CN113744837A - 一种早中期帕金森居家运动体感康复训练*** - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种早中期帕金森居家运动体感康复训练***，属于医疗康复产品技术领域。***包括：康复垫，用于采集患者步态运动数据，以及节奏引导患者缓解冻结步态；体感设备，用于采集患者肢体运动数据；显示设备，用于显示虚拟游戏康复场景与康复评价数据；智能手机app，用于记录有效的运动数据与康复评价数据；处理终端，用于融合患者肢体运动数据和步态运动数据，利用四肢运动融合数据进行虚拟场景运动康复训练和引导指定动作，进行康复评价以及辅助恢复冻结步态。该***可以在无传感器束缚人体的状态下量化早中期帕金森康复运动指标，也可实现双人互动训练，使得康复训练更加实用高效，填补了早中期帕金森居家运动体感康复训练的空白。
Description
技术领域
本发明涉及医疗康复产品技术领域，尤其涉及一种早中期帕金森居家运动体感康复训练***。
背景技术
目前全球共有570万帕金森患者，而我国患病人数约270万，年增新发患者10万，中国已成为帕金森第一大国。帕金森病多发于50岁以上的中老年人，随着老龄化问题日趋严重，预计到2030年，帕金森病患者将激增至500万人左右，患者数量将占全球一半以上。为这一庞大的帕金森患者群体提供有效的康复治疗手段是亟待解决的任务。
帕金森无法治愈，传统方法是依赖药物控制和手术进行治疗，而现在康复和运动疗法受到重视，早中期帕金森患者多存在步态障碍、姿势平衡障碍、语言和(或)吞咽障碍等轴性症状，药物对于这些症状疗效甚微，但康复运动却非常有益。因此康复运动训练在患者改善轴性症状，降低摔倒风险以及维持身体健康机能中具有重要作用。现有的早中期帕金森居家康复训练多以医生口头指导，患者自主居家训练为主，缺乏实时的运动检测与反馈，康复训练效率低下，效果不显著，患者依从率低。
现有技术提供了一种用于帕金森患者步态训练和监测评估的可穿戴设备(CN106913341A)，在帕金森患者行走时通过产生提示性的引导光线或有节拍的声音来辅助患者进行步态康复训练，进而帮助改善患者的冻结步态，引导患者更好地行走，但是该设备需要佩戴，患者有束缚感及不适感。
此外，现有技术中还报道了一种多功能旋转平衡训练***，该***包括通过对人体的立位、坐位平衡功能全方位、多角度训练，重点开发正常日常生活活动极少使用到的前庭功能、视觉、姿势反射、肌肉力量、动作协调、本体感觉、核心肌群控制的潜在功能，但是该装置仅设有单一旋转康复训练动作，使得整个模拟训练过于简单枯燥。
综上，现有的早中期帕金森居家康复训练产品虽然实现了交互训练过程，但在应用中还存在很多不足：①不能针对紧急的步态障碍做出反馈和引导；②缺乏互动式训练，无法实现患者之间或者患者与家人之间的互动，单一枯燥，患者依从率低。③佩戴式运动传感器对人体有束缚。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种早中期帕金森居家运动体感康复训练***，解决现有早中期帕金森居家康复中缺乏实时科学引导、量化评估标准和反馈，康复场景不真实、缺乏互动以及运动传感器对人体有束缚的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种早中期帕金森居家运动体感康复训练***，包括：
康复垫，用于采集患者步态运动数据并发送到体感设备，以及节奏引导患者缓解冻结步态；
体感设备，用于采集患者肢体运动数据并发送至处理终端；
显示设备，用于连接康复垫和体感设备，显示虚拟游戏康复场景与康复评价数据；
智能手机app，用于记录有效的运动数据与康复评价数据；
处理终端，对获取到的患者肢体运动数据和患者步态运动数据进行融合处理，得到四肢运动融合数据；利用四肢运动融合数据进行虚拟场景运动康复训练和引导指定动作，进行康复评价以及辅助恢复冻结步态。
本发明有益效果如下：本发明提供了一种早中期帕金森居家运动体感康复训练***，该***可以在无传感器束缚人体的状态下量化早中期帕金森康复运动指标，实现双人互动训练，使得整个居家运动康复训练更加实用高效、多样有趣，使患者在训练过程中获得感价值感不断增加，从而长期坚持康复训练，填补了早中期帕金森居家运动体感康复训练的空白，同时，本发明的***造价低，便携性强，为医疗康复、体感交互、全民健身等方面提供了帮助。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1是本发明实施例中早中期帕金森居家运动体感康复训练***硬件连接图；
图2是本发明实施例中早中期帕金森居家运动体感康复训练***数据流程图；
图3是本发明实施例中康复垫本体结构示意图；
图4是本发明实施例中Kinect传感器获取人体25个关节数据索引图；
图5是本发明实施例中四肢规范运动示意图；
图6是本发明实施例中虚拟现实草地击球下棋游戏训练场景；
图7是本发明实施例中智能手机app功能框架；
图中：1-康复垫、2-体感设备、3-显示设备、4-智能手机app、5-处理终端；1-1顶部PU层、1-2压力传感层、1-3液压振动层、1-4LED灯带、1-5防滑底层，1-6无线电充电装置、1-7蓄电池、1-8电源开关、1-9无线通讯模块。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明的一个具体实施例，公开了一种早中期帕金森居家运动体感康复训练***，如图1所示，包括：康复垫1、体感设备2、显示设备3、智能手机app 4、处理终端5。其中，康复垫1与体感设备2通过无线通讯连接，康复垫1与体感设备2分别与处理终端5相连接。患者站在康复垫，体感设备、压力传感层分别实时采集患者肢体运动数据与步态运动数据，处理终端对采集到的数据进行处理后，将得到的四肢运动融合数据一方面用于在虚拟康复场景中与目标运动对比进行运动训练；另一方面，进行患者康复评价；此外，将得到的步态运动融合数据用于辅助恢复患者冻结步态。智能手机app将记录运动数据和康复评价。
本实施例中，各组成部分的具体功能如下：
体感设备，用于提供康复运动游戏和采集患者四肢运动数据；
康复垫，用于采集患者步态运动数据以及节奏引导患者缓解冻结步态。如图3所示，所述康复垫包括：顶部PU层1-1、压力传感层1-2、液压振动层1-3、LED灯带1-4、防滑底层1-5、无线电充电装置1-6、蓄电池1-7、电源开关1-8和无线通讯模块1-9。所述的顶部PU层1-1、压力传感层1-2、液压振动层1-3和防滑底层1-5由上至下依次堆叠，所述的压力传感层1-2用于采集患者步态运动数据，所述的步态运动数据包括患者体重、脚掌停留时间、停留位置、压力面积；所述的液压振动层1-3用于提供节奏振动以引导患者规律踏步；所述的LED灯带布置在顶部PU层1-1上，用于提供规律闪烁以引导患者规律踏步。所述的康复垫由蓄电池1-7供电，通过无线电充电装置1-6充电，通过无线通讯模块与处理终端5连接。
在本发明的一项具体实施中，所述的顶部PU层分为左右两部分，所述的LED灯带环绕左右两部分的外轮廓布置。压力传感层1-2包括均匀分布的压力传感器和压力传感处理模块，所述的压力传感器用于获取康复垫各个位置上的实时压力数据，所述的压力传感处理模块用于对实时压力数据进行分析，得到患者体重、脚掌停留时间、停留位置、压力面积数据并发送至处理终端。
该训练***中，体感设备采用kinect传感器采集患者肢体运动图像，通过API接口实现kinect传感器与骨骼跟踪算法的连接，实时获取患者20个主关节位置数据，得到患者每个关节位置的时间序列作为肢体运动数据。
具体的，Kinect体感设备进行人体四肢识别，并进行运动跟踪，进而实现数据的实时采集。Kinect体感设备记录图像的空间和深度分辨率为640×480像素。“Kinect forWindows软件开发工具包(SDK)”，用于为Kinect硬件提供应用程序编程接口(API)。API的实现与Kinect传感器及其骨骼跟踪软件接口，以每秒30帧的速率提供20个主要关节位置(x、y和z轴)的数据。
在本发明的一项具体实施中，所述的处理终端包括：
数据接收模块，用于接收所述体感设备、压力传感处理模块发送的运动数据并进行预处理，将预处理后的数据发送至数据融合模块。其中，所述的数据接收模块进行数据预处理时，患者每个关节位置的时间序列由截止频率为5Hz的低通巴特沃斯滤波器进行滤波。
数据融合模块，用于对接受到的患者肢体运动数据和患者步态运动数据进行融合，得到四肢运动融合数据。其中，进行数据融合时，首先将两部分运动数据的坐标进行统一，然后将体感设备、康复垫采集范围重叠部分的数据进行加权平均处理。
虚拟康复场景运动训练模块，用于提供多种有利于患者恢复的虚拟康复运动场景，将四肢运动融合数据映射到运动场景中，并对患者在虚拟康复场景中的训练行为进行评分。其中，虚拟康复场景运动训练模块的训练方式可以分为三种：
第一种是由患者选择指定动作，获取动作中的关节角度数据，对比实际运动关节角度与目标运动关节角度之间的差值，根据差值查表评分；图5给出了部分动作的示意图。
第二种是由患者选择指定难度的娱乐性游戏，根据动作指引进行游戏，记录完成的任务数以及完成时间，进行评分；所述的娱乐性游戏是指包括若干任务的肢体运动类游戏。
第三种是指定动作与娱乐性游戏相结合，并将两种评分的加权结果作为总分。
康复评价模块，用于根据四肢运动融合数据，提取运动指标，进行康复评价；所述的运动指标包括20个主关节的速度、速度的瞬时相位和速度的瞬时相位变化。
紧急引导模块，用于实时对比四肢运动融合数据中的步态运动与目标运动数据差值，当差值大于预设阈值或停止步态运动时，发送紧急信号至康复垫，由液压振动层与LED灯带同频振动/闪烁引导患者进行踏步。
在本发明的一项具体实施中，所述的智能手机app主要包括三大功能模块：
运动记录模块，用于记录冻结步态频次与时长，以及相对应的步态运动数据，为康复训练提供依据；
健康日记模块，用于为患者提供记录一天睡眠与用药情况的备忘录，方便患者复诊了解病情；
账号管理模块，用于对登录账户进行验证，患者登录账户才可查看运动数据。
本领域技术人员可以在不脱离本发明思想的情况下，对app功能进行拓展，例如如图7所示，健康日记可以记录用药情况、开关期记录、自动监测睡眠情况等。将app连接至康复垫后可显示连接状态及设备电量。运动记录模块记录的运动情况包括游戏基本情况和数据监测，其中游戏基本情况可以是时长、积分等，数据监测可以包括达标动作、未达标动作、步态监测信息、震颤趋势对比等。在具体实施方式及应用范围上进行的app功能拓展都应该理解为在本发明的保护范围之内。
如图2所示，利用上述***进行康复训练的训练过程如下：
首先，将体感设备固定，将康复垫、体感设备、处理终端连接并初始化，患者站在康复垫。
为了达到最佳的数据采集和康复训练效果，患者需全程站立在康复垫上运动；kinect体感设备与康复垫距离在2-3.5m之间，距离地面1米，镜头垂直于地面，指向患者。需要说明的是，显示设备与kinect体感设备通过有线方式连接，康复垫与kinect体感设备通过无线通讯传输，kinect体感设备与处理终端通过无线通讯传输数据；其中，处理终端是云端处理器。
其次，训练开始，在整个康复训练过程中，康复训练***数据的传递如图2所示，通过获取高精度数据并实现数据融合，将融合后的数据一方面映射到虚拟康复训练场景中，另一方面将符合康复指标的数据上传至数据库保存。
更具体的，Kinect体感设备进行人体四肢识别，并进行运动跟踪，进而实现数据的实时采集。Kinect体感设备记录图像的空间和深度分辨率为640×480像素。“Kinect forWindows软件开发工具包(SDK)”，用于为Kinect硬件提供应用程序编程接口(API)。API的实现与Kinect传感器及其骨骼跟踪软件接口，以每秒30帧的速率提供20个主要关节位置(x、y和z轴)的数据。
Kinect体感设备、压力传感层进行数据实时采集，并实时发送到处理终端：采集的数据主要包括两方面数据：一是通过Kinect传感器采集到的人体四肢运动信息，包括图4上的点1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，13，14，17，18，20，21，22，23，24共20个关节点的实时三维坐标。压力传感层检测脚掌运动数据，包括体重、脚掌停留时间、停留位置、压力面积的数据。
处理终端对采集到的数据进行处理后，将得到的四肢运动融合数据一方面用于在虚拟康复场景中与目标运动对比进行运动训练；另一方面，进行患者康复评价；此外，将得到的步态运动融合数据用于紧急引导模块辅助恢复患者冻结步态。智能手机app将通过无线通讯接收并记录运动数据和康复评价。
对于虚拟康复场景运动训练：通过显示设备显示虚拟康复场景运动场景，通过虚拟康复场景运动训练模块设定不同游戏场景和明确动作指引，使得患者达到很好的沉浸式虚拟现实的操作感受，帮助患者更好的进行康复训练。在训练过程中，可以适应性调节虚拟游戏的难易程度吗，并且当处理终端中的紧急引导模块监测到冻结步态后，会发送信息启动康复垫中的液压振动层与LED灯带，使得液压振动层与LED灯带同频振动与闪烁引导患者进行踏步，并将该部分数据保存在智能手机app中。
最后，对训练过程进行训练评分及康复评价。
训练评分方式分为两种，一种是记录完成规范动作得分P1以及完成娱乐游戏得分P2；另一种是将规范训练得分P1和游戏娱乐的得分P2以比例6：4的方式进行统分，场景训练结束后给出总分。
对于康复评价，通过提取运动指标，依照医学标准进行康复评价，其中，提取的运动指标可以是四肢关节角度等。另外，还可以对人体运动融合数据进行筛选，将有用的数据(如冻结步态出现频次与时长)上传到数据库保存，以便进行患者康复期间的数据分析，并针对性的制定康复计划，提高康复效果。
示例性的，图6给出了一种虚拟现实草地击球下棋游戏训练场景。草地击球游戏以双人以木球击球形式下五子棋的方法展开，下棋是一种健康的娱乐对中老年人的身心大有益处，木球击球可以达到四肢的活动与关节的调动，达到肌肉锻炼目的的同时也可以陶冶情操。患者可以与家人一起完成，或在游戏端选择匹配玩家进行。患者击球前，显示设备出现规范动作引导击球，在患者击球时，试试运动数据将被采集分析，作为完成规范动作得分p1；游戏结束时，患者完成草地击球游戏得分为p2。本实施例提供的早中期帕金森居家运动体感康复训练***，可以在无传感器束缚人体的状态下量化早中期帕金森康复运动指标，实现双人互动训练，使得整个居家运动康复训练更加实用高效、多样有趣，使患者在训练过程中获得感价值感不断增加，从而长期坚持康复训练。
以上对本发明实施例所提供的一种早中期帕金森居家运动体感康复训练***进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，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，凡依本发明设计思想所做的任何改变都在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种早中期帕金森居家运动体感康复训练***，其特征在于，包括：
康复垫(1)，用于采集患者步态运动数据并发送到体感设备，以及节奏引导患者缓解冻结步态；
体感设备(2)，用于采集患者肢体运动数据并发送至处理终端；
显示设备(3)，用于连接康复垫和体感设备，显示虚拟游戏康复场景与康复评价数据；
智能手机app(4)，用于记录有效的运动数据与康复评价数据；
处理终端(5)，对获取到的患者肢体运动数据和患者步态运动数据进行融合处理，得到四肢运动融合数据；利用四肢运动融合数据进行虚拟场景运动康复训练和引导指定动作，进行康复评价以及辅助恢复冻结步态。
2.根据权利要求1所述的早中期帕金森居家运动体感康复训练***，其特征在于，所述的康复垫包括顶部PU层(1-1)、压力传感层(1-2)、液压振动层(1-3)、LED灯带(1-4)、防滑底层(1-5)、无线电充电装置(1-6)、蓄电池(1-7)、电源开关(1-8)和无线通讯模块(1-9)；
所述的顶部PU层(1-1)、压力传感层(1-2)、液压振动层(1-3)和防滑底层(1-5)由上至下依次堆叠，所述的压力传感层(1-2)用于采集患者步态运动数据，所述的步态运动数据包括患者体重、脚掌停留时间、停留位置、压力面积；所述的液压振动层(1-3)用于提供节奏振动以引导患者规律踏步；所述的LED灯带布置在顶部PU层(1-1)上，用于提供规律闪烁以引导患者规律踏步；
所述的康复垫由蓄电池(1-7)供电，通过无线电充电装置(1-6)充电，通过无线通讯模块与处理终端(5)连接。
3.根据权利要求2所述的早中期帕金森居家运动体感康复训练***，其特征在于，所述的顶部PU层分为左右两部分，所述的LED灯带环绕左右两部分的外轮廓布置。
4.根据权利要求2所述的早中期帕金森居家运动体感康复训练***，其特征在于，所述的压力传感层(1-2)包括均匀分布的压力传感器和压力传感处理模块，所述的压力传感器用于获取康复垫各个位置上的实时压力数据，所述的压力传感处理模块用于对实时压力数据进行分析，得到患者体重、脚掌停留时间、停留位置、压力面积数据并发送至处理终端。
5.根据权利要求1所述的早中期帕金森居家运动体感康复训练***，其特征在于，所述的体感设备采用kinect传感器采集患者肢体运动图像，通过API接口实现kinect传感器与骨骼跟踪算法的连接，实时获取患者20个主关节位置数据，得到患者每个关节位置的时间序列作为肢体运动数据。
6.根据权利要求4或5所述的早中期帕金森居家运动体感康复训练***，其特征在于，所述的处理终端包括：
数据接收模块，用于接收所述体感设备、压力传感处理模块发送的运动数据并进行预处理，将预处理后的数据发送至数据融合模块；
数据融合模块，用于对接受到的患者肢体运动数据和患者步态运动数据进行融合，得到四肢运动融合数据；
虚拟康复场景运动训练模块，用于提供多种有利于患者恢复的虚拟康复运动场景，将四肢运动融合数据映射到运动场景中，并对患者在虚拟康复场景中的训练行为进行评分；
康复评价模块，用于根据四肢运动融合数据，提取运动指标，进行康复评价；所述的运动指标包括20个主关节的速度、速度的瞬时相位和速度的瞬时相位变化；
紧急引导模块，用于实时对比四肢运动融合数据中的步态运动与目标运动数据差值，当差值大于预设阈值或停止步态运动时，发送紧急信号至康复垫，由液压振动层与LED灯带同频振动/闪烁引导患者进行踏步。
7.根据权利要求6所述的早中期帕金森居家运动体感康复训练***，其特征在于，所述的数据接收模块进行数据预处理时，患者每个关节位置的时间序列由截止频率为5Hz的低通巴特沃斯滤波器进行滤波。
8.根据权利要求6所述的早中期帕金森居家运动体感康复训练***，其特征在于，所述的数据融合模块对接受到的患者肢体运动数据和患者步态运动数据进行融合时，首先将两部分运动数据的坐标进行统一，然后将体感设备、康复垫采集范围重叠部分的数据进行加权平均处理。
9.根据权利要求1所述的早中期帕金森居家运动体感康复训练***，其特征在于，所述的虚拟康复场景运动训练模块的训练方式包括三种：
第一种是由患者选择指定动作，获取动作中的关节角度数据，对比实际运动关节角度与目标运动关节角度之间的差值，根据差值查表评分；
第二种是由患者选择指定难度的娱乐性游戏，根据动作指引进行游戏，记录完成的任务数以及完成时间，进行评分；所述的娱乐性游戏是指包括若干任务的肢体运动类游戏；
第三种是指定动作与娱乐性游戏相结合，并将两种评分的加权结果作为总分。
10.根据权利要求1所述的早中期帕金森居家运动体感康复训练***，其特征在于，所述的智能手机app包括三大功能模块：
运动记录模块，用于记录冻结步态频次与时长，以及相对应的步态运动数据，为康复训练提供依据；
健康日记模块，用于为患者提供记录一天睡眠与用药情况的备忘录，方便患者复诊了解病情；
账号管理模块，用于对登录账户进行验证。
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