一种基于雷达的步态训练评估方法及其装置

技术领域

本发明涉及训练评估方法领域，尤其涉及一种基于雷达的步态训练评估方法以及用于上述基于雷达的步态训练评估装置。

背景技术

临床上肌痉挛、肌无力、关节强直、脑损伤以及脊髓损伤等问题均易造成患者步行运动障碍。行走训练是辅助上述疾病患者步行功能恢复的重要手段。目前，医院的步行康复训练措施主要是由于家属或者治疗师搀扶患者进行步行训练，这种训练方法不仅需要人力反馈步行训练的情况，而且搀扶本身就会导致患者的运动受限，步态的丰富度也降低，为此，医院逐步采用步态训练设备辅助患者的进行行走训练，从而达到患者步行功能尽快康复的目的。

中国专利文献CN111603171A一种面向下肢康复的步态参数确定方法及系统。方法包括：采集安装在康复机器人上的激光雷达的原始数据；根据所述原始数据，确定患者离地和着地的时间和位置；根据所述时间和位置，计算患者步态参数，所述步态参数包括步长、步宽、摆动时间、站立时间和支撑时间。该专利仅公开了通过激光雷达采集患者的步态参数，将上述不能解决通过雷达准确检测患者与虚拟投影关联的问题。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提出一种基于雷达的步态训练评估方法，能够通过雷达获知步态训练者实际踏步脚与虚拟投影关联，同时支持多种互动类步态训练方案，进而提升步态训练者的步态训练的兴趣性、丰富度，以及有针对性实施精准的步态康复训练。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种基于雷达的步态训练评估方法，按如下步骤实施：

S00：搭建训练评估系统的运行环境；在步骤S00中，所述训练评估系统与雷达步态康复训练平台电连接，所述雷达步态康复训练平台受控于所述所述训练评估系统，运行环境搭建步骤包括所述训练评估系统启动后，步态训练者通过所述训练评估系统的人机交互模块选择长距离直线行走训练模式或训练池踏步训练模式中的一种，当训练评估系统配置为长距离直线行走训练模式时，雷达步态康复训练平台配置为运动的跑台传送带，当训练评估系统配置为训练池踏步训练模式时，雷达步态康复训练平台配置为不动的跑台传送带或者平地。

S10：步态训练者选择训练模式后，投影仪在所述雷达步态康复训练平台上投射所述平面虚拟物，并将所述平面虚拟物的预设坐标数据存储至所述训练评估系统的存储模块内；在步骤S10中，所述平面虚拟物的投射范围配置为以所述步态训练者的站立位置为中心坐标的预设范围内，所述长距离直线行走训练模式及所述训练池踏步训练模式均具备不同的难度等级，所述训练评估系统通过调整所述平面虚拟物与所述步态训练者的距离远近、所述平面虚拟物的移动速度以及所述平面虚拟物的投放数量来调整不同训练模式的难度等级。

S20：通过雷达采集步态训练者踏在所述雷达步态康复训练平台上瞬间的脚部检测数据并记录采集时间；其中，所述脚部检测数据对应的二维点集记为{P

S30：所述训练评估系统中的计算模块依据所述脚部检测数据计算步态训练者的实际踏步脚轮廓和实际踏步脚中心点并生成实时计算数据，在不同的训练模式下，所述训练评估系统判断及计算所述实时计算数据与所述平面虚拟物的虚拟物轮廓和虚拟物标准中心点的位置关系并生成实时关联数据。

S40：所述训练评估系统中的评估模块将所述实时计算数据与所述实时关联数据输入至步态评估算法中计算后输出步态训练者的评估结果。

本发明的优选的技术方案在于，在S30步骤中，所述实际踏步脚中心点的计算步骤如下：

S301：依据所述二维点集获取实际踏步脚轮廓的边缘点集；其中，T

S302：所述计算模块对实际踏步脚轮廓的边缘点集拟合及化简，生成简化的实际踏步脚多边形及简化的实际踏步脚顶点集合{Q

S303：依据所述简化的实际踏步脚顶点集合计算脚印面积；其中，所述简化的实际踏步脚顶点集合中包含n个顶点，所述实际踏步脚面积A的计算公式如下：

其中，x

S304：计算实际踏步脚中心点(C

其中，x

本发明的优选的技术方案在于，在步骤S301中，依据所述二维点集获取实际踏步脚轮廓的边缘点集{T

其中，j表示在进行第j次采集或者在t

本发明的优选的技术方案在于，在S30步骤中，所述步距的计算公式如下：

F

其中，x

在S30步骤中，所述步长的计算公式如下：

F

其中，y

本发明的优选的技术方案在于，在所述长距离直线行走训练模式中，所述平面虚拟物配置为标准脚印，所述步态训练者的实际踏步脚与所述平面虚拟物的位置关系配置为是否踏中所述标准脚印及踏中标准脚印的重合率；

所述实时关联数据的计算步骤如下：

S305：预设某次采集中所述虚拟物标准中心点；其中，所述虚拟物标准中心点记为C

S306：比较某次采集中实际踏步脚的实际踏步脚中心点(C

S307：计算踏中标准脚印的重合率P

本发明的优选的技术方案在于，在所述训练池踏步训练模式中，所述步态训练者的实际踏步脚与所述平面虚拟物的位置关系配置为步态训练者的左脚或右脚是否能够避开运动的所述平面虚拟物或者所述步态训练者的实际踏步脚与所述平面虚拟物的位置关系配置为是否能够踩碰所述平面虚拟物，所述实时关联数据的计算步骤如下：

S305：预设某次采集中所述虚拟物标准中心点；其中，所述虚拟物标准中心点记为C

S306：比较某次采集中实际踏步脚的实际踏步脚中心点(C

本发明的优选的技术方案在于，所述雷达步态康复训练平台配置为不动的跑台传送带或者平地。当所述步态训练者的实际踏步脚与所述平面虚拟物的位置关系配置为步态训练者的左脚或右脚是否能够避开运动的所述平面虚拟物时，不动的跑台传送带或者平地上设置有训练区域，所述投影仪在所述训练区域投射引导站位脚印；和/或当所述步态训练者的实际踏步脚与所述平面虚拟物的位置关系配置为是否能够踩碰所述平面虚拟物时，不动的跑台传送带或者平地上设置有训练区域及外围区域，所述训练区域位于所述外围区域的中部，所述投影仪在所述训练区域投射引导站位脚印。

本发明的优选的技术方案在于，在S40步骤中，在所述长距离直线行走训练模式中，所述步态评估算法中的直线行走训练分数计算过程按如下步骤实施：

S401：预设标准步长值、标准步距值及满分值；其中，所述预设标准步长值记为F

S402：在长距离直线行走训练模式下实施一次完整的行走训练，所述训练评估系统中的存储模块记录直线行走训练中所述步态训练者每次踏步的踏中标准脚印的重合率P

S403：依据所述踏中标准脚印的平均值

本发明的优选的技术方案在于，在S40步骤中，在所述训练池踏步训练模式中，所述步态评估算法中的踏步训练分数计算过程按如下步骤实施：

S404：预设n种不同难度等级的加权系数d

S405：在训练池踏步训练模式下实施一次完整的踏步训练，记录不同难度等级，所述训练评估系统中的存储模块记录踏步训练中所述步态训练者实施一次完整的踏步训练中不同难度等级对应的总躲避成功数或者总踩中数C

Score＝d

本发明还提供的一种用于上述的基于雷达的步态训练评估方法的基于雷达的步态训练评估装置，包括：

雷达步态康复训练平台；用于供所述步态训练者进行康复训练；

雷达；用于采集步态训练者的脚部检测数据；

投影仪；用于在所述雷达步态康复训练平台上投射所述平面虚拟物；

训练评估系统，用于提供不同康复模式下指导所述步态训练者进行康复训练，训练评估系统包括存储模块、计算模块、评估模块以及人机交互模块，所述存储模块用于存储所述平面虚拟物的预设坐标数据，所述计算模块用于生成实时计算数据及实时关联数据，所述评估模块用于根据计算模块的输出计算评估结果，所述人机交互模块用于输入控制指令及显示评估结果。

本发明的有益效果为：

本发明提供的基于雷达的步态训练评估方法，通过雷达采集步态训练者的脚部检测数据，并基于脚部检测数据计算实际踏步脚中心点、步距以及步长等数据，再计算上述数据与基于不同的训练模式中虚拟物的位置关系并生成实时关联数据，从而得到雷达采集患者脚印数据与虚拟投影数据的关联性，进而达到精准计算踏中或者避免等游戏中的踏中率或者避障成功概率等数据，从而为步态训练者的评估结果提供精准的数据依据。同时上述步态训练评估方法能够支持多种训练模式下的游戏互动，极大提升了患者的步态的丰富度。

附图说明

图1是本发明实施例中提供的基于雷达的步态训练评估方法的流程图；

图2是本发明实施例中提供的脚印图的示意图；

图3是本发明实施例二中提供的训练区域的示意图；

图4是本发明实施例三中提供的训练区域的示意图；

图5是本发明实施例中提供的基于雷达的步态训练评估装置的功能框图。

图中：

1、步态康复训练平台；2、雷达；3、投影仪；4、训练评估系统；41、存储模块；42、计算模块；43、评估模块；44、人机交互模块。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

如图1所示，本实施例中提供的一种基于雷达的步态训练评估方法，用于利用雷达2采集患者的步态康复数据并评估，在本实施例中训练评估系统4处于长距离直线行走训练模式时，雷达2步态康复训练平台1配置为运动的跑台传送带，在长距离直线行走训练模式中，患者可在运动的跑台传送带进行行走游戏，平面虚拟物配置为平面脚印，上述方法按如下步骤实施：

步骤S00：搭建训练评估系统4的运行环境。在步骤S00中，训练评估系统4与雷达2步态康复训练平台1电连接，雷达2步态康复训练平台1受控于训练评估系统4，运行环境搭建步骤包括训练评估系统4启动后，步态训练者通过训练评估系统4的人机交互模块44选择长距离直线行走训练模式或训练池踏步训练模式中的一种，当训练评估系统4配置为长距离直线行走训练模式时，雷达2步态康复训练平台1配置为运动的跑台传送带，当训练评估系统4配置为训练池踏步训练模式时，雷达2步态康复训练平台1配置为不动的跑台传送带或者平地。基于雷达的步态训练评估方法是由基于雷达的步态训练评估装置实现，步态训练评估装置包括雷达2步态康复训练平台1、雷达2、投影仪3以及训练评估系统4，将雷达2设置在态康复训练平台的正前方，且雷达2的探测区域为康复训练平台的上表面并十分贴近于康复训练平台的上表面，投影仪3位于态康复训练平台的一侧，投影仪3将其投影投射至康复训练平台的上表面。雷达2步态康复训练平台1的驱动模块、雷达2、投影仪3能够与训练评估系统4进行数据交互，被受控于搭载训练评估系统4中的计算机。

步骤S10：通过投影仪3按步态训练者选择地训练模式在雷达2步态康复训练平台1上投射平面虚拟物，并将平面虚拟物的预设坐标数据存储至训练评估系统4的存储模块41内；在步骤S10中，平面虚拟物的投射范围配置为以步态训练者的站立位置为中心坐标的预设范围内，长距离直线行走训练模式及训练池踏步训练模式均具备不同的难度等级，训练评估系统4通过调整平面虚拟物与步态训练者的距离远近、平面虚拟物的移动速度以及平面虚拟物的投放数量来调整不同训练模式的难度等级，不同训练模式的难度等级也可以与诊疗方案相结合，以达到理想的治疗效果，例如：通过设置先易后难的整料方案逐步提升诊疗质量。计算机内具有存储模块41，由于投影仪3与态康复训练平台的相对位置是基于雷达的步态训练评估装置完成搭建后就已经确定的，故在雷达2步态康复训练平台1上投射平面虚拟物时，平面虚拟物的预设坐标数据是可以预先设定好的，也可以通过训练评估系统4的人机交互模块44输入。

步骤S20：通过雷达2采集步态训练者的脚部检测数据并记录采集时间；其中，脚部检测数据对应的二维点集记为{P

步骤S30：训练评估系统4中的计算模块42依据脚部检测数据计算步态训练者的实际踏步脚轮廓和实际踏步脚中心点并生成实时计算数据，并依据训练评估系统4中不同的训练模式判断及计算实时计算数据与平面虚拟物的虚拟物轮廓和虚拟物标准中心点的位置关系并生成实时关联数据。通常不同的训练模式中要求不同的实时关联数据，这是由于评估的标准不一致，长距离直线行走训练模式需要验证患者的实际踏步脚是否踏中平面虚拟物，故其需要计算实际踏步脚中心点、步距以及步长这三种数据，而在训练池踏步训练模式下，则主要需要平面虚拟物的虚拟物轮廓的计算数据以评判是否踩触及踩触率等数据。

为了提高实际踏步脚中心点的计算准确性，进一步地，在S30步骤中，实际踏步脚中心点的计算步骤如下：

步骤S301：依据二维点集获取实际踏步脚轮廓的边缘点集。其中，T

步骤S302：对实际踏步脚轮廓的边缘点集拟合及化简，生成简化的实际踏步脚多边形及简化的实际踏步脚顶点集合{Q

步骤S303：依据简化的实际踏步脚多边形及简化的实际踏步脚顶点集合{Q

其中，x

步骤S304：计算实际踏步脚中心点(C

其中，x

为了从二维点集获取准确地实际踏步脚轮廓的边缘点集{Q

其中，j表示在进行第j次采集或者在t

为了计算步距，进一步地，本实施例中提供的基于雷达的步态训练评估方法涉及的步距是指在某次采集中步态训练者从一只脚到另一只脚在雷达2步态康复训练平台1的X方向的距离，故在S30步骤中，步距的计算公式如下：

F

其中，x

为了计算步长，进一步地，本实施例中提供的基于雷达的步态训练评估方法涉及的步长是指某次采集中从一只脚到另一只脚在雷达2步态康复训练平台1的Y方向的坐标，此时若雷达2步态康复训练平台1是运动的，需要考虑雷达2步态康复训练平台1的移动速度为v

F

其中，y

为了进准计算患者是否踏中平面脚印并获取踏中的重合率，进一步地，将步态训练者的实际踏步脚与平面虚拟物的位置关系配置为是否踏中平面虚拟物及踏中标准脚印的重合率，实时关联数据的计算步骤如下：

步骤S305：预设某次采集中虚拟物标准中心点。其中，虚拟物标准中心点记为C

步骤S306：比较某次采集中患者的实际踏步脚的实际踏步脚中心点(C

其中，比较公式如下：

步骤S307：计算某次采集中踏中标准脚印的重合率P

步骤S40：训练评估系统4中的评估模块43将实时计算数据与实时关联数据输入至步态评估算法中，经统计计算后，输出步态训练者的评估结果。不同的训练模式是指不同的训练模式，步态评估算法通过对实时计算数据与实时关联数据进行统计及分析后，可输出患者完成某项游戏的分值，也可选择性的设置一些通关类游戏供患者游玩，通过患者完不同类型的游戏能够极大提升其步态的丰富度。在长距离直线行走训练模式中，评估结果基于步态训练者每次对实际踏步脚轮廓、实际踏步脚中心点，踏中标准脚印的重合率以及直线行走训练分数的进行综合评定。在训练池踏步训练模式中，输出步态训练者在训练池踏步训练方案中每次对运动的平面虚拟物躲避或踩触次数，在不同难度等级下表现的进行综合评定，最后经过上述综合评定后输出步态训练者的评估结果。

为了准确评估患者的游戏结果，在S40步骤中，步态评估算法按如下步骤实施：

在S40步骤中，在长距离直线行走训练模式中，步态评估算法中的直线行走训练分数计算过程按如下步骤实施：

S401：预设标准步长值、标准步距值及满分值；其中，预设标准步长值记为F

S402：在长距离直线行走训练模式下实施一次完整的行走训练，训练评估系统4中的存储模块41记录直线行走训练中步态训练者每次踏步的踏中标准脚印的重合率P

S403：依据踏中标准脚印的平均值

实施例二

本实施例中提供的一种基于雷达的步态训练评估方法，用于利用雷达2采集患者的步态康复数据并评估，在本实施例中训练评估系统4处于避障训练模式，雷达2步态康复训练平台1配置为平地或者不动的跑台传送带，患者可在运动的平地或者跑台传送带进行避障游戏，平面虚拟物配置为平面障碍物，例如：炸弹、飞球等。如图3所示，步态训练者的实际踏步脚与平面虚拟物的位置关系配置为步态训练者的左脚或右脚是否能够避开运动的平面虚拟物。优选地，不动的跑台传送带或者平地上设置有训练区域，投影仪3在训练区域投射引导站位脚印，引导站位脚印包括左右站立虚拟脚印、左上右下站立虚拟脚印以及右上左下站立虚拟脚印，通过引导站位脚印可引导患者进行站位以便准备避障，不同站位方式能够针对性帮助步态训练者恢复不同的身体部位。

为了精准计算是否成功避障，进一步地，集步态训练者的实际踏步脚与平面虚拟物的位置关系配置为是否能够避开平面虚拟物，实际踏步脚与平面虚拟物的位置关系的实时关联数据的计算步骤如下：

S305：预设某次采集中虚拟物标准中心点。其中，虚拟物标准中心点记为C

S306：比较某次采集中实际踏步脚的实际踏步脚中心点(C

在S40步骤中，在训练池踏步训练模式中，步态评估算法中的踏步训练分数计算过程按如下步骤实施：

S404：预设n种不同难度等级的加权系数d

S405：在训练池踏步训练模式下实施一次完整的踏步训练，记录不同难度等级，训练评估系统4中的存储模块41记录踏步训练中步态训练者实施一次完整的踏步训练中不同难度等级对应的总躲避成功数或者总踩中数C

Score＝d

实施例三

本实施例中提供的一种基于雷达的步态训练评估方法，用于利用雷达2采集患者的步态康复数据并评估，在本实施例中训练评估系统4处于训练池踏步训练模式，雷达2步态康复训练平台1配置为平地或者不动的跑台传送带，患者可在平地或者不动的跑台传送带进行踩碰游戏，平面虚拟物配置为平面移动物，例如：气球、地鼠等。如图4所示，此时步态训练者的实际踏步脚与所述平面虚拟物的位置关系配置为是否能够踩碰平面虚拟物。优选地，在不动的跑台传送带或者平地上设置有训练区域及外围区域，训练区域位于外围区域的中部，投影仪3在训练区域投射引导站位脚印，引导站位脚印包括左右站立虚拟脚印、左上右下站立虚拟脚印以及右上左下站立虚拟脚印，通过引导站位脚印可引导患者进行站位以便准备进行踩碰游戏，从而达到不同部位康复的效果。

为了精准计算是否踩触有效，进一步地，集步态训练者的实际踏步脚与平面虚拟物的位置关系配置为是否能够踩碰平面虚拟物，集步态训练者的实际踏步脚与平面虚拟物的的位置关系实时关联数据的计算步骤如下：

S305：预设某次采集中虚拟物标准中心点；其中，所述虚拟物标准中心点记为C

S306：比较某次采集中实际踏步脚的实际踏步脚中心点(C

在S40步骤中，在训练池踏步训练模式中，步态评估算法中的踏步训练分数计算过程按如下步骤实施：

S404：预设n种不同难度等级的加权系数d

S405：在训练池踏步训练模式下实施一次完整的踏步训练，记录不同难度等级，训练评估系统4中的存储模块41记录踏步训练中所述步态训练者实施一次完整的踏步训练中不同难度等级对应的总躲避成功数或者总踩中数C

Score＝d

实施例四

如图5所示，实施例四中提供的一种用于上述的基于雷达的步态训练评估方法的基于雷达的步态训练评估装置，包括步态康复训练平台1、雷达2、投影仪3以及训练评估系统4，其中，雷达2步态康复训练平台1用于供步态训练者进行康复训练，雷达2用于采集步态训练者的脚部检测数据，投影仪3用于在雷达2步态康复训练平台1上投射平面虚拟物，训练评估系统4用于提供不同康复模式下指导步态训练者进行康复训练，训练评估系统4包括存储模块41、计算模块42、评估模块43以及人机交互模块44，存储模块41用于存储平面虚拟物的预设坐标数据，计算模块42用于生成实时计算数据及实时关联数据，评估模块43用于根据计算模块42的输出计算评估结果，人机交互模块44用于输入控制指令及显示评估结果。将雷达2设置在态康复训练平台的正前方，且雷达2的探测区域为康复训练平台的上表面且贴近于复训练平台的上表面，以保护采集数据准确性，投影仪3位于态康复训练平台的一侧，投影仪3将其投影投射至康复训练平台的上表面。具体使用时，搭建基于雷达2步态康复训练平台1的训练评估系统4的运行环境后，先通过人机交互模块44选择不同的训练模式，然后通过投影仪3按预设训练模式在雷达2步态康复训练平台1上投射平面虚拟物，并将平面虚拟物的预设坐标数据存储至训练评估系统4的存储模块41内，通过雷达2采集步态训练者的脚部检测数据并记录采集时间，依据脚部检测数据训练评估系统4中的计算模块42选择性计算步态训练者的实际踏步脚中心点、步距以及步长中的一种或者多种并生成实时计算数据并依据训练评估系统4中不同的训练模式判断及计算集步态训练者的实际踏步脚与平面虚拟物的位置关系并生成实时关联数据，训练评估系统4中的评估模块43将实时计算数据与实时关联数据输入至步态评估算法统计计算后，输出步态训练者的评估结果并通过人机交互模块44显示，从而达到让步态训练者快速直观获取到综合评定效果的目的，当然训练评估系统4也支持用户调取步距、步长的实时数据制成图标，进一步分析患者的踏步稳定性。

本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。