颈椎康复训练系统的制作方法

本实用新型涉及康复训练领域，尤其涉及颈椎康复训练系统。

背景技术：

一直以来，各类颈椎疾病都是困扰人们生活的一个重要问题，特别是在手机电脑的使用日益普及下，患有脊椎类疾病的人越来越多。颈椎病康复者在进行治疗时需要经过以下几个阶段：(1)病情评估：传统的颈椎病病情评估需要专业治疗师测量康复者的主动关节活动度、被动关节活动度、并且口头询问评估过程中的疼痛情况；(2)制定康复方案：根据评估的结果，医师为康复者制定之后的治疗方案，包括药物、手法、理疗与运动；(3)运动康复：颈椎病的运动康复训练是有效缓解疼痛，修复肌肉损伤，增加关节活动度，增强颈部稳定性的重要方法。

而传统的颈部运动训练需要专业治疗师的指导进行，治疗师向康复者讲解运动的方式和注意事项，引导康复者进行颈部和肩颈关节的运动，在康复者运动的同时需要治疗师在旁边进行观察指导。传统的治疗方法有以下几个问题：(1)传统的颈椎病评估：颈椎病活动度评估需要治疗师通过量角器在几个固定的关节点进行活动角度的测量，耗时长，且容易有人为测量的误差，康复者需要等待的时间较长，体验差；(2)传统的颈椎病运动训练：一次运动训练需要一名治疗师一对一引导，耗费人力。让康复者自助运动又相对单调枯燥，依从性较差。康复者主动运动疗效不及虚拟现实技术视觉引导的运动，训练强度和训练效果不易评估，不利于医疗工作者判断康复状况。

在目前市场上已有各种类型的颈椎康复训练装置，例如，专利号为cn2015106587451的实用新型专利，就提供了人体颈椎及腰椎间盘突出症综合康复器，包括床板及护板，所述护板设置在腰椎顶压装置两侧，通过护板调节装置可调节两护板的间距，其特点是：包括布置在床板上的颈椎顶压装置及腰椎顶压装置，所述颈椎顶压装置与腰椎顶压装置的结构相似，且颈椎顶压装置和腰椎顶压装置之间的间距可通过床板伸缩节及床架伸缩节进行调节；所述腰椎顶压装置包括气囊及弹簧式的弹性顶压装置和丝杠及齿轮传动的非弹性顶压装置。利用人体自重及康复者自行调节装置，顶压效果好，康复时间短。再如，专利号为cn108257654a的实用新型专利，通过虚拟现实技术实现颈椎康复训练的方法，其特点是通过虚拟现实技术构建“鳯”字，引导康复者通过头部运动书写，实现运动康复的训练。上述现有中的颈椎康复装置要么采用物理牵引的方法，设备庞大、使用复杂、成本较高。要么采用主动运动康复的方法，缺乏颈椎状态评估，无法针对不同的病情差异化训练，训练过程枯燥乏味康复者不宜长期坚持训练。

技术实现要素：

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题设计了颈椎康复训练系统。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

颈椎康复训练系统，包括：

数据采集模块，用于采集康复训练中康复者的运动姿态数据；

信息储存模块，用于储存康复者的基本信息、康复者颈椎情况、康复训练情况；

数据处理模块，用于对采集的数据进行处理、虚拟康复场景的构建以及活动度评估，数据采集模块的信号端和信息储存模块的信号端均与数据处理模块的信号端连接；

显示模块，用于将数据处理模块处理后的数据和构建的虚拟康复场景显示给康复者，指导康复者进行相关康复操作，数据处理模块的信号端与显示模块的信号端连接；

用于语音提示的语音模块，语音模块的信号端与数据处理模块的信号端连接。

本实用新型的有益效果在于：

1、康复者颈椎情况评估：通过虚拟现实技术与光学动作捕捉技术，进行康复者颈椎活动度测量，提升了测量效率、增加了测量准确性，避免了人工误差，减轻医生工作，本体感觉的评估也可以在vr内康复者自行进行，没有额外设备和人工操作的要求，获得精确的结果；

2、针对性训练：在训练过程中，实时监测康复者训练姿态并给以提醒，提升了运动训练的标准性；通过康复者颈椎活动度生成的运动方案，保证了针对性的训练，提升了训练的安全性；同时结合游戏的方式进行引导，转移康复者注意力，减低了康复者在训练中的疼痛感，提升训练的趣味性，提高康复者的依从性；本实用新型通过视觉追踪的方式即控制训练姿势稳定系统，而康复者主观意识控制的运动是控制训练颈部大肌群动力系统，大大的提升了训练效果；持续的收集康复者完整的运动训练信息，向治疗师提供详细准确的数据依据，提升治疗师判断康复恢复状况的准确性；有效优化治疗方案；由系统指导进行评估以及康复训练，可以减少治疗师的工作投入，增加了治疗师接诊量，减轻了医疗机构就诊压力，节省了人工成本。

附图说明

图1是本实用新型颈椎康复训练系统的示意图；

图2是本实用新型颈椎康复训练系统的训练使用的示意图；

图3是本实用新型颈椎康复训练系统中人体25个躯干关节点示意图；

图4是本实用新型颈椎康复训练系统的人体基本剖面图；

图5是本实用新型颈椎康复训练系统训练时康复者所见的虚拟场景1；

图6是本实用新型颈椎康复训练系统训练时康复者所见的虚拟场景2；

图7是本实用新型颈椎康复训练系统训练时康复者所见的虚拟场景3；

图8是本实用新型颈椎康复训练系统的训练数据统计图。

附图中的相应标记为：

0-脊柱基底，1-中脊柱，2-脖子，3-头，4-左肩，5-左肘部，6-左手腕，7-左手，8-右肩，9-右肘部，10-右手腕，11-右手，12-左臀部，13-左膝，14-左脚踝，15-左足，16-右臀部，17-右膝，18-右脚踝，19-右足，20-肩膀脊柱，21-左手尖，22-左拇指，23-右手尖，24-右拇指。

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中的附图，对本实用新型实施例中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一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，颈椎康复训练系统，包括：

数据采集模块，用于采集康复训练中康复者的运动姿态数据；

信息储存模块，用于储存康复者的基本信息、康复者颈椎情况、康复训练情况；

数据处理模块，用于对采集的数据进行处理、虚拟康复场景的构建以及活动度评估，数据采集模块的信号端和信息储存模块的信号端均与数据处理模块的信号端连接；

显示模块，用于将数据处理模块处理后的数据和构建的虚拟康复场景显示给康复者，指导康复者进行相关康复操作，数据处理模块的信号端与显示模块的信号端连接；

用于语音提示的语音模块，语音模块的信号端与数据处理模块的信号端连接。

数据采集模块包括用于采集康复者头部运动数据的第一采集模块和用于采集康复者躯干运动数据的第二采集模块，第一采集模块和第二采集模块的信号端均与数据处理模块的信号端连接。

第一采集模块为设置有传感器的虚拟现实设备，用于采集康复者头部一个方向或多个方向的旋转角度数据。

传感器为陀螺仪传感器。

第二采集模块为光学动作捕捉设备。

数据处理模块包括pc端与前端处理器，数据采集模块和显示模块分别通过前端处理器与pc端相连。

数据处理模块包括：

评估模块，用于根据采集的数据对康复者的颈椎情况进行评估；

虚拟场景构建模块，根据康复者的颈椎情况构建相应的康复训练虚拟场景和康复者的虚拟人体模型。

本实用新型颈椎康复训练系统的工作原理如下：

康复者情况采集：首先将康复者的基本信息录入康复训练系统并将其储存在信息储存模块中；其次康复者穿戴好虚拟现实设备，并站立或者正坐于光学动作捕捉设备前面，如图2所示，启动康复训练系统，康复者根据显示模块显示的内容进行相关操作，虚拟现实设备和光学动作捕捉设备分别对康复者操作过程中的头部运动数据和躯干运动数据进行采集，采集到的数据传输到评估模块，评估模块对采集到的头部运动数据和躯干运动数据进行配对、校正、过滤、转换、平滑处理，得到该康复者的颈椎情况，并将其颈椎情况储存在信息储存模块中，以便于康复训练的使用。

进行评估之前需要康复者为正确的身体姿态，避免对后面的测量评估结果和康复训练效果产生影响，通过虚拟现实设备和光学动作捕捉设备采集头部姿态数据和躯干姿态数据判断康复者是否为正确的身体姿态，身体姿态判断的方法如下：

a.光学动作捕捉设备由一个红外投影机和深度摄像头组成，通过tof原理获取物体深度图像。再根据机器学习的方法从深度图像中识别出人体各个关节点的位置和朝向等信息，关节点如图3所示。经过康复者脊椎中点，作平行于地平面的平面为“横断面”；作垂直于地平面并经过红外深度摄像头的平面为“矢状面”；作垂直于上述两个平面的平面为“冠状面”,如图4所示。

b.对身体姿态的判断主要有如下4种：①判断关节点与基本剖面的距离是否满足设定条件：判断某关节点与某身体基本剖面之间的距离是否在指定范围内，如：头部关节点与冠状面之间的距离小于或等于5cm即在指定范围内姿势正常，否则姿势异常；②判断骨骼与基本剖面之间的夹角是否满足设定条件：判断由某两个邻接的关节点之间的骨骼与某个身体剖面之间的夹角是否在指定范围内，如：若由髋关节和膝关节之间的股骨与横断面之间的夹角大于60°则满足设定条件姿势正常，否则姿势异常；③判断三个关节点之间的夹角是否满足设定条件：判断三个互相邻接的关节点之间的夹角是否在指定范围内，如：右手-右肘-右肩之间的夹角大于或等于50°，若是则姿势正常，否则姿势异常；④判断两个关节点在某一方向上的距离是否满足设定条件：判断两个关节点在某一方向上的距离是否在指定范围内，如：若头部关节点在肩部关节点的前方，且在前后方向上的距离小于4cm则姿势正常，否则姿势异常。

身体姿态调整正确后，进行颈椎活动度主动评估方式：通过显示模块显示的动画箭头引导康复者进行头部左屈、右屈、左旋转、右旋转、前屈、后伸六个方向转动，每个方向转动2次，通过数据采集模块采集头部转动数据和身体姿态数据，然后通过数据处理模块进行校正处理测量出康复者颈椎6个方向的活动度。在评估过程中康复者可分别对各运动方向评估过程中感受到的疼痛程度进行打分，如图6所示。

颈椎活动受限严重康复者可采用颈椎活动度被动评估，其方法如下：治疗师双手扶住康复者头部控制康复者头部进行左屈、右屈、左旋转、右旋转、前屈、后伸六个方向转动，数据采集模块会以康复者头部旋转以后保持不动2秒为采集点，自动采集数据并判断活动方向以及活动度，采集完成通过语音提示治疗师，同时要求康复者可分别对各运动方向评估过程中感受到的疼痛程度进行打分。

针对性康复训练：康复者穿戴好虚拟现实设备，并站立或者正坐于光学动作捕捉设备前面，治疗师从信息储存模块中提取该康复者的所有情况，包括康复者的基本信息以及颈椎情况信息，根据康复者的情况制定具有针对性的康复训练方案，并通过虚拟场景构建模块根据康复训练方案构建相应的虚拟场景，该虚拟场景通过显示模块显示给康复者，康复者根据显示模块显示的虚拟场景进行相应的康复训练操作，该训练操作以游戏的方式产生。

如图5所示，康复训练过程：康复者通过头部运动控制飞鸟飞行游戏的方式进行训练，系统根据提取的康复者的颈椎情况，按照特定算法生成游戏运动训练方案。飞行轨迹算法：①颈椎前屈后伸左右旋转的运动：在虚拟现实场景内出现引导物，康复者通过颈椎前屈后伸左右旋转的动作控制虚拟飞鸟撞击引导物，引导物连续平滑的出现，出现的范围在康复者的主动活动度范围内，并有一定几率连续地出现在康复者最大活动角度的位置，引导康复者在该位置处停留一段时间，有部分特殊的引导物会出现在大于康复者活动度5度的位置，若康复者都能撞击到该引导物，则在下一组运动中增加引导物出现的范围；②颈椎左右侧屈的运动：在虚拟现实场景内出现方框状的侧屈引导物，康复者通过颈椎侧屈的运动控制虚拟飞鸟侧飞穿过引导物，引导物随机地出现，出现位置在虚拟场景视野中央，侧屈的角度范围为康复者主动侧屈活动的最大角度；③头部前伸后缩的运动：在虚拟现实场景内出现2种圆圈状引导物，大的圆圈会逐渐缩小，小的圆圈会逐渐扩大，康复者通过下巴水平前伸和后缩的动作分别控制虚拟飞鸟加速和减速飞行，加速飞行在大圈缩小前穿过或减速飞行在小圈扩大后穿过，圆圈引导物随机的出现，出现位置在虚拟现实场景视野中央，整个圆圈变化过程持续4秒，康复者需要保持至少2秒的前伸后缩动作才能顺利穿过圆圈引导物。

如图7所示，虚拟场景中出现各种上肢运动(包含：左右平举；双手上交叉；双手上举；w扩胸；左高右低；左低右高；左对侧高，右高；右对侧高，左高)的人墙和金币，人墙用于引导康复者做出人墙上的动作并保持该动作一段时间使墙完全碎裂得分；金币用于引导康复者进行转动肩部吸引金币得分。

完成每个康复者的康复训练过程中，虚拟现实设备和光学动作捕捉设备均会对康复者的训练数据进行采集，采集到的数据通过数据处理模块进行分析处理，得到该康复者的康复训练结构和康复趋势，如图8所示，帮助治疗师确定康复者的颈椎康复状态。

本实用新型的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本实用新型的技术方案做出的技术变形，均落入本实用新型的保护范围之内。