CN116850546A - 交互式呼吸训练装置及利用其进行的交互式呼吸训练方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种交互式呼吸训练装置，其包括：可穿戴系统、运动捕捉识别系统、可视化系统、服务器；其中，可穿戴系统用于检测受试者的生理参数；运动捕捉识别系统用于识别受试者的身体姿态以及捕捉受试者的动作；可视化系统用于向受试者视觉呈现受试者的生理参数和/或身体姿态和动作；可穿戴系统、运动捕捉识别系统、可视化系统分别连接于服务器；服务器根据自可穿戴系统接收的生理数据，在可视化系统以视觉呈现受试者的生理参数；服务器根据自运动捕捉识别系统接收的受试者的身体姿态和动作的数据，在可视化系统以视觉呈现受试者的身体姿态和动作；受试者进行呼吸训练时，其生理参数和身体姿态及动作被可视化系统以视觉方式呈现出来。
Description
技术领域
本申请涉及一种交互技术，尤其涉及一种交互式呼吸训练装置以及交互呼吸训练方法。
背景技术
呼吸操康复训练是较为常见的呼吸与体能训练的方式之一，是一种全身参与运动的呼吸康复训练方式，能有效调节人体五脏六腑，达到增进健康的目的，适合有呼吸系统疾病人群的康复，尤其对COPD患者、肺纤维化患者肺功能的改善作用不亚于任何药物治疗。研究表明，持续的呼吸操康复训练可以增强COPD患者的体力和活动能力，自主活动能力得到改善，患者的生活质量也有所提高。
传统的呼吸操康复训练方法主要是患者在医生或护士的指导下，做缩唇呼吸、腹式呼吸或者伴随某种动作的呼吸，如侧躯体呼吸运动、转体呼吸运动、抱胸呼吸运动、高抬腿踏步呼吸运动等。这种方法只能通过医生/护士的眼睛去观察患者的动作是否标准，不仅增加了医生/护士的工作量，而且不能将患者的动作进行量化，存在一定的误差，即无法确定患者动作与标准动作的差距。
发明内容
鉴于上述问题，本申请旨在提出一种交互式呼吸训练装置，其能够帮助受试者进行呼吸训练。
本申请的交互式呼吸训练装置，其包括：可穿戴系统、运动捕捉识别系统、可视化系统、服务器；其中，
可穿戴系统用于检测受试者的生理参数，该生理参数至少包括呼吸生理参数；
运动捕捉识别系统用于识别受试者的身体姿态以及捕捉受试者的动作；
可视化系统用于向受试者视觉呈现受试者的生理参数和/或身体姿态和动作；
可穿戴系统、运动捕捉识别系统、可视化系统分别连接于服务器；服务器根据自可穿戴系统接收的生理数据，在可视化系统以视觉呈现受试者的生理参数；服务器根据自运动捕捉识别系统接收的受试者的身体姿态和动作的数据，在可视化系统以视觉呈现受试者的身体姿态和动作；
受试者进行呼吸训练时，其生理参数和身体姿态及动作被可视化系统以视觉方式呈现出来。
优选地，所述可穿戴系统包括数据采集盒和生理数据传感器；生理数据传感器感测到受试者的生理参数后，由数据采集盒进行采集并发送到服务器。
优选地，所述生理数据传感器包括胸呼吸传感器、腹呼吸传感器、心电传感器、血氧传感器；
所述胸呼吸传感器、腹呼吸传感器、心电传感器集成在背心上，作为可穿戴设备。
优选地，所述服务器包括不正确身体姿态纠正模块；
在呼吸训练前，运动捕捉识别系统捕捉受试者的身体姿态，通过该不正确身体姿态纠正模块判断受试者的姿态是否存头部后仰、倾斜或前伸，高低肩，躯干旋转或倾斜，身体驼背，骨盆倾斜、旋转、侧移，膝关节屈曲、过伸的不正确的体姿体态，如存在，在纠正受试者的身体姿态后再进行呼吸训练。
优选地，所述服务器包括警示模块，警示模块为各生理参数设置阈值；当接收的生理参数中任何一个超过其对应的阈值时，警示模块给出警示，以终止训练。
优选地，所述服务器包括引导模块和动作比对模块；
在呼吸训练中，所述引导模块播放呼吸训练的标准动作的引导音频和/或引导视频；通过运动捕捉识别系统完成动作捕捉并由服务器的动作比对模块进行比对，判断动作是否达标，并评估呼吸训练动作的跟随效果，实现交互式引导呼吸训练。
优选地，在呼吸训练中，动作对比模块将运动捕捉识别系统捕捉的真实动作与引导模块的标准动作的差异进行量化，实时地通过可视化系统以音频或视频方式给出提示，以便于及时纠正受试者的动作。
优选地，所述服务器包括评估模块；
在呼吸训练前，评估模块对受试者进行多态评估，包括：静态姿势评估、关节活动度评估、步态分析评估和平衡测试评估，以了解受试者的身体状况，并据此纠正受试者的身体姿态。
优选地，所述服务器包括量化分析模块；
在呼吸训练后，量化分析模块根据训练过程中自可穿戴系统接收的生理参数给出量化分析结果，包括心率、呼吸率、血氧饱和度、潮气量、呼吸困难、疲劳程度等参数在呼吸训练前后的对比，心率、呼吸率、血氧饱和度趋势图，体态步态、呼吸训练跟随效果、呼吸训练心肺锻炼效果。
本申请还提出一种利用交互式呼吸训练装置进行的交互式呼吸训练方法，其中，交互式呼吸训练装置包括：可穿戴系统、运动捕捉识别系统、可视化系统、服务器；服务器包括：不正确身体姿态纠正模块、警示模块、引导模块、动作比对模块、评估模块、量化分析模块；所述可穿戴系统包括胸呼吸传感器、腹呼吸传感器、心电传感器、血氧传感器；
在呼吸训练前，运动捕捉识别系统捕捉受试者的身体姿态，服务器通过该不正确身体姿态纠正模块判断受试者的姿态是否存头部后仰、倾斜或前伸，高低肩，躯干旋转或倾斜，身体驼背，骨盆倾斜、旋转、侧移，膝关节屈曲、过伸的不正确的体姿体态，如存在，在纠正受试者的身体姿态后再进行呼吸训练；
在呼吸训练前，评估模块对受试者进行多态评估，包括：静态姿势评估、关节活动度评估、步态分析评估和平衡测试评估，以了解受试者的身体状况，并据此纠正受试者的身体姿态；
在呼吸训练中，引导模块播放呼吸训练的标准动作的引导音频和/或引导视频；通过运动捕捉识别系统完成动作捕捉并由服务器的动作比对模块进行比对，判断动作是否达标，并评估呼吸训练动作的跟随效果，实现交互式引导呼吸训练；
在呼吸训练中，警示模块为可穿戴系统所测量的各生理参数设置阈值；当接收的生理参数中任何一个超过其对应的阈值时，警示模块给出警示，以终止训练；
在呼吸训练中，动作对比模块将运动捕捉识别系统捕捉的真实动作与引导模块的标准动作的差异进行量化，实时地通过可视化系统以音频或视频方式给出提示，以便于及时纠正受试者的动作；
在呼吸训练后，量化分析模块根据训练过程中自可穿戴系统接收的生理参数给出量化分析结果，包括心率、呼吸率、血氧饱和度、潮气量、呼吸困难、疲劳程度等参数在呼吸训练前后的对比，心率、呼吸率、血氧饱和度趋势图，体态步态、呼吸训练跟随效果、呼吸训练心肺锻炼效果。
通过本申请的交互式呼吸训练装置，受试者可以在训练前矫正自己的身体姿态，在训练过程中与引导视频或者标志姿势作比较，得到每个动作与标准动作之间的差距；同时，在训练过程中，生理参数被实时监测，一旦超过阈值就会产生警示，及时终止训练；训练结束后，还会根据训练产生多份报告
附图说明
图1为本申请的交互式呼吸训练装置的结构示意图；
图2为本申请的交互式呼吸训练装置的可穿戴系统的示意图；
图3为集成在一起的服务器、可视化系统、以及运动捕捉识别系统的示意图；
图4为本申请的交互式呼吸训练方法的流程图；
图5为受试者利用本申请的交互式呼吸训练装置进行交互式训练的示意图；
图6为静态姿势报告示意图；
图7为步态分析报告示意图；
图8为关节活动度报告示意图；
图9为平衡测试报告示意图；
图10为Borg评分示意图；
图11为呼吸训练前生理参数图；
图12为呼吸训练后生理参数图；
图13为呼吸训练报告示意图。
具体实施方式
下面，结合附图对本申请进行详细说明。
本申请的交互式呼吸训练装置，其包括：可穿戴系统、运动捕捉识别系统、可视化系统、服务器；其中，
可穿戴系统用于检测受试者的生理参数，该生理参数至少包括呼吸生理参数。
运动捕捉识别系统用于识别受试者的身体姿态以及捕捉受试者的动作。
可视化系统用于向受试者视觉呈现受试者的生理参数和/或身体姿态和动作。
可穿戴系统、运动捕捉识别系统、可视化系统分别连接于服务器；服务器根据自可穿戴系统接收的生理数据，在可视化系统以视觉呈现受试者的生理参数；服务器根据自运动捕捉识别系统接收的受试者的身体姿态和动作的数据，在可视化系统以视觉呈现受试者的身体姿态和动作。
受试者进行呼吸训练时，其生理参数和身体姿态及动作被可视化系统以视觉方式呈现出来。
可穿戴系统包括数据采集盒和生理数据传感器；生理数据传感器感测到受试者的生理参数后，由数据采集盒进行采集并发送到服务器。
生理数据传感器包括胸呼吸传感器、腹呼吸传感器、心电传感器、血氧传感器13。
胸呼吸传感器11、腹呼吸传感器12、心电传感器集成在背心上，作为可穿戴设备。
这里需要说明的是，数据采集盒10，与背心集成在一起的胸呼吸传感器11、腹呼吸传感器12、心电传感器均为现有技术，其至少在CN209122211U中公开过。血氧传感器13为腕表式血氧传感器。
胸呼吸传感器11、腹呼吸传感器12为围绕受试者设置的电感器，受试者呼吸时，电感器的电感值会发生变化，由此反应受试者的呼吸情况。
运动捕捉识别系统包括摄像头，通过摄像头对受试者身体姿态进行拍摄；本申请的实施例中使用的是使用kinect作为运动捕捉识别系统。
可视化系统可以是显示器，或者是投影装置，其通过视觉方式向受试者呈现其身体姿态或引导视频等内容，还可以是呈现所检测到的生理参数。
服务器包括不正确身体姿态纠正模块；
在呼吸训练前，运动捕捉识别系统捕捉受试者的身体姿态，通过该不正确身体姿态纠正模块判断受试者的姿态是否存头部后仰、倾斜或前伸，高低肩，躯干旋转或倾斜，身体驼背，骨盆倾斜、旋转、侧移，膝关节屈曲、过伸的不正确的体姿体态，如存在，在纠正受试者的身体姿态后再进行呼吸训练。
服务器包括警示模块，警示模块为各生理参数设置阈值；当接收的生理参数中任何一个超过其对应的阈值时，警示模块给出警示，以终止训练。
服务器包括引导模块和动作比对模块；
在呼吸训练中，所述引导模块播放呼吸训练的标准动作的引导音频和/或引导视频；通过运动捕捉识别系统完成动作捕捉并由服务器的动作比对模块进行比对，判断动作是否达标，并评估呼吸训练动作的跟随效果，实现交互式引导呼吸训练。
在呼吸训练中，动作对比模块将运动捕捉识别系统捕捉的真实动作与引导模块的标准动作的差异进行量化，实时地通过可视化系统以音频或视频方式给出提示，以便于及时纠正受试者的动作。
服务器包括评估模块；
在呼吸训练前，评估模块对受试者进行多态评估，包括：静态姿势评估、关节活动度评估、步态分析评估和平衡测试评估，以了解受试者的身体状况，并据此纠正受试者的身体姿态。
服务器包括量化分析模块；
在呼吸训练后，量化分析模块根据训练过程中自可穿戴系统接收的生理参数给出量化分析结果，包括心率、呼吸率、血氧饱和度、潮气量、呼吸困难、疲劳程度等参数在呼吸训练前后的对比，心率、呼吸率、血氧饱和度趋势图，体态步态、呼吸训练跟随效果、呼吸训练心肺锻炼效果。
服务器包括的不正确身体姿态纠正模块、警示模块、引导模块、动作比对模块、评估模块、量化分析模均是通过服务器的处理芯片来加载执行相应的程序来实现的。
受试者穿戴好可穿戴系统后，站在运动捕捉识别系统前，按照图4的流程作呼吸训练。
1)体态识别及纠正：通过不正确身体姿态纠正模块识别体姿体态，判断身体是否处于标准状态，进行多态评估，包括：关节活动度评估、静态姿势评估、步态分析评估和平衡测试评估。
关节活动度评估：定量显示颈椎、脊柱、肩关节、肘关节、髋关节、膝关节的各种关节活动度，可以了解受试者各关节的活动能力。根据关节运动能力指标进行评估，小于指标为欠佳，在指标内为优，从而指导患者进行规范的训练。
静态姿势评估：对身体不同部位进行状态评估，包括：对头部评估是否侧屈或前伸状态；对肩部评估是否处于高低肩状态；对躯干评估是否处于旋转、侧屈状态；对骨盆评估是否处于旋转、倾斜状态；对膝关节评估是否为屈曲或过伸状态。通过对身体不同部位进行评估，量化评估结果，包括姿势健康指数、全身倾斜角度、脊柱额外负重信息，可以了解受试者静态时的身体状态，以便调节为有助于改善呼吸系统合适的姿势。
步态分析评估：定量显示常用的步态分析指标，包括：步频、步态周期、步幅、步速、双支撑相参数，进而了解受试者的稳定性、对称性、步速、步行节律的状况。
平衡评估：精准判定人体重心的位置，测量自然站立、闭眼、单腿站立时身体的平衡能力，包括平衡障碍能力、重心控制能力、平衡稳定能力。
通过对身体不同部位进行评估，量化评估结果并给予语音提示，包括姿势健康指数、全身倾斜角度、脊柱额外负重信息等，一方面可以了解受试者静态时的身体状态，另一方面便于纠正姿势，使受试者在正确的体姿体态下开展呼吸训练；
2)视频引导呼吸训练：在大屏上显示呼吸训练的动作视频，受试者按照视频引导及音频提示进行呼吸训练；
3)真实动作、标准动作对比：在呼吸训练过程中，通过体态识别装置进行动作捕捉，将跟随教学视频做出的运动动作在大屏幕上实时定量展现，实时评估动作是否达标，并给予语音提示，及时纠正受试者动作，以达到最佳训练效果；
另外，随着脊柱/身体的屈曲与伸展，吸气和呼气的自然配合，数字化展现解剖结构上的呼吸配合度。伸展，带动吸气；屈曲，带动呼气。
4)训练效果评价：呼吸训练完毕，给出量化分析结果，包括心率、呼吸率、血氧饱和度、潮气量、呼吸困难、疲劳程度等参数在呼吸训练前后的对比，心率、呼吸率、血氧饱和度趋势图，体态步态、呼吸训练跟随效果、呼吸训练心肺锻炼效果等，一方面了解本次的呼吸训练情况，另一方面为下一次的呼吸训练提供辅助支持信息。
实例
患者依据图2方式穿戴好可穿戴系统，在如图3的系统上依次进行体态识别和呼吸训练。
患者根据视频引导，通过不正确身体姿态纠正模块识别体姿体态及动作捕捉，包括：头部后仰、倾斜、前伸，高低肩，躯干旋转、倾斜、身体驼背，骨盆倾斜、旋转、侧移，膝关节屈曲、过伸等，出具体姿体态识别报告，纠正不标准动作，如图5所示。
姿态识别报告包括静态姿势报告、步态分析报告、关节活动度报告和平衡测试报告。
依据不正确身体姿态纠正模块出具的报告对身体姿态进行纠正，以使受试者在正确的姿势下进行呼吸训练，达到更好的训练效果。
体姿体态纠正完毕后，交互式引导呼吸训练。如受试者在如图3的视频交互式引导下做呼吸操训练，界面中实时显示心率、呼吸率、血氧饱和度值，及其趋势图，并出具呼吸训练报告，做Borg评分。
呼吸操训练准备阶段：静止状态下实时监测心电、呼吸、血氧饱和度值，一方面，实时观察了解受试者的身体状态，另一方面，根据该阶段的生理参数值确定受试者是否合适进行呼吸操训练。
呼吸操训练进行阶段：在视频引导下进行呼吸操训练，实时观察受试者的心电、呼吸、血氧饱和度值及趋势图。
呼吸操训练恢复阶段：在静止状态下实时监测心电、呼吸、血氧饱和度值，实时观察了解受试者的身体状态。
除非另有定义，本申请中使用的所有技术和/或科学术语具有与由本发明所涉及的领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本申请中提到的材料、方法和实施例仅为说明性的，而非限制性的。
虽然已结合具体实施方式对本发明进行了描述，在本申请的发明主旨下，本领域的技术人员可以进行适当的替换、修改和变化，这种替换、修改和变化仍属于本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种交互式呼吸训练装置，其包括：可穿戴系统、运动捕捉识别系统、可视化系统、服务器；其中，
可穿戴系统用于检测受试者的生理参数，该生理参数至少包括呼吸生理参数；
运动捕捉识别系统用于识别受试者的身体姿态以及捕捉受试者的动作；
可视化系统用于向受试者视觉呈现受试者的生理参数和/或身体姿态和动作；
可穿戴系统、运动捕捉识别系统、可视化系统分别连接于服务器；服务器根据自可穿戴系统接收的生理数据，在可视化系统以视觉呈现受试者的生理参数；服务器根据自运动捕捉识别系统接收的受试者的身体姿态和动作的数据，在可视化系统以视觉呈现受试者的身体姿态和动作；
受试者进行呼吸训练时，其生理参数和身体姿态及动作被可视化系统以视觉方式呈现出来。
2.如权利要求1所述的交互式呼吸训练装置，其特征在于：
所述可穿戴系统包括数据采集盒和生理数据传感器；生理数据传感器感测到受试者的生理参数后，由数据采集盒进行采集并发送到服务器。
3.如权利要求2所述的交互式呼吸训练装置，其特征在于：
所述生理数据传感器包括胸呼吸传感器、腹呼吸传感器、心电传感器、血氧传感器；
所述胸呼吸传感器、腹呼吸传感器、心电传感器集成在背心上，作为可穿戴设备。
4.如权利要求1所述的交互式呼吸训练装置，其特征在于：
所述服务器包括不正确身体姿态纠正模块；
在呼吸训练前，运动捕捉识别系统捕捉受试者的身体姿态，通过该不正确身体姿态纠正模块判断受试者的姿态是否存头部后仰、倾斜或前伸，高低肩，躯干旋转或倾斜，身体驼背，骨盆倾斜、旋转、侧移，膝关节屈曲、过伸的不正确的体姿体态，如存在，在纠正受试者的身体姿态后再进行呼吸训练。
5.如权利要求1所述的交互式呼吸训练装置，其特征在于：
所述服务器包括警示模块，警示模块为各生理参数设置阈值；当接收的生理参数中任何一个超过其对应的阈值时，警示模块给出警示，以终止训练。
6.如权利要求1所述的交互式呼吸训练装置，其特征在于：
所述服务器包括引导模块和动作比对模块；
在呼吸训练中，所述引导模块播放呼吸训练的标准动作的引导音频和/或引导视频；通过运动捕捉识别系统完成动作捕捉并由服务器的动作比对模块进行比对，判断动作是否达标，并评估呼吸训练动作的跟随效果，实现交互式引导呼吸训练。
7.如权利要求6所述的交互式呼吸训练装置，其特征在于：
在呼吸训练中，动作对比模块将运动捕捉识别系统捕捉的真实动作与引导模块的标准动作的差异进行量化，实时地通过可视化系统以音频或视频方式给出提示，以便于及时纠正受试者的动作。
8.如权利要求1所述的交互式呼吸训练装置，其特征在于：
所述服务器包括评估模块；
在呼吸训练前，评估模块对受试者进行多态评估，包括：静态姿势评估、关节活动度评估、步态分析评估和平衡测试评估，以了解受试者的身体状况，并据此纠正受试者的身体姿态。
9.如权利要求1所述的交互式呼吸训练装置，其特征在于：
所述服务器包括量化分析模块；
在呼吸训练后，量化分析模块根据训练过程中自可穿戴系统接收的生理参数给出量化分析结果，包括心率、呼吸率、血氧饱和度、潮气量、呼吸困难、疲劳程度等参数在呼吸训练前后的对比，心率、呼吸率、血氧饱和度趋势图，体态步态、呼吸训练跟随效果、呼吸训练心肺锻炼效果。
10.一种利用交互式呼吸训练装置进行的交互式呼吸训练方法，其中，交互式呼吸训练装置包括：可穿戴系统、运动捕捉识别系统、可视化系统、服务器；服务器包括：不正确身体姿态纠正模块、警示模块、引导模块、动作比对模块、评估模块、量化分析模块；所述可穿戴系统包括胸呼吸传感器、腹呼吸传感器、心电传感器、血氧传感器；
在呼吸训练前，运动捕捉识别系统捕捉受试者的身体姿态，服务器通过该不正确身体姿态纠正模块判断受试者的姿态是否存头部后仰、倾斜或前伸，高低肩，躯干旋转或倾斜，身体驼背，骨盆倾斜、旋转、侧移，膝关节屈曲、过伸的不正确的体姿体态，如存在，在纠正受试者的身体姿态后再进行呼吸训练；
在呼吸训练前，评估模块对受试者进行多态评估，包括：静态姿势评估、关节活动度评估、步态分析评估和平衡测试评估，以了解受试者的身体状况，并据此纠正受试者的身体姿态；
在呼吸训练中，引导模块播放呼吸训练的标准动作的引导音频和/或引导视频；通过运动捕捉识别系统完成动作捕捉并由服务器的动作比对模块进行比对，判断动作是否达标，并评估呼吸训练动作的跟随效果，实现交互式引导呼吸训练；
在呼吸训练中，警示模块为可穿戴系统所测量的各生理参数设置阈值；当接收的生理参数中任何一个超过其对应的阈值时，警示模块给出警示，以终止训练；
在呼吸训练中，动作对比模块将运动捕捉识别系统捕捉的真实动作与引导模块的标准动作的差异进行量化，实时地通过可视化系统以音频或视频方式给出提示，以便于及时纠正受试者的动作；
在呼吸训练后，量化分析模块根据训练过程中自可穿戴系统接收的生理参数给出量化分析结果，包括心率、呼吸率、血氧饱和度、潮气量、呼吸困难、疲劳程度等参数在呼吸训练前后的对比，心率、呼吸率、血氧饱和度趋势图，体态步态、呼吸训练跟随效果、呼吸训练心肺锻炼效果。
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|---|---|---|---|
| CN202010907594.XA CN116850546A (zh) | 2020-09-02 | 2020-09-02 | 交互式呼吸训练装置及利用其进行的交互式呼吸训练方法 |
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| CN (1) | CN116850546A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117831379A (zh) * | 2024-03-06 | 2024-04-05 | 天津市胸科医院 | 一种数据处理的呼吸训练医用机器人系统 |
| CN118133057A (zh) * | 2024-05-07 | 2024-06-04 | 广州中医药大学深圳医院(福田) | 一种呼吸可视化教学方法 |
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2020
- 2020-09-02 CN CN202010907594.XA patent/CN116850546A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117831379A (zh) * | 2024-03-06 | 2024-04-05 | 天津市胸科医院 | 一种数据处理的呼吸训练医用机器人系统 |
| CN117831379B (zh) * | 2024-03-06 | 2024-06-04 | 天津市胸科医院 | 一种数据处理的呼吸训练医用机器人系统 |
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