CN212235877U - 一种高集成度的双人对抗式平衡能力训练与评测系统 - Google Patents
一种高集成度的双人对抗式平衡能力训练与评测系统 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种高集成度的双人对抗式平衡能力训练与评测系统，包括数据采集与处理单元、人机交互单元、效果评估与显示单元；数据采集与处理单元实时采集人体前后或左右摇晃时压力中心的轨迹位置，将接收到的数据处理为坐标值，利用蓝牙通过无线传输方式传递给人机交互单元；人机交互单元在接收到数据采集与处理单元传送的坐标值后将坐标值传递给双人对抗游戏，驱使游戏中的物体移动，完成游戏预先布置的任务，实现人体平衡能力训练；本实用新型具有操作简单、可移动、制造成本低、可大规模推广的优点，同时采用的双人对抗的游戏形式能够为患者提供可选择的训练模式调动患者训练的积极性，避免其产生抵触心理。
Description
技术领域
本实用新型属于平衡能力康复设备技术领域，尤其是涉及一种高集成度的双人对抗式平衡能力训练与评测系统。
背景技术
心血管疾病是非传染性疾病死亡的主要原因，而中风就是一种常见且危害较大的心血管疾病，我国中风发病率连续多年居世界首位。对于患病程度较轻者一次中风发作只影响一侧上肢或一侧下肢等某一部位，较重者可能导致半身全部瘫痪。最严重的中风可发生猝死。中风患者功能平衡和姿势控制减退限制了个人的行走能力，也增加了跌倒的风险，因此，平衡能力的训练是中风康复计划中重要的一部分。据世界卫生组织的数据显示，青年中风的发病率为30.2 / 10万，且具有上升趋势，可见中风已不再独属于40岁以上中年人，对于青年群体中风的防护与治疗工作迫在眉睫。
传统观测法（如患者睁闭眼站立由医师根据其晃动程度定性判断其平衡能力）操作简单，易于实现，但太过依赖经验，缺乏量化标准，难以令患者信服。美国Biodex sys平衡系统仪器为可转动的单板（可旋转和倾斜0～20度），通过测试几种站立状态，给予一个综合的平衡能力评价。该仪器主要针对训练，对于平衡能力明显欠缺或存在障碍的，用处不大，该仪器售价在18到25万元。以色列Tetrax平衡训练系统：仪器由扶手和4个独立压力模块组成，人体的晃动由每块板的垂直压力波动来记录，将晃动的参数与标准数据库进行比对，给予测量评价结果，是目前应用较广的一款平衡仪器。
上述近年进口的康复训练仪器如Txtrax平衡训练系统、Biodex sys平衡系统机械结构复杂，定价过高，只有少数大医院的康复科室有资金引进，难以满足庞大的患者群体；且训练模式单一，久而久之容易让患者因枯燥乏味产生抵触心理。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种高集成度的双人对抗式平衡能力训练与评测系统，具有操作简单、可移动、制造成本低、可大规模推广的优点，同时采用的双人对抗的游戏形式能够为患者提供可选择的训练模式调动患者训练的积极性，避免其产生抵触心理。
为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
一种高集成度的双人对抗式平衡能力训练与评测系统，包括数据采集与处理单元、人机交互单元、效果评估与显示单元；
所述数据采集与处理单元实时采集人体前后或左右摇晃时压力中心的轨迹位置，将接收到的数据处理为坐标值，利用蓝牙通过无线传输方式传递给人机交互单元；
所述人机交互单元在接收到数据采集与处理单元传送的坐标值后将坐标值传递给双人对抗游戏，驱使游戏中的物体移动，完成游戏预先布置的任务，实现人体平衡能力训练，开始游戏后，人机交互单元将接收到的数据保存在本地的文本中；
所述效果评估与显示单元读取本地数据，基于时频域分析给出训练结果，由医师根据该结果为患者制定下一阶段的康复计划。
进一步地，所述数据采集与处理单元包括两套测力台，每套测力台连接一套下位机控制系统；
所述测力台包括底座、四个压力传感器、一个直流供电电源及一个钢化玻璃板，四个压力传感器分别安装在底座的四角，钢化玻璃板安装在四个压力传感器上部，直流供电电源安装在底座上并为测力台提供电能；
所述下位机控制系统包括单片机和主从一体蓝牙模块，用于将压力传感器采集的数据处理成坐标值，并利用主从一体蓝牙模块以无线传输方式传递给人机交互单元。
进一步地，所述人机交互单元包括一台装有Visual Studio 2017软件和Unity3D软件的能够上网的第一电脑，第一电脑中搭载有利用Unity3D引擎编写的双人对抗游戏，用于平衡能力训练。
进一步地，所述效果评估与显示单元包括一台装有Visual Studio 2017软件和Unity3D软件的能够上网的第二电脑，所述效果评估与显示搭载在所属人机交互单元的训练与评测系统中，经过时频域分析，自动给出人体平衡能力的评测结果。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型针对目前的康复训复杂，定价过高，练仪器大多采用进口设备，只有少数大医院的康复科室有资金引进，难以满足庞大的患者群体；且训练模式单一，久而久之容易让患者因枯燥乏味产生抵触心理的问题。提供一种高集成度的双人对抗式平衡能力训练与评测系统，包括数据采集与处理单元、人机交互单元、效果评估与显示单元；其中，数据采集与处理单元实时采集人体前后或左右摇晃时压力中心的轨迹位置，将接收到的数据处理为坐标值，利用蓝牙通过无线传输方式传递给人机交互单元；其中，人机交互单元在接收到数据采集与处理单元传送的坐标值后将坐标值传递给双人对抗游戏，驱使游戏中的物体移动，完成游戏预先布置的任务，实现人体平衡能力训练，开始游戏后，人机交互单元将接收到的数据保存在本地的文本中；其中，效果评估与显示单元读取本地数据，基于时频域分析给出训练结果，由医师根据该结果为患者制定下一阶段的康复计划。
本实用新型能够提供丰富多样的游戏场景以及双人对抗形式游戏可以为用户提供不同的训练模式，最大程度调动患者的积极性。另外，以系统为通信主体的通信方式有利于软件的功能扩展和集成化，可为用户提供更加简洁的操作环境和更加流畅的用户体验。
本实用新型主要用于医院的康复科室，但由于克服了传统平衡康复器械造价高、结构复杂的问题，具有较大的推广潜力，也可放置在患者家中，辅助其随时进行康复训练。
本实用新型具有操作简单、可移动、制造成本低、可大规模推广的优点，同时采用的双人对抗的游戏形式能够为患者提供可选择的训练模式调动患者训练的积极性，避免其产生抵触心理。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型中测力台的结构示意图；
图3为本实用新型中下位机控制系统的结构框；
图4为本实用新型的使用流程图；
附图标记：
数据采集与处理单元100；
测力台101；
底座101a；
压力传感器101b；
直流供电电源101c；
钢化玻璃板101d
下位机控制系统102；
单片机102a；
主从一体蓝牙模块102b；
人机交互单元200；
效果评估与显示单元300。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图1至附图4，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例，参阅附图1至4，本实用新型针对目前的康复训复杂，定价过高，练仪器大多采用进口设备，只有少数大医院的康复科室有资金引进，难以满足庞大的患者群体；且训练模式单一，久而久之容易让患者因枯燥乏味产生抵触心理的问题。提供一种高集成度的双人对抗式平衡能力训练与评测系统，包括数据采集与处理单元100、人机交互单元200、效果评估与显示单元300。更加适用于青年中风患者的平衡能力训练与评测系统，为患者提供流畅的用户体验。双人对抗形式的游戏为用户提供可选择的训练模式: 1.病人与病人之间进行比赛，可最大程度调动其进行康复训练的主动性，有助于训练效果的提高；2.医生指导病人进行游戏，可规范病人的动作，引导患者进行更加有效的康复训练。
具体地，如图1所示，一种高集成度的双人对抗式平衡能力训练与评测系统，包括数据采集与处理单元100、人机交互单元200、效果评估与显示单元300；
所述数据采集与处理单元100实时采集人体前后或左右摇晃时压力中心的轨迹位置，将接收到的数据处理为坐标值，利用蓝牙通过无线传输方式传递给人机交互单元200；
所述人机交互单元200在接收到数据采集与处理单元100传送的坐标值后将坐标值传递给双人对抗游戏，驱使游戏中的物体移动，完成游戏预先布置的任务，实现人体平衡能力训练，开始游戏后，人机交互单元200将接收到的数据保存在本地的文本中；
所述效果评估与显示单元300读取本地数据，基于时频域分析给出训练结果，由医师根据该结果为患者制定下一阶段的康复计划。
如图1所示，所述数据采集与处理单元100包括两套测力台101，每套测力台101连接一套下位机控制系统102。
如图2所示，所述测力台101包括底座101a、四个压力传感器101b、一个直流供电电源101c及一个钢化玻璃板101d，四个压力传感器101b分别安装在底座101a的四角，钢化玻璃板101d安装在四个压力传感器101b上部，直流供电电源101c安装在底座101a上并为测力台101提供电能。
如图3所示，所述下位机控制系统102包括单片机102a和主从一体蓝牙模块102b，用于将压力传感器101b采集的数据处理成坐标值，并利用主从一体蓝牙模块102b以无线传输方式传递给人机交互单元200。
进一步地，所述人机交互单元200包括一台装有Visual Studio 2017软件和Unity3D软件的能够上网的第一电脑，第一电脑中搭载有利用Unity3D引擎编写的双人对抗游戏，用于平衡能力训练。
进一步地，所述效果评估与显示单元300包括一台装有Visual Studio 2017软件和Unity3D软件的能够上网的第二电脑，所述效果评估与显示搭载在所属人机交互单元200的训练与评测系统中，经过时频域分析，自动给出人体平衡能力的评测结果。
如图4所示，使用时，患者站在数据采集与处理单元100的钢化玻璃板101d上晃动产生不同的足底压力，数据采集与处理单元100中的压力传感器101b将足底压力中心数据通过电路实时传送给下位机控制系统102中的单片机102a，单片机102a对传送来的数据进行处理，如图1所示的数据采集与处理单元100的人体重心计算方法为：
以钢化玻璃板101d的中心为原点，使用者站立的正前方为x轴，左侧为y轴；
其中为各个压力传感器101b的压力值，为相邻两压力传感器101b之间的距离，XCOP,YCOP为人体重心坐标点。单片机102a将处理完的坐标值由蓝牙传输至人机交互单元2；
人机交互单元200中的游戏是由Unity3D引擎编写的双人游戏，可为患者提供紧张刺激的游戏体验，将游戏打包为可执行文件形式，利用API接口将游戏嵌套进系统界面。训练与评测系统是由Visual Studio软件编写的Winform窗体程序，系统软件将数据采集与处理单元100发送到电脑串行数据接收端口的坐标值存储到本地端文本文件中，并通过套接字通信方式（Socket）将这些数据发送到双人游戏，坐标值驱使Unity游戏中的物体进行运动。患者通过自身重心协调控制，实现平衡能力训练。另外，在系统登录界面，设置有密码校验功能，只有输入密码正确才能开启系统功能。
游戏结束后，点击系统中的“评测界面”按钮，效果评估与显示单元300对游戏过程中保存的数据进行时频域分析：
已知人体重心到坐标原点的距离为
，功率谱密度是信号
在时间区间
的平均功率，用F表示，功率谱密度函数为：
将频率范围划分为0.02-0.2Hz、0.2-2Hz、2-10Hz，以低频段（0.02-0.2Hz）的功率谱密度百分比作为评价指标,则低频段功率谱密度百分比，记为P，可表示为：
由人体COP轨迹特征的频域分析方法可知正常群体的P值均值约为126.8，据此标准划分优、良、中、差四个平衡能力等级，P值在80以下和170以上记为差，P值在80-90和160-170之间记为中，P值在90-110和140-160之间记为良,P值在110-140之间记为优。
人体平衡能力训练方案如下：双方用户选择相应的训练模式、训练场景及训练时长，训练场景多样。以患者间竞赛为例，选择迷宫场景，双方患者在平衡台上自然站立好后游戏开始，使用人体重心控制游戏中的球穿过迷宫，完成时间较短的一方获得胜利。使用者每天训练1-2个小时，达到训练时长后完成平衡能力评测，直到使用者平衡能力测试结果为恢复正常水平（优或良），停止最终康复训练；使用者可根据自身需求，选择不同难度的训练模式（简单模式或困难模式）。
本实用新型采用双人对抗的游戏形式可以为患者提供可选择的训练模式调动患者训练的积极性，避免其产生抵触心理；另外，本实用新型的设备操作简单可移动，制造成本低，可大规模推广；同时，本实用新型采用高集成度的系统有利于功能的扩展，为患者提供功能更强大的评估服务；此外，本实用新型能够设置密码保障用户信息安全，有助于保护私人化治疗方案。
本实用新型主要用于医院的康复科室，同时，由于克服了传统平衡康复器械造价高、结构复杂的问题，具有较大的推广潜力，也可放置在患者家中，辅助其随时进行康复训练。本实用新型具有操作简单、可移动、制造成本低、可大规模推广的优点，同时采用的双人对抗的游戏形式能够为患者提供可选择的训练模式调动患者训练的积极性，避免其产生抵触心理。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种高集成度的双人对抗式平衡能力训练与评测系统，其特征在于：包括数据采集与处理单元(100)、人机交互单元(200)、效果评估与显示单元(300)；
所述数据采集与处理单元(100)实时采集人体前后或左右摇晃时压力中心的轨迹位置，将接收到的数据处理为坐标值，利用蓝牙通过无线传输方式传递给人机交互单元(200)；
所述人机交互单元(200)在接收到数据采集与处理单元(100)传送的坐标值后将坐标值传递给双人对抗游戏，驱使游戏中的物体移动，完成游戏预先布置的任务，实现人体平衡能力训练，开始游戏后，人机交互单元(200)将接收到的数据保存在本地的文本中；
所述效果评估与显示单元(300)读取本地数据，基于时频域分析给出训练结果，由医师根据该结果为患者制定下一阶段的康复计划；
所述数据采集与处理单元(100)包括两套测力台(101)，每套测力台(101)连接一套下位机控制系统(102)；
所述测力台(101)包括底座(101 a)、四个压力传感器(101b)、一个直流供电电源(101c)及一个钢化玻璃板(101d)，四个压力传感器(101b)分别安装在底座(101a)的四角，钢化玻璃板(101d)安装在四个压力传感器(101b)上部，直流供电电源(101c)安装在底座(101a)上并为测力台(101)提供电能；
所述下位机控制系统(102)包括单片机(102a)和主从一体蓝牙模块(102b)，用于将压力传感器(101b)采集的数据处理成坐标值，并利用主从一体蓝牙模块(102b)以无线传输方式传递给人机交互单元(200)。
2.根据权利要求1所述的一种高集成度的双人对抗式平衡能力训练与评测系统，其特征在于：所述人机交互单元(200)包括一台装有Visual Studio 2017软件和Unity3D软件的能够上网的第一电脑，第一电脑中搭载有利用Unity3D引擎编写的双人对抗游戏，用于平衡能力训练。
3.根据权利要求2所述的一种高集成度的双人对抗式平衡能力训练与评测系统，其特征在于：所述效果评估与显示单元(300)包括一台装有Visual Studio 2017软件和Unity3D软件的能够上网的第二电脑，所述效果评估与显示搭载在所属人机交互单元的训练与评测系统中，经过时频域分析，自动给出人体平衡能力的评测结果。
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