CN115738188A - 一种基于虚拟现实技术的平衡功能训练设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于平衡功能训练技术领域，具体为一种基于虚拟现实技术的平衡功能训练设备和方法。本发明设备包括运动传感模块、虚拟运动环境辅助模块和中央处理器；运动传感模块实时定位训练任务中踝关节、头部及肢体等相关变量，并传输变量数据至中央处理器；辅助模块通过视觉模拟及足底触感构建仿真训练环境；虚拟现实终端将运动变量数据经过中央处理器计算后映射至VR空间内呈现可视化模拟足踝本体空间运动；中央处理器收集训练任务中的运动参数数据及生理指标数据，进行计算交互反馈，分析对应的虚拟运动环境及进阶任务，判断训练目标达成率，从而实现差异化的平衡功能训练。本发明可用于体感失调、运动损伤防治、老年人防跌倒等足踝平衡功能训练。

Description

一种基于虚拟现实技术的平衡功能训练设备和方法

技术领域

本发明属于平衡功能训练技术领域，具体涉及一种平衡功能训练的设备和方法，尤其涉及一种基于虚拟现实技术的足踝平衡功能训练设备和方法。

背景技术

平衡功能是人体最重要的运动相关功能之一。平衡功能减退会导致跌倒、扭伤等高危行为的风险明显增高，并进一步产生骨折、脑外伤等损伤，甚至可能危及生命。运动损伤及老龄化是导致平衡功能减退的两类常见原因。前者包括踝关节扭伤、膝关节韧带撕裂等疾病，仅踝关节扭伤的其发病率就高达1例/万人/天。我们的研究显示踝关节扭伤后的不稳定可以导致严重的平衡功能减退。老龄化更是目前我国目前面临的重要问题，而我国60岁以上老年人跌倒发生率为18%，跌倒后约5%-15%会造成骨折等并发症。

现有的平衡训练通常需要患者自行前往专业的医疗机构进行功能诊断，由运动医学及康复医师根据患者个人情况进行训练指导。虽然传统方式下的平衡功能训练有效性已得到了学术界的广泛认可。但不足的是训练方案内容较为单一、形式枯燥，对于普通患者——尤其是对恢复平衡功能需要长期训练的患者来说，枯燥的练习会让他们失去训练依从度，无法坚持必要的功能训练，再有效的方法也起不到任何的作用。

另一方面，虽然医疗机构的平衡训练较为有效，但需要昂贵的设备、足够的空间、专门配置的医护人力，以及病患的频繁复诊，医患的经济负担较大。近年来疫情影响下，许多患者由于个人或防疫原因也不能经常前往医疗机构。因此如何在保证训练有效性的情况下，患者既能在家就完成训练，同时训练设计还足够有趣、足够提高患者的依从度，是现阶段平衡功能训练方案制定的重要任务。

最新的研究已经证实虚拟现实技术操作方便，人-机交互性好，可以设计不同的场景和任务，仿真度高，因此使用者依从性更高，更能坚持完成训练。但目前在国内尚未有规模化、成熟的市场化虚拟现实产品用于足踝平衡功能训练。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作方便、仿真度高，从而提高使用者依从性的基于虚拟现实技术的平衡功能训练设备和方法。

本发明提供的基于虚拟现实技术的平衡功能训练设备，可以通过小型便携的VR及传感器，为患者提供居家的、有趣有效的平衡训练。通过虚拟现实技术可实现多种训练场景、进阶难度分级，并结合传感器生理指标的反馈，在长时间的训练中提供准确和统一的平衡功能练习。同时，医护人员可远程调整患者适应训练难度和内容，降低了医护的时间成本和训练的经济成本。训练后的实时反馈以及奖励机制的设置也可以令患者依从性更高，更能坚持完成训练。

本发明提供的基于虚拟现实技术的平衡功能训练设备，包括：外设运动传感模块，虚拟运动环境辅助模块，中央处理器；包括运动传感模块、虚拟运动环境辅助模块和中央处理器；运动传感模块通过实时定位训练任务中踝关节、头部及肢体的姿态、空间角度、位移，以及生理指标等变量，获得并传输变量数据至中央处理器；虚拟运动环境辅助模块通过视觉模拟及足底触感构建出仿真训练环境；虚拟现实终端将上述运动变量数据经过中央处理器计算后映射至VR空间内呈现可视化模拟足踝本体空间运动；中央处理器通过收集训练任务中的运动参数数据、个体信息及生理指标数据，进行计算交互反馈，分析并匹配对应的虚拟运动环境及进阶任务，判断训练目标达成率，从而实现差异化的平衡功能训练。

其中：

所述外设运动传感模块，用于采集运动姿态参数，包括肢体运动姿态参数和生理状态参数；

所述虚拟运动环境辅助模块，用于实现训练环境和任务模拟，通过视觉场景模拟及足底触感构建出不同的仿真训练环境，将上述运动姿态参数映射至场景空间内呈现可视化的模拟足踝本体运动，并呈现交互反馈以达到训练目标；

所述中央处理器，用于储存和计算上述运动姿态参数、任务交互参数；根据得到的数据分析训练结果，并通过所述虚拟运动环境辅助模块输出对应的虚拟运动场景及任务内容，从而实现难度进阶的平衡功能训练。

所述外设运动传感模块包括：

穿戴式踝关节姿态传感器，用于获取健侧足踝的位移、角度、距离等参数，并通过蓝牙串口将数据传输给虚拟运动环境辅助模块，从而实现运动姿态在训练场景中的映射；穿戴式踝关节姿态传感器，使用时穿戴踝关节处，参见图3所示。

进一步的，外设运动传感模块还包括：指尖脉率血氧仪、患侧肌电传感器、头部姿态传感器、手部姿态传感器；使用时，患侧肌电传感器固定于患侧小腿处，头部姿态传感器固定于头部，手部姿态传感器固定于双手手腕处；参见图3所示。其中：

所述指尖脉率血氧仪，用于获取患者训练中实时心率和血氧数据的监测；

所述患侧肌电传感器，用于获取患者训练中患侧小腿的肌电参数，帮助分析患侧的平衡能力；

所述头部姿态传感器，用于获取患者训练中头部运动姿态参数，帮助判断患者的任务完成程度和平衡状态，以判断训练目标是否达成；

所述手部姿态传感器，用于获取患者训练中手部运动姿态参数，计算训练中交互任务的触达效果，帮助判断患者的平衡能力。

所述虚拟运动环境辅助模块包括：虚拟现实视觉终端设备、训练场景数据库、足底触感辅助设施；其中：

所述虚拟现实视觉终端设备，用于在视觉上呈现仿真训练环境，即不同的训练场景；并呈现健侧足部在场景中的映射，以帮助患者实现训练任务的交互；该虚拟现实视觉终端设备虚拟现实在显示屏上显示，有市场上有售。

所述训练场景数据库，用于储存多种平衡功能训练场景，包括：球类运动场景、田径类运动场景、水上项目运动场景、冰雪类项目运动场景、体操项目运动场景；不同的场景配以不同的训练任务；数据库设置于终端设备的硬件存储器中。

所说足底触感辅助设施，包括平衡软垫和平衡球，用于配合适应训练任务的难度等级；

具体地，根据训练任务要求，放置于足底，平衡软垫为轻微增加患侧足踝平衡的难度，平衡球为进阶复杂难度；两者都是在训练中配合提升训练难度，即配合模拟仿真训练地平，如在滑雪训练场景中使用平衡球可增加弯道模拟感。

所述中央处理器，包括数据储存模块和数据计算模块；其中：

所述数据储存模块，包括患者背景信息数据库、运动参数数据库、生理指标参数数据库；

进一步的，患者背景信息数据库包括患者姓名、身高、体重、脚长、腿长、惯用足、受伤侧和VAS评分，训练关卡得分；

进一步的，运动参数数据库包括三轴足踝位移角度和距离，三轴头部位移角度和距离，三轴双手位移角度和距离；

进一步的，生理指标参数包括血氧、心率、肌电等参数。

所述数据计算模块，根据所获取运动参数和的患者生理参数，计算训练过程中患者的任务完成程度，判断训练关卡是否达成，输出训练交互反馈和结果。

本发明还提出基于平衡功能训练VR设备的平衡训练方法，具体步骤如下：

（一）训练前评估：

a.评估患者的身高体重、惯用足、受伤侧、VAS评分等指标并输入中央处理器的数据储存模块；

b.患者穿戴所述运动传感模块进行生理状态基线测定，通过用于采集生理参数的传感器采集人体生理参数，结合上述a的数据，进行平衡功能综合评分，以百分制评定；

（二）具体训练，步骤为：

a.患者所处家中安静且安全的环境中，穿戴所述运动传感器和虚拟现实终端设备，并连接好传输信号；

b.根据训练前的评估，患者进入到与其当前平衡功能损伤状态最匹配的训练场景中，从任务难度最基础的级别依次进行训练，逐级完成该场景的任务要求；

c.如患者顺利通过了该场景内各个级别的训练任务，统计得分过关，则视为该场景内的训练目的达成（这里涉及得分计算方法以及判别规则，每个场景根据任务不同，得分规则有差异，如足球训练场景中，以虚拟发球机每组随机8个球*3组，健侧足部踢中24个球内的20个以上的球即获得20分以上为顺利过关），可根据需要进行下一场景的平衡训练；如该场景内训练得分未过关，则无法获得下一场景的训练权限；

d.患者需每周完成3-4次的训练，共持续4周为一个训练周期；每天训练完成后进行数据上传；每个训练周期开始前及结束后 患者均需做一次平衡功能BESS测试、YBT测试；

训练过程中，根据训练内容提示，患者站立于平地、或平衡软垫、或平衡球上，完成任务即可。

根据本发明实施例的基于虚拟现实技术的平衡功能训练设备和方法，不仅能够方便患者进行长期居家的、专业的、富有趣味性的平衡功能训练，同时通过实时采集个体运动及生理指标，相应进行差异化的自主平衡训练，使得患者及医疗机构的经济及劳动负担大大降低，尤其适用于疫情之下的规模化的平衡功能训练。

本发明可用于包括本体感失调、运动损伤防治、老年人防跌倒训练，以及中枢神经疾病等适应症下的足踝平衡功能训练。

附图说明

图1是本发明基于虚拟现实技术的平衡功能训练设备的原理示意图。

图2是本发明基于虚拟现实技术的平衡功能训练设备的工作流程图。

图3为根据本发明一个实施例的平衡功能训练设备的使用实例示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例进一步介绍本发明平衡功能训练设备及其使用方法。

图1是根据本发明一个实施例的平衡功能训练设备的设备示意图。如图1所示，该平衡功能训练设备，包括：

外设运动传感模块，用于采集运动姿态参数，包括肢体运动姿态参数和生理状态参数；

中央处理器，用于储存和计算运动姿态参数、训练任务交互参数；根据得到的数据分析训练结果，并输出对应的虚拟运动场景数据及任务数据；

虚拟运动环境辅助模块，用于通过视觉场景模拟及足底触感构建出不同的仿真训练环境，将上述运动姿态参数映射至视觉终端设备呈现可视化的模拟足踝本体运动，并呈现中央处理器输出的交互反馈；其可为便携式VR显示屏以及可进行无线通信的平板电脑或手机等相关装置。

所述用于运动传感模块的外设包括：

运动姿态传感器包括穿戴于足踝、手部和头部的无线姿态传感器，穿戴于腿部的无线肌电传感器，均用蓝牙的方式连接到中央处理器；

生理指标传感器包括无线指套式心率血氧监测仪，实时监测脉搏、心率变异性、及血氧信号传输至所述中央处理器，数据主要用以反应患者的训练压力适应性，当动脉血氧饱和度低于95%、心率高于120/秒时，系统预警提示患者暂停训练。

所述中央处理器为基于安卓系统的移动处理器，处理器通过蓝牙端口进行数据传输；

中央处理器包括数据储存模块，该模块为移动储存模块，可根据数据量的累积进行扩容，主要储存患者训练前个体评估信息、运动姿态参数、生理指标参数、训练人机交互数据；

中央处理器还包括数据计算模块，处理器从传感器读取到的原始十六进制元数据后，按字节位数范围计算出空间坐标、四元数、欧拉角标识等信息。该计算模块的内容见附录。

上述计算模块将所述空间坐标、四元数、欧拉角标识的计算结果映射至虚拟运动场环境的三维空间内，同时，还把患者交互命令反馈至虚拟运动环境辅助模块。

所述虚拟运动场景辅助模块包括训练场景数据库，用于接到处理器指令后对训练任务场景渲染输出匹配患者的平衡功能训练场景，包括但不局限于：球类运动场景、田径类运动场景、水上项目运动场景、冰雪类项目运动场景、体操项目运动场景等。

所述虚拟运动场景辅助模块还包括VR终端视觉输出装置，可以但不局限于移动式3D虚拟现实显示屏（用于居家环境），或空间环绕式虚拟现实3D大屏幕（用于专门的训练房），该终端连通中央处理器及训练场景数据库。

所述虚拟运动场景辅助模块还包括足底触感辅助设备，用于配合训练场景模拟真实的地平，包括并不局限于平衡软垫、平衡球、平衡板等，根据任务难度需要而使用。

图2是根据本发明一个实施例的平衡功能训练设备的工作流程示意图：

开启设备后，首先进行训练初始化，穿戴完成运动传感模块并准备好虚拟现实终端设备，记录患者身份信息、生理状态监测开启、运动姿态的初始化设定（坐姿或站姿），选择匹配的训练任务场景。

训练开始后，患者在虚拟训练场景下的交互，即足部、手部和头部的运动姿态数据被实时获得并传输至中央处理器进行计算，并判断运动轨迹是否实现任务交互逻辑的要求而进行评价。

本发明的训练场景数据库包含多种平衡功能训练场景，其中：

（一）球类运动训练场景的平衡训练评分规则为：

（1）健侧踢中随机球计1分，满分=每组随机球的数量*组数，训练结束后依据累计得分评价是否过关；

（2）视觉追踪球类运行轨迹，并保持足部和头部的平衡位置，如足部或头部在训练中的空间位置超过允许的范围，则记为1次犯规，训练结束后依据累计犯规次数是否超过规定的次数来评价。

（二）田径类运动训练场景的平衡训练评分规则为：

（1）健侧抬起至指定空间位置并在规定时长内保持静止，期间头部空间范围被划定，如健侧提前落地或头部位置超过规定范围，则记为1次犯规，训练结束后依据累计犯规次数是否超过规定的次数来评价；

（2）健侧连续抬起至指定高度的点位，满分=每组点位数量*组数，训练结束后依据累计得分评价是否过关。

（三）水上项目训练场景的平衡训练评分规则为：

（1）坐姿下，手部依照指定任务进行对应动作，足部保持自然静止，如足部在训练中的空间位置超过允许的范围，则记为1次犯规，训练结束后依据累计犯规次数是否超过规定的次数来评价；

（2）站姿下，手部依照指定任务进行对应动作，足部保持某指定固定位置的静止，如足部在训练中的空间位置超过允许的范围，则记为1次犯规，训练结束后依据累计犯规次数是否超过规定的次数来评价。

（四）冰雪类项目运动场景：

半蹲的姿态下，双脚静止，上身移动躲避障碍物，满分=每组障碍物的数量*组数，同时，训练中脚部移动1次被记为扣1分，训练结束后依据累计得分评价是否过关。

（五）体操项目运动场景；

（1）站姿下，足部、手部保持在定位点上满足规定时间，如在规定时间内足部或手部离开规定点位，则计为犯规1次，训练结束后依据累计犯规次数是否超过规定的次数来评价；

（2）依照指令实现头部的点位移动，同时足部保持在某指定固定位置的静止，如足部在训练中的空间位置超过允许的范围，则记为1次犯规，训练结束后依据累计犯规次数是否超过规定的次数来评价。

训练结束后，处理器计算该场景下的患者累计交互完成度（如 累计得分）并结合该场景训练指标判断给出是否过关的结果，如该训练过关，则开放下一进阶难度的训练场景权限；如未过关，则允许患者重新训练或退出并记录该次训练结果。

使用实例，平衡功能训练设备的使用实例参见图3：

1、患者处于安静安全的环境中，穿戴好运动姿态传感器和生理指标传感器，并为虚拟现实终端设备打开电源及蓝牙信号开关，根据当次训练要求准备好相应的足底触感辅助设备；

2、使用虚拟现实终端设备进入到训练大厅，等待界面显示各传感器信号已连接，并在界面中看到实时的心率、血氧等生理数据的反馈后，点击本次训练的场景选项；

3、进入训练场景后，训练计时开始前，患者根据文字及语音提示，选择坐姿、双腿站姿或单腿站姿进行训练场景初始化；训练计时开始后，患者按照训练内容使用健侧对场景内的任务进行交互（如保持静止、抬高、下放、踢中目标、按角度运动等），同时，患者需要在该场景内完成多组重复或难度逐级提升的交互，直至训练计时结束；

4、训练结束后，患者等待系统给出评价结果，“恭喜过关”或“很遗憾未过关”；患者可根据结果选择继续下一场景的训练，或者再该场景重新练习；在训练权限上，患者只有通过了上一关才能进入下一难度的训练；

5、患者需每周需完成3-4次的训练，共持续4周为一个训练周期；每个训练周期开始前及结束后患者均需做一次平衡功能BESS测试、YBT测试，该测试需由专业医疗人员进行随访评估。

根据本发明实施例的基于虚拟现实技术的平衡功能训练设备和方法，通过虚拟现实技术不仅实现了可视化、系统化的多种平衡训练场景、进阶难度的分级，并结合运动传感器和生理指标的反馈，为差异化的自主平衡训练提供了依据，在长时间的训练中提供了准确统一的、居家的、富有趣味性的、适用于不同程度、不同年龄的平衡功能失调患者的训练，解决了传统平衡训练枯燥、缺乏训练交互、依从性低的弊端，使得患者及医疗机构的经济及劳动负担大大降低，尤其适用于疫情之下规模化的平衡功能训练需求，医护人员可远程调整患者平衡训练难度和内容，降低了医护的时间成本和训练的经济成本，提升了患者的平衡训练质量和生活质量。

附录：计算模块计算空间坐标、四元数、欧拉角标识信息：

数据字节数组bytes 第7位到27位表示位置和旋转的数据。其中：

空间位置坐标（x,y,z）计算为:

x = bytes[22][21] * 转换系数；

y = bytes[24][23] * 转换系数；

z = bytes[26][25] * 转换系数，

其中转换系数为0.0054931640625fm/s²；

空间四元数（x,y,z,w)计算为:

x = bytes[8][7] * 转换系数；

y = bytes[10][9] * 转换系数,；

z = bytes[12][11] * 转换系数；

w = bytes[14][13] * 转换系数；

其中转换系数为0.000030517578125fm/s²；

欧拉角标识计算为：

x = bytes[16][15] * 转换系数；

y = bytes[18][17] * 转换系数；

z = bytes[20][19] * 转换系数；

其中转换系数为1000.0fm。

说明：传感器蓝牙数据体的字节[2-1] 为功能标识，字节[6-3] 为模块开机后的时间戳(单位ms)，字节[7-n] 根据功能标识而变化,功能标识为一个16位数，每个位的值代表对应的功能是否被获取(0表示不获取,1表示获取)，通过0x12指令修改功能标识，来获取数据内容，该标识和数据内容的对照关系，如下表所示：

。

Claims (4)

1.一种基于虚拟现实技术的平衡功能训练设备，其特征在于，包括：外设运动传感模块，虚拟运动环境辅助模块，中央处理器；运动传感模块通过实时定位训练任务中踝关节、头部及肢体的姿态、空间角度、位移，以及生理指标变量，获得并传输变量数据至中央处理器；虚拟运动环境辅助模块通过视觉模拟及足底触感构建出仿真训练环境；虚拟现实终端将上述运动变量数据经过中央处理器计算后映射至VR空间内呈现可视化模拟足踝本体空间运动；中央处理器通过收集训练任务中的运动参数数据、个体信息及生理指标数据，进行计算交互反馈，分析并匹配对应的虚拟运动环境及进阶任务，判断训练目标达成率，从而实现差异化的平衡功能训练；其中：

所述外设运动传感模块，用于采集运动姿态参数，包括肢体运动姿态参数和生理状态参数；

所述虚拟运动环境辅助模块，用于实现训练环境和任务模拟，通过视觉场景模拟及足底触感构建出不同的仿真训练环境，将上述运动姿态参数映射至场景空间内呈现可视化的模拟足踝本体运动，并呈现交互反馈以达到训练目标；

所述中央处理器，用于储存和计算上述运动姿态参数、任务交互参数；根据得到的数据分析训练结果，并通过所述虚拟运动环境辅助模块输出对应的虚拟运动场景及任务内容，从而实现难度进阶的平衡功能训练；

所述外设运动传感模块包括：穿戴式踝关节姿态传感器，用于获取健侧足踝的位移、角度、距离参数，并通过蓝牙串口将数据传输给虚拟运动环境辅助模块，从而实现运动姿态在训练场景中的映射；

所述虚拟运动环境辅助模块包括：虚拟现实视觉终端设备、训练场景数据库、足底触感辅助设施；其中：

所述虚拟现实视觉终端设备，用于在视觉上呈现仿真训练环境，即不同的训练场景；并呈现健侧足部在场景中的映射，以帮助患者实现训练任务的交互；

所述训练场景数据库，用于储存多种平衡功能训练场景，包括：球类运动场景、田径类运动场景、水上项目运动场景、冰雪类项目运动场景、体操项目运动场景；不同的场景配以不同的训练任务；

所说足底触感辅助设施，包括平衡软垫和平衡球，用于配合适应训练任务的难度等级；

所述中央处理器，包括数据储存模块和数据计算模块；其中：

所述数据储存模块，包括患者背景信息数据库、运动参数数据库、生理指标参数数据库。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实技术的平衡功能训练设备，其特征在于，所述外设运动传感模块还包括：指尖脉率血氧仪、患侧肌电传感器、头部姿态传感器、手部姿态传感器；其中：

所述指尖脉率血氧仪，用于获取患者训练中实时心率和血氧数据的监测；

所述患侧肌电传感器，用于获取患者训练中患侧小腿的肌电参数，帮助分析患侧的平衡能力；

所述头部姿态传感器，用于获取患者训练中头部运动姿态参数，帮助判断患者的任务完成程度和平衡状态，以判断训练目标是否达成；

所述手部姿态传感器，用于获取患者训练中手部运动姿态参数，计算训练中交互任务的触达效果，帮助判断患者的平衡能力。

3.根据权利要求2所述的基于虚拟现实技术的平衡功能训练设备，其特征在于，所述中央处理器中：

所述患者背景信息数据库包括患者姓名、身高、体重、脚长、腿长、惯用足、受伤侧和VAS评分，训练关卡得分；

所述运动参数数据库包括三轴足踝位移角度和距离，三轴头部位移角度和距离，三轴双手位移角度和距离；

所述生理指标参数包括血氧、心率、肌电参数；

所述数据计算模块，根据所获取运动参数和的患者生理参数，计算训练过程中患者的任务完成程度，判断训练关卡是否达成，输出训练交互反馈和结果。

4.基于权利要求1-3之一所述设备的基于虚拟现实技术的平衡功能训练方法，其特征在于，具体步骤如下：

（一）训练前评估：

a.评估患者的身高体重、惯用足、受伤侧、VAS评分指标并输入中央处理器的数据储存模块；

b.患者穿戴所述运动传感模块进行生理状态基线测定，通过用于采集生理参数的传感器采集人体生理参数，结合上述a中的数据，进行平衡功能综合评分，以百分制评定；

（二）具体训练：

a.患者所处家中安静且安全的环境中，穿戴所述运动传感器和虚拟现实终端设备，并连接好传输信号；

b.根据训练前的评估，患者进入到与其当前平衡功能损伤状态最匹配的训练场景中，从任务难度最基础的级别依次进行训练，逐级完成该场景的任务要求；

c.如患者顺利通过了该场景内各个级别的训练任务，统计得分过关，则视为该场景内的训练目的达成，根据需要进行下一场景的平衡训练；如该场景内训练得分未过关，则无法获得下一场景的训练权限；

d.患者需每周完成3-4次的训练，共持续4周为一个训练周期；每天训练完成后进行数据上传；每个训练周期开始前及结束后 患者均需做一次平衡功能BESS测试、YBT测试。

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