CN114445488A - 一种vr关节位置觉评定系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种VR关节位置觉评定系统，通过VR技术对受试者的关节位置觉进行评定，包括：VR交互模块、VR操作模块、分析计算模块；VR交互模块用于对评定操作界面、VR操作模块的空间操作及评定结果进行虚拟显示；VR操作模块用于对受试者的关节活动进行三维空间定位，并将定位信息分别传输到VR交互模块、分析计算模块；分析计算模块根据获取的VR操作模块三维空间定位信息对关节位置觉进行多维度评定；还公开了一种评定方法。实施本发明，提高了关节位置觉评定的精确性及趣味性，并且还可以对身体的多个关节的位置觉进行评定，解决了现有技术中关节位置觉评定的单一性、不够精确的问题。

Description

一种VR关节位置觉评定系统及方法
技术领域
本发明涉及虚拟显示康复评定技术领域，特别涉及一种VR关节位置觉评定系统及方法。
背景技术
关节位置觉属于本体感觉，本体感觉又称人体的深感觉，是指肌肉、肌腱、关节等运动器官本身在不同状态(如运动或静止)时产生的感觉。关节位置觉是关节静态位置的感知能力，在日常生活活动和体育运动都需要精确的关节位置觉，关节位置觉的评定是评价本体感觉功能的重要指标之一，在康复医学领域的研究和临床应用中具有重要意义。
对于关节位置觉的测定，目前国内测试的形式与方法多样，尚无广泛认可的客观、精准测定方法。
传统的关节位置觉(Joint position sense)测试一般仅对单关节进行评定，主要有以下4种不同的方法：被动摆位-被动复位、被动摆位-主动复位、主动摆位-主动复位、辅助摆位-辅助复位。其中，“被动”是指受试者的肢体活动全程完全靠测试者摆动(主要用于肢体无法进行活动的爱试者)，“主动”是指受试者全过程独立完成肢体摆动(主要用于可以独立进行肢体活动的爱试者)，“辅助”是指全程或者部分过程测试者协助受试者进行肢体摆动(主要用于能够部分完成肢体活动的受试者)。
关键测试过程包括：受试者戴上眼罩或者其他类似物品以达到遮挡视线目的，被测关节通过被动运动、主动运动或辅助运动摆位于某一目标角度，并记录该目标角度(目标角度A)，再让受试者记忆此角度的感受，然后受试者的关节通过被动运动、主动运动或者辅助运动摆回原位，最后让受试者在视线受阻的情况下，通过身体感觉以及被动运动、主动运动或辅助运动的方式复位至目标角度(目标角度B)(受试者认为目标角度A和目标角度B在同一个位置)。目标角度B的确认主要靠受试者的本体感觉进行判断。目标角度A和目标角度B的差距反映受试者的关节位置觉能力，差距越小，关节位置觉越好，差距越大，关节位置觉越差。角度的测量方式既可以是测试人员使用传统量角器进行手动测量，也可以使用机械设备进行测量。一般临床工作中，会重复测量三次，以平均值的方式，反映关节位置觉的水平。
传统方法测试维度单一，仅从关节的角度差一个维度评定关节位置觉，这种二维参数评定是不够的，无法精准反映在三维空间运动的关节置的变化。只能测试单个关节的位置觉，无法测试多关节的复合关节位置觉(例如将手掌放置某一位置时需要肩、肘、腕关节共同运动，涉及多关节的关节位置觉)。使用手动量角器进行评定时，评定结果受主观影响，其中的测试者操作过程和受试者主观报告均易产生较大的误差；使用机械进行评定的方式，虽然精准度较高，但机械设备操作较复杂，不够便携，一般用于科研活动，临床的使用较少。
发明内容
现有的关节位置觉评定测试维度单一，测试部位固定，并且受主观因素影响较大，评定不精确，机械评定的设备操作复杂，不够便携。
针对上述问题，提出一种VR关节位置觉评定系统及方法，通过利用VR技术对受试者的关节活动进行三维空间定位并采集三维空间定位坐标信息，获取的VR操作模块三维空间定位信息，从定位信息的距离平均值、距离标准差及距离变异系数对关节位置觉进行多维度评定，提高了关节位置觉评定的精确性及趣味性，并且还可以对身体的多个关节的位置觉进行评定，解决了现有技术中关节位置觉评定的单一性、不够精确的问题。
第一方面，一种VR关节位置觉评定系统，用于对受试者的关节位置觉进行评定，包括：
VR交互模块；
VR操作模块；
分析计算模块；
所述VR交互模块用于对评定操作界面、所述VR操作模块的空间操作及评定结果进行虚拟显示；
所述VR操作模块用于对受试者的关节活动进行三维空间定位，并将定位信息分别传输到所述VR交互模块、分析计算模块；
所述分析计算模块根据获取的VR操作模块三维空间定位信息对关节位置觉进行多维度评定；
所述三维空间定位为受试者在有无VR视觉参与状况下将所述VR操作模块移动到目标位置的不同空间坐标信息；
所述多维度包括所述不同空间坐标信息的距离平均值、所述距离的标准差及距离的变异系数。
结合本发明所述的VR关节位置觉评定系统，第一种可能的实施方式中，所述VR交互模块包括：
第一空间定位单元；
所述第一空间定位单元用于对所述VR交互模块进行六自由度三维空间定位。
结合本发明第一种可能的实施方式，第二种可能的实施方式中，所述VR操作模块包括：
第二空间定位单元；
数据采集单元；
所述第二空间定位单元用于对所述VR操作模块进行六自由度三维空间定位；
所述数据采集单元用于采集所述第二空间定位单元的不同空间坐标信息并将所述不同空间坐标信息传输到所述分析计算模块。
结合本发明第二种可能的实施方式，第三种可能的实施方式中，所述距离平均值
Figure BDA0003488314720000031
为：
Figure BDA0003488314720000032
其中，dn表示第n次重复测试中无VR视觉参与的重置位置坐标与有VR视觉参与的目标位置坐标之间的距离。
结合本发明第三种可能的实施方式，第四种可能的实施方式中，所述距离标准差S为：
Figure BDA0003488314720000033
其中，n表示进行了n次重复测试。
结合本发明第四种可能的实施方式，第五种可能的实施方式中，所述距离变异系数CV为：
Figure BDA0003488314720000041
所述关节位置觉与所述距离平均值
Figure BDA0003488314720000042
距离标准差S呈反比。
第二方面，一种VR关节位置觉评定方法，采用第一方面所述的评定系统，包括：
步骤100、对评定操作界面及所述VR操作模块的空间操作进行VR显示；
步骤200、利用所述VR操作模块对受试者的关节活动进行三维空间定位并采集三维空间定位坐标信息。
步骤300、根据获取的VR操作模块三维空间定位信息对关节位置觉进行多维度评定；
所述步骤300包括：
步骤301、利用所述不同空间坐标信息的距离平均值、距离标准差及距离变异系数对关节位置觉进行评定。
结合本发明第二方面所述的VR关节位置觉评定方法，第一种可能的实施方式中，所述步骤200包括：
步骤210、在VR视觉下受试者将所述VR操作模块放置到三维空间的任意的第一目标位置；
步骤220、关闭VR视觉，并引导受试者将所述VR操作模块放置到原位；
步骤230、保持所述VR视觉关闭，受试者主动或者受助将所述VR操作模块放置到第二目标位置；
步骤240、分别采集所述第一目标位置坐标信息、所述第二目标位置坐标信息并将所述第一目标位置坐标信息、所述第二目标位置坐标信息传输到分析计算模块；
步骤250、重复步骤210-步骤240，进行多次空间坐标数据信息采集；
其中，所述第二目标位置为受试者通过本体感觉判定、与所述第一目标位置相同的实际位置。
结合本发明第二方面第一种可能的实施方式，第二种可能的实施方式中，所述步骤300包括：
步骤310、计算多次测试中第二目标位置坐标与第一目标位置坐标的距离平均值；
步骤320、利用多次测试的距离计算第二目标位置坐标与第一目标位置坐标的距离标准差；
步骤330、利用所述距离平均值、距离标准差计算所述第二目标位置坐标与第一目标位置坐标的变异系数；
步骤340、利用所述距离平均值、距离标准差、变异系数对关节位置觉进行评定。
结合本发明第二方面第二种可能的实施方式，第三种可能的实施方式中，所述方法还包括：
步骤400、测试结束后，打开所述VR视觉，显示评定结果。
实施本发明所述的种VR关节位置觉评定系统及方法，通过利用VR技术对受试者的关节活动进行三维空间定位并采集三维空间定位坐标信息，获取的VR操作模块三维空间定位信息，从定位信息的距离平均值、距离标准差及距离变异系数对关节位置觉进行多维度评定，提高了关节位置觉评定的精确性及趣味性，并且还可以对身体的多个关节的位置觉进行评定，解决了现有技术中关节位置觉评定的单一性、不够精确的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本发明中VR关节位置觉评定系统组成示意图；
图2是本发明中VR操作模块示意图；
图3是本发明中VR关节位置觉评定方法第一实施例示意图；
图4是本发明中VR关节位置觉评定方法第二实施例示意图；
图5是本发明中VR关节位置觉评定方法第三实施例示意图；
附图中各数字所指代的部位名称为：100——VR交互模块、200——VR操作模块、300——分析计算模块、210——第二空间定位单元、220——数据采集单元。
具体实施方式
下面将结合发明中的附图，对本发明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的一部分实施例，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付出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有的关节位置觉评定测试维度单一，测试部位固定，并且受主观因素影响较大，评定不精确，机械评定的设备操作复杂，不够便携。
针对上述问题，提出一种VR关节位置觉评定系统及方法。
第一方面，如图1，图1是本发明中VR关节位置觉评定系统组成示意图，一种VR关节位置觉评定系统，用于对受试者的关节位置觉进行评定，包括：VR交互模块100、VR操作模块200、分析计算模块300；VR交互模块100用于对评定操作界面、VR操作模块200的空间操作及评定结果进行虚拟显示；VR操作模块200用于对受试者的关节活动进行三维空间定位，并将定位信息分别传输到VR交互模块100、分析计算模块300；分析计算模块300根据获取的VR操作模块200三维空间定位信息对关节位置觉进行多维度评定；三维空间定位为受试者在有无VR视觉参与状况下将VR操作模块200移动到目标位置的不同空间坐标信息；多维度包括不同空间坐标信息的距离平均值、距离的标准差及距离的变异系数。通过利用VR技术对受试者的关节活动进行三维空间定位并采集三维空间定位坐标信息，获取的VR操作模块200三维空间定位信息，从定位信息的距离平均值、距离标准差及距离变异系数对关节位置觉进行多维度评定，提高了关节位置觉评定的精确性及趣味性，并且还可以对身体的多个关节的位置觉进行评定，解决了现有技术中关节位置觉评定的单一性、不够精确的问题。
优选地，VR交互模块100包括第一空间定位单元；第一空间定位单元用于对VR交互模块100进行六自由度三维空间定位。
第一空间定位单元将实时定位信息通过数据采集单元220传输到分析计算模块300。
优选地，如图2，图2是本发明中VR操作模块200示意图，VR操作模块200包括第二空间定位单元210、数据采集单元220、第二空间定位单元210用于对VR操作模块200进行六自由度三维空间定位；数据采集单元220用于采集第二空间定位单元210的不同空间坐标信息并将不同空间坐标信息传输到分析计算模块300。
第二空间定位单元210主要实现对VR操作模块200的空间定位，获取受试者对VR操作模块200进行操作的坐标信息，在有的实施方式，也可以实施为包括对VR操作模块200进行操作的姿态信息。
第二空间定位单元210的不同空间坐标信息：受试者根据语音和动画界面指引和测试者引导(通过主动运动、被动运动或辅助运动)将VR操作模块200放置到三维空间的任意目标位置A，此时为第一目标位置，系统引导受试者或测试者将肢体放置回原位(通过主动运动、被动运动或辅助运动将肢体摆放至自然下垂)，VR交互模块100屏幕保持黑屏，此时系统不再显示VR操作模块200影像，受试者并不能通过VR视觉获得任何VR操作模块200的位置信息，只能通过本体感觉获取，受试者自行将VR操作模块200重置在自己所认为的目标位置A，此时记为第二目标位置(主动运动时)。或者由测试者协助将肢体摆放到位置A(被动运动或者辅助运动时)，并将受试者凭本体感觉判断的A点，设置成第二目标位置(目标位置B)。
进一步地，距离平均值
Figure BDA0003488314720000071
为：
Figure BDA0003488314720000072
其中，dn表示第n次重复测试中无VR视觉参与的重置位置坐标与有VR视觉参与的目标位置坐标之间的距离。
进一步地，距离标准差S为：
Figure BDA0003488314720000073
其中，n表示进行了n次重复测试。
进一步地，距离变异系数CV为：
Figure BDA0003488314720000074
关节位置觉与距离平均值
Figure BDA0003488314720000075
距离标准差S呈反比。
由操作手柄三次目标位置坐标到三次重置坐标的距离的平均值
Figure BDA0003488314720000076
和变异系数CV来表示关节位置觉，
Figure BDA0003488314720000077
越大，CV越大，关节位置觉越差；
Figure BDA0003488314720000078
越小，CV越小，关节位置觉越好。
VR交互模块100显示操作界面及受试者对VR操作模块200的三维空间操作，VR交互模块100、VR操作模块200分别包含第一空间定位单元、第二空间定位单元210进行分别定位。
其中的VR交互模块100、VR操作模块200可以分别为VR眼镜、操作手柄。
进入操作界面，受试者手握操作手柄，通过VR眼镜中的VR视觉可看到操作界面。界面中会显示操作手柄影像，受试者根据语音和动画界面指引和测试者引导(通过主动运动、被动运动或辅助运动)将操作手柄放置到三维空间的任意目标位置A，记为第一目标位置，受试者或测试者标记该点后，屏幕黑屏，模拟受试者处于黑暗的空间，无法通过视觉判断任何物品位置。受试者的操作手柄处于位置A，并感受操作手柄所在位置，系统中的数据采集单元220通过采集操作手柄第一目标位置(位置A)的三维坐标(x0,y0,z0),基于虚拟环境的0点(0，0，0)为三维坐标系原点进行推算。
系统引导受试者或测试者将肢体放置回原位(通过主动运动、被动运动或辅助运动将肢体摆放至自然下垂)，VR眼镜屏幕继续保持黑屏，此时系统不再显示操作手柄影像，受试者并不能通过VR视觉获得任何操作手柄的位置信息，只能通过本体感觉获取，受试者自行将操作手柄重置在自己所认为的目标位置A，记为第二目标位置(主动运动时)。或者由测试者协助将肢体摆放到位置A(被动运动或者辅助运动时)，并将受试者凭本体感觉判断的A点，设置成第二目标位置(目标位置B)。系统采集此时坐标(x1,y1,z1)。测试完成后，VR眼镜屏幕开启，并显示受试者的第一目标位置(目标位置A)和第二目标位置(目标位置B)的差距。
受试者或者测试者任意选择目标A位置后，假设重复上述测量3次，分别可获得三个目标位置坐标位置A，分别是(x01,y01,z01)、(x02,y02,z02)、(x03,y03,z03)，三个目标坐标位置B，分别是(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)和三个目标坐标差距数据d1、d2、d3，可以通过式子(4)计算。
Figure BDA0003488314720000091
第二方面，如图3，图3是本发明中VR关节位置觉评定方法第一实施例示意图，一种VR关节位置觉评定方法，采用第一方面的评定系统，包括：步骤100、对评定操作界面及VR操作模块200的空间操作进行VR显示；步骤200、利用VR操作模块200对受试者的关节活动进行三维空间定位并采集三维空间定位坐标信息。步骤300、根据获取的VR操作模块200三维空间定位信息对关节位置觉进行多维度评定；步骤300包括：步骤301、利用不同空间坐标信息的距离平均值、距离标准差及距离变异系数对关节位置觉进行评定。
优选地，如图4，图4是本发明中VR关节位置觉评定方法第二实施例示意图，步骤200包括：步骤210、在VR视觉下受试者将VR操作模块200放置到三维空间的任意的第一目标位置；步骤220、关闭VR视觉，并引导受试者将VR操作模块200放置到原位；步骤230、保持VR视觉关闭，受试者主动或者受助将VR操作模块200放置到第二目标位置；步骤240、分别采集第一目标位置坐标信息、第二目标位置坐标信息并将第一目标位置坐标信息、第二目标位置坐标信息传输到分析计算模块300；步骤250、重复步骤210-步骤240，进行多次空间坐标数据信息采集；其中，第二目标位置为受试者通过本体感觉判定、与第一目标位置相同的实际位置。
优选地，如图5，图5是本发明中VR关节位置觉评定方法第三实施例示意图；步骤300包括：步骤310、计算多次测试中第二目标位置坐标与第一目标位置坐标的距离平均值；步骤320、利用多次测试的距离计算第二目标位置坐标与第一目标位置坐标的距离标准差；步骤330、利用距离平均值、距离标准差计算第二目标位置坐标与第一目标位置坐标的变异系数；步骤340、利用距离平均值、距离标准差、变异系数对关节位置觉进行评定。
优选地，方法还包括：步骤400、测试结束后，打开VR视觉，显示评定结果。
实施本发明的种VR关节位置觉评定系统及方法，通过利用VR技术对受试者的关节活动进行三维空间定位并采集三维空间定位坐标信息，获取的VR操作模块200三维空间定位信息，从定位信息的距离平均值、距离标准差及距离变异系数对关节位置觉进行多维度评定，提高了关节位置觉评定的精确性及趣味性，并且还可以对身体的多个关节的位置觉进行评定，解决了现有技术中关节位置觉评定的单一性、不够精确的问题。
以上仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种VR关节位置觉评定系统，其特征在于，通过VR技术对受试者的关节位置觉进行评定，包括：
VR交互模块；
VR操作模块；
分析计算模块；
所述VR交互模块用于对评定操作界面、所述VR操作模块的空间操作及评定结果进行虚拟显示；
所述VR操作模块用于对受试者的关节活动进行三维空间定位，并将定位信息分别传输到所述VR交互模块、分析计算模块；
所述分析计算模块根据获取的VR操作模块三维空间定位信息对关节位置觉进行多维度评定；
所述三维空间定位为受试者在有无VR视觉参与状况下将所述VR操作模块移动到目标位置的不同空间坐标信息；
所述多维度包括所述不同空间坐标信息的距离平均值、距离标准差及距离变异系数。
2.根据权利要求1所述的VR关节位置觉评定系统，其特征在于，所述VR交互模块包括：
第一空间定位单元；
所述第一空间定位单元用于对所述VR交互模块进行六自由度三维空间定位。
3.根据权利要求2所述的VR关节位置觉评定系统，其特征在于，所述VR操作模块包括：
第二空间定位单元；
数据采集单元；
所述第二空间定位单元用于对所述VR操作模块进行六自由度三维空间定位；
所述数据采集单元用于采集所述第二空间定位单元的不同空间坐标信息并将所述不同空间坐标信息传输到所述分析计算模块。
4.根据权利要求3所述的VR关节位置觉评定系统，其特征在于，所述距离平均值
Figure FDA0003488314710000021
为：
Figure FDA0003488314710000022
其中，dn表示第n次重复测试中无VR视觉参与的重置位置坐标与有VR视觉参与的目标位置坐标之间的距离。
5.根据权利要求4所述的VR关节位置觉评定系统，其特征在于，所述距离标准差S为：
Figure FDA0003488314710000023
其中，n表示进行了n次重复测试。
6.根据权利要求5所述的VR关节位置觉评定系统，其特征在于，所述距离变异系数CV为：
Figure FDA0003488314710000024
所述关节位置觉与所述距离平均值
Figure FDA0003488314710000025
距离标准差S呈反比。
7.一种VR关节位置觉评定方法，采用权利要求1-6任一所述的评定系统，其特征在于，包括：
步骤100、对评定操作界面及所述VR操作模块的空间操作进行VR显示；
步骤200、利用所述VR操作模块对受试者的关节活动进行三维空间定位并采集三维空间定位坐标信息；
步骤300、根据获取的VR操作模块三维空间定位信息对关节位置觉进行多维度评定；
所述步骤300包括：
步骤301、利用所述不同空间坐标信息的距离平均值、距离标准差及距离变异系数对关节位置觉进行评定。
8.根据权利要求7所述的VR关节位置觉评定方法，其特征在于，所述步骤200包括：
步骤210、在VR视觉下受试者将所述VR操作模块放置到三维空间的任意的第一目标位置；
步骤220、关闭VR视觉，并引导受试者将所述VR操作模块放置到原位；
步骤230、保持所述VR视觉关闭，受试者主动或者受助将所述VR操作模块放置到第二目标位置；
步骤240、分别采集所述第一目标位置坐标信息、所述第二目标位置坐标信息并将所述第一目标位置坐标信息、所述第二目标位置坐标信息传输到分析计算模块；
步骤250、重复步骤210-步骤240，进行多次空间坐标数据信息采集；
其中，所述第二目标位置为受试者通过本体感觉判定、与所述第一目标位置相同的实际位置。
9.根据权利要求8所述的VR关节位置觉评定方法，其特征在于，所述步骤300包括：
步骤310、计算多次测试中第二目标位置坐标与第一目标位置坐标的距离平均值；
步骤320、利用多次测试的距离计算第二目标位置坐标与第一目标位置坐标的距离标准差；
步骤330、利用所述距离平均值、距离标准差计算所述第二目标位置坐标与第一目标位置坐标的变异系数；
步骤340、利用所述距离平均值、距离标准差、变异系数对关节位置觉进行评定。
10.根据权利要求9所述的VR关节位置觉评定方法，其特征在于，所述方法还包括：
步骤400、测试结束后，打开所述VR视觉，显示评定结果。
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