CN116271720A - 一种基于虚拟现实技术的手功能训练系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于虚拟现实技术的手功能训练系统，包括用户模块和力传感器模块，所述用户模块与力传感器模块进行连接，所述力传感器模块、数据采集模块和计算机模块相互连接，所述计算机模块与虚拟现实模块进行连接，所述虚拟现实模块与用户模块相互连接；本发明通过在训练过程中，用户模块在力传感器模块上施加压力，接着力传感器模块实时读取患手的捏力或握力大小即力觉信息，同时数据采集模块会完成对力传感器模块数据的采集工作，计算机模块接收力觉数据信息后，接着虚拟现实模块会提示患者进行手指指令操作，来创建虚拟现实环境，以方便治疗人员进行评定分析，同时克服了穿戴式触觉结构存在的穿戴困难的问题。

Description

一种基于虚拟现实技术的手功能训练系统
技术领域
本发明属于医疗领域，具体地说是一种基于虚拟现实技术的手功能训练系统。
背景技术
脑卒中是导致患者永久残疾的主要原因之一，严重影响患者的生活质量，增加家庭和社会的负担，必须依靠长期康复才能逐渐恢复，传统“一对一”的康复模式已无法满足社会的需求。随着计算机网络信息技术的发展，多种康复平台应运而生；康复训练方式从患者被动的简单训练到促进患者积极主动投入到训练中；
手不仅能完成复杂运动，还具有精细感觉功能。脑卒中患者手功能缺陷主要表现为屈曲挛缩，握持、侧捏、对掌、对指等功能丧失。目前针对手功能的康复训练仍以传统的物理疗法为主，患者被动参与，训练过程枯燥乏味，难以取得理想的康复效果，有关脑卒中患者手功能训练的触觉装置，如数据手套、气动手套、罗格斯控制手套，以及机械装置，对于外伤患者来说，存在穿脱困难、繁琐，设备昂贵，并且有一定的安全隐患；
若采用虚拟环境的训练模式可以有效提高患者主动参与积极性，从而达到良好的康复效果，虚拟现实技术因其具有交互、想象和沉浸三大特征，利用虚拟环境与现实的交互，给人以强烈的感官刺激，可以极大提高患者主动训练的兴趣，进而提高康复效率。
综上，因此本发明提供了一种基于虚拟现实技术的手功能训练系统，以解决上述问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于虚拟现实技术的手功能训练系统，以解决现有技术中手不仅能完成复杂运动，还具有精细感觉功能。脑卒中患者手功能缺陷主要表现为屈曲挛缩，握持、侧捏、对掌、对指等功能丧失。目前针对手功能的康复训练仍以传统的物理疗法为主，患者被动参与，训练过程枯燥乏味，难以取得理想的康复效果，有关脑卒中患者手功能训练的触觉装置，如数据手套、气动手套、罗格斯控制手套，以及机械装置，对于外伤患者来说，存在穿脱困难、繁琐，设备昂贵，并且有一定的安全隐患等问题。
一种基于虚拟现实技术的手功能训练系统，包括用户模块和力传感器模块，所述用户模块与力传感器模块进行连接，所述力传感器模块、数据采集模块和计算机模块相互连接，所述计算机模块与虚拟现实模块进行连接，所述虚拟现实模块与用户模块相互连接，所述计算机模块与评估模块进行连接。
优选的，所述力传感器模块包括手指握力测量和手势动作识别功能，其中力传感器为压力感应电阻，在其有效的作用面积之内，相同的接触面积下，压力越大阻值越小。
优选的，所述手势动作识别包括6种手势：握拳、拇指伸展、食指伸展、双指伸展、对指和五指平伸，患者需要根据计算机模块屏幕上随机出现的手势提示进行相应的动作，患者若能在规定时间内完成对应的手势，系统提示成功，反之失败。
优选的，所述数据采集模块对力传感器模块感知的患者手力觉信息进行采集，采集周期为30ms，所述数据采集模块主要由C8051F410单片机构成，其中力传感器数据信息由单片机C8051F410通过串口读取。
优选的，所述计算机模块通过RS-232串口转USB线与数据采集模块相连接，所述计算机模块接收力觉数据信息后传递给虚拟现实模块，所述虚拟现实模块将完成对此数据的分析操作、存储读取和按需回放操作。
优选的，所述虚拟现实模块包括初始3D环境、设置视图矩阵、设置投影矩阵、加载空间模型、加载场面场景和确定场景环境，所述初始3D环境和设置视图矩阵进行连接，所述设置投影矩阵、加载空间模型、加载场面场景和确定场景环境依次连接。
优选的，所述虚拟现实模块需患者实时地根据虚拟环境中虚拟手的各手指活动及手势变换，相应地对患手单个手指或手势进行调整以完成康复训练，所述虚拟现实模块主要用于肌腱滑动练习和改善手的协调性和灵活性训练。
优选的，所述虚拟现实模块内部的分析操作主要是根据患手力觉信息的变化，在虚拟环境中结合丰富的动画功能、文字提示功能和3D声音定域功能给予相应的反馈，增强患者的沉浸感，使之在轻松、愉悦的心情下完成康复训练过程。
优选的，所述虚拟现实模块限制了患者的训练时间，即训练10min后系统设置自动休息1min，然后继续训练10min后自动结束训练。
优选的，所述评估模块在训练过程中，显示屏实时反馈手指击中目标的数目、力觉信息，并且在患者成功击中目标后系统给予正反馈的语音鼓励，训练结束后，系统会自动反馈本次任务完成情况，如击中目标数、训练时间、捏力/握力平均值，同时将反馈信息储存在以患者注册名命名的文件中，以方便治疗人员进行评定分析。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明通过在训练过程中，用户模块在力传感器模块上施加压力，接着力传感器模块实时读取患手的捏力或握力大小即力觉信息，同时数据采集模块会完成对力传感器模块数据的采集工作，之后将采集的力觉信息数据和指令传输到计算机模块中，计算机模块接收力觉数据信息后，虚拟现实模块将完成对此数据的分析操作、存储读取、按需回放操作，接着虚拟现实模块会提示患者进行手指指令操作，来创建虚拟现实环境，有效提高患者主动参与积极性，从而达到良好的康复效果，此外，该虚拟环境还限制了患者的训练时间，即训练10min后系统设置自动休息1min，然后继续训练10min后自动结束训练，以避免训练量过大而造成肿胀、疼痛加重等负面效果，之后利用评估模块对患者手指的灵活能力进行数据汇总，同时将反馈信息储存在以患者注册名命名储存，以方便治疗人员进行评定分析，同时克服了穿戴式触觉结构存在的穿戴困难的问题。
附图说明
图1是本发明流程示意图；
图2是本发明力传感器模块功能示意图；
图3是本发明虚拟现实模块原理示意图。
图中：
1、用户模块；2、力传感器模块；201、手指握力测量；202、手势动作识别；3、数据采集模块；4、计算机模块；5、虚拟现实模块；501、初始3D环境；502、设置视图矩阵；503、设置投影矩阵；504、加载空间模型；505、加载场面场景；506、确定场景环境；6、评估模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
如图1-3所示，本发明提供一种基于虚拟现实技术的手功能训练系统，包括用户模块1和力传感器模块2，用户模块1与力传感器模块2进行连接，力传感器模块2、数据采集模块3和计算机模块4相互连接，计算机模块4与虚拟现实模块5进行连接，虚拟现实模块5与用户模块1相互连接，计算机模块4与评估模块6进行连接。
请参考图1，力传感器模块2包括手指握力测量201和手势动作识别202功能，其中力传感器为压力感应电阻，在其有效的作用面积之内，相同的接触面积下，压力越大阻值越小。
请参考图2，手势动作识别202包括6种手势：握拳、拇指伸展、食指伸展、双指伸展、对指和五指平伸，患者需要根据计算机模块4屏幕上随机出现的手势提示进行相应的动作，患者若能在规定时间内完成对应的手势，系统提示成功，反之失败。
请参考图1，数据采集模块3对力传感器模块2感知的患者手力觉信息进行采集，采集周期为30ms，数据采集模块3主要由C8051F410单片机构成，其中力传感器数据信息由单片机C8051F410通过串口读取。
请参考图1，计算机模块4通过RS-232串口转USB线与数据采集模块3相连接，计算机模块4接收力觉数据信息后传递给虚拟现实模块5，虚拟现实模块5将完成对此数据的分析操作、存储读取和按需回放操作。
请参考图3，虚拟现实模块5包括初始3D环境501、设置视图矩阵502、设置投影矩阵503、加载空间模型504、加载场面场景505和确定场景环境506，初始3D环境501和设置视图矩阵502进行连接，设置投影矩阵503、加载空间模型504、加载场面场景505和确定场景环境506依次连接。
请参考图1，虚拟现实模块5需患者实时地根据虚拟环境中虚拟手的各手指活动及手势变换，相应地对患手单个手指或手势进行调整以完成康复训练，虚拟现实模块5主要用于肌腱滑动练习和改善手的协调性和灵活性训练。
请参考图1，虚拟现实模块5内部的分析操作主要是根据患手力觉信息的变化，在虚拟环境中结合丰富的动画功能、文字提示功能和3D声音定域功能给予相应的反馈，增强患者的沉浸感，使之在轻松、愉悦的心情下完成康复训练过程。
请参考图1，虚拟现实模块5限制了患者的训练时间，即训练10min后系统设置自动休息1min，然后继续训练10min后自动结束训练。
请参考图1，评估模块6在训练过程中，显示屏实时反馈手指击中目标的数目、力觉信息，并且在患者成功击中目标后系统给予正反馈的语音鼓励，训练结束后，系统会自动反馈本次任务完成情况，如击中目标数、训练时间、捏力/握力平均值，同时将反馈信息储存在以患者注册名命名的文件中，以方便治疗人员进行评定分析。
具体工作原理：如图1-3所示，在使用该基于虚拟现实技术的手功能训练系统时，首先通过在训练过程中，用户模块1在力传感器模块2上施加压力，使得手指指腹与摇杆上的力传感器模块2进行接触，接着力传感器模块2实时读取患手的捏力或握力大小即力觉信息，力传感器模块2感知出手指握力测量201和手势动作识别202的数据信息，同时数据采集模块3会完成对力传感器模块2数据的采集工作，之后将采集的力觉信息数据和指令传输到计算机模块4中，计算机模块4接收力觉数据信息后，虚拟现实模块5将完成对此数据的分析操作、存储读取、按需回放操作，以方便提示患者进行操作，同时记录患者的历史训练信息数据，接着虚拟现实模块5会提示患者进行手指指令操作，来创建虚拟现实环境，可以使患者对自己手指功能状态的实时了解，有效提高患者主动参与积极性，从而达到良好的康复效果，此外，该虚拟环境还限制了患者的训练时间，即训练10min后系统设置自动休息1min，然后继续训练10min后自动结束训练，以避免训练量过大而造成肿胀、疼痛加重等负面效果，之后利用评估模块6对患者手指的灵活能力进行数据汇总，同时将反馈信息储存在以患者注册名命名储存，以方便治疗人员进行评定分析，同时克服了穿戴式触觉结构存在的穿戴困难的问题，这就是该基于虚拟现实技术的手功能训练系统的特点。
本发明的实施方式是为了示例和描述起见而给出的，尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于虚拟现实技术的手功能训练系统，包括用户模块(1)和力传感器模块(2)，其特征在于：所述用户模块(1)与力传感器模块(2)进行连接，所述力传感器模块(2)、数据采集模块(3)和计算机模块(4)相互连接，所述计算机模块(4)与虚拟现实模块(5)进行连接，所述虚拟现实模块(5)与用户模块(1)相互连接，所述计算机模块(4)与评估模块(6)进行连接。
2.如权利要求1所述基于虚拟现实技术的手功能训练系统，其特征在于：所述力传感器模块(2)包括手指握力测量(201)和手势动作识别(202)功能，其中力传感器为压力感应电阻，在其有效的作用面积之内，相同的接触面积下，压力越大阻值越小。
3.如权利要求2所述基于虚拟现实技术的手功能训练系统，其特征在于：所述手势动作识别(202)包括6种手势：握拳、拇指伸展、食指伸展、双指伸展、对指和五指平伸，患者需要根据计算机模块(4)屏幕上随机出现的手势提示进行相应的动作，患者若能在规定时间内完成对应的手势，系统提示成功，反之失败。
4.如权利要求1所述基于虚拟现实技术的手功能训练系统，其特征在于：所述数据采集模块(3)对力传感器模块(2)感知的患者手力觉信息进行采集，采集周期为30ms，所述数据采集模块(3)主要由C8051F410单片机构成，其中力传感器数据信息由单片机C8051F410通过串口读取。
5.如权利要求1所述基于虚拟现实技术的手功能训练系统，其特征在于：所述计算机模块(4)通过RS-232串口转USB线与数据采集模块(3)相连接，所述计算机模块(4)接收力觉数据信息后传递给虚拟现实模块(5)，所述虚拟现实模块(5)将完成对此数据的分析操作、存储读取和按需回放操作。
6.如权利要求1所述基于虚拟现实技术的手功能训练系统，其特征在于：所述虚拟现实模块(5)包括初始3D环境(501)、设置视图矩阵(502)、设置投影矩阵(503)、加载空间模型(504)、加载场面场景(505)和确定场景环境(506)，所述初始3D环境(501)和设置视图矩阵(502)进行连接，所述设置投影矩阵(503)、加载空间模型(504)、加载场面场景(505)和确定场景环境(506)依次连接。
7.如权利要求1所述基于虚拟现实技术的手功能训练系统，其特征在于：所述虚拟现实模块(5)需患者实时地根据虚拟环境中虚拟手的各手指活动及手势变换，相应地对患手单个手指或手势进行调整以完成康复训练，所述虚拟现实模块(5)主要用于肌腱滑动练习和改善手的协调性和灵活性训练。
8.如权利要求1所述基于虚拟现实技术的手功能训练系统，其特征在于：所述虚拟现实模块(5)内部的分析操作主要是根据患手力觉信息的变化，在虚拟环境中结合丰富的动画功能、文字提示功能和3D声音定域功能给予相应的反馈，增强患者的沉浸感，使之在轻松、愉悦的心情下完成康复训练过程。
9.如权利要求1所述基于虚拟现实技术的手功能训练系统，其特征在于：所述虚拟现实模块(5)限制了患者的训练时间，即训练10min后系统设置自动休息1min，然后继续训练10min后自动结束训练。
10.如权利要求1所述基于虚拟现实技术的手功能训练系统，其特征在于：所述评估模块(6)在训练过程中，显示屏实时反馈手指击中目标的数目、力觉信息，并且在患者成功击中目标后系统给予正反馈的语音鼓励，训练结束后，系统会自动反馈本次任务完成情况，如击中目标数、训练时间、捏力/握力平均值，同时将反馈信息储存在以患者注册名命名的文件中，以方便治疗人员进行评定分析。
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