CN115779368A - 一种基于虚拟现实技术的老年人呼吸康复训练装置 - Google Patents

Abstract

一种基于虚拟现实技术的老年人呼吸康复训练装置涉及呼吸康复技术领域，解决了患者难以自发的进行呼吸训练的问题，该装置包括用于显示呼吸康复训练场景的虚拟现实头戴设备、用于采集呼气信号的热丝式流量传感器，热丝式流量传感器通过无线通信模块通信连接终端，无线通信模块用于将热丝式流量传感器的呼气信号发送至终端，终端连接虚拟现实头戴设备、定位器和操控手柄，终端载有多种呼吸康复训练场景，定位器用于获取呼吸康复训练者位置信息并发送至终端，操控手柄用于选择呼吸康复训练场景和用于呼吸康复训练者在呼吸康复训练场景里移动位置。本发明适合老年人使用，在家即可实现自我呼吸训练，操作简单，生动有趣，反应快速体验感好。

Description

一种基于虚拟现实技术的老年人呼吸康复训练装置

技术领域

本发明涉及呼吸康复技术领域，具体涉及一种基于虚拟现实技术的老年人呼吸康复训练装置。

背景技术

由于环境污染、吸烟和气候等因素制约，北方的老年人呼吸道疾病发病率较高，同时还伴随着肺功能逐渐减弱的症状，对老年人的的日常生活影响大，为此，指导老年人在呼吸道疾病的治疗之后进行科学的呼吸训练十分必要，不仅有利于老年人延缓肺功能衰退，同时还可以提高其呼吸肌的强度，对改善老年人的日常生活起到了十分重要的作用。

呼吸康复是对老年呼吸的补充医学治疗的替代方法，包括一系列减少呼吸道疾病症状的技术和手段。呼吸康复训练主要采用运动疗法，是呼吸康复训练者使用呼吸硬件器材并在医生指导下完成呼吸训练动作。训练过程主要依赖于医护人员的监督辅助，呼吸康复训练者难以自发的进行呼吸训练。

因此需要一种适用于老年人的日常进行呼吸训练的装置。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于虚拟现实技术的老年人呼吸康复训练装置。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于虚拟现实技术的老年人呼吸康复训练装置，包括用于显示呼吸康复训练场景的虚拟现实头戴设备、用于采集呼气信号的热丝式流量传感器，热丝式流量传感器通过无线通信模块通信连接终端，无线通信模块用于将热丝式流量传感器的呼气信号发送至终端，终端连接虚拟现实头戴设备、定位器和操控手柄，终端载有多种呼吸康复训练场景，定位器用于获取呼吸康复训练者位置信息并发送至终端，操控手柄用于选择虚拟现实头戴设备显示的呼吸康复训练场景和用于呼吸康复训练者在呼吸康复训练场景里移动位置。

本发明的有益效果是：

本发明一种基于虚拟现实技术的老年人呼吸康复训练装置在家即可实现自我呼吸训练，操作简单，老年人出行不便，适合老年人使用，提高其肺功能。通过虚拟现实头戴设备提供呼吸康复训练场景，沉浸感强，生动有趣，同时丰富老年生活。终端载有多种呼吸康复训练场景供呼吸康复训练者选择，训练场景丰富。现今的虚拟现实头戴设备反应灵敏，本发明采用热丝式流量传感器获得呼气的气流，实现了结构简单，热丝式流量传感器反应时间快速，且通气量的压力损失小，能够很好的配合虚拟现实头戴设备完成训练，呼吸训练体验感好。

附图说明

图1为本发明的一种基于虚拟现实技术的老年人呼吸康复训练装置的的结构框图。

图2为本发明的一种基于虚拟现实技术的老年人呼吸康复训练装置的的详细结构图。

图3为本发明的呼吸康复训练场景示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

一种基于虚拟现实技术的老年人呼吸康复训练装置，如图1，包括虚拟现实头戴设备、热丝式流量传感器、无线通信模块、终端、定位器和操控手柄。虚拟现实头戴设备用于显示呼吸康复训练场景的虚拟现实头戴设备，配合终端、定位器和操控手柄使用；终端连接虚拟现实头戴设备、定位器和操控手柄；定位器用于获取呼吸康复训练者位置信息并发送至终端，跟踪呼吸康复训练者的确切位置；终端载有多种呼吸康复训练场景；操控手柄用于选择虚拟现实头戴设备显示的呼吸康复训练场景，还用于呼吸康复训练者在呼吸康复训练场景里移动位置。热丝式流量传感器用于采集呼吸康复训练者的呼气信号，热丝式流量传感器通过无线通信模块通信连接终端，热丝式流量传感器通过无线通信模块将呼气信号发送至终端，终端能够接收呼气信号。

老年人呼吸康复训练装置在使用时，虚拟现实头戴设备、热丝式流量传感器、定位器和操控手柄均位于呼吸康复训练者身体上，具体佩戴方式无需详述在此也不做限定，例如热丝式流量传感器采用(呼吸机式)鼻面罩连接呼吸康复训练者身体上，鼻面罩采用瑞迈特N5鼻面罩，鼻面罩通过管道连通热丝式流量传感器。无线通信模块可位于热丝式流量传感器上。呼吸康复训练者手持操控手柄。作为一种实施例，定位器采用HTC Vive定位器，安装在一个高两米的安装套件上，定位器共两个，两个定位器之间的距离是四米，用于获取头戴式显示器的位置信息和操控手柄的位置信息，用于VR游戏。作为另一种实施例，使用时定位器位于呼吸康复训练者身体上，可通过夹子夹在呼吸康复训练者衣服上，或是通过带子佩戴在呼吸康复训练者身体上。

上述终端采用现有技术便能够配合虚拟现实头戴设备的终端，且具有接收存储模块，用于接收存储呼气信号。终端为计算机，具体采用联想拯救者R7000P新款Y7000全能游戏本R9000P独显八核电脑。

作为一种实施例，终端能够对接收的呼气信号进行处理得到流体的流量，终端包括呼气信号处理模块，所述呼气信号为反馈电压信号，呼气信号处理模块能够根据呼气信号得出流体的流量。如图2，呼气信号处理模块包括滤波单元、放大单元、逻辑运算单元、A/D转换单元，滤波单元、放大单元、A/D转换单元和逻辑运算单元顺次连接。呼气信号处理模块用于处理热丝流量传感器采集到的呼气信号，把电信号经信号处理模块的滤波、放大、模数转换、逻辑运算之后，得到流体的流量。作为另一种实施例，呼气信号为流体的流量信息，热丝式流量传感器自身对反馈电压信号进行处理得到流体的流量信息，然后将流体的流量信息发送至终端。流体的流量即为流体的流量信息呼吸的信息。

作为一种实施例，上述虚拟现实头戴设备采用外接式虚拟现实头戴设备。

如图2，热丝式流量传感器主要包括发热元件、桥式电路和运算放大器，所述发热元件(热丝)安装在热丝式流量传感器的空气通道之中，在电路的设计时就使其工作温度比进气温度高。电桥中，只有当发热元件的温度高于空气温度时，桥式电路才能达到平衡。发热元件为热丝。所述运算放大器通过向与热丝相连的桥式电路输入对金属热丝的加热电流，以保持发热元件温度的恒定值。在上述技术方案中，所述热丝式流量传感器用于采集呼气信号，通过控制算法提取出人的呼吸模式特征并保存记录。将热丝式流量传感器置于口鼻前端，当人呼气时，热丝式流量传感器检测当前通过其管路的流量大小而输出对应的电压值(反馈电压信号)。其原理是当气体掠过热丝表面时，使得热丝温度下降，会带走热量，热丝式流量传感器的热丝控制装置里的温度传感器不断测量热丝温度，然后加热热丝，将其保持在某一固定温度所需的能量，通过测量加热所需要的电量，来测量气体的流量。热敏电阻的阻值随着气体流速变化，使电路失去原有的平衡而产生一个不平衡的电信号，该气体的大小与气体流速有一定的对应关系，从而可以根据气体的导热系数测出气体流速的大小。

上述终端包括呼吸康复训练场景数据存储模块，该模块存储呼吸康复训练需要的多个呼吸康复训练场景，呼吸康复训练场景具体为虚拟游戏场景。终端通过呼吸康复训练场景数据存储模块实现载有多种呼吸康复训练场景。终端能够呼吸强度数据(呼气信号或流体的流量信息)转换为游戏指令。作为一种实施例，终端能够显示流体的流量。

终端包括语音模块，语音模块用于播放游戏规则，语音模块还能够用于播放流体的流量，即连接呼气信号处理模块。语音模块用于训练过程中对训练方法的讲解和对呼吸康复训练者训练过程的指导，呼吸康复训练者可以根据语音模块的指导及时调整自己的呼吸。

终端包括场景选择模块，场景选择模块连接呼吸康复训练场景数据存储模块，呼吸康复训练者通过操作手柄、虚拟现实头戴设备和场景选择模块选择呼吸康复训练场景。虚拟现实头戴设备显示呼吸康复训练者所选的呼吸康复训练者。

终端包括第一反馈模块，作为一种实施例，第一反馈模块连接场景选择模块和信号连接虚拟现实头戴设备，用于将呼吸康复训练者选择的呼吸康复训练场景发送至虚拟现实头戴设备进行显示。

进一步的，如图2，终端包括难度调节模块，作为一种实施例上述场景选择模块作为难度调节模块，不同的难度对应不同的呼吸康复训练场景。作为另一种实施例，难度调节模块用于根据呼吸康复训练者的训练情况，及时调节训练难度，呼吸康复训练者可以根据难度调节模块匹配自己相应的呼吸训练难度。

终端包括呼吸康复训练者信息管理模块、数据显示及分析模块、第二反馈模块。呼吸康复训练者信息管理模块用于存储呼吸康复训练者的基本信息，制定康复训练方案。数据显示及分析模块用于分析呼吸康复训练者信息管理模块的数据并将训练数据以特征指标波形数据进行显示。语音模块用于训练过程中对训练方法的讲解和对呼吸康复训练者训练过程的指导，呼吸康复训练者可以根据语音模块的指导及时调整自己的呼吸。第二反馈模块用于将呼吸康复训练者的训练情况用数据和曲线的形式反馈给呼吸康复训练者，可反馈至虚拟现实头戴设备，呼吸康复训练者可以在虚拟场景中查看自己的呼吸训练评价指标，及时了解自身的恢复情况。呼吸康复训练场景为虚拟游戏场景，呼吸康复训练者能够用呼气和吸气的强度和时长来控制虚拟游戏场景中的目标物体，流体的流量作为虚拟现实游戏的输入信号。

在上述技术方案中，呼吸康复训练场景数据存储模块中包含以下四个游戏模块，分别是公园呼吸训练游戏、填地洞游戏、吹气球游戏、枫叶纷纷飞游戏，在开始游戏前呼吸康复训练者选择难度等级，本系统包含三个难度等级“容易”、“中等”、“难”，呼吸康复训练者在进行完呼吸康复训练后，终端可以根据呼吸康复训练指标来评判呼吸康复训练者的康复情况，同时将呼吸康复训练者的训练情况进行统计并保存在呼吸康复训练者信息管理模块中，进而根据难度调节模块来匹配相应难度的训练场景。呼吸康复训练者根据终端匹配的难度等级确认进行呼吸康复训练的难度等级，避免因呼吸训练的难度等级匹配不合理而造成的二次伤害。

难度等级为“容易”的呼吸训练场景包含：模块一、公园呼吸训练游戏场景，如图3(a)；难度等级：“中等”的呼吸训练场景包含：模块二、填地洞游戏场景如图3(b)、模块三、枫叶纷纷飞游戏场景如图3(c)；难度等级：“难”的呼吸训练场景包含：模块四、小兔子越障碍物游戏，如图3(d)。

模块一、公园呼吸训练游戏

以沉浸式游戏的方式让呼吸康复训练者训练呼吸及肺活量。呼吸康复训练者通过热丝式流量传感器对老年人呼吸康复训练装置进行呼吸，当呼出的气力量足够大时，公园草地中的蒲公英可以被吹起。呼吸康复训练者置身公园内，场景内包含树木、植物、假山、凉亭等物品，草地内包含多组蒲公英，呼吸康复训练者可以捡起蒲公英，并且对蒲公英吹气，蒲公英即被吹散，终端内置需呼吸康复训练者完成5组蒲公英的呼吸训练方可完成任务，在任务期间，系统自带提示信息，可以让呼吸康复训练者更好的完成游戏任务，增加游戏体验感。

模块二、填地洞游戏

呼吸康复训练者可以通过热丝式流量传感器完成填地洞游戏。场景内包含桌椅、走廊、大厅、卫生间、家具等物品，呼吸康复训练者需走到填地洞游戏前，对游戏内小方块进行吹气，让小方块准确的进入地洞中，连续3次即可完成任务。

模块三、枫叶纷纷飞游戏

场景以亚丁风景区为蓝本设计，风景区内包含多种树木、建筑、植被等，呼吸康复训练者可以在风景区内自由行走，当走到枫树下时，可对枫叶进行吹气，当吹气量足够大时，枫叶纷纷落下。

模块四、小兔子越障碍物游戏

以沉浸式游戏的方式让呼吸康复训练者训练呼吸及肺活量。呼吸康复训练者通过对热丝式流量传感器进行呼吸，森林场景中的小兔子作为呼吸载体，通过呼吸控制小兔子移动，在此过程中，呼吸康复训练者通过呼吸的时长和频率控制小兔子连续的跳跃障碍物，终端内置需呼吸康复训练者完成跳跃多个障碍物的呼吸训练方可完成任务，在任务期间，终端自带提示信息，可以让呼吸康复训练者更好的完成游戏任务，增加游戏体验感。

作为一种实施例，可以是每个游戏均对应三种难度。

在上述技术方案中，终端为中央控制处理器，用以运行软件系统生成虚拟现实康复训练场景，存储性能数据，监督用户性能，选择各种呼吸康复训练模式；

在上述技术方案中，虚拟现实头戴设备和操控手柄共同构成训练端，呼吸康复训练者通过佩戴虚拟现实头戴设备和手持操控手柄进行参与康复训练。

在上述技术方案中，终端将场景配置参数数据和呼吸采集设备采集的呼气信号传输至终端，终端将接收到的数据进行解析后再根据配置参数进行配置场景，呼吸康复训练者依据配置场景进行康复治疗，呼吸康复训练者的呼气信号利用热丝式流量传感器采集，同时呼气信号在虚拟环境中以数据的形式呈现在虚拟现实头戴设备上。

在上述技术方案中，使用Unity3D进行虚拟环境的开发，呼吸康复训练者在虚拟环境中实现呼气信号与虚拟现实游戏场景进行交互。交互利用呼吸交互算法，呼吸交互算法是通过波形仿真软件进行数学建模来近似模拟典型的呼吸波形，呼吸波形仿真基础上提取数据与Unity3D虚拟引擎串口通信，解决无触碰呼气信号采集、分析、交互问题。

在上述技术方案中，呼吸康复训练者进行呼吸训练时，先对呼吸康复训练者进行难度等级的判断，判断后再进行呼吸康复训练。

上述终端的数据显示及分析模块还用于分析确定呼吸康复训练者的呼吸水平，终端能够根据呼吸康复训练者的呼吸水平确定适用于呼吸康复训练者的训练难度。分析确定的方法如下：

在可以在虚拟现实世界中实时观看自己的呼吸数据，包含呼吸时长T、用力肺活量FVC、峰值流速FEF、25％肺活量时流速MEF25、50％肺活量时流速MEF50、75％肺活量时流速MEF75、第一秒钟的肺活量FEV1、第二秒钟的肺活量FEV2、第三秒钟的肺活量FEV3、第四秒钟的肺活量FEV4、第五秒钟的肺活量FEV5、第六秒钟的肺活量FEV6、第七秒钟的肺活量FEV7等数据，可以让呼吸康复训练者清晰的对自己的呼吸数据有一定的认识。操作开始吹气后有数据上传，虚拟现实头戴设备显示测试真实的实时参数和波形。从吹气开始到测试结束共计7秒钟，到时间时呼吸康复训练装置判断为结束测试，训练完成后自动上传此次训练结果，训练过程若需停止，按操控手柄的停止键即可结束测量。

为了将呼吸康复训练者的测试结果划分等级，以便于将老年人身体状况分类，我们首先统计了若干50-70岁老年人上述呼吸数据，大致分成四组，分别是优秀、良好、一般和差，将这四组数据通过数学模型分别计算出一个大致的区间，呼吸康复训练者的健康情况即可根据这些区间进行评定。

通过临床调查以及查阅成年人和老年人呼吸相关资料，发现50-70年龄段内老人呼吸时长相差不大，通常在2秒左右，所以该指标不能决定老年人呼吸健康程度，权重比例最小；而肺活量可以作为衡量老年人健康与否及预测寿命长短的重要指标。健康人的肺每天可为身体的各个细胞提供总量达800L的氧气。人到35岁左右时，肺活量开始逐渐下降，到老年时，由于肺活量的减少，动脉血管的氧饱和度比青年人低5％—10％。用力肺活量FVC正常值是指在一次最大吸气后，尽全力呼气，一定时间内呼出的气体量的数值，FVC的正常值范围：1秒～83％；2秒～96％；3秒～99％。FVC可作为呼吸道是否存在阻力的重要指标。梗阻性通气障碍呼吸康复训练者，如COPD、支气管哮喘急性发作的呼吸康复训练者，

该值在气道阻塞时，其值也会随着气道的阻塞而有所降低，所以首先根据

得出来一个平均值，该平均值为FEV’，即

FEVn表示用力肺活量FVC的第n秒钟的肺活量，n取1,2,3,4,5,6,7。

医学常根据MEF变异率计算公式来检测病人呼吸流速的变化，变异率越低即呼吸情况越稳定，身体健康状况越良好，这里把MEF变异率称为MEF’，

MEF表示肺活量流速。

将以上数据预处理的结果结合梯度下降法来不断减小实验中老年人不同健康状况的真实值与本发明通过数学模型所计算出来的预估值的误差，得出与真实老年人数据基本拟合的权重，于是得出数学模型如下，W为将数据输入到数学模型中得到的一个具体分值：

W＝T×0.15+FEV’×0.58+MEF’×0.27

根据W确定呼吸康复训练者的呼吸水平。具体的，通过该W值位于老年人整体健康区间的位置，可以对呼吸康复训练者的训练情况对W进行如下等级划分：

(1)80％-100％：优秀。在规定的时间内完成呼吸训练任务，完成呼吸训练任务经常明显达到呼吸训练指标的要求。呼吸康复训练者可以直接进行下一难度等级的呼吸训练任务。

(2)60％-79％：良好。严格按照规定的时间完成呼吸训练任务并经常提前完成呼吸训练任务，经常达到标准呼吸训练指标要求。呼吸康复训练者需要及时调整自己的呼吸，当成绩达到优秀后进入下一难度等级的呼吸训练任务。

(3)40％-59％：一般。呼吸训练指标基本达到标准呼吸训练指标要求。呼吸康复训练者需要在本次呼吸训练中调整自己的呼吸，使自己的呼吸训练尽快到达优秀或良好。

(4)0％-40％：差。呼吸康复训练者呼吸训练过程出现明显偏离指标的大的失误，经常难以完成呼吸训练任务。呼吸康复训练者需要调到难度低一级的呼吸训练任务。

老年人使用本发明的装置，在家即可实现自我呼吸训练，操作简单，老年人出行不便，适合老年人使用，提高其肺功能。通过虚拟现实头戴设备提供呼吸康复训练场景，沉浸感强，生动有趣，同时丰富老年生活。终端载有多种呼吸康复训练场景供呼吸康复训练者选择，训练场景丰富。现今的虚拟现实头戴设备反应灵敏，本发明采用热丝式流量传感器获得呼气的气流，实现了结构简单，热丝式流量传感器反应时间快速，且通气量的压力损失小，能够很好的配合虚拟现实头戴设备完成训练，呼吸训练体验感好。热丝式流量传感器能够兼顾效果、结构和成本。

本发明装置的训练场景丰富多样，既满足了老年呼吸障碍患者呼吸康复训练的请求，同时也可以对老年呼吸障碍患者的训练情况给出评价指标，是一种操作简单、使用方便的呼吸康复训练装置，适用于医院，也可居家自用。

在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于虚拟现实技术的老年人呼吸康复训练装置，其特征在于，包括用于显示呼吸康复训练场景的虚拟现实头戴设备、用于采集呼吸信号的热丝式流量传感器，热丝式流量传感器通过无线通信模块通信连接终端，无线通信模块用于将热丝式流量传感器的呼吸信号发送至终端，终端连接虚拟现实头戴设备、定位器和操控手柄，终端载有多种呼吸康复训练场景，定位器用于获取呼吸康复训练者位置信息并发送至终端，操控手柄用于选择虚拟现实头戴式设备显示的呼吸康复训练场景和用于呼吸康复训练者在呼吸康复训练场景里移动位置。

2.如权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的老年人呼吸康复训练装置，其特征在于，所述终端包括呼吸信号处理模块，所述呼吸信号为反馈电压信号，呼吸信号处理模块能够根据呼吸信号得出流体的流量。

3.如权利要求2所述的一种基于虚拟现实技术的老年人呼吸康复训练装置，其特征在于，所述呼吸康复训练场景为虚拟游戏场景，呼吸康复训练者能够用呼气和吸气的强度和时长来控制虚拟游戏场景中的目标物体，流体的流量作为虚拟现实游戏的输入信号。

4.如权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的老年人呼吸康复训练装置，其特征在于，所述终端包括呼吸康复训练者信息管理模块、难度调节模块、数据显示及分析模块、语音模块、第二反馈模块；

所述呼吸康复训练者信息管理模块用于存储呼吸康复训练者的基本信息和制定康复训练方案；数据显示及分析模块用于分析呼吸康复训练者信息管理模块的数据并将训练数据以特征指标波形数据进行显示；语音模块用于训练过程中对训练方法的讲解和对呼吸康复训练者训练过程的指导；第二反馈模块用于将呼吸康复训练者的训练情况用数据和曲线的形式反馈给呼吸康复训练者。

5.如权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的老年人呼吸康复训练装置，其特征在于，所述终端包括场景选择模块，所述场景选择模块连接呼吸康复训练场景数据存储模块，呼吸康复训练者通过操作手柄、虚拟现实头戴设备和场景选择模块选择呼吸康复训练场景。

6.如权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的老年人呼吸康复训练装置，其特征在于，所述终端包括难度调节模块，难度调节模块用于根据呼吸康复训练者的训练情况调节训练难度。

7.如权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的老年人呼吸康复训练装置，其特征在于，所述终端能够根据W确定呼吸康复训练者的呼吸水平；

W＝T×0.15+FEV’×0.58+MEF’×0.27

其中，T表示呼吸时长，FEVn表示用力肺活量FVC的第n秒钟的肺活量，n取1,2,3,4,5,6,7；MEF’表示MEF变异率，用来计算病人呼吸流速的变化，MEF表示肺活量流速。

8.如权利要求7所述的一种基于虚拟现实技术的老年人呼吸康复训练装置，其特征在于，所述终端能够根据呼吸康复训练者的呼吸水平确定适用于呼吸康复训练者的训练难度。

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