CN112642133A - 基于虚拟现实的康复训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟现实的康复训练系统，包括传感器、训练器、虚拟现实设备和处理设备，当目标用户使用训练器进行康复训练时，传感器用于采集训练器的属性数据和运动参数数据，将属性数据和运动参数数据分别传输给虚拟现实设备和处理设备；虚拟现实设备，用于根据属性数据获取与训练器相匹配的虚拟动画；还用于基于运动参数数据生成虚拟动画的控制参数，基于控制参数生成实时动画画面，将实时动画画面展示给目标用户；处理设备，用于存储运动参数数据，使得通过运动参数数据生成运动指导方案。本发明通过虚拟现实设备展现基于运动参数生成的实时动画画面，实现了提高患者对康复训练的积极性以及体验效果。

Description

基于虚拟现实的康复训练系统

技术领域

本发明涉及虚实交互控制系统领域，特别是涉及一种基于虚拟现实的康复训练系统。

背景技术

“脑卒中”(cerebral stroke)又称“中风”、“脑血管意外”(cerebralvascularaccident，CVA)，是一种急性脑血管疾病，是由于脑部血管突然破裂或因血管阻塞导致血液不能流入大脑而引起脑组织损伤的一组疾病，包括缺血性和出血性卒中。脑卒中患者往往伴随着运动功能障碍，但是通过积极的康复治疗，可以使得部分患者重新恢复运动能力。

但是，脑卒中的康复训练需要很长的周期。传统的机械训练方法需要医生一对一辅导训练，而医生相对于患者的数量过于稀少，因此传统的训练方法效率低下、枯燥乏味且浪费财力。

发明内容

针对于上述问题，本发明提供一种基于虚拟现实的康复训练系统，实现了提高患者对康复训练的积极性以及体验效果。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种基于虚拟现实的康复训练系统，包括：

传感器、训练器、虚拟现实设备和处理设备，所述传感器放置在所述训练器上，所述虚拟现实设备被进行康复训练的目标用户所佩戴，所述传感器分、所述虚拟现实设备分别与所述处理设备进行数据交互；

当所述目标用户使用所述训练器进行康复训练时，所述传感器用于采集所述训练器的属性数据和运动参数数据，将所述属性数据和所述运动参数数据分别传输给所述虚拟现实设备和所述处理设备；

所述虚拟现实设备，用于根据所述属性数据获取与所述训练器相匹配的虚拟动画；还用于基于所述运动参数数据生成所述虚拟动画的控制参数，基于所述控制参数生成实时动画画面，将所述实时动画画面展示给所述目标用户；

所述处理设备，用于存储所述运动参数数据，使得通过所述运动参数数据生成运动指导方案。

可选地，所述系统还包括：

患者终端，所述患者终端与所述处理设备进行数据连接；

所述患者终端，用于接收所述处理设备针对所述目标用户的初始运动指导方案；

所述传感器，还用于当所述目标用户基于所述初始运动指导方案进行训练时，采集所述训练器与所述初始运动指导方案对应的运动数据，并将所述运动数据传输给所述处理设备；

所述处理设备，用于基于所述运动数据和所述目标用户的基础信息，对所述初始运动指导方案进行调整，生成目标运动指导方案。

可选地，所述患者终端与所述虚拟现实设备进行连接；

所述患者终端，还用于当所述虚拟现实设备存储有至少一种与所述训练器相匹配的虚拟动画时，对所述虚拟动画进行显示；响应于当目标用户在所述虚拟动画中确定目标虚拟动画时，将所述目标虚拟动画传输给所述虚拟现实设备。

可选地，所述处理设备包括：评估单元和显示单元；

所述评估单元，用于根据所述运动参数数据，生成训练评估数据；

所述显示单元，用于对所述实时动画画面进行显示。

可选地，所述传感器包括惯性传感器，所述惯性传感器包括启动键和指示灯。

可选地，所述系统还包括光学动捕传感器，所述光学动捕传感器包括摄像单元和数据处理单元；

所述摄像单元，用于追踪所述目标用户的反射标记，获得捕捉数据；

所述数据处理单元，用于对所述捕捉数据进行处理，生成运动参数数据。

可选地，所述处理设备包括：

患者管理单元，用于对患者的基础信息进行管理，所述管理包括对患者信息的录入、删除、编辑和搜索中的一种或多种。

可选地，所述虚拟现实设备包括预警单元；

所述预警单元，用于接收所述处理设备的预警提示信息，并将所述预警提示信息输出至所述目标用户。

可选地，所述系统还包括身体参数监测设备，当所述目标用户佩戴所述身体参数监测设备时，所述身体参数监测设备实时采集，获得身体实时参数；

所述身体参数监测设备，还用于当所述身体实时参数异常时，生成预警信息。

可选地，所述虚拟现实设备包括动画处理单元；

所述动画处理单元，用于确定所述虚拟动画的控制目标，将所述运动参数数据转换为与所述控制目标相对应的控制参数；通过所述控制参数控制所述控制目标的运动，获得实时动画画面。

相较于现有技术，本发明提供了一种基于虚拟现实的康复训练系统，包括传感器、训练器、虚拟现实设备和处理设备，当目标用户使用训练器进行康复训练时，传感器用于采集训练器的属性数据和运动参数数据，将属性数据和运动参数数据分别传输给虚拟现实设备和处理设备；虚拟现实设备，用于根据属性数据获取与训练器相匹配的虚拟动画；还用于基于运动参数数据生成虚拟动画的控制参数，基于控制参数生成实时动画画面，将实时动画画面展示给目标用户；处理设备，用于存储运动参数数据，使得通过运动参数数据生成运动指导方案。本发明通过虚拟现实设备展现基于运动参数生成的实时动画画面，实现了提高患者对康复训练的积极性以及体验效果。

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，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于虚拟现实的康复训练系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种传感器的显示界面的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种医生端的显示界面的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种患者列表信息示意图；

图5为本发明实施例提供的一种单个患者详情页面示意图；

图6为本发明实施例提供的一种患者进行康复训练的示意图。

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。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有设定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

在本发明实施例中提供了一种基于虚拟现实的康复训练系统，该系统用于需要进行康复训练的患者。参见图1，该系统包括：传感器10、训练器20、虚拟现实设备30和处理设备40。传感器10放置在训练器20上，虚拟现实设备30被进行康复训练的目标用户所佩戴，传感器10、虚拟现实设备30分别与处理设备40进行数据交互。

当目标用户使用训练器20进行康复训练时，传感器10用于采集训练器20的属性数据和运动参数数据，将属性数据和运动参数数据分别传输给虚拟现实设备30和处理设备40；虚拟现实设备30，用于根据属性数据获取与训练器相匹配的虚拟动画；还用于基于运动参数数据生成虚拟动画的控制参数，基于控制参数生成实时动画画面，将实时动画画面展示给目标用户；处理设备40，用于存储运动参数数据，使得通过运动参数数据生成运动指导方案。

其中，虚拟现实是虚拟和现实相互集合，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，利用计算机生成一种模拟环境，使用户沉浸到该环境中。由于在本发明实施例中为了便于用户配置，该虚拟现实设备可以是VR眼镜。

传感器放置在训练器上对相关数据进行采集，该传感器可以是惯性式传感器也可以是光学式传感器，光学式传感器可以是光学动捕传感器。具体的，惯性传感式动作捕捉系统由姿态传感器，信号接收器和数据处理系统组成。姿态传感器固定于人体各个重要肢体部位。通过蓝牙等无线传输方式将姿态信号传送至数据处理系统，进行运动解算。其中姿态传感器集成了惯性传感器、重力传感器、加速度计、磁感应计、微陀螺仪等元素，得到各个分肢体的姿态信息，再结合骨骼的长度信息和骨骼层级连接关系，计算出关节点的空间位置信息。

对于某些通过姿态信息获得空间定位不准确的训练项目时，可以将传感器放置在训练器上，使得能够直接采集训练器的数据，其中采集的训练器的属性数据可以是训练器的产品数据，如相关参数信息等。还可以采集运动参数数据，如训练器的转数、运动后的变形数据等。

对应的。光学动捕传感器可以包括摄像单元和数据处理单元。其中，所述摄像单元，用于追踪所述目标用户的反射标记，获得捕捉数据；所述数据处理单元，用于对所述捕捉数据进行处理，生成运动参数数据。具体的，光学式动作捕捉协同基于计算机视觉原理，由多个高速相机从不同角度对目标特征点的监视和跟踪来完成动作捕捉的任务。理论上对于空间中的任意一个点，只要他能同时为两部相机所见，就可以确定这一时刻该点在空间中的位置。当相机以足够高的速率连续拍摄时，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。这类系统传感器通常都是光学相机，不同的是目标传感器类型不一，一种是在物体上不额外添加标记，基于二维图像特征或三维形状特征提取的关节信息作为探测目标，这类传感器可统称为无标记点式光学动作捕捉系统，另一种是在物体上粘贴标记点作为目标传感器，这类统称为标记点光学动作捕捉。优点是技术成熟、精度高、采样率高、动作捕捉准确，表演和使用灵活快捷，适用范围很广。缺点是系统价格昂贵，这类系统对于表演场地光照。反射情况敏感，装置定标也比较繁琐，当运动复杂的时候，不同部位的光学标识点容易混淆、遮挡、产生错误结果。

训练器具体的种类与要进行训练的项目有关，也与目标用户的运动指导方案有关。处理设备可以是医生端的终端设备，即其对运动参数信息进行存储和处理，得到运动指导方案。也可以是患者终端，其在对运动参数进行存储的时候，发送给医生终端，使得医生终端能够基于接收到的运动参数生成运动指导方案。

在上述实施例的基础上，该系统还包括：

患者终端，所述患者终端与所述处理设备进行数据连接；

所述患者终端，用于接收所述处理设备针对所述目标用户的初始运动指导方案；

所述传感器，还用于当所述目标用户基于所述初始运动指导方案进行训练时，采集所述训练器与所述初始运动指导方案对应的运动数据，并将所述运动数据传输给所述处理设备；

所述处理设备，用于基于所述运动数据和所述目标用户的基础信息，对所述初始运动指导方案进行调整，生成目标运动指导方案。

在该实施例中，处理设备处于医生端，其可以根据目标用户的身体基本参数生成初始运动指导方案，然后通过训练器测试患者是否适合该初始运动指导方案，在测试阶段实时采集运动数据，使得对初始运动指导方案进行调整，得到目标运动指导方案。

对应的，所述患者终端与所述虚拟现实设备进行连接；所述患者终端，还用于当所述虚拟现实设备存储有至少一种与所述训练器相匹配的虚拟动画时，对所述虚拟动画进行显示；响应于当目标用户在所述虚拟动画中确定目标虚拟动画时，将所述目标虚拟动画传输给所述虚拟现实设备。

在该实施方式中，一个训练器可能对应虚拟现实设备中的多种运动方案游戏，如可以根据训练器的转速转换为飞机飞行速度，也可以是虚拟人物跑步速度等，可以基于用户喜欢的游戏方式进行虚拟动画的选择，使得用户体验效果更佳。

在本发明实施例中运动指导方案可以是基于Brunnstrom技术集合患者实际的身体参数生成的。Brunnstrom技术是由70年代的瑞典物理治疗师Signe Brinnstrom创立的一套中枢神经系统损伤后针对运动障碍的治疗方案，主要依据患者功能恢复的各个不同阶段，提出了“恢复六阶段”理论：即肌张力由低逐渐变高，联合反应、共同运动、痉挛状态逐渐显著，随着共同运动的完成，出现分离运动、精细运动等，直至完全恢复正常。此疗法利用各种运动模式诱发运动反应，再从异常运动模式中引导、分离出正常运动的成分，达到恢复患者运动功能的目的。Brunnstrom分期标准：中枢性瘫痪的康复过程是运动模式的质的过程，常分为弛缓、痉挛、联带运动、部分分离运动、分离运动和正常。患者表现为：1级：无任何随意运动，手、上下肢无任何运动。2级：由联合反应，可共同运动，仅极少的随意运动；3级：随意出现的共同运动，如手可抓握、不能伸展；4级：可以分离运动，如手能捏、小范围伸展；5级：肌张力逐渐恢复，可看见分离精细运动，手指可同时伸展，但单独伸展差；6级：运动能力接近正常，速度和准确性较正常差。

在本发明实施例中虚拟现实康复，采用最新的计算机图像与图像技术，使患者可在屏幕上看到虚拟图形出现，根据屏幕中情景的变化和提示通过惯性传感器做各种动作，以保持屏幕中的情景模式的继续，直到最终完成训练的目标，指定需要训练的部位，建立运动处方，完成一个时间段的运动训练后，能够显示训练数据报告。

下面以虚拟现实设备为VR眼镜为例对本发明实施例进行说明。通过将传感器放置在主被动训练器上，将患者端VR设备打开，通过不断的使用主被动训练器，将不断变化传感器的数据传递到VR眼镜中，来实现VR游戏进行多关节训练，而且有物理反馈的同时再运用VR治疗的沉浸感，趣味性高进行康复训练。

为了能够获得更好的交互数据，该系统的各个实现主体可以分别设置在医生端和患者端。患者端通过虚拟现实VR头戴式显示器将虚拟世界还原现实情况，训练的内容也将病人现实中操作传感器生成的数据传递在眼镜中，并眼镜中有深度物理反馈，给患者提供视频指导和训练内容的视觉呈现，并通过传感器绑定在主被动训练器上通过主被动训练器来回工作收集运动测试和训练的数据。医生端将测试和训练结果以及生成推荐的运动处方发送给医生，医生根据患者基础信息和运动测试结果，修改或确认软件推荐的运动处方。

参见表1，其示出了医生端和患者端设备的参数信息，需要说明的是，其仅是示例，具体的可以与应用环境进行灵活选择。

表1

患者可以通过患者端显示的按钮进行启动，即接收医生端的运动方案。然后，连接传感器至训练器。使得传感器和主被动训练器绑定，将传感器固定在主被动训练器上，参见图2，其示出了一种传感器的显示界面的示意图。该传感器可以包括启动键和指示灯，但是这并不限定传感器的操作界面，可以设置其他按钮以实现其功能操作。

当患者进行训练时，可根据医生端软件运动处方中预先设置的训练内容进行训练。在软件中根据主被动训练器带动传感器发生数据变化模拟上肢或下肢进行VR眼睛中交互操作。可通过医生端软件中的“停止训练”按钮结束训练内容。

在本发明的另一实施例中，处理设备可以包括：

患者管理单元，用于对患者的基础信息进行管理，所述管理包括对患者信息的录入、删除、编辑和搜索中的一种或多种。

参见图3，其示出了本发明实施例提供的一种医生端的显示界面的示意图，但是医生端的显示界面并不局限于此，处理设备的功能也并不局限于图3示出的功能。

对应的，医生端的功能可以包括：

登录系统：输入用户名和密码登录；

患者列表：可以展示当前所有的患者；

搜索患者：输入关键字如患者名字搜索患者；

患者详情：左侧有患者名字和训练按钮，右侧由运动处方、处方评估、等级三个tab页面操作具体的患者内容；

添加患者：输入名字、年龄、患侧、Brunnstrom等级等新增患者；

编辑患者：修改名字、年龄、患侧、Brunnstrom等级等；

编辑运动处方：删除，新增，修改；当前专利只针对于上下肢主被动训练处方；

处方评估：展示上肢和下肢各指标的得分和历史记录。

训练的实时观看：患者在进行训练时可以通过医生端软件所安装的显示设备实时观看VR设备上训练的内容。

其中，患者列表信息示意图可以参见图4，单个患者详情页面示意图可以参见图5。以训练器为手摇单车为例，图6为患者的进行康复训练的示意图。在主被动训练器手摇单车的把手侧方已经贴放传感器。这时通过不断的摇动手摇单车，通过传感器跟随手摇单车不断转动而发生数据不断的变化，将数据发送到佩戴的VR眼镜里，VR世界中有对应的模拟单车物件(如可以进行飞行的飞机)，同过数据变化进行VR世界中物体进行物理变化，完成交互操作。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中的虚拟现实设备还可以包括通信单元，实现与处理设备或者医生端相关设备进行通讯连接，便于医生的远程控制。例如，当医生端接收到运动参数信息后发现患者运动数据异常，可以生成提示信息或者预警信息，如提示患者放慢运动速度，或者提示用户停止运动。即虚拟现实设备包括预警单元；所述预警单元，用于接收所述处理设备的预警提示信息，并将所述预警提示信息输出至所述目标用户。

为了便于对患者的身体参数进行监测，该系统还包括身体参数监测设备，当所述目标用户佩戴所述身体参数监测设备时，所述身体参数监测设备实时采集，获得身体实时参数；所述身体参数监测设备，还用于当所述身体实时参数异常时，生成预警信息。

例如，身体参数监测设备可以为手环，用于监测用户的心跳、脉搏等身体实时参数。

可选地，所述虚拟现实设备包括动画处理单元；

所述动画处理单元，用于确定所述虚拟动画的控制目标，将所述运动参数数据转换为与所述控制目标相对应的控制参数；通过所述控制参数控制所述控制目标的运动，获得实时动画画面。

通过本发明实施例提供的基于虚拟现实的康复训练系统，建立了管理系统，能够动态调整处方，便于患者使用，减少治疗师对患者管理成本。为康复患者提供了完整处方，通过软硬件系统和软件系统相结合，完成固定处方中的各种游戏，不但有训练还有趣味性；治疗师和病人以及家属能在系统中查看患者训练情况以及训练后的数据，可以进行数据分析以及动态调整处方和处方中游戏方案。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于虚拟现实的康复训练系统，其特征在于，包括：

传感器、训练器、虚拟现实设备和处理设备，所述传感器放置在所述训练器上，所述虚拟现实设备被进行康复训练的目标用户所佩戴，所述传感器、所述虚拟现实设备分别与所述处理设备进行数据交互；

当所述目标用户使用所述训练器进行康复训练时，所述传感器用于采集所述训练器的属性数据和运动参数数据，将所述属性数据和所述运动参数数据分别传输给所述虚拟现实设备和所述处理设备；

所述虚拟现实设备，用于根据所述属性数据获取与所述训练器相匹配的虚拟动画；还用于基于所述运动参数数据生成所述虚拟动画的控制参数，基于所述控制参数生成实时动画画面，将所述实时动画画面展示给所述目标用户；

所述处理设备，用于存储所述运动参数数据，使得通过所述运动参数数据生成运动指导方案。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

患者终端，所述患者终端与所述处理设备进行数据连接；

所述患者终端，用于接收所述处理设备针对所述目标用户的初始运动指导方案；

所述传感器，还用于当所述目标用户基于所述初始运动指导方案进行训练时，采集所述训练器与所述初始运动指导方案对应的运动数据，并将所述运动数据传输给所述处理设备；

所述处理设备，用于基于所述运动数据和所述目标用户的基础信息，对所述初始运动指导方案进行调整，生成目标运动指导方案。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述患者终端与所述虚拟现实设备进行连接；

所述患者终端，还用于当所述虚拟现实设备存储有至少一种与所述训练器相匹配的虚拟动画时，对所述虚拟动画进行显示；响应于当目标用户在所述虚拟动画中确定目标虚拟动画时，将所述目标虚拟动画传输给所述虚拟现实设备。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理设备包括：评估单元和显示单元；

所述评估单元，用于根据所述运动参数数据，生成训练评估数据；

所述显示单元，用于对所述实时动画画面进行显示。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器包括惯性传感器，所述惯性传感器包括启动键和指示灯。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括光学动捕传感器，所述光学动捕传感器包括摄像单元和数据处理单元；

所述摄像单元，用于追踪所述目标用户的反射标记，获得捕捉数据；

所述数据处理单元，用于对所述捕捉数据进行处理，生成运动参数数据。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理设备包括：

患者管理单元，用于对患者的基础信息进行管理，所述管理包括对患者信息的录入、删除、编辑和搜索中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述虚拟现实设备包括预警单元；

所述预警单元，用于接收所述处理设备的预警提示信息，并将所述预警提示信息输出至所述目标用户。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括身体参数监测设备，当所述目标用户佩戴所述身体参数监测设备时，所述身体参数监测设备实时采集，获得身体实时参数；

所述身体参数监测设备，还用于当所述身体实时参数异常时，生成预警信息。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述虚拟现实设备包括动画处理单元；

所述动画处理单元，用于确定所述虚拟动画的控制目标，将所述运动参数数据转换为与所述控制目标相对应的控制参数；通过所述控制参数控制所述控制目标的运动，获得实时动画画面。

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