一种应用虚拟现实技术的上肢康复训练系统及方法与流程

本发明涉及医疗健康技术领域，具体而言，尤其涉及一种应用虚拟现实技术的上肢康复训练系统及方法。

背景技术：

神经创伤如创伤性脑损伤，脊髓损伤，中风等脑血管疾病是人们身体残疾的主要原因。患有脑损伤、脊髓损伤的病人一般会失去对身体上肢部分的控制。为了让有上肢运动障碍的病人获得最好的康复效果，康复训练就必须要有针对性和挑战性。同时，康复训练是一个艰苦的过程，患者重复坚持才会有效。因此，如何让患者在训练时不感到枯燥也是十分重要的。目前，康复疗法除了传统的依靠康复治疗师对患者进行手把手的训练外，还有一些患者采用康复机器人来进行辅助训练。然而这些康复训练方法都有着明显的缺点：患者只能简单地被动参与康复训练，过程非常枯燥乏味。因此，患者参与训练的主动性、积极性不强，训练的效果不理想。同时，一名康复治疗师无法同时对多名患者进行康复训练，极大地浪费了人力、物力。

虚拟现实技术简称vr技术，也称灵镜技术或人工环境。其最早产生于20世纪60年代，sutherland首次提出包括交互图形显示、力反馈装置以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想。虚拟现实技术利用计算机来模拟产生一个三维空间的虚拟世界，为用户提供关于视觉等感官的模拟，让使用者能够即时、没有限制地观察三维空间内的事物。基于功能性磁共振成像的研究显示，基于虚拟现实技术的训练康复系统可以诱导中风患者的大脑皮质进行重组。

技术实现要素：

根据上述提出现有技术针对上肢康复训练枯燥乏味的技术问题，而提供一种应用虚拟现实技术的上肢康复训练系统及方法。本发明主要利用虚拟现实技术为康复训练提供重复的练习和实时的反馈，使患者具有较强的沉浸感，提高患者进行康复训练的积极性，使患者愿意主动参与康复训练，进而提升康复训练的效率及效果，缩短患者的康复训练时间。

本发明采用的技术手段如下：

一种应用虚拟现实技术的上肢康复训练系统，包括：

手部运动数据采集模块，采用leapmotion红外探测设备；

游戏引擎模块，采用unity引擎以及physx物理引擎；

交互引擎模块，采用leapmotion的interactionengine；

虚拟现实设备模块，采用pc端显示器或htcvive、oculus虚拟现实头显设备；

所述手部运动数据采集模块采集追踪患者运动时的手部动作，并将其同步至所述游戏引擎模块，将患者的手部动作信息复现在所述虚拟现实设备模块的虚拟环境中，再通过交互引擎模块实现患者的手部动作对游戏中物体的操作。

进一步地，所述虚拟现实设备模块的游戏设计了针对性的训练关卡，所述训练关卡涉及不同的任务目标，训练关卡的难度循序渐进。

进一步地，所述leapmotion红外探测设备可以在追踪患者的手部动作时，不用给患者穿戴其他器件，免去额外的手部负担。

本发明还提供了一种应用虚拟现实技术的上肢康复训练方法，包括如下步骤：

步骤s1：安装并调试好手部追踪的leapmotion红外探测设备，使leapmotion红外探测设备可以准确追踪患者手部动作并将相关动作信息正确传入游戏引擎模块；

步骤s2：通过游戏引擎模块将患者的手部动作信息复现在所述虚拟现实设备模块的虚拟环境中；

步骤s3：通过手部运动数据采集模块采集患者的上肢运动数据，并判断患者的运动是否达到康复标准，若达到康复标准，则将患者的上肢运动数据传输至交互引擎模块，通过交互引擎模块使患者的上肢动作实现对虚拟环境中物体的操作；

步骤s4：若患者达成了虚拟环境中预先设定的一系列任务目标，则康复训练结束。

进一步地，所述步骤s4还包括如下步骤：

步骤s41：在完成任务目标过程中，若患者的手部动作未完成指定要求，触发失败特效，则训练关卡复位，患者进行重新挑战；

步骤s42：在完成任务目标过程中，若患者的手部动作完成指定要求，触发通关特效，将自动载入新的训练关卡；

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的应用虚拟现实技术的上肢康复训练系统，通过为患者设计针对性的训练关卡，让患者在游戏中得到针对性训练，提高患者训练康复的效率。

2、本发明主要利用虚拟现实技术为康复训练提供重复的练习和实时的反馈，使患者具有较强的沉浸感，提高患者进行康复训练的积极性，使患者愿意主动参与康复训练，进而提升康复训练的效率及效果，缩短患者的康复训练时间。

3、研究表明，偏瘫患者的上肢功能的康复训练应该在积极的环境下进行，被动或不积极的训练，对患者脑功能重塑和手部运动功能的康复效果很不明显。本发明提供的上肢康复训练系统可以使偏瘫患者在积极的环境下进行正确的手部康复训练，加快患者脑功能重塑和手部运动功能恢复，使患者达到了良好的康复效果。

4、基于功能性磁共振成像的研究显示，基于本发明提供的上肢康复训练系统可以诱导中风患者的大脑皮质进行重组。也有研究表明，对患者来说，应用本发明提供的上肢康复训练系统会比传统的上肢康复系统更加有效，应用虚拟现实上肢康复技术的患者会较使用传统康复系统的患者在上肢功能障碍方面得到更好的恢复，相关的运动能力变得更强。

基于上述理由本发明可在医疗健康等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明系统流程图。

图2为本发明实施例手部追踪场景。

图3为本发明实施例游戏场景一。

图4为本发明实施例游戏失败场景。

图5为本发明实施例游戏通关场景。

图6为本发明实施例游戏场景二。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例1

本发明提供了一种应用虚拟现实技术的上肢康复训练系统，包括：

手部运动数据采集模块，采用leapmotion红外探测设备；leapmotion红外探测设备具有高精准度和高跟踪帧率，其工作范围在设备前方的2.5cm-0.6m，即使在距离较近的情况下也可以识别患者的上肢乃至手部的精细动作，满足系统所需的上肢数据采集要求，同时考虑到患者的身体情况，leapmotion红外探测设备可以在追踪患者的手部动作时，不用给患者穿戴其他器件，免去额外的手部负担；

游戏引擎模块，采用unity引擎以及physx物理引擎；通过unity引擎可以提供出色的三维效果以及物理效果，同时借由physx物理引擎，使得虚拟环境中物体的运动更加符合现实世界中的物理规律，使用者的沉浸感得到较大的提升；

交互引擎模块，采用leapmotion的interactionengine；本实施例中，所选用的交互引擎可以让患者通过这一引擎能够完成对虚拟环境中的物体进行抓握、抛扔等一系列日常生活中所需的上肢动作，满足系统开发需求；

虚拟现实设备模块，采用pc端显示器或htcvive、oculus虚拟现实头显设备；将游戏内物体的动作与患者手部的动作结合起来，患者可以与游戏内的物体进行交互，达到身临其境的感觉，将游戏内的画面通过pc显示器或者htcvive、oculus虚拟现实头显设备显示出来，达到了让患者进入虚拟现实的效果；虚拟现实设备模块的游戏设计了针对性的训练关卡，所述训练关卡涉及不同的任务目标，训练关卡的难度循序渐进，让患者在游戏中得到针对性训练，提高患者训练康复的效率。

所述手部运动数据采集模块采集追踪患者运动时的手部动作，并将其同步至所述游戏引擎模块，将患者的手部动作信息复现在所述虚拟现实设备模块的虚拟环境中，再通过交互引擎模块实现患者的手部动作对游戏中物体的操作。

实施例2

如图1所示，在实施例1的基础上，本发明提供了一种应用虚拟现实技术的上肢康复训练方法，包括如下步骤：

步骤s1：安装并调试好手部追踪的leapmotion红外探测设备，使leapmotion红外探测设备可以准确追踪患者手部动作并将相关动作信息正确传入游戏引擎模块；

步骤s2：如图2所示，通过游戏引擎模块将患者的手部动作信息复现在虚拟现实设备模块的虚拟环境游戏场景一中；

步骤s3：通过手部运动数据采集模块采集患者的上肢运动数据，并判断患者的运动是否达到康复标准，若达到康复标准，则将患者的上肢运动数据传输至交互引擎模块，通过交互引擎模块使患者的上肢动作实现对虚拟环境中物体的操作；

步骤s41：在完成任务目标过程中，若患者的手部动作未完成指定要求，触发失败特效，则训练关卡复位，患者进行重新挑战；本实施例中，如图3所示，患者可以用手部动作操作火箭飞行，帮助其穿越障碍抵达目的地。如果患者操作的火箭撞到了障碍物，火箭便会发生爆炸，患者失去对火箭的控制，如图4所示，在爆炸效果结束后，关卡复位，患者可以进行新一次的关卡挑战。

步骤s42：在完成任务目标过程中，若患者的手部动作完成指定要求，触发通关特效，将自动载入新的训练关卡；本实施例中，如图5所示，如果患者成功操作火箭到达目标点，则触发通关特效，在动画结束后，如图6所示，将自动载入新的关卡进入游戏场景二。

步骤s4：若患者达成了虚拟环境中预先设定的一系列任务目标，则康复训练结束。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。