一种自适应VR镜像训练系统技术方案

本发明专利技术提供一种自适应VR镜像训练系统，包括健侧动作采集装置、患侧动作采集装置、VR处理器与VR输出装置；VR处理器包括任务模块，通过设置训练任务的难度等级，将患侧肢体实际动作轨迹与健侧肢体镜像动作轨迹之间的实际误差进行缩小或者放大后呈现在VR输出装置，当患者患侧肢体的跟随能力较低时可降低跟随难度，有利于提高患者的积极性；当患者患侧肢体的跟随能力较高时可增加跟随难度，有利于提升患侧肢体动作的准确度。并且，本发明专利技术的系统能够根据患者自身实际状态自适应调节训练任务的难度等级，以达到高适度的训练，提高镜像训练效果。

An adaptive VR image training system

【技术实现步骤摘要】
一种自适应VR镜像训练系统
本专利技术属于运动训练
，具体涉及一种自适应VR镜像训练系统。
技术介绍
镜像疗法是指利用平面镜成像原理，将健侧活动的画面复制到患侧，患者通过视觉反馈，进行运动观察、模仿和再学习，进而促进大脑神经重塑以及肢体运动功能的恢复。传统镜像设备使用镜子进行训练，其观察方位受限、训练效率低下。针对这些问题，有研究者采用虚拟现实(VirtualReality，简称为VR)技术与体感识别技术实现肢体在VR场景中的动作和镜像。但是，这些技术无法根据患者的不同状态对训练任务进行自适应调整以达到高适度的训练。
技术实现思路
针对上述技术现状，本专利技术提供一种自适应VR镜像训练系统，能够根据患者的实际状态调节训练任务的难度等级，提供高适度的训练。本专利技术实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种自适应VR镜像训练系统，包括健侧动作采集装置、患侧动作采集装置、VR处理器以及VR输出装置；健侧动作采集装置与VR处理器连接，用于采集患者健侧肢体动作，并将所采集的数据传入VR处理器；患侧动作采集装置与VR处理器连接，用于采集患者患侧肢体动作，并将所采集的数据传入VR处理器；VR处理器与VR输出装置连接，VR处理器包括健侧数据镜像与建模模块，患侧数据建模模块，以及任务模块；(一)健侧数据镜像与建模模块健侧数据镜像与建模模块用于对健侧动作采集装置所采集的患者健侧动作进行镜像处理以及三维建模，得到健侧肢体镜像动作轨迹呈现在VR输出装置；>(二)患侧数据建模模块患侧数据建模模块用于对患侧动作采集装置所采集的患者患侧动作进行三维建模，得到患者患侧肢体实际动作轨迹，根据所设置的训练任务的难度等级对该患者患侧肢体实际动作轨迹进行处理后呈现在VR输出装置；(三)任务模块任务模块用于根据健侧肢体镜像动作过程构建训练任务；设置训练任务的初始难度等级，以及设置各难度等级的任务偏离度阈值区间；计算患者患侧执行训练任务的任务偏离度，根据任务偏离度自适应调整训练任务的难度等级；所述训练任务是患者患侧肢体对健侧肢体镜像动作过程的跟随；所述训练任务的难度等级对应实际误差的缩小或放大比例，所述实际误差是指患者患侧肢体实际动作轨迹与健侧肢体镜像动作轨迹之间的实际误差；例如，训练任务的难度等级与实际误差的缩小或放大比例之间的对应关系如下所示：即：当训练任务的难度等级为1级时，对应实际误差的缩小比例为Kl1；当训练任务的难度等级为2级时，对应实际误差的缩小比例为Kl2；当训练任务的难度等级为3级时，对应实际误差的缩小比例为Kl3；以此类推，当训练任务的难度等级为N-1级时，对应实际误差的缩小比例为KlN-1，Kl1＞Kl2＞Kl3＞......＞KlN-1＞1；当训练任务的难度等级为N级时，对应实际误差的缩小或放大比例为KlN，KlN＝1；当训练任务的难度等级为N+1级时，对应实际误差的放大比例为KlN-1；当训练任务的难度等级为N+2级时，对应实际误差的放大比例为KlN-2；当训练任务的难度等级为N+3级时，对应实际误差的放大比例为KlN-3；以此类推，当训练任务的难度等级为N+M级时，对应实际误差的放大比例为KlN-M，1＜KlN-1＜KlN-2＜KlN-3＜......＜KlN-M。即，难度等级越低，患者患侧肢体实际动作轨迹与健侧肢体镜像动作轨迹之间的实际误差的缩小比例越大，呈现在VR输出装置中的患者患侧肢体动作轨迹越接近健侧肢体镜像动作轨迹，患者体验该训练任务的实现难度越小；反之，难度等级越高，患者患侧肢体实际动作轨迹与健侧肢体镜像动作轨迹之间的实际误差的放大比例越大，呈现在VR输出装置中的患者患侧肢体动作轨迹远离健侧肢体镜像动作轨迹，对患者患侧肢体动作的准确度要求越高，患者体验该训练任务的实现难度越大。所述任务偏离度是执行训练任务时患者患侧肢体实际动作轨迹与健侧肢体镜像动作轨迹之间的实际误差经过缩小或放大后的平均值。当训练任务的当前难度等级对应实际误差的缩小时，所述任务偏离度按下式计算，即实际误差经过缩小后的平均值。当训练任务的当前难度等级对应实际误差的放大时，所述任务偏离度按下式计算，即实际误差经过放大后的平均值。其中，Xri代表患者患侧肢体实际动作轨迹中的各点，Xfi代表患者健侧肢体镜像动作轨迹中的各点。所述自适应调整训练任务的难度等级是指：当任务偏离度大于所设定的当前难度等级的任务偏离度上限阈值，则调低难度等级；当任务偏离度小于或等于所设定的任务偏离度下限阈值，则调高难度等级；当任务偏离度在所设定的任务偏离度下限阈值与上限阈值之间，则保持难度等级。作为优选，调低难度等级是指将难度等级调至当前难度等级的下一级。作为优选，调高难度等级是指将难度等级调至当前难度等级的上一级。所述健侧动作采集装置不限，包括摄像头等。所述患侧动作采集装置不限，包括摄像头等。所述VR处理器和VR输出装置可以采用处理器、显示器分开的分体式电脑，也可以采用处理器、显示器集成的一体式电脑，还可以采用虚拟现实头戴式设备。利用本专利技术的自适应VR镜像训练系统进行镜像训练时，按照如下顺序进行：(1)VR输出装置呈现VR场景目标，引导患者健侧肢体动作；(2)健侧肢体动作被采集后进行镜像处理以及三维建模，得到健侧肢体镜像动作轨迹呈现在VR输出装置；(3)根据健侧肢体镜像动作轨迹构建训练任务，设置训练任务的初始难度等级，以及设置各难度等级的任务偏离度阈值区间；(4)开始训练，患者患侧肢体跟随健侧肢体镜像动作轨迹进行运动，患侧肢体动作被采集后进行三维建模，得到患侧肢体实际动作轨迹；根据训练任务的难度等级，对患者患侧肢体实际动作轨迹与健侧肢体镜像动作轨迹之间的实际误差进行缩小或放大，然后呈现在VR输出装置；(5)计算任务偏离度；当任务偏离度大于当前难度等级的任务偏离度上限阈值，则调低难度等级；当任务偏离度小于或等于所设定的任务偏离度下限阈值，则调高难度等级；当任务偏离度在所设定的任务偏离度下限阈值与上限阈值之间，则保持难度等级。(6)重复步骤(4)与步骤(5)进行下一次训练，直至停止训练。与现有技术相比，本专利技术的VR镜像训练系统中包括任务模块，通过设置训练任务的难度等级，将患侧肢体实际动作轨迹与健侧肢体镜像动作轨迹之间的实际误差进行缩小或者放大后呈现在VR输出装置。当患者患侧肢体对健侧肢体镜像参考的跟随能力较低时，对实际误差进行缩小，从而降低了健侧肢体镜像动作过程的跟随难度，有利于提高患者的积极性；当患者患侧肢体对健侧肢体镜像参考的跟随能力较高时，对实际误差进行放大，从而增加了健侧肢体镜像动作过程的跟随难度，有利于提升患者患侧肢体动作的准确度。并且，在训练过程中，通过考察任务偏离度与当前难度等级的任务偏本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自适应VR镜像训练系统，包括健侧动作采集装置、患侧动作采集装置、VR处理器以及VR输出装置；/n健侧动作采集装置与VR处理器连接，用于采集患者健侧肢体动作，并将所采集的数据传入VR处理器；/n患侧动作采集装置与VR处理器连接，用于采集患者患侧肢体动作，并将所采集的数据传入VR处理器；/nVR处理器与VR输出装置连接；/n其特征是：VR处理器包括健侧数据镜像与建模模块，患侧数据建模模块，以及任务模块；/n健侧数据镜像与建模模块用于对健侧动作采集装置所采集的患者健侧动作进行镜像处理以及三维建模，得到健侧肢体镜像动作轨迹呈现在VR输出装置；/n患侧数据建模模块用于对患侧动作采集装置所采集的患者患侧动作进行三维建模，得到患者患侧肢体实际动作轨迹，根据所设置的训练任务的难度等级对患者患侧肢体实际动作轨迹进行处理后呈现在VR输出装置；/n任务模块用于根据健侧肢体镜像动作过程构建训练任务；设置训练任务的初始难度等级，以及设置各难度等级的任务偏离度阈值区间；计算患者患侧执行训练任务的任务偏离度，根据任务偏离度自适应调整训练任务的难度等级；/n所述训练任务是患者患侧肢体对健侧肢体镜像动作过程的跟随；/n所述训练任务的难度等级对应实际误差的缩小或放大比例，所述实际误差是指患者患侧肢体实际动作轨迹与健侧肢体镜像动作轨迹之间的实际误差；/n所述任务偏离度是执行训练任务时患者患侧肢体实际动作轨迹与健侧肢体镜像动作轨迹之间的实际误差经过缩小或放大后的平均值；/n当任务偏离度大于所设定的当前难度等级的任务偏离度上限阈值，则调低难度等级；当任务偏离度小于或等于所设定的任务偏离度下限阈值，则调高难度等级；当任务偏离度在所设定的任务偏离度下限阈值与上限阈值之间，则保持难度等级。/n...

【技术特征摘要】
1.一种自适应VR镜像训练系统，包括健侧动作采集装置、患侧动作采集装置、VR处理器以及VR输出装置；
健侧动作采集装置与VR处理器连接，用于采集患者健侧肢体动作，并将所采集的数据传入VR处理器；
患侧动作采集装置与VR处理器连接，用于采集患者患侧肢体动作，并将所采集的数据传入VR处理器；
VR处理器与VR输出装置连接；
其特征是：VR处理器包括健侧数据镜像与建模模块，患侧数据建模模块，以及任务模块；
健侧数据镜像与建模模块用于对健侧动作采集装置所采集的患者健侧动作进行镜像处理以及三维建模，得到健侧肢体镜像动作轨迹呈现在VR输出装置；
患侧数据建模模块用于对患侧动作采集装置所采集的患者患侧动作进行三维建模，得到患者患侧肢体实际动作轨迹，根据所设置的训练任务的难度等级对患者患侧肢体实际动作轨迹进行处理后呈现在VR输出装置；
任务模块用于根据健侧肢体镜像动作过程构建训练任务；设置训练任务的初始难度等级，以及设置各难度等级的任务偏离度阈值区间；计算患者患侧执行训练任务的任务偏离度，根据任务偏离度自适应调整训练任务的难度等级；
所述训练任务是患者患侧肢体对健侧肢体镜像动作过程的跟随；
所述训练任务的难度等级对应实际误差的缩小或放大比例，所述实际误差是指患者患侧肢体实际动作轨迹与健侧肢体镜像动作轨迹之间的实际误差；
所述任务偏离度是执行训练任务时患者患侧肢体实际动作轨迹与健侧肢体镜像动作轨迹之间的实际误差经过缩小或放大后的平均值；
当任务偏离度大于所设定的当前难度等级的任务偏离度上限阈值，则调低难度等级；当任务偏离度小于或等于所设定的任务偏离度下限阈值，则调高难度等级；当任务偏离度在所设定的任务偏离度下限阈值与上限阈值之间，则保持难度等级。


2.如权利要求1所述的自适应VR镜像训练系统，其特征是：调低难度等级是指将难度等级调至当前难度等级的下一级。


3.如权利要求1所述的自适应...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐佳琳，左国坤，宋涛，马冶浩，张佳楫，
申请(专利权)人：中国科学院宁波工业技术研究院慈溪生物医学工程研究所，中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33