用于生成个性化练习影片的系统和方法

专利名称：用于生成个性化练习影片的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于生成个性化练习影片(exercise movie)的系统和方法。
技术背景 理疗医师通常给患者布置练习家庭作业，因为物理疗法的成果极大地依赖于做这 些练习的强度和频率。通常在授课期间向患者教授这些练习。患者将带着他必须记住的5 到6个不同的练习回家。这对于很多人来说是一个问题，特别是因为像直立姿势这样的细 微之处将影响练习的有效性。为了解决这个问题，治疗专家可以决定向患者发放练习的图解。这些图解图示了 练习，它们可指出注意什么，并且它们也可包括让患者记笔记(例如重复的次数)的地方。 这些图解也可以在市场上的书籍中获得。虽然当与记住所有练习相比时，这已经有益了，但 是可视化练习中的动态(dynamics)或运动(movement)仍然是个问题。在零售店里可容易获得的训练视频克服了该特定问题它们允许用户获得将如何 完成特定运动的印象。缺点是这样的影片是为大量一般人群制作的。因此，这些影片不能 解决个人问题和人群的局限性。例如，患者可能不能伸展或弯曲到如影片中所示的那种程 度。结果，患者可能丧失了兴趣，并且可能最终放弃了练习。美国专利6740007B2涉及用于生成定制的练习程序的方法和系统。使用计算机输 入多个不同的测量(参数)，并且基于这些测量，计算机程序为用户创建定制的练习程序。 根据该发明的实施例，定制的练习程序可针对调节用户的身体或特定的身体部分，或者使 用户适应特定的运动，其中两个练习程序实施例都可以包括可选的营养计划，或者可选地 可独立地生成营养计划。有益地，该计算机程序为用户提供了高效的、定制的调理(练习) 程序，该程序为用户实现了大量的灵活性和便利。然而，该专利中的定制通过将接收的多个肌肉骨骼测量转换为多个序数，并基于 多个序数生成定制的练习程序来保证。为这些序数指定练习等级(level)，并且系统搜索合 适的练习。尽管有该努力，还是存在对能够生成其中分别为每个患者解决了患者活动性 (mobility)限制的个性化练习影片的系统和方法的需求。

发明内容
因此，本发明致力于一种用于生成个性化练习影片的系统，其中影片生成器与练习数据库、练习定序器(sequencer)、患者数据库和影片输出 单元通信；其中练习数据库包括计算机可读形式的练习动作(motion)的一般化 (generalized)表不(representation)；其中练习定序器包括关于各个患者的练习进度(schedule)的信息；其中患者数据库包括各个患者在进行练习动作时具有的限制，该限制是计算机可读的形式；其中影片生成器包括用于将一般化练习动作和各个患者在进行相同练习动作时具有的限制以及各个患者的练习进度结合的装置；并且其中结合的结果通过影片输出单元显示。本发明还涉及一种用于生成个性化练习影片的方法，该方法包括步骤a)从患者数据库读取各个患者在进行练习动作时具有的限制；b)从练习调度器(scheduler)读取各个患者的练习进度；c)从练习数据库读取一般化练习；d)将一般化练习与各个患者在进行该一般化练习时具有的限制以及练习进度相
结合；e)计算已从步骤d)获得的个性化练习动作的表示；和f)生成从步骤e)获得的动作的视频序列。总的来说，本发明通过考虑个人限制和进度因素修改一般化练习。一般化练习具 有数据格式，该数据格式实现了一般化练习作为例如化身(avatar)运动的表示。个人限制 也对应于该数据格式。在数据结合后，生成了描绘患者应当进行的练习的动作序列，但是其 中该动作序列不显示任何该患者不能进行的动作。然后该动作或视频序列由该患者观看， 并用作对他的练习的指示。


图1显示了根据本发明的系统的模块图。图2显示了根据本发明的方法的流程图。
具体实施例方式在详细地描述本发明之前，应当理解本发明不限于所描述设备的特定组成部分或 所描述方法的处理步骤，因为这样的设备和方法可变化。还应当理解在此使用的术语其目 的仅是描述特定的实施例，并非意欲限制。必须注意，当在本说明书或所附的权利要求书中 使用时，单数形式“一个”和“该”包括单数和/或复数对象，除非上下文明确地另外指示。在本发明的术语中，应当对患者进行广义的理解。患者不仅表示需要医学治疗并 正在经历理疗康复的人，该术语还包括希望学习特定的一套运动(例如高尔夫挥杆或投掷 假蝇钓鱼竿(fly rod))的人。现在参考图1，示出了根据本发明的系统的模块图。练习数据库2包括计算机可读形式的练习动作的一般化表示。这些动作是那些对 应于没有活动性限制的人的动作。因此，这些练习可看作不偏不倚的(neutral)或理想化 的练习。这些练习的一种适当数据格式是随着时间的角度肢体(angular limb)数据序列。 于是个人练习包括适当的角度肢体数据序列集。角度肢体数据可包括但不限于与颈椎或腰 椎屈曲、脊柱伸展、脊柱转动、脊柱侧弯、髋屈曲、髋伸展、髋内收、髋外展、髋旋转、膝屈曲、 膝伸展、踝跖曲、踝背曲、足内翻、足外翻、肩屈曲、肩伸展、肩转动、肩外展、肩内展、肘屈曲、 肘伸展、前臂旋前(pronation)、前臂旋后(supination)、腰屈曲和腰伸展相关的数据。以示例的方式，躯干的弯曲可以作为与垂直方向(vertical)的随时间的偏差来测量。数据集{(τ_1 t_l)，(T_2 t_2)，··· (Τ_η t_n)}可用来说明躯干在时间t_l、t_2等 时的倾斜乙1、乙2等。其他的肢体数据可以以分等级的方式添加。因此，肩关节的角度数 据可以相对于躯干弯曲的角度来描述，或者上臂的角度可以以与肩的相对项来表述。练习定序器3包括关于个人练习进度的信息。它用于输入所需的重复次数、每星 期患者应当进行他的练习的次数、这些练习的各个持续时间以及其他与练习随时间的执 行有关的事宜。这的例子可以是每周各天地或者根据康复计划的每周一次课程(weekly course)来组织练习。患者数据库4包括各个人在进行练习动作时具有的限制，这些限制为计算机可读 的形式。限制可涉及肢体受限的活动性。优选地，限制的数据结构对应于练习数据库2的 数据结构。限制可在治疗专家手动地向患者数据库中输入数据时生成。它们也可以通过使 用患者身上的传感器来生成，所述传感器然后在患者进行特定练习时捕获他的动作。
生成限制的第三种方式可以是通过涉及患者参与的主动校准过程(active calibration process) 0在该方式中，患者将被配备传感器，并被要求进行特定的运动。可 以以所有受损伤的肢体得以活动的方式选择这些运动。从这些运动可推导出限制。例如，可 要求患者在他舒适的情况下尽可能快地以如同风车的方式转动他的手臂。根据该动作，可 以确定肩关节周围的角圆锥角(angular cone angle)，这随后将是该患者的最大角范围。 此外，可以推导出时间尺度因子(scaling factor)的测量。生成限制数据的第四种方式是通过考虑练习时的肌肉张力。可使用肌电(EMG)传 感器来测量肌肉张力。超过特定肌肉或肌肉群的预定EMG阈值将指示对该患者设置了过多 的肌肉劳损(strain)。降到预定EMG阈值以下将指示患者没有适当地松弛肌肉，即使这是 针对该练习所需的。作为对EMG数据的反应，可以例如在举起肢体所要求的角度上或在维 持某个位置的时间上设置限制。练习数据库2、练习定序器3和患者数据库4与影片生成器1通信。该影片生成器 包括用于将一般化练习动作与各个患者在进行相同练习动作时具有的限制以及各个患者 的练习进度相结合的装置。一般化练习动作与各个限制的结合可理解为其中限制或动态标 度(scale) 了一般化练习动作的转换(transformation)操作。然后可根据转换结果计算出一个化身表示(avatar representation)。出于本发 明的目的，术语“化身”应当意指表示人姿势或动作的计算机生成的抽象表现(rendering)。 在简单的情况下，化身可以是线条画(Stickfigure)。在更复杂的情况下，可更真实地 (photo-realistically)表现化身以减少观看者对线条画的可能的担忧(apprehension)。 组合化身表示以形成影片序列，并且如练习进度规定的那样设置和排序全部影片序列集。可选地，数字视频序列可用来形成影片序列。为此，将选取或编辑视频序列以反映 各个限制。使用描述在视频序列中随时间描绘的动作的有注释的视频序列是有益的。这用 于指示肢体在运动中的位置。例如，该注释可在视频序列内将肘屈曲的角度与时间相关联。 然后剪辑与肘屈曲相关的视频序列，使得仅仅显示该患者能进行的运动的范围。在另一个 实例中，视频序列将被放慢以反映该患者不能像健康人那样快地进行运动。视频序列可以 是压缩格式或非压缩格式。影片输出单元5向患者显示影片。这种影片输出单元的例子是计算机屏幕。在影 片生成器1将影片存储在存储介质上的情况下，该影片输出单元5可以是用于读该存储介质和播放影片的适当设备。这可以是DVD播放器或单独的计算机。在一个有益的实施例中，患者数据库中的限制被表达为绕关节运动的最小和最 大角度范围。肢体在关节周围的最小和最大可能位置都需要考虑，因为由损伤引起的僵 硬(immobility)将影响所有可能方向上的运动。例如，由于上臂和下臂上的石膏模型 (plaster cast)而已经保持在90°位置的肘关节在伸展和屈曲两个方面都将受到限制。 在如肘关节或膝关节这样的屈戌关节中，可以用两个角度来指定运动的可能范 围。允许肢体在不止一个平面上运动的其他关节将要求识别允许的圆锥角。后一种类型的 关节的例子是杵臼关节(ball andsocketjoint)，比如肩关节或髋关节。在另一个有益实施例中，患者数据库中的限制被表达为绕关节运动的最大速度。 这引入了尺度因子。如果患者只能缓慢地运动，练习也将更慢地显示。如果需要，尺度因子 (scaling factor)也可以导致练习的更快的练习。在另一个有益实施例中，该系统进一步包括与患者数据库通信的动作传感器。图1 示出了动作传感器6与患者数据库4的连接。合适的动作传感器可以是加速度传感器、磁 传感器、重力传感器或者其集成组合。高度集成的固态动作传感器在市场上可买到。传感 器附着于进行练习的患者，并将它们的信号发送至患者数据库。在那里，信号被估计并转换 成患者运动的表示。这个装配的优点是可持续地监视患者的进展，从而患者数据库中的限 制可保持更新。例如，动作传感器报告肢体可以多快地运动。如果这超过了患者数据库中 现有的限制，则该限制由新的值代替。通过这样，可以调整(adapt)练习并反映患者状况的 好转。在另一个有益实施例中，该系统进一步包括与患者数据库通信的生理学传感器。 生理学传感器监测人的身体和生理状态。这种传感器的例子包括肌电(EMG)传感器、心率 传感器、呼吸频率传感器、皮肤电导率传感器(skin conductivity sensor)和血氧传感器。 这些传感器附着于进行练习的患者，并将它们的信号发送至患者数据库。在那里，这些信号 被估计和转换成患者生理状态的表示。这个装配的优点是可持续地监视患者的进展，从而 患者数据库中的限制可保持更新。例如，EMG传感器报告如果关节没有创伤移动肢体有多 容易或有多困难。如果肌肉劳损下降，意味着患者已变得更强壮了。通过这样，可能调整练 习并反映患者状况的好转。现在参考图2，示出了根据本发明的方法的流程图。第一步骤20涉及从患者数据 库4读取各个患者在进行练习动作时具有的限制。这可被读取到影片生成器1的存储器中。 各个限制可被表达为与最小和最大角度范围有关的移动特定肢体的能力。例如，如果涉及 躯干的弯曲，则限制可采用T_min彡T_i彡T_max的形式。另一种限制可以是肢体运动的 可能速度。那么，可引入尺度因子f来说明这个事实。步骤21涉及从练习调度器3读取各个患者的练习进度。例如，读取各个练习的重 复次数和持续时间。该进度可被读取到影片生成器1的存储器中。步骤22涉及从练习数据库2读取一般化练习。该一般化练习还可以被看作可被 调整或限制的练习模板。该练习也可被读取到影片生成器1的存储器中。步骤23涉及将一般化练习与各个患者在进行该一般化练习时具有的限制以及该 练习进度相结合。该结合的结果是关于患者运动的可能范围和关于患者的时间进度(time schedule)的个性化练习。该结合在影片生成器1中发生。
例如，一般化练习的数据集涉及以表示躯干在时间t_l、t_2等处的倾斜T_l、Τ_2 等的{(T_l t_l)，(T_2 t_2)，··· (Τ_η t_n)}为形式的躯干弯曲。个人限制在于躯干的弯 曲受限于T_min到T_max的范围。数据集的结合导致制作化身的指导，在所述化身中任何 倾斜T_i不低于T_min或不超出T_max。
另一个例子是当个人限制处于运动的动态中的情况。则可以引入尺度因子f 来修改一般化练习中的数据。对于躯干的弯曲，这将对应于数据集KT_1 t_l*f)，(T_2 t_2*f), ... (T_n t_n*f)}。因此，采用特定倾斜T_n的时间t_n被修改了。对于较慢的运 动，因子f为<1。对于较快的运动，因子f为> 1。步骤24涉及计算已从步骤23获得的个性化练习动作的化身表示。该表示然后在 步骤25中进一步地被处理，步骤25涉及生成从步骤24获得的化身动作的视频序列。然后 在步骤26中向患者显示该视频序列。可选地，替代在步骤24中计算化身表示和在步骤25中生成视频序列，基于数字视 频序列的表示可被选取和/或编辑以获得个性化练习动作的表示。在本方法的有益实施例中，步骤f)进一步包括将视频序列设置在单独的章节中， 将该视频序列存储在存储介质上并根据预定条件授权对单独章节的访问(access)。通过设 置视频序列，考虑了患者的练习进度。完整的练习时间段可被分组为一个章节，使得患者不 会面临遗漏任何为他设计的练习的风险。存储介质例如可以是致密盘(CD)、数字多功能盘 (DVD)、本地地位于计算机上或远程地位于服务器上的硬盘驱动器(HDD)。通过选择性地授 权对单独章节的访问，防止了过分积极的患者进行对于他来说太早而不能进行的、进而不 利于他的练习。并且，同样也可以拒绝对以前章节的访问，以便防止一旦存储介质不再受该 患者的控制时，练习不是为之设计的人进行那些练习。在本方法的另一个有益实施例中，从包括访问码和/或由动作传感器测量的预定 活动性阈值的到达的组中选择用于授权对视频序列单独章节的访问的预定条件。访问码可 以由治疗专家在检查了患者的进展并决定可进行新的练习后给予该患者。可选地，可通过 动作传感器来监测患者的运动，并且根据在活动性方面实现的进展，一旦传感器监控的肢 体的实际活动性达到了治疗专家设置的阈值，便可以授权访问。通过这种自动化，对治疗专 家更少的拜访是必要的。在本方法的另一个有益实施例中，步骤f)进一步包括通过计算机网络将视频序 列传输至观看者。这可以在可安装在医院或康复中心的局域网中完成，以便有效地使用计 算机资源。另一个可能是通过因特网将视频序列传输至患者家中的计算机。本发明的另一个方面是存储介质，其包括使计算机能够执行根据本发明的方法的 程序。该存储介质例如可以是压缩盘(CD)、数字多功能盘(DVD)、本地地位于计算机上或远 程地位于服务器上的硬盘驱动器(HDD)。为了提供能够充分理解的公开而不过度地增长本说明书，申请人因此通过引用的 形式将上述引用的每个专利和专利申请合并进来。在以上详细的实施例中的元件和特征的特定组合仅是示例性的；也清楚地预见使 用在本文和通过引用合并进来的专利/申请中的其他教导来交换和替代这些教导。正如那 些本领域技术人员将意识到的那样，那些本领域普通技术人员可想到在此描述的变型、修 改和其他实现方式，而不脱离所要求保护的本发明的精神和范围。因此，上述说明书仅是以示例的方式，并非 意欲限制。本发明的范围在以下权利要求和其等同物中得以定义。另外， 在说明书和权利要求书中使用的附图标记不限制所要求保护的本发明的范围。
权利要求
一种用于生成个性化练习影片的系统，其中影片生成器(1)与练习数据库(2)、练习定序器(3)、患者数据库(4)和影片输出单元(5)通信；其中所述练习数据库(2)包括计算机可读形式的练习动作的一般化表示；其中所述练习定序器(3)包括关于各个患者练习进度的信息；其中所述患者数据库(4)包括各个患者在进行练习动作时具有的限制，所述限制为计算机可读的形式；其中所述影片生成器(1)包括用于将一般化练习动作与各个患者在进行相同练习动作时具有的限制以及各个患者的练习进度相结合的装置；以及其中结合的结果通过所述影片输出单元(5)显示。
2.根据权利要求1的系统，其中所述患者数据库(4)中的所述限制被表达为绕关节运 动的最小和最大角度范围。
3.根据权利要求1的系统，其中所述患者数据库(4)中的所述限制被表达为绕关节运 动的最大速度。
4.根据权利要求1的系统，进一步包括与所述患者数据库(4)通信的动作传感器(6)。
5.根据权利要求1的系统，进一步包括与所述患者数据库(4)通信的生理学传感器。
6.一种用于生成个性化练习影片的方法，包括步骤a)从患者数据库(4)读取各个患者在进行练习动作时具有的限制；b)从练习调度器(3)读取各个患者的练习进度；c)从练习数据库(2)读取一般化练习；d)将所述一般化练习与各个患者在进行所述一般化练习时具有的限制以及该练习进度相结合；e)计算已从步骤d)获得的个性化练习动作的表示；以及f)生成从步骤e)获得的动作的视频序列。
7.根据权利要求6的方法，其中步骤f)进一步包括将所述视频序列设置在单独章节 中，将所述视频序列存储在存储介质上，并根据预定条件授权对所述单独章节的访问。
8.根据权利要求7的方法，其中从包括访问码和/或由动作传感器测量的预定活动性 阈值的到达的组中选择用于授权对视频序列单独章节的访问的预定条件。
9.根据权利要求6的方法，其中步骤f)进一步包括通过计算机网络将视频序列传输至 观看者。
10.存储介质，包括使计算机能够执行权利要求6的方法的程序。
全文摘要
本发明涉及一种用于生成个性化练习影片的系统和方法。通过考虑个人限制和进度因素修改一般化练习。一般化练习处于允许它们的表示作为化身运动的数据格式。个人限制也对应于该数据格式。在数据结合后，生成动作序列，该动作序列描绘了患者应当进行的练习，但是其中该动作序列不显示该患者不能进行的任何动作。然后这个动作或视频序列由患者观看，并用作对他的练习的指示。
文档编号G06F19/00GK101868799SQ200880116961
公开日2010年10月20日 申请日期2008年11月18日 优先权日2007年11月22日
发明者G·兰弗曼, K·埃克 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司