于所述标准平衡能力得分，患者可以（预期）完成的各种生活日常活动操作以及其实现效果的增强现实（AR）场景。

如此以来，既能够在患者达到目的时予以鼓励，也能够在尚未到达目的时，予以激励，并且给出预期效果。

在图2中，虽然未示出，但是该实施例不仅仅是被动的评测和差异显示，还需要在视觉和触觉上给与患者具体的反馈，从而引导患者进行正确的反馈，例如纠正或者加强特定位置的锻炼，具体表现为：

在显示所述标准平衡能力得分的AR场景的同时，同时显示所述目标人物与所述激励人物的动作和/或姿态参数差异显示，并触发反馈信号给存在差异的所述动作和姿态参数对应的四肢套件和/或AR头盔。

为了达到上述技术效果，本发明的所述四肢套件的每一个均包含多个动作传感器，用于采集多个指定位置的动作传感信号。

所述AR头盔包含姿态传感器，用于采集头部的姿态传感信号。

与此相对应的，所述在预定时间段内，通过所述可穿戴设备套件获取所述目标人物的四肢动作参数与头部姿态参数，连同所述压力参数发送给所述近端控制计算机，所述近端控制计算机基于上述参数得出目标人物在所述预定时间段内的当前平衡能力得分，具体包括：

在所述预定时间段内设置多个采样点，分别获取所述多个动作传感器在每一个采样点对应的四肢动作参数以及多个压力参数；

基于所述多个压力参数与所述多个动作传感器在每一个采样点获取的对应的四肢动作参数，生成平衡参数矩阵；

基于所述平衡参数矩阵，获取所述当前平衡能力得分。

所述采集头部的姿态传感信号，具体包括：

在预定时间段内，采集所述目标人物直立状态与下蹲状态转换期间的头部的姿态传感信号。

在上述实施例中，作为利用患者的当前状态和姿态参数获取的平衡能力得分，是客观评测患者当前状态的分数，在本实施例中，引入平衡能力矩阵的概念，从而利用矩阵的特征根与稳定性的关系，得到该得分，是本发明的创造性贡献之一。

具体来说，可在所述预定时间段内的多个采样时间点t1-tn处，获取m个动作传感器{M1，M2，…，Mm}对应的n个位置振动信号{M11，M12，…，M1n；M21，M22，…，M2n；……Mmn}与n个压力参数信号{Y1，Y2,…，Yn}；其中，（m+1）≤n；

基于所述位置振动信号与压力信号，生成稳定性评测矩阵W：

基于所述稳定性评测矩阵W，获取至少两个K阶矩阵K1、K2，K小于n；

所述K1、K2同时包含K个压力信号或者同时不包含K个压力信号；

如果所述K1、K2同时不包含K个压力信号，则计算K1与K2的差值矩阵K12，

基于所述差值矩阵K12的特征根，获取所述当前平衡能力得分；

如果所述K1、K2同时包含K个压力信号，则分别计算K1和K2的特征根；

基于所述K1和K2的特征根，获取所述当前平衡能力得分。

作为一个实例，特征根绝对值越接近于1，则平衡能力得分越高。本领域技术人员可以基于特征根的实际大小对其进行范围量化评分等，本发明对此不作限制。

值得指出的是，矩阵的特征值与稳定性的关系判断，是控制领域的客观规律之一，本发明的创造性在于基于客观数据生成稳定性评测矩阵W，从而结合了这一客观规律更好的为本申请的技术问题所用。

接下来，为了更好的说明本发明技术方案的改进效果，图3是图1所述实施例的恢复效果数据对比图。设置对照组、常规恢复组以及本方案恢复组，进行多例实验数据采集及评分。

图3中，所述FMA评分为运动功能评分，采用 Fugl-Meyer 量表进行评估，包括上肢和下肢共 １7 项内容，总分为１００ 分，评分越高表示肢体运动功能越好；ADL为日常生活活动能力评分，采用Barthel改良指数进行评价。P<0.05为差异具备统计学意义。

本发明的技术方案将可视化技术与激励因素引入脑卒中患者的康复锻炼过程中，改善其与老年卒中患者之间的交互关系，为使用者带来更加方便易用、亲切轻松的使用体验，令他们融入充满积极乐观气氛的康复环境中，帮助他们早日恢复日常生活活动能力。并且结合图3所述的实验数据可知，本发明的技术方案改进效果十分明显，并且差异具备统计学意义，证明了其有效性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种配置可视化激励界面的锻炼控制系统，所述锻炼控制系统包括可穿戴套件，所述可穿戴套件包括相互连接的四肢套件以及AR头盔，

其特征在于：

所述锻炼控制系统还包括可视化激励界面，所述可视化激励界面显示于近端控制计算机，所述近端控制计算机与所述可穿戴套件无线通信，并且所述近端控制计算机包括姿态识别引擎，所述姿态识别引擎识别穿戴所述可穿戴套件的目标人物的姿态参数；

所述可视化激励界面至少包括并排显示的第一可视化区域与第二可视化区域；在所述第一可视化区域上，同步显示所述目标人物的当前动作和姿态；

所述锻炼控制系统还包括压力振动组合传感台，用于获取所述目标人物当前的压力参数；

在预定时间段内，通过所述可穿戴套件获取所述目标人物的四肢动作参数与头部姿态参数，连同所述压力参数发送给所述近端控制计算机，所述近端控制计算机基于上述四肢动作参数与头部姿态参数得出目标人物在所述预定时间段内的当前平衡能力得分，并将所述当前平衡能力得分显示于所述第一可视化区域；

同时，所述近端控制计算机基于所述压力振动组合传感台当前的工作参数与所述压力参数，在预设的标准姿态数据库中查找匹配的激励人物视频以及所述激励人物视频对应的标准平衡能力得分，显示于所述第二可视化区域；

在所述可视化激励界面的所述第一可视化区域和第二可视化区域中，高亮显示所述目标人物与所述激励人物的动作和/或姿态参数差异；

若所述目标人物在所述预定时间段内的当前平衡能力得分大于所述激励人物视频对应的标准平衡能力得分，则在所述AR头盔的显示域内显示对应于所述当前平衡能力的AR场景；

所述对应于所述标准平衡能力得分的AR场景，是指所述标准姿态数据库预先存储的基于所述标准平衡能力得分，患者可以完成的各种生活日常活动操作以及其实现效果的增强现实场景。

2.如权利要求1所述的锻炼控制系统，其特征在于：

在所述预设的标准姿态数据库中，预先存储了对应于不同压力-振动参数范围的激励人物视频，所述激励人物视频对应的标准平衡能力得分表征激励人物在所述压力-振动参数范围内，执行所述四肢动作参数和/或头部状态参数时的标准平衡能力。

3.如权利要求2所述的锻炼控制系统，其特征在于：若所述目标人物在所述预定时间段内的当前平衡能力得分小于所述激励人物视频对应的标准平衡能力得分，则在所述AR头盔的显示域内显示对应于所述标准平衡能力得分的AR场景。

4.如权利要求3所述的锻炼控制系统，其特征在于：在显示所述标准平衡能力得分的AR场景的同时，同时显示所述目标人物与所述激励人物的动作和/或姿态参数差异显示，并触发反馈信号给存在差异的所述动作和姿态参数对应的四肢套件和/或AR头盔。

5.如权利要求3所述的锻炼控制系统，其特征在于：所述四肢套件的每一个均包含多个动作传感器，用于采集多个指定位置的动作传感信号。

6.如权利要求3所述的锻炼控制系统，其特征在于：所述AR头盔包含姿态传感器，用于采集头部的姿态传感信号。

7.如权利要求5所述的锻炼控制系统，其特征在于：在预定时间段内，通过所述可穿戴套件获取所述目标人物的四肢动作参数与头部姿态参数，连同所述压力参数发送给所述近端控制计算机，所述近端控制计算机基于上述参数得出目标人物在所述预定时间段内的当前平衡能力得分，具体包括：

在所述预定时间段内设置多个采样点，分别获取所述多个动作传感器在每一个采样点对应的四肢动作参数以及多个压力参数；

基于所述多个压力参数与所述多个动作传感器在每一个采样点获取的对应的四肢动作参数，生成平衡参数矩阵；

基于所述平衡参数矩阵，获取所述当前平衡能力得分。

8.如权利要求6或7所述的锻炼控制系统，其特征在于：所述采集头部的姿态传感信号，具体包括：

在预定时间段内，采集所述目标人物直立状态与下蹲状态转换期间的头部的姿态传感信号。

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