一种基于虚拟现实的上肢康复训练系统

1.本发明涉及医疗康复技术领域，特别是涉及一种基于虚拟现实的上肢康复训练系统。


背景技术：

2.脑卒中作为一种常见的脑血管疾病，具有发病率高、复发率高以及致残率高的特点。在中国每年新增脑卒中患者多达200万，致死率高达20％，致残率在70％以上。运动功能障碍是大多数脑卒中患者表现出的后遗症之一，其极大地影响了患者的生活质量，同时也给社会带来了沉重的负担。康复治疗可以促进大脑功能重组，激发残存的脑细胞替代损伤的细胞行使功能，使患者获得最大限度的功能改善和生活自理能力。
3.传统脑卒中患者上肢康复训练方法如神经发育治疗、运动再学习、本体感觉神经肌肉促进技术等，存在重复性高，患者对康复计划的遵从性较低，疗效受限于治疗师水平等问题，难以满足现有的康复需求。
4.虚拟现实技术的兴起为脑卒中患者的上肢功能康复提供了新方式，但现有的基于虚拟现实的上肢康复治疗方案，缺乏一套完备的训练、示教模型和统一的上肢康复运动评估体系，导致不同训练方案的康复疗效迥异，不利于相关研究的发展。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于虚拟现实的上肢康复训练系统，降低了康复训练成本。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种基于虚拟现实的上肢康复训练系统，包括：动作库、上肢康复模式选择模块、第一运动姿态生成模块、第二运动姿态生成模块、上肢运动数据采集模块和运动姿态显示模块；所述动作库与所述上肢康复模式选择模块连接，所述第一运动姿态生成模块分别与所述上肢康复模式选择模块和所述运动姿态显示模块连接，所述上肢运动数据采集模块与所述第二运动姿态生成模块连接，所述第二运动姿态生成模块与所述运动姿态显示模块连接；
8.所述动作库用于存储多个上肢示教动作以及各所述上肢示教动作对应的上肢动作参数；
9.所述上肢康复模式选择模块用于从所述动作库中选择一个上肢示教动作，作为目标训练上肢示教动作；
10.所述第一运动姿态生成模块用于根据所述目标训练上肢示教动作对应的上肢动作参数生成示教医生模型的上肢运动姿态；
11.所述上肢运动数据采集模块用于采集训练人员的上肢运动数据，并将采集的所述上肢运动数据发送到所述第二运动姿态生成模块；
12.所述第二运动姿态生成模块用于根据所述上肢运动数据生成训练人员模型的上
肢运动姿态；
13.所述运动姿态显示模块用于基于虚拟现实，根据所述上肢康复模式选择模块选择的上肢示教动作显示所述示教医生模型的上肢运动姿态，所述运动姿态显示模块还用于基于虚拟现实，在显示所述训练人员模型的上肢运动姿态时重叠显示所述示教医生模型的上肢运动姿态，所述训练人员模型与所述示教医生模型均为虚拟人体模型。
14.可选地，所述运动姿态显示模块还用于在所述训练人员模型的上肢运动姿态与所述示教医生模型的上肢运动姿态重叠显示时，对所述示教医生模型和所述训练人员模型采用不同的颜色进行显示。
15.可选地，所述上肢动作参数包括肩关节动作参数、肘关节动作参数和腕关节动作参数，所述肩关节动作参数包括肩前屈角度、肩后伸角度、肩外展角度、肩内旋角度和肩外旋角度，所述肘关节动作参数包括肘屈伸角度、肘旋前角度和肘旋后角度，所述腕关节动作参数包括腕伸角度、腕屈角度、腕尺偏角度和腕桡偏角度。
16.可选地，所述运动姿态显示模块还用于根据所述上肢运动数据采集模块采集的所述上肢运动数据显示所述训练人员的所述上肢动作参数；
17.所述运动姿态显示模块还用于显示所述目标训练上肢示教动作对应的上肢动作参数。
18.可选地，还包括动作参数调整模块，所述动作参数调整模块与所述动作库连接，所述动作参数调整模块用于输入上肢示教动作、添加各上肢示教动作对应的上肢动作参数以及修改各上肢示教动作对应的上肢动作参数。
19.可选地，所述运动姿态显示模块还用于存储所述训练人员上肢动作的虚拟显示过程及所述训练人员的上肢动作参数。
20.可选地，所述上肢康复模式选择模块、第一运动姿态生成模块、第二运动姿态生成模块和运动姿态显示模块部署在电脑或手机中。
21.可选地，所述上肢运动数据采集模块包括三个惯导传感器，在所述训练人员上肢的腕关节、肘关节和肩关节处分别设置一个所述惯导传感器，每个所述惯导传感器对应一个物理地址，各所述所述惯导传感器通过蓝牙将采集的上肢运动数据发送到所述第一运动姿态生成模块。
22.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
23.本发明公开了一种基于虚拟现实的上肢康复训练系统，通过运动姿态显示模块重叠显示训练人员的上肢动作和示教医生模型的上肢示教动作，实现训练人员上肢运动能力的可视化显示，并通过多个上肢示教动作模式评估训练人员的上肢运动能力，并降低了康复训练成本。
附图说明
24.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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明基于虚拟现实的上肢康复训练系统结构示意图；
26.图2为本发明训练人员上肢佩戴惯导传感器的位置示意图；
27.图3为本发明虚拟医生和训练人员重叠显示示意图；
28.符号说明：
29.1-肩关节传感器佩戴位置，2-肘关节传感器佩戴位置，3-腕关节传感器佩戴位置。
具体实施方式
30.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。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。
31.本发明的目的是提供一种基于虚拟现实的上肢康复训练系统，降低了康复训练成本。
32.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
33.图1为本发明基于虚拟现实的上肢康复训练系统结构示意图，如图1所示，一种基于虚拟现实的上肢康复训练系统，包括：动作库101、上肢康复模式选择模块102、第一运动姿态生成模块103、第二运动姿态生成模块105、上肢运动数据采集模块104和运动姿态显示模块106；所述动作库101与所述上肢康复模式选择模块102连接，所述第一运动姿态生成模块103分别与所述上肢康复模式选择模块102和所述运动姿态显示模块106连接，所述上肢运动数据采集模块104与所述第二运动姿态生成模块105连接，所述第二运动姿态生成模块105与所述运动姿态显示模块106连接。
34.所述动作库101用于存储多个上肢示教动作以及各所述上肢示教动作对应的上肢动作参数。
35.所述上肢康复模式选择模块102用于从所述动作库101中选择一个上肢示教动作，作为目标训练上肢示教动作。
36.所述第一运动姿态生成模块103用于根据所述目标训练上肢示教动作对应的上肢动作参数生成示教医生模型的上肢运动姿态。
37.所述上肢运动数据采集模块104用于采集训练人员的上肢运动数据，并将采集的所述上肢运动数据发送到所述第二运动姿态生成模块105。
38.所述第二运动姿态生成模块105用于根据所述上肢运动数据生成训练人员模型的上肢运动姿态。
39.所述运动姿态显示模块106用于基于虚拟现实，根据所述上肢康复模式选择模块102选择的上肢示教动作显示所述示教医生模型的上肢运动姿态，所述运动姿态显示模块106还用于基于虚拟现实，在显示所述训练人员模型的上肢运动姿态时重叠显示所述示教医生模型的上肢运动姿态，所述训练人员模型与所述示教医生模型均为虚拟人体模型。虚拟人员模型如图3所示。
40.运动姿态显示模块106用于虚拟显示训练人员的上肢动作，运动姿态显示模块106实现虚拟人员模型在三维运动空间的运动显示。
41.作为具体实施方式，运动姿态显示模块106包括显示屏，显示屏上包括上肢示教动
作选择按钮，上肢示教动作包括肩关节后伸20
°
、肩关节自然下垂、肩关节前伸30
°
、肩关节外旋位外展25
°
、肩关节外旋位外展50
°
、肩关节外旋位外展70
°
、肘关节水平位前屈30
°
、肘关节水平位前屈60
°
、肘关节水平位前屈90
°
、肘关节水平位前屈90
°
且腕关节后伸42
°
、肘关节水平位前屈90
°
且腕关节保持水平、肘关节水平位前屈90
°
且腕关节前屈42
°
、肘关节水平位前屈90
°
且上抬30
°
、以及肘关节水平位前屈90
°
且下摆30
°
。
42.所述运动姿态显示模块106还用于在所述训练人员模型的上肢运动姿态与所述示教医生模型的上肢运动姿态重叠显示时，如图3所示，对所述示教医生模型和所述训练人员模型采用不同的颜色进行显示。
43.所述上肢动作参数包括各关节角度数据，具体包括肩关节动作参数、肘关节动作参数和腕关节动作参数，所述肩关节动作参数包括肩前屈角度、肩后伸角度、肩外展角度、肩内旋角度和肩外旋角度，所述肘关节动作参数包括肘屈伸角度、肘旋前角度和肘旋后角度，所述腕关节动作参数包括腕伸角度、腕屈角度、腕尺偏角度和腕桡偏角度。
44.肩前屈角度范围为0-180
°
，肩后伸角度范围为0-50
°
，肩外展角度范围为0-180
°
，肩内旋角度范围为0-90
°
，肩外旋角度范围为0-90
°
，肘屈伸角度范围为0-150
°
，肘旋前角度范围为0-90
°
，肘旋后角度范围为0-90
°
，腕伸角度范围为0-70
°
，腕屈角度范围为0-90
°
，腕尺偏角度范围为0-55
°
，腕桡偏角度范围为0-55
°
。
45.所述运动姿态显示模块106还用于根据所述上肢运动数据采集模块104采集的所述上肢运动数据显示所述训练人员的所述上肢动作参数。
46.所述运动姿态显示模块106还用于显示所述目标训练上肢示教动作对应的上肢动作参数。
47.一种基于虚拟现实的上肢康复训练系统还包括动作参数调整模块，所述动作参数调整模块与所述动作库101连接，所述动作参数调整模块用于输入上肢示教动作、添加各上肢示教动作对应的上肢动作参数以及修改各上肢示教动作对应的上肢动作参数。
48.所述运动姿态显示模块106还用于存储所述训练人员上肢动作的虚拟显示过程及所述训练人员的上肢动作参数。运动姿态显示模块106存储的康复训练数据实时发送到云平台，医生可以随时调阅，了解患者康复效果。
49.所述上肢康复模式选择模块102、第一运动姿态生成模块103、第二运动姿态生成模块105和运动姿态显示模块106部署在电脑或手机中。
50.所述上肢运动数据采集模块104包括三个惯导传感器，图2显示了肩关节传感器佩戴位置1，肘关节传感器佩戴位置2和腕关节传感器佩戴位置3，如图2所示，在所述训练人员上肢的腕关节、肘关节和肩关节处分别设置一个所述惯导传感器。在一条手臂上各所述惯导传感器的基准测量轴方向在手臂伸直时指向同一方向，且在同一条直线上。每个所述惯导传感器对应一个物理地址，各所述所述惯导传感器通过蓝牙将采集的上肢运动数据发送到所述第一运动姿态生成模块103。
51.每个所述惯导传感器对应一个物理地址(mediaaccess controladdress，mac)，物理地址用以区分惯导传感器，各所述所述惯导传感器通过蓝牙将采集的运动数据发送到所述运动姿态生成模块。通过个人电脑(personal computer，pc)端的虚拟人员模型，对传入的惯导传感器数据进行人体姿态求解；并在pc端针对不同的传感器控制模式设置不同的应用场景，使得用户可选择不同的虚拟人体映射场景与控制模式。根据不同的mac地址连接惯
导传感器，获取运动数据。
52.本发明提供了一种穿戴式的惯导传感器佩戴方式，惯导传感器位于腕带上，腕带用于将惯导传感器固定腕关节、肘关节和肩关节上，腕带在采用医用级硅胶，由于硅胶的弹性特点，不论是裸臂佩戴还是戴在袖子外都能良好固定，使3个惯导传感器的基准测量轴一致，便于后续的建模，以及确保计算得的关节间夹角数据的准确性。
53.基于本发明一种基于虚拟现实的上肢康复训练系统的训练人员的使用过程包括：
54.通过绑带在人体上肢的肩关节、肘关节、腕关节上固定穿戴式定位传感器。
55.计算机通过穿戴式定位传感器的蓝牙mac地址连接，初始化穿戴式定位传感器内部数据。
56.从多个上肢示教动作中选择一个作为目标训练上肢示教动作，通过内置数据改变示教模型的手臂姿态。
57.根据训练人员所选模式下的相应康复动作(目标训练上肢示教动作)，计算机对采集的训练人员运动数据进行处理，将训练人员上肢运动状态映射到虚拟场景中。训练人员跟随示教医生模型运动，计算机相应得到多个关节位置处的姿态数据，利用接收到的姿态数据，进行解析处理，得到肩关节、肘关节和腕关节处的运动姿态向量。最后在程序中，给虚拟手臂模型每个关节上变量赋上对应的传感器解析数据，实现虚拟手臂与传感器的同步运动。
58.为训练人员展示虚拟场景下的用户手臂模型与示教医生的动作差异，训练人员自行调整动作。
59.训练人员的关节角度数据(上肢动作参数)与标准关节角度数据进行对比，对训练人员所进行的康复运动质量进行评估。
60.本发明一种基于虚拟现实的上肢康复训练系统还包括评分模块，评分模块用于计算训练人员模型的关节角度与示教医生模型对应的标准关节角度之间的角度误差，将各角度误差除以设定阈值得到各关节角度的得分，将各关节角度的得分与各关节角度的权重相乘，得到最终的分数。通过最终的分数评估训练人员的康复效果。
61.本发明通过惯导传感器，以及个人电脑或手机中应用程序实现本发明一种基于虚拟现实的上肢康复训练辅助系统，使待康复人员在家就可以进行康复训练，通过对比训练人员上肢动作的虚拟显示和上肢示教动作，评估康复程度。基于本发明基于虚拟现实的上肢康复训练辅助系统，训练人员进行康复训练不需要护理人员跟随，康复训练过程中人员干扰小，且占用的场地小，降低了康复训练成本。
62.另外，本发明使用户可以利用手机或者电脑自行分析身体运动机能，及早的发现自身上肢运动能力。用户可以根据本发明基于虚拟现实的上肢康复训练系统，做出不同的上肢运动姿势，并与预设的上肢示教动作对比，从而更直观的评估自身的上肢关节活动能力，有较好的人机交互界面，使得整体效果可视化。
63.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
64.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不
应理解为对本发明的限制。