一种用于骨科康复治疗的辅助系统技术方案

本发明专利技术公开一种用于骨科康复治疗的辅助系统，涉及医疗器械技术领域，包括：人体扫描终端，使用3D扫描技术对用户肢体进行数据采集，获得点云数据，根据采集的点云数据进行人体3D模型建模，组建用户肢体的3D模型；3D打印终端，将所述人体扫描终端采集的用户肢体点云数据组件的3D模型导入3D打印终端，根据所述3D模型加工贴合用户肢体的外骨骼和连接部件；在所述外骨骼中嵌入检测姿态运动的传感器用于对在肢体运动数据进行实施采集；采用单片机或者中控机将采集所述运动数据传输至存储器中储存，同时保存离线数据；运动仿真终端，通过使用上位机采用虚拟现实、游戏引擎等技术对用户肢体运动进行可视化反馈；逻辑运算单元，采用数据分割模型对所述可视化反馈的数据进行动作分割，采用医学统计手段和程序设置，通过动作比对对肢体动作进行诊断分析。对对肢体动作进行诊断分析。对对肢体动作进行诊断分析。

【技术实现步骤摘要】
一种用于骨科康复治疗的辅助系统


[0001]本专利技术属于医疗器械设备
，具体涉及一种用于骨科康复治疗的辅助系统。

技术介绍

[0002]世界卫生组织调查结果显示，随着医源性因素的增加和交通、工伤事故的频发，我国骨伤发病率逐年上升，发病人数位居世界首位。骨伤患者直接面临的一个问题是其运动功能障碍，对生活和工作造成严重影响。部分骨伤病类型，例如脊椎损伤对病人造成的影响更为严重。脊椎损伤伴随骨伤的同时，也会发生脊髓损伤，是一种较为严重的神经损伤疾病，会导致创伤部位组织的感觉和运动功能部分或完全丧失，对患者的日常生活造成影响的同时，给家庭和社会带来沉重的负担。因此，包括脊椎损伤在内的各类骨伤病人的肢体功能重建对患者日后的生活具有重大的意义。
[0003]随着人们对中枢神经系统的研究不断深入，研究人员普遍认为人体的神经中枢系统具有一定程度的可塑性，在遭遇损伤或者环境变迁时，会本能体现适应和调节的能力，借助未损伤的轴突及神经元发芽和遭遇创伤而失去神经支配的组织重新搭建新的神经环路等方式来代替原有已经损伤的神经组织，这对恢复损伤部位的运动能力和感知功能有着极为明显的促进作用，这就是所谓的神经可塑性。目前中枢神经损伤的临床治疗方法主要有物理疗法(physical therapy)，作业疗法(occupational therapy)，运动疗法(exercise therapy)，神经促进技术(neurodevelopment treatment，NDT)等。临床治疗表明运动疗法十分有助于患者的运动中枢神经恢复，在治疗师辅助下，病人做运动康复训练是受损神经康复的最有效的方法之一。除此之外，研究人员还在其他类型的骨伤恢复过程中，证明了运动康复训练方法的有效性。但是正如前文所述，仅依靠治疗师单独对各类骨伤患者进行康复训练，存在治疗效率低、治疗师人员短缺、成本高等问题。
[0004]借助于先进控制、制造技术和康复医学的发展，康复机器人技术在骨伤精准康复医疗过程中起到积极作用，其不仅仅可以替代治疗师，从而不受到专业人才短缺的影响，人们更是期待康复机器人可以对骨伤病人进行更加准确、量化的康复训练。然而，目前借助于机械和自动控制技术的康复机器人也存在诸多缺陷。首先，此类康复机器人往往都是国外医疗公司进行标准化生产，执行的也都是标准化的训练动作，如需根据患者个体情况进行有针对性的训练，则需要在对患者进行充分检查和沟通的基础上，通过康复机器人与康复医师的紧密合作来制定完成针对个体的康复方案。这不仅仅要求在机械结构设计的过程中考虑病人的运动范围，设计出可靠的机械安全限位。同时软件控制系统应限制机器人在使用对象的安全运动范围内运动。期间存在的任意机械故障或者沟通及设置错误则会对包括脊椎受损在内的骨伤病人产生严重的二次损伤。其次，此类标准化康复机器人通常较为笨重且价格昂贵，只适用于大型医院或者科研机构，不适合进行家用。而患者则通常期望可以定制化更加适合个体使用且价格适度的康复机器人，从而在不同的地方和不同的时间进行更加方便的康复训练，同时，从一定程度起到保护患者的隐私和自尊的作用。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种用于骨科康复治疗的辅助系统，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0006]该系统将集成3D打印技术、虚拟现实技术以及物联网技术。一方面可以采用3D扫描、打印，来实现关键部件的精准化、轻质化、个性化定制，为穿戴式设备形态提供基础保障；另一方面采用基于多传感器的物联网技术，在康复训练过程中实时采集和记录各种参数，包括肢体运动参数(位置、速度、加速度)，以及病人的生理参数(呼吸、心跳等)，并根据采集的数据对使用患者做出科学的病情评价，得出治疗结论；此外，采用虚拟现实技术使运动参数可视化，以提高骨伤病人对自身康复的主观认知，并增进医患之间的沟通效率。最为重要的是，根据个人定制的穿戴式康复训练系统可以避免前文所述的标准化机械式康复机器人的缺陷。骨伤病人在不受到机械部件限制的情况下，在自身身体条件允许范围内完成相应动作幅度，在完成自主康复训练动作的同时即可得到量化评价，并且穿戴式器件形态可极大的降低成本，提高使用灵活度，成为更加安全、轻便、智能、精准的康复训练系统。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：一种用于骨科康复治疗的辅助系统，包括：
[0008]人体扫描终端，使用3D扫描技术对用户肢体进行数据采集，获得点云数据，根据采集的点云数据进行人体3D模型建模，组件用户肢体的3D模型；
[0009]3D打印终端，将所述人体扫描终端采集的用户肢体点云数据组件的3D模型导入3D打印终端，根据所述3D模型加工贴合用户肢体的外骨骼和连接部件；
[0010]采用惯性传感系统来实现运动参数的捕捉，惯性传感系统一般由三部分构成，分别是姿态传感器、接收器和处理系统，姿态传感器固定在所述外骨骼中的合适部位，实时采集和记录各种参数，包括肢体运动参数(位置、速度、加速度)，以及患者的生理参数(呼吸、心跳等)，在患者完成日常训练动作的同时收集存储康复训练动作参数信息，采用TCP/IP的通讯方式实现动作参数信息的传输，将信号实时传递给处理系统，基于IMU和Kinect实现动作捕捉及可视化；
[0011]逻辑运算单元，采用数据分割模型检测到肢体动作的边界、依边界分割动作过程并分别进行识别，动作边界一般会根据动作的速度、加速度或曲率的断点和极值来设定，设定的边界对分割准确率有基础性的影响，通过在线动作比对分析的算法，并设置速度提示功能，调整基于关节速度的动态权值，并进行实验验证，通过运算可以对患者作出科学的病情评价，得出治疗结论。
[0012]作为本专利技术进一步的方案，所述运动数据存储采用BVH数据格式。作为本专利技术进一步的方案，所述动作分割步骤包括运动降维、Kalman滤波转换和分割算法导入，所述运动降维即将可视化运动数据转为姿态速度，所述Kalman滤波转换即采用Kalman滤波器对于所述姿态速度进行滤波处理。
[0013]作为本专利技术进一步的方案，所述分割算法是基于ZVC分割方法的动作分割方法，用来克服ZVC分割方法容易出现过分割以及HMM+ZVC分割方法参数难整定的问题。
[0014]作为本专利技术进一步的方案，所述分割算法中插入速度模型，所述速度模型采用模板动作序列中提出。
[0015]作为本专利技术进一步的方案，所述数据分割模型采用Kalman滤波器进行滤波处理，
提出一种基于ZVC分割方法的动作分割方法，用来克服ZVC分割方法容易出现过分割以及HMM+ZVC分割方法参数难整定的问题。
[0016]作为本专利技术进一步的方案，所述动作比对分析采用Rotation time warping(RTW)算法，运算步骤如下：
[0017]步骤一：初始化累积距离矩阵
[0018]步骤二：计算平移和旋转矩阵
[0019]步骤三：计算帧间姿态距离
[0020]步骤四：计算D1＝d(i
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1,j)根基j的取值进行本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于骨科康复治疗的辅助系统，其特征在于，包括：人体扫描终端，使用3D扫描技术对用户肢体进行数据采集，获得点云数据，根据采集的点云数据进行人体3D模型建模，组件用户肢体的3D模型；3D打印终端，将所述人体扫描终端采集的用户肢体点云数据组件的3D模型导入3D打印终端，根据所述3D模型加工贴合用户肢体的外骨骼和连接部件；采用惯性传感系统来实现运动参数的捕捉，惯性传感系统一般由三部分构成，分别是姿态传感器、接收器和处理系统，姿态传感器固定在所述外骨骼中的合适部位，实时采集和记录各种参数，包括肢体运动参数(位置、速度、加速度)，以及患者的生理参数(呼吸、心跳等)，在患者完成日常训练动作的同时收集存储康复训练动作参数信息，采用TCP/IP的通讯方式实现动作参数信息的传输，将信号实时传递给处理系统，基于IMU和Kinect实现动作捕捉及可视化；逻辑运算单元，采用数据分割模型检测到肢体动作的边界、依边界分割动作过程并分别进行识别，动作边界一般会根据动作的速度、加速度或曲率的断点和极值来设定，设定的边界对分割准确率有基础性的影响，通过在线动作比对分析的算法，并设置速度提示功能，调整基于关节速度的动态权值，并进行实验验证，通过运算可以对患者作出科学的病情评价，得出治疗结论。2.根据权利要求1所述的一种用于骨科康复治疗的辅助系统，其特征在于，所述运动数据存储采用BVH数据格式。3.根据权利要求1所述的一种用于骨科康复治疗的辅助系统，其特征在于，所述动作分割步骤包括运动降维、Kalman滤波转换和分割算法导入，所述运动降维即将可视化运动数据转为姿态速度，所述Kalman滤波转换即采用Kalman滤波器对于所述姿态速度进行滤波处理。4.根据权利要求3所述的一种用于骨科康复治疗的辅助...

【专利技术属性】
技术研发人员：茅溢恒，焦杰君，侯琳琳，吴俊，
申请(专利权)人：无锡市人民医院，
类型：发明
国别省市：