一种基于虚拟现实和惯性动捕的脑卒中康复训练系统

摘要

本发明公开了一种基于虚拟现实和惯性动捕的脑卒中康复训练系统，包括动作捕捉设备、虚拟现实人机交互设备以及反馈设备；所述动作捕捉设备与所述虚拟现实人机交互设备通信连接，所述虚拟现实人机交互设备与所述反馈设备通信连接。本发明基于虚拟现实技术和动作捕捉技术，探索了一种新型的治疗和康复的系统。用技术代替了传统医师的职位，节省了大量人力。利用虚拟现实技术将治疗过程游戏化，使治疗过程不再枯燥乏味。另外，新型技术的加入，节省了大量的治疗成本。

说明书

技术领域

本发明涉及虚实交互控制系统领域，具体涉及一种基于虚拟现实和惯性动捕的脑卒中康复训练系统。

背景技术

“脑卒中”(cerebral stroke)又称“中风”、“脑血管意外”(cerebralvascularaccident，CVA)，是一种急性脑血管疾病，是由于脑部血管突然破裂或因血管阻塞导致血液不能流入大脑而引起脑组织损伤的一组疾病，包括缺血性和出血性卒中。缺血性卒中的发病率高于出血性卒中，占脑卒中总数的60％～70％。颈内动脉和椎动脉闭塞和狭窄可引起缺血性脑卒中，年龄多在40岁以上，男性较女性多，严重者可引起死亡。出血性卒中的死亡率较高。调查显示，城乡合计脑卒中已成为我国第一位死亡原因，也是中国成年人残疾的首要原因，脑卒中具有发病率高、死亡率高和致残率高的特点。

脑卒中的康复训练需要很长的周期。传统的机械训练方法需要医生一对一辅导训练，而医生相对于患者的数量过于稀少，因此传统的训练方法效率低下、枯燥乏味且浪费财力。

发明内容

发明目的：本发明针对脑卒中患者，公开了一种基于虚拟现实和惯性动捕的康复训练系统，本发明将虚拟现实技术和动作捕捉技术结合并运用于中风病人的康复治疗过程，为中风病人的长期康复提供了一种新的途径。

技术方案：

一种基于虚拟现实和惯性动捕的脑卒中康复训练系统，包括动作捕捉设备、虚拟现实人机交互设备以及反馈设备；所述动作捕捉设备与所述虚拟现实人机交互设备通信连接，所述虚拟现实人机交互设备与所述反馈设备通信连接；

所述动作捕捉设备包括数据采集单元、数据传输单元和数据处理单元；所述数据采集单元为安装在患者各个关节部位的节点惯性传感器；所述数据传输单元安装在所述数据采集单元上；所述数据处理单元通过所述数据传输单元与所述数据采集单元连接；所述数据处理单元根据反向运动学算法处理所述数据采集单元采集的数据，通过Unity 3D软件建立起对应患者实时动作状态的三维模型；

所述虚拟现实人机交互设备包括游戏任务训练模块和训练效果评估模块；患者通过所述游戏任务训练模块选定需要康复的肢体部位及相应的游戏任务进行康复训练，所述游戏任务为康复训练任务；所述训练效果评估模块对患者康复训练的过程进行评分；实时采集所述数据处理单元建立的的患者实时动作状态的三维模型，对比患者实时动作状态与标准动作的相似程度并进行评估；

所述反馈设备对患者的训练效果评估结果进行反馈。

所述反馈设备为PC、手机、平板、VR眼镜中的一种或多种。

所述虚拟现实人机交互设备还包括用户信息录入模块，所述用户信息录入模块用于注册患者档案和登陆训练系统；所述注册患者档案包括患者年龄、性别、身高、体重、肢体长度、患病时间以及训练次数。

所述患者通过所述用户信息录入模块根据患者的实际身体数据调整虚拟场景中的虚拟人物的大小和比例。

所述虚拟现实人机交互设备内设有不同的训练场景，根据患者个人喜好选择。

所述游戏任务训练模块设有训练难度，分为A>B>C三个等级；所述训练难度由动作幅度和动作频率决定，由医师或者患者根据个人情况自由选择。

所述训练效果评估模块包括：比对单元，用于比对采集的肢体动作数据与所述预设的标准动作数据之间的相似度，得到相似度值并打分；计时单元，用于计算患者完成一次训练的时间；评估单元，用于根据游戏关卡的动作相似度、动作难度等级和完成动作耗费时间评估所述患者的训练效果，得到评估报告。

有益效果：本发明基于虚拟现实技术和动作捕捉技术，探索了一种新型的治疗和康复的系统。用技术代替了传统医师的职位，节省了大量人力。利用虚拟现实技术将治疗过程游戏化，使治疗过程不再枯燥乏味。另外，新型技术的加入，节省了大量的治疗成本。

附图说明

图1为本发明的康复系统结构图。

图2为本发明的动作捕捉模块结构图。

图3为本发明实施例中具体动作捕捉设备的传感器的分布图。

图4为本发明的系统界面说明图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

图1为本发明的康复系统结构图。如图1所示，本发明基于虚拟现实和惯性动捕的脑卒中康复训练系统包括输入设备，虚拟现实人机交互设备以及反馈设备。所述输入设备为动作捕捉设备，所述动作捕捉设备用于采集和输入病人的肢体动作。所述虚拟现实人机交互设备用于产生注册患者信息、虚拟场景、游戏任务和人物模型，引导用户完成训练任务，评估训练结果，指导患者进行康复训练；虚拟场景以及游戏训练的难度均可选择。反馈设备包括PC、手机、平板、VR眼镜中的一种或多种，用于用户反馈。所述动作捕捉设备与所述虚拟现实人机交互设备通信连接，所述虚拟现实人机交互设备与所述反馈设备通信连接。

图2为本发明的动作捕捉模块结构图。如图2所示，所述动作捕捉设备包括数据采集单元，数据传输单元和数据处理单元。数据采集单元为节点惯性传感器，包括加速度计、陀螺仪和磁力计。加速计用来检测加速度的大小和方向，可测量患者动作速度；陀螺仪用来测量陀螺转子的处置轴和设备之间的夹角和角速度，可测量患者动作角度；磁力计用于测量设备与东南西北四个方向的夹角，可测量患者动作方向。在患者的大臂小臂、大腿小腿、头部腰部背部以及手指等各个关节部位安装所述数据采集单元，通过所述数据采集单元采集各个关节部位的数据信息。在本发明中，所述动作捕捉设备设计成可穿戴设备，患者只需穿戴附带传感器的动作捕捉设备即可采集相应的数据动作。并在所述动作捕捉设备上安装有数据传输单元，用于将所述动作捕捉设备所检测的数据发送至所述数据处理单元。具体所述动作捕捉设备的传感器分布如图3所示。所述数据传输单元包括WIFI、蓝牙、USB等一种或多种。数据处理单元(PC端或嵌入式开发)主要任务是根据采集数据建立人体模型。各个节点的四元数即节点的空间向量通过数据传输单元传至数据处理单元，应用IK算法(反向运动学)进行编程开发，相应节点的运动确定之后自动生成其他关节的运动，最后通过Unity 3D软件建立起对应患者实时动作状态的三维模型。

虚拟现实人机交互设备包括用户信息录入模块、游戏任务训练模块、训练效果评估模块。用户信息录入模块用来注册患者档案(输入患者信息：年龄、性别、身高、体重、肢体长度、患病时间、训练次数)和登陆训练系统，系统可根据用户的实际身体数据调整虚拟场景中的虚拟人物的大小和比例。游戏任务训练模块用于指导患者进行康复训练，患者可选择对应需要康复的肢体部位(左右侧，上下肢)进行训练。游戏任务包括摘苹果，打飞碟，提水桶等数十个小游戏。通过所述游戏训练患者的提拉抬摆等动作。游戏中动作的设定源于常规中风训练动作，参考中风康复医师的指导，更加有利于患者的康复。训练场景会实时显示，令患者具有沉浸感，训练场景可以根据个人喜好选择，包括场景色调，场地环境，均有十余种选择。训练的难度分为A、B、C三个等级，且难度等级A>B>C；训练难度主要由动作幅度和动作频率决定，可由医师或者患者根据个人情况自由选择。

训练效果评估模块用于对患者康复训练的过程进行评分。虚拟现实人机交互设备与动作捕捉模块通信，实时采集用户的肢体动作，结合实时采集的动作与标准动作的相似程度以及完成动作、完成动作的难度以及完成动作所需的时间进行综合评价。所述训练效果评估模块包括：比对单元，用于比对采集的肢体动作数据与所述预设的标准动作数据之间的相似度，得到相似度值并打分；计时单元，用于计算患者完成一次训练的时间；评估单元，用于根据游戏关卡的动作相似度、动作难度等级和完成动作耗费时间评估所述患者的训练效果，得到评估报告。评估报告对训练效果进行打分，评估患者的恢复情况，给出下一阶段训练建议。

图4为本发明的系统界面说明图。如图4所示，本发明的脑卒中康复训练系统的系统界面包括用户注册、康复训练以及训练评估。其中，用户注册界面包括信息录入、模型调整及训练部位选择三个界面；康复训练界面包括游戏选择、场景选择及难度选择三个界面；训练评估界面包括训练效果评估及训练建议界面。

本发明利用虚拟现实和惯性动捕治疗脑卒中的康复训练方法和实现手段。采用游戏模式引导患者康复训练的方法以及结合动作标准程度、动作难度和完成时间并进行评分的规则。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。