一种基于云平台的颈椎运动功能评测与训练系统的制作方法

本发明涉及颈椎运动功能的评测与训练领域，具体涉及到一种基于云平台的颈椎运动功能评测与训练系统。

背景技术：

随着时代的快速发展，长期面对电脑、手机、平板等信息时代的产物，导致人们颈椎长时间的保持不动，从而引发了病变；现代人群中存在各种各样的颈椎运动功能问题，如办公室白领、电脑从业人员、会记、作家等长期伏案工作者，易产生颈椎运动疼痛；老师、司机、流水线工人等每天5小时以上保持一个姿势、半天不活动，易产生颈椎增生而无法正常活动；40、50岁的中老年人，由于多年积劳成疾、加上平时运动少，造颈椎骨质自然生理老化而造成运动功能退化；很多人不清楚颈椎病的危害，颈椎病初期症状不明显也不易发现，偶尔颈椎不适以为做做理疗就会好；但颈椎一旦弯曲歪斜且硬化，头晕等很多毛病会随之而来；因此，每年都有大量人群需要进行颈椎运动功能的预防以及治疗训练。

目前，国内外用于颈椎运动功能的预防和治疗基本都是利用物理设备牵引、振动按摩方式，无法量化及追踪训练者的评测数据与训练情况；模式化训练单一，缺乏趣味性，训练者长期使用后会产生厌倦心理，对训练结果造成不好的影响；在训练过程中，即时掌握训练者康复的状态，制定合理的训练计划，对颈椎训练者的康复治疗意义重大；因此，急需一种可及时量化反馈训练者状态、训练模式多样化、使用者可主动参与颈椎预防和治疗训练的系统。

针对现有的不足，本发明设计了一种基于云平台的颈椎运动功能评测与训练系统。

技术实现要素：

本发明的目的是针对当前颈椎运动功能预防和治疗的评测与训练方面的不足，设计出一种基于云平台的颈椎运动功能评测与训练系统，为患有或者想预防颈椎病的人群提供颈椎运动功能的预防和治疗的评测与训练服务。

本发明的技术解决方案如下:

所述系统结构包括颈椎状态捕捉模块、电脑端上位机、云平台模块、移动端模块；颈椎状态捕捉模块是由可绑在头上的发带和一个九轴的姿态传感器构成，可实时采集颈椎姿态信息，采集到的数据经过卡尔曼滤波解算，通过蓝牙发送数据给电脑端的上位机；电脑端上位机再将数据整理好之后，通过5g网络发送数据到云平台模块；云平台模块利用姿态解析算法，分析颈椎状态捕捉模块所得数据，并生成评测报告，建立训练者个人档案，自动记录和保存训练者的评测和训练结果，推送训练的评测报告到移动端；移动端模块安装有移动端app,可以查看在云平台上的颈椎运动功能训练和评测数据；训练者通过主动的颈椎运动(上下摆动、左右扭动、顺时针/逆时针扭转)控制虚拟现实游戏中物体的运动，实现颈椎运动功能的训练。

所述系统的颈椎状态捕捉模块是由一个可绑定在头上的发带和姿态传感器组成；发带中安装有姿态传感器，通过卡尔曼滤波算法，可获得各轴的加速度和角度等准确的姿态信息；人体在扭动脖子的同时，颈椎状态捕捉模块实时采集相关的姿态信息，通过蓝牙传送数据到电脑端上位机上，再通过5g发送到云平台模块，实现采集到的数据交换与处理。

所述系统的电脑端上位机主要是是基于c#语言，使用unity3d软件开发的软件，进入软件时可选择角色，角色分为医师、训练者和家属；选择训练模式，如单人模式、多人模式对抗模式、家属辅助训练者康复模式、医师辅助训练者康复模式；电脑端上位机可以实时接收姿态传感器采集到的数据，解析姿态数据并实时驱动上位机游戏中的虚拟模型运动，提高颈椎运动功能训练的趣味性；在游戏结束后，上位机通过5g网络上传姿态数据到云平台。

所述系统的云平台模块是位于远程的云上部署web项目，可收集到电脑端上位机上传的数据，通过姿态解析算法，量化获得训练者的颈椎扭动的次数和角度；根据训练方案，评估训练者的训练情况，生成评测报告；通过感知进化算法对训练结果和训练方案分析智能生成新的最优化的训练方案；对训练者建立档案，记录和保存训练者的评测与训练数据，并且供医师和训练者在移动app端实时查看评测报告和新的训练方案。

所述系统的移动端模块安装有自制的移动端app，训练者和训练者家属在成功登录账号后可以查看医师制定的训练方案，训练记录和训练的评测结果等；医师在登录账号后，可以查看训练者的训练情况和训练评测报告等，即时的更新训练方案。

本发明公开了一种基于云平台的颈椎运动功能评测与训练系统，优势在于：引入虚拟现实技术，克服传统颈椎评测与训练系统复杂、趣味性低、测试流程复杂等缺点；采用多种训练模式，满足不同训练者的个性化需求；同时，云平台可以记录训练者的评测和训练信息，建立个人档案，训练者和医师在移动端实时查看数据，对训练者进行即时的训练跟踪与治疗，高效方便。

附图说明

图1为所述一种基于云平台的颈椎运动功能评测与训练系统的结构示意图

图2为所述一种基于云平台的颈椎运动功能评测与训练系统的使用流程图

具体实施方法

如图1所示的一种基于云平台的颈椎运动功能评测与训练系统，其结构包括颈椎状态捕捉模块(1)、电脑端上位机(2)、云平台模块(3)、移动端模块(4)。

如图1所示的颈椎状态捕捉模块(1)由发带(1-1)与内嵌的九轴姿态传感器(1-2)组成；训练者在戴上嵌有姿态传感器的发带后，模块可实时采集颈椎的姿态信息，经卡尔曼滤波解算，通过蓝牙将姿态数据发给电脑端上位机，并基于5g网络即时的发送姿态数据到云平台上。

如图1所示的发带原材料是棉麻，形状为长18cm，宽4.5cm的长方形棉麻布条，在发带的中间位置内嵌有一个九轴的姿态传感器；训练时，要求头部牢牢绑好发带，不让其随头部的摆动而摆动，通过电脑与姿态传感器配对后，训练者佩戴装有姿态传感器的发带，完成基于上位机设计的人体颈椎虚拟现实评测与训练的前期准备。

如图1所示的姿态传感器为九轴姿态传感器可以直接采集到颈椎运动的三维加速度、三维角速度和三维地磁场信息；主要采用角速度的三维信息，与三维加速度与地磁场信息结合，采用卡尔曼滤波方法进行姿态数据校准，准确解析颈椎运动功能的姿态信息，x轴数据用来计算左右扭动角度，y轴数据用来计算上下摆动角度，z轴数据用来计算顺时针或逆时针扭转的角度；并通过无线蓝牙通信传输到电脑端上位机。

如图1所示的电脑端上位机是基于c#语言，采用unity3d软件开发；训练者首先将电脑与姿态传感器通过蓝牙连接到一起，进入软件时可选择角色，角色分为医师、训练者和家属；选择训练模式，如单人模式、多人模式对抗模式、家属辅助训练者康复模式、医师辅助训练者康复模式，选择好游戏场景并佩戴好颈椎状态捕捉模块后，上位机通过蓝牙接收姿态传感器传来的姿态数据，并对姿态数据进行解析，驱动游戏中虚拟模型的运动；实现了训练者通过主动的颈椎运动(上下摆动、左右扭动、顺时针/逆时针扭转)控制上位机游戏中虚拟模型运动的效果，提高训练的趣味性；游戏结束后上位机会自动通过5g网络向云平台发送数据；选择多人模式后，训练者可与其他人一块进行游戏比赛，在游戏结束后，得分高的玩家获胜；选择家属角色后，可与训练者一起进入家属陪伴训练者的康复训练，减轻训练者的心理负担，增加训练的趣味性；选择单人模式后，选择游戏场景后开始颈椎治疗单人训练，每次游戏结束后，上位机自动将训练数据上传至云平台，并保存至个人档案信息中；选择医师辅助训练者康复模式后，训练者在虚拟游戏中的视角不仅会投屏到训练者的上位机游戏端，同时医师的手机端app可以请求云平台的数据来驱动手机端的上位机演示界面，医师可以查看训练者的实时训练情况并进行指导训练，提高训练者训练效果。

如图1所示的云平台模块部署在阿里云上，其分析上位机上传的姿态数据的方法是，将训练者的整个数据集合分为多个原子集合，每个原子集合都是一个独立的颈椎运动(上下摆动、左右扭动、顺时针/逆时针扭转)，对原子集合进行运算，可得出颈椎扭动角度；其中δx为该原子集合中最大x与最小x的差，δy为该原子集合中最大y与最小y的差，δz为该原子集合中最大z与最小z的差，α为左右扭动的角度，β为上下扭动的角度，γ为顺时针或逆时针扭转的角度；进而对颈椎扭动角度与次数进行量化评测，智能生成颈椎运动功能评测报告，并且采用感知进化算法，根据训练结果和以往的训练方案智能生成最优化的训练策略；并将评测报告和训练策略推送到移动端，供医师和训练者在移动端app上查看，并存储训练者的信息。

如图1所示移动端模块为一款可供医师、训练者和训练者家属使用的移动端app；用户在打开app时，选择适合的角色，登录到不同的用户模式(如医师、训练者和训练者家属)，训练者和训练者家属可查询医师发布颈椎运动功能训练计划，并查看训练者的颈椎运动功能训练记录和训练评测结果；医师可以根据颈椎运动功能训练的现有评测结果，制定和修改下一步的颈椎运动功能训练方案。

如图2流程图所示的颈椎运动功能的训练和评测系统方案如下：训练者打开电脑端的上位机游戏后，选择使用角色并登录，选择单人模式、多人模式对抗模式、家属辅助训练者康复模式、医师辅助训练者训练康复模式中的一种和游戏场景，如单人模式中的虚拟赛车游戏，点击开始后，训练者佩戴好颈椎状态捕捉模块，通过主动的颈椎运动(上下摆动、左右扭动、顺时针/逆时针扭转)驱动虚拟赛车加减速、左右变道、转弯，躲避障碍物，实现颈椎的运动功能训练；每次游戏训练结果按时间评价，若训练者能够在规定的游戏时间内通过终点，则训练结果记为优，若训练者在规定的游戏时间内完成了关卡的百分之八十以上，则记为良，若训练者在规定的时间内完成了关卡的百分之六十以上，则记为好，若训练者在规定的时间内完成了关卡的百分之六十以下，则记为差；在游戏结束后，上位机通过5g网络自动上传游戏的姿态数据到云平台，云平台模块对上传的数据进行计算，给出训练者上下摆动、左右摆动、顺时针及逆时针扭转的次数和角度，基于颈椎rom检测方法，颈椎上下摆动角度以35-45度为宜，颈椎左右摆动角度以35-45度为宜，颈椎顺时针和逆时针扭转以60-80度为宜，量化得出训练者的颈椎运动功能评测报告；同时，采用感知进化算法对训练数据进行分析，结合之前的训练方案，生成最优化的进一步训练策略；评测报告和训练策略可推送到移动端，供医师和训练者在移动端app上查看，并存储训练者的信息；训练者和训练者家属登录app后，可以查看医师制定的训练方案、训练记录以及颈椎运动功能评测报告等；医师登录app后，可以查看训练者的训练记录和颈椎运动功能评测报告等，可以根据云平台生成的最优化的训练策略和颈椎运动功能评测报告来制定和修改下一步的颈椎运动功能训练方案，增强训练者的颈椎治疗效果。

具体实施例子

使用本系统时，训练者应先打开电脑端的上位机游戏后，选择训练者角色，输入用户名和密码进行登录；登录成功以后，训练者可以选择多种训练模式和多种训练游戏场景，选择上位机中基于虚拟现实游戏的单人模式、多人模式对抗模式、家属辅助训练者康复模式、医师辅助训练者康复模式中一种模式进行颈椎的评测与训练；然后训练者佩戴好颈椎姿态捕捉模块，准备开始游戏和训练，等待游戏开始后，可在高沉浸感的虚拟现实场景中通过主动的颈椎运动(上下摆动、左右扭动、顺时针/逆时针扭转)驱使虚拟角色运动。

当选择单人训练模式时，选择虚拟游戏场景，电脑端上位机显示虚拟现实游戏测试场景，开始颈椎治疗单人训练；每次游戏结束后，将训练数据上传至云平台，并保存至个人档案信息中，供医师和训练者实时在移动端app查看。

当训练者选择多人模式对抗模式时，可以选择多人滑雪、多人赛车等场景；训练者在电脑端上位机中点击进入多人训练的模式和自选的训练游戏场景，在虚拟现实游戏加入对抗房间，并且训练者在游戏的时候可实时查看自己在游戏中的排名；在游戏结束后，得分高的玩家获胜，游戏数据自动上传至云平台，并保存至个人档案信息中，供训练者在移动端app查看比赛记录。

当训练者选择家属辅助训练者康复模式时，选择多人游戏的场景后，可与训练者一起进入家属陪伴训练者的康复训练，减轻训练者的心理负担，增加训练的趣味性。

当训练者选择医师辅助训练者康复模式时，训练者在虚拟游戏中的视角不仅会投屏到训练者的上位机游戏端，同时医师的手机端app可以请求云平台的数据来驱动手机端的上位机演示界面，医师可以查看训练者的实时训练情况并进行指导训练，提高训练者训练效果。

训练结束时，训练者摘下颈椎姿态捕捉模块，训练数据会自动上传到云平台，云平台模块对上传的数据进行计算，给出训练者上下摆动、左右摆动、顺时针及逆时针扭转的次数和角度，量化得出训练者的颈椎运动功能评测报告；同时，采用感知进化算法对训练数据进行分析，结合之前的训练方案，生成最优化的进一步训练策略；评测报告和训练策略可推送到移动端，供医师和训练者在移动端app上查看，并存储训练者的信息；训练者在移动端app可以查看训练记录和评测报告；医师在移动端app根据评测报告和训练策略来调整训练方案；训练者将所有设备放置在安全位置上，最终完成整个颈椎训练评测与训练过程。

以上显示和描述了本发明的基本原理、实施过程和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。