一种基于数字孪生的膝关节骨性关节炎居家康复系统

本发明属于数字孪生与康复医疗，具体涉及一种基于数字孪生的膝关节骨性关节炎居家康复系统。

背景技术：

1、膝关节骨性关节炎是一种极为常见的慢性疾病，其康复计划制定过程复杂，需占用医生大量时间与精力。在居家康复时会存在大量不确定因素影响患者的康复效果。

2、目前数字孪生技术被用在康复医疗领域，其可以全面实时地监测整个居家康复环节的运行信息，不断地进行自我学习与优化，并支持人为干预地优化，减轻医生的工作压力。其还可以给医生提供远程观察与指导患者的途径，提升患者康复效率与速度。另外，康复训练机器人也被用于辅助患者居家独自训练，减轻医疗体系的负担，提升康复运动疗效，并改善患者的生活质量。还使用扩展现实技术来增强医患间的感知能力，解决远程康复时的医患互动难题，通过代理交互提供力触觉反馈，为医患提供更真实的远程互动效果，减轻患者就诊的成本。

3、公开号为cn113101140b的中国专利公开了基于数字孪生的柔性下肢外骨骼康复单元构建方法及系统，通过固定在患者身上的下肢外骨骼物理实体与其数字孪生体交互融合及相互映射，能通过虚实交互系统对外骨骼进行可视化实时模拟、优化分析、监督报警等，同时通过力传感器和扭矩传感器反馈的信息判断患者的恢复情况，以针对患者的实际情况调整外骨骼的控制策略。虽然该方法构建了数字孪生体，但一方面无法为患者提供助力帮助，另一方面无法为医生提供力触觉反馈。

4、公开号为cn107978367b的中国专利公开了一种基于虚拟现实的远程诊疗机器人力触觉再现方法，该方法搭建了包括pc机、力触觉交互设备和诊疗机器人的远程诊疗机器人系统，在pc机上建立了虚拟环境中的人体组织几何模型。在患者进行康复训练时，诊疗机器人触碰患者并通过所佩戴的力触觉交互设备将被触诊处的力反馈给pc端，pc端可通过人体组织几何模型显示组织形变状态供医生查看，同时医生可通过佩戴力触觉交互设备感受反馈力。该方法中，医生通过佩戴力触觉交互设备来感受患者佩戴的力触觉交互设备反馈的力，针对膝关节骨性关节炎康复远程交互场景并不能提供足够真实的力触觉反馈。

技术实现思路

1、本发明的发明人发现，利用现有远程康复系统进行膝关节骨性关节炎居家康复训练时，由于医生不能触碰到患者膝关节以及演示如何操作患者膝关节，导致医生远程沟通及指导时信息表达不准确，不便指导康复训练。

2、本发明的目的在于解决现有技术所存在的利用远程康复系统进行膝关节骨性关节炎居家康复训练时无法向医生提供足够真实的力触觉反馈以及医生远程沟通及指导时信息表达不准确、不便指导康复训练的不足之处，而提供了一种基于数字孪生的膝关节骨性关节炎居家康复系统。

3、为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

4、一种基于数字孪生的膝关节骨性关节炎居家康复系统，其特殊之处在于：包括数字孪生云计算模块、居家自主康复子系统和远程共情康复子系统；

5、数字孪生云计算模块用于储存患者自入院、手术后、居家康复至康复完成时期的有关信息，建立及更新患者的数字孪生模型，根据数字孪生模型提供的参数制定康复训练方案；

6、居家自主康复子系统包括可穿戴感知设备、可穿戴机器人和第一扩展现实设备，

7、可穿戴感知设备用于安装在患者身上，包括状态监测模块，用于监测患者的状态并将状态信息传输至数字孪生模型以更新康复训练方案，

8、可穿戴机器人用于穿戴在患者双腿上，能够采集患者膝关节位姿，包括运动引导与助力模块，用于根据康复训练方案助力患者进行康复训练，

9、第一扩展现实设备能够捕获患者膝关节图像，且能够显示虚拟界面；

10、远程共情康复子系统包括第二扩展现实设备和交互代理机器人，

11、第二扩展现实设备能够通过远程通话模块向医生显示由第一扩展现实设备捕获的患者膝关节虚拟3d模型，并且包括信息捕获模块，用于捕获医生对交互代理机器人的操作并通过远程通话模块将医生手部的虚拟3d模型经由第一扩展现实设备的虚拟界面显示给患者，

12、交互代理机器人为形如人体膝关节结构的仿生机器人，能够为医生提供力触觉反馈，用于通过虚实配准模块实时复刻患者膝关节位姿，并且包括代理交互模块，用于将医生对交互代理机器人的动作引导传输至可穿戴机器人，以助力患者膝关节进行医生的引导动作。

13、进一步地，居家自主康复子系统还包括防错与预警模块，用于通过由状态监测模块监测的患者姿态预测患者运动轨迹，并通过由第一扩展现实设备捕获的周边环境信息进行地图重建，再根据重建地图与运动轨迹预测信息判断患者是否会发生碰撞，在可能发生碰撞时，通过第一扩展现实设备提供画面引导和语音提醒，并通过可穿戴机器人提供运动阻力。

14、进一步地，第一扩展现实设备包括实时交互模块，用于供患者通过手势或语音呼出虚拟界面以进行实时交互。

15、进一步地，第一扩展现实设备还包括评价与反馈模块，用于定期通过实时交互模块采集的患者意见，对康复训练方案进行评估与优化。

16、进一步地，居家自主康复子系统还包括能够提供第三人称视角的摄像设备，用于捕获患者膝关节图像，以辅助患者膝关节虚拟3d模型的建立。

17、进一步地，居家自主康复子系统和远程共情康复子系统各自包括移动终端，医生和患者通过各自的移动终端实现远程通话，以进行音视频和手势互动。

18、进一步地，远程共情康复子系统还包括情感支持模块，情感支持模块分析康复训练方案和医生根据患者反馈的生理心理压力制定的指导方案，并将分析结果传输至数字孪生云计算模块，以更新数字孪生模型。

19、本发明的优点是：

20、1、本发明的基于数字孪生的膝关节骨性关节炎居家康复系统，能够建立及更新患者的数字孪生模型，在患者端提供能够监测患者状态的可穿戴感知设备、能够采集患者膝关节位姿且为患者提供运动辅助力的可穿戴机器人和能够向患者显示医生动作引导的第一扩展现实设备，在医生端搭建能够为医生提供力触觉反馈且实时复刻患者膝关节位姿的交互代理机器人，并在医生端提供能够向医生显示患者膝关节虚拟3d模型且捕获医生对交互代理机器人的操作的第二扩展现实设备。因此，在患者居家康复训练过程中需要医生远程介入指导时，医生可使用交互代理机器人代替患者膝关节进行触摸、按压等操作，交互代理机器人能够向医生提供真实的力触觉反馈，医生的操作会通过第一扩展现实设备映射在患者视角内，也能映射在可穿戴机器人命令中，患者可以通过观察医生手部虚拟3d模型的动作对自己膝关节进行触摸、按压操作，可穿戴机器人也能助力患者膝关节进行医生的引导动作，由此，利用本发明的居家康复系统，膝关节骨性关节炎患者可获得医生的准确信息表达，便于指导康复训练，加速了康复过程。

21、2、本发明的居家康复系统，还包括防错与预警模块，对患者的周边环境进行地图重建，预测患者运动轨迹，在判断患者可能发生碰撞时，提醒患者并通过可穿戴机器人提供运动阻力，如此可使患者避免碰撞或执行错误的动作，提高了康复过程中的安全性。