一种脊柱侧凸三维力矫正的反馈控制方法及相关设备

技术领域

本发明涉及智能医疗设备技术领域，尤其涉及一种脊柱侧凸三维力矫正的反馈控制方法及相关设备。

背景技术

脊柱侧凸是一种三维的脊柱和躯干扭转异常，包括在冠状面上的侧方弯曲，水平面上椎体旋转和矢状面上脊柱正常生理曲度改变。青少年特发性脊柱侧凸(Adolescentidiopathic scoliosis,AIS)是最常见的脊柱侧凸，在青少年中的发病率约为2％-3％。青少年处于生长发育的高峰期，骨骼增长较快，如不及时治疗，脊柱侧凸的程度可能会随生长发育的进行逐渐加重，继而出现背部疼痛、心肺功能障碍等问题，严重者可导致瘫痪。

青少年特发性脊柱侧凸的主要治疗方式包括矫形器治疗、特定性运动疗法和手术治疗。而针对特定性运动疗法，需要医生花费较长的时间去指导患者去掌握对应的动作，由于每个患者的领悟能力不同，同时每次运动的动作没有一个衡量标准，导致每次动作的重复性差，很难建立肌肉记忆，而整个训练过程中，需要医生一对一的指导和对动作进行评估。训练过程需要反复进行，这样会导致医生的治疗效率低，而对患者的领悟性也有较高要求，患者很难做到动作一致，最终导致治疗效率效果不理想。

发明内容

本发明提供了一种脊柱侧凸三维力矫正的反馈控制方法及相关设备，解决了现有技术中对脊柱侧凸三维力矫正的治疗效率不高，治疗效果也不理想的技术问题。

有鉴于此，本发明第一方面提供了一种脊柱侧凸三维力矫正的反馈控制方法，包括以下步骤：

获取患者的脊柱预训练部位按照预设规划路径主动运动到达预置路径节点的动作参数，其中，所述预设规划路径包含多个预置路径节点；

将所述动作参数与预设的标准动作参数进行匹配，得到匹配度；

判断所述匹配度是否大于预设的匹配度阈值；

若判断所述匹配度不大于所述预设的匹配度阈值，则返回至获取患者的脊柱预训练部位按照预设规划路径主动运动到达预置路径节点的动作参数的步骤；

若判断所述匹配度大于所述预设的匹配度阈值，则执行下一步；

获取患者的脊柱预训练部位继续主动运动到达下一个预置路径节点的动作参数，并重复将所述动作参数与预设的标准动作参数进行匹配，得到匹配度的步骤至本步骤，直至患者的脊柱预训练部位主动运动完成所述预设规划路径。

可选地，本方法应用了机械手；

所述方法还包括：

根据用户输入的控制指令控制所述机械手按照所述预设规划路径运动并依次到达每个预置路径节点。

可选地，所述动作参数包括矫正力参数和姿态动作图像，其中，所述矫正力参数包括患者的脊柱预训练部位对处于所述预置路径节点的所述机械手的作用力、作用力方向和患者的脊柱预训练部位相对起始路径节点的运动位移。

可选地，将所述动作参数与预设的标准动作参数进行匹配，得到匹配度的步骤，具体包括：

将所述矫正力参数与预设的标准矫正力参数进行匹配，得到第一匹配结果；

将所述姿态动作图像与预设的标准姿态动作图像进行匹配，得到第二匹配结果；

将所述第一匹配结果和所述第二匹配结果进行加权计算，得到匹配度。

可选地，本方法还包括：

根据所述匹配度确定动作评分值；

将所述动作评分值以可视化图形的形式进行可视化并发送至前端进行显示反馈，所述可视化图形为进度条、柱状条、二维平面图形和三维立体图形中的一种或多种结合；

将所述动作评分值进行语音提醒。

可选地，本方法还包括：

将所述动作参数进行可视化并发送至前端进行显示。

可选地，本方法还包括：

当患者的脊柱预训练部位主动运动到达所述预设规划路径中的最后一个预置路径节点，并判断当前节点的动作参数的匹配度大于所述预设的匹配度阈值时，根据用户输入的控制指令控制所述机械手保持当前动作至预设时长后进行复位。

第二方面，本发明还提供了一种脊柱侧凸三维力矫正设备，包括设备主体，所述设备主体设有数据采集模块和控制模块；

所述数据采集模块，用于获取患者的脊柱预训练部位按照预设规划路径主动运动到达预置路径节点的动作参数，其中，所述预设规划路径包含多个预置路径节点；

所述控制模块，用于将所述动作参数与预设的标准动作参数进行匹配，得到匹配度；所述控制模块还用于判断所述匹配度是否大于预设的匹配度阈值，若判断所述匹配度不大于所述预设的匹配度阈值，则通知所述数据采集模块执行获取患者的脊柱预训练部位按照预设规划路径主动运动到达预置路径节点的动作参数的工序；若判断所述匹配度大于所述预设的匹配度阈值，则通知所述数据采集模块执行获取患者的脊柱预训练部位继续主动运动到达下一个预置路径节点的动作参数的工序，直至患者的脊柱预训练部位主动运动完成所述预设规划路径。

可选地，所述设备主体还设有机械手，所述机械手用于根据用户输入的控制指令并按照所述预设规划路径运动并依次到达每个预置路径节点。

可选地，所述动作参数包括矫正力参数和姿态动作图像，其中，所述矫正力参数包括患者的脊柱预训练部位对处于所述预置路径节点的所述机械手的作用力、作用力方向和患者的脊柱预训练部位相对起始路径节点的运动位移。

可选地，所述数据采集模块包括力传感器、位移传感器和图像采集子模块，所述力传感器和所述位移传感器安装于所述机械手上；

所述力传感器用于采集患者的脊柱预训练部位对处于所述预置路径节点的所述机械手的作用力和作用力方向；

所述位移传感器用于采集患者的脊柱预训练部位相对起始路径节点的运动位移；

所述图像采集子模块用于采集姿态动作图像。

可选地，所述控制模块还用于将所述矫正力参数与预设的标准矫正力参数进行匹配，得到第一匹配结果，还用于将所述姿态动作图像与预设的标准姿态动作图像进行匹配，得到第二匹配结果，还用于将所述第一匹配结果和所述第二匹配结果进行加权计算，得到匹配度。

可选地，本设备还包括：

评分模块，用于根据所述匹配度确定动作评分值；

第一显示模块，用于将所述动作评分值以可视化图形的形式进行可视化并发送至前端进行显示反馈，所述可视化图形为进度条、柱状条、二维平面图形和三维立体图形中的一种或多种结合；

语音模块，用于将所述动作评分值进行语音提醒。

可选地，本设备还包括：

第二显示模块，用于将所述动作参数进行可视化并发送至前端进行显示。

可选地，本设备还包括：

复位模块，用于当患者的脊柱预训练部位主动运动到达所述预设规划路径中的最后一个预置路径节点，并判断当前节点的动作参数的匹配度大于所述预设的匹配度阈值时，根据用户输入的控制指令控制所述机械手保持当前动作至预设时长后进行复位。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明通过获取患者的脊柱预训练部位按照预设规划路径主动运动到达预置路径节点的动作参数，将动作参数与预设的标准动作参数进行匹配，得到匹配度，根据匹配度判断患者的动作是否达到所要求的标准动作，当患者的动作达到标准动作时，则继续引导患者的脊柱预训练部位继续主动运动到达下一个预置路径节点，并获取相应的节点的动作参数，重复以上动作以完成预设规划路径的运动。从而利用患者的动作的匹配度作为衡量标准，增强了患者动作的一致性，无需医生一对一的重复指导和对动作进行评估，从而提高脊柱侧凸三维力矫正的治疗效率和治疗效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种脊柱侧凸三维力矫正设备的结构框图；

图2为本发明实施例提供的一种脊柱侧凸三维力矫正的反馈控制方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

青少年特发性脊柱侧凸的主要治疗方式包括矫形器治疗、特定性运动疗法和手术治疗。而针对特定性运动疗法，需要医生花费较长的时间去指导患者去掌握对应的动作，由于每个患者的领悟能力不同，同时每次运动的动作没有一个衡量标准，导致每次动作的重复性差，很难建立肌肉记忆，形成真正的神经康复效果，而整个训练过程中，需要医生一对一的指导和对动作进行评估。训练过程需要反复进行，这样会导致医生的治疗效率低，对患者的领悟性也有较高要求，患者很难做到动作一致，最终导致治疗效果不理想。。

为此，本实施例提供了一种脊柱侧凸三维力矫正设备，如图1所示，图1示意了本实施例提供的一种脊柱侧凸三维力矫正设备的结构框图，该设备包括设备主体，设备主体设有数据采集模块和控制模块；

数据采集模块，用于获取患者的脊柱预训练部位按照预设规划路径主动运动到达预置路径节点的动作参数，其中，预设规划路径包含多个预置路径节点。

其中，患者的脊柱预训练部位是基于患者的脊柱侧凸位置进行选择，一般为上半身体部位，或基于医生指导意见进行选择，在此不作限定。

规划路径是基于医生指导下患者做某个动作的身体运动方向，并被数据采集模块收集，形成该动作的运动路径，规划路径由多个连续的预置路径节点连接构成，更具体地，预置路径节点包括路径起点、中间节点和路径终点。同时，患者需要基于预置路径节点的位置，利用患者的脊柱预训练部位主动运动至预置路径节点所在位置。规划路径也可以基于医生的专业知识和对患者脊柱情况的理解，通过软件界面设置的方式进行设置，或者上述两种方式融合，如基于患者动作收集数据，再基于医生专业知识进行微调修正，在此不作限定。

控制模块，用于将动作参数与预设的标准动作参数进行匹配，得到匹配度；控制模块还用于判断匹配度是否大于预设的匹配度阈值，若判断匹配度不大于预设的匹配度阈值，则通知数据采集模块执行获取患者的脊柱预训练部位按照预设规划路径主动运动到达预置路径节点的动作参数的工序；若判断匹配度大于预设的匹配度阈值，则通知数据采集模块执行获取患者的脊柱预训练部位继续主动运动到达下一个预置路径节点的动作参数的工序，直至患者的脊柱预训练部位主动运动完成预设规划路径。

需要说明的是，当患者的动作达到所要求的标准动作时，则说明动作到位，并会引导患者的脊柱预训练部位继续主动运动至下一个预置路径节点，并获取相应节点的动作参数以及其与预设的标准动作参数的匹配度，以此类推，一直重复相应的动作，直至患者的脊柱预训练部位运动到预设规划路径的终点，从而使患者进行较复杂的训练动作挑战，增加运动训练的趣味性和挑战性，同时增强了患者动作的一致性，加深了肌肉记忆，容易将神经回路中的动力学现象转换为一定的规则，在突触重叠的过程中，根据读取的外部信息时空信息，形成一种内部信息的表达过程，患者在下次训练的时候会调取记忆，将动作做的更标准。

需要说明的是，本实施例通过获取患者的脊柱预训练部位按照预设规划路径主动运动到达预置路径节点的动作参数，将动作参数与预设的标准动作参数进行匹配，得到匹配度，根据匹配度判断患者的动作是否达到所要求的标准动作，当患者的动作达到标准动作时，则继续引导患者的脊柱预训练部位继续主动运动到达下一个预置路径节点，并获取相应的节点的动作参数，重复以上动作以完成预设规划路径的运动。从而利用患者的动作的匹配度作为衡量标准，增强了患者动作的一致性，无需医生一对一的重复指导和对动作进行评估，从而提高脊柱侧凸三维力矫正的治疗效率和治疗效果。

在一个可以实现的方式中，设备主体还设有机械手，机械手用于根据用户输入的控制指令并按照预设规划路径运动并依次到达每个预置路径节点。

其中，机械手基于患者的脊柱侧凸位置进行相对设置，针对脊柱的C弯(单侧弯)矫正，包括单胸弯、单腰弯或者单纯的胸腰段侧凸，可以设置一侧边的机械臂的机械手置于凸侧顶椎部位，其对侧可以设置两个机械手置于上下端椎处，使得两边设置的机械手对脊柱产生对抗力，并作用于弯曲的脊柱；对于胸椎侧凸，侧凸方的机械手置于顶椎相连的肋骨上，通过肋骨将力传导到脊柱，对于腰椎侧凸，侧方机械手的推力经由椎旁肌可以直接作用于脊柱。

机械手可以引导患者的脊柱预训练部位进行运动，并对患者的运动路径进行规划，当患者的脊柱预训练部位到达机械手所在位置时，获取患者的脊柱预训练部位的动作参数，动作参数包括矫正力参数和姿态动作图像，其中，矫正力参数包括患者的脊柱预训练部位对处于预置路径节点的机械手的作用力、作用力方向和患者的脊柱预训练部位相对起始路径节点的运动位移。

其中，姿态动作图像为患者的脊柱预训练部位姿态变化图像或者在运动过程中脊柱的姿态变化图像。

在一个可以实现的方式中，数据采集模块包括力传感器、位移传感器和图像采集子模块，力传感器和位移传感器安装于机械手上。

力传感器用于采集患者的脊柱预训练部位对处于预置路径节点的机械手的作用力和作用力方向。

位移传感器用于采集患者的脊柱预训练部位相对起始路径节点的运动位移。

其中，位移传感器的效果可以基于机械手的多个关节内置编码器计算分析得出，在此不作限定。

图像采集子模块用于采集姿态动作图像。

其中，图像采集子模块可以为CCD相机、双目相机或摄像头，在此不作限定。

在患者运动过程中，机械手会进行移动一定位移至预置路径节点，引导患者运动方向，患者躯干向机械手靠近，并通过机械手的力传感器和位移传感器来获取矫正力参数，并通过图像采集子模块采集姿态动作图像，将矫正力参数和姿态动作图像判断患者的动作的匹配度。

在一个示例中，控制模块还用于将矫正力参数与预设的标准矫正力参数进行匹配，得到第一匹配结果，还用于将姿态动作图像与预设的标准姿态动作图像进行匹配，得到第二匹配结果，还用于将第一匹配结果和第二匹配结果进行加权计算，得到匹配度。

其中，对于矫正力参数与预设的标准矫正力参数匹配时，是将患者的脊柱预训练部位对处于预置路径节点的机械手的作用力、作用力方向和患者的脊柱预训练部位相对起始路径节点的运动位移分别对应的匹配度进行加权计算，得到第一匹配结果；再对第一匹配结果和第二匹配结果进行加权计算，得到匹配度，其中，权重设置基于经验进行设置。

在实际应用中，本设备可以具有主动训练和被动训练功能，被动训练通过脊柱侧凸三维推力矫正设备给患者提供三维矫正力，通过提供的三维矫正力使一直处于肌张力高的肌肉得到放松，同时对脊柱的侧弯也起到矫正作用。由于脊柱侧弯的矫正是一个长周期的治疗过程，需要结合主动训练，患者在三维矫正力脊柱侧凸矫正设备中可以进行主动训练，并通过动作参数的匹配分析，给患者提供主动训练动作一致性反馈，让患者建立训练动作的神经回路，并形成肌肉和神经记忆，这样让患者在家主动训练时可以调取记忆，使动作做的更标准。

患者每次主动训练采集到的矫正力信息以及体态图像信息，设备都会进行记录并存储，通过记录的数据和图像去评估患者本次训练的一致性，并打分，并依据评分对患者单次或者多次运动训练动作存储和一致性结果评估，提供对训练效果以及治疗周期的预判依据。

为此，本设备还包括：

评分模块，用于根据匹配度确定动作评分值。

第一显示模块，用于将动作评分值以可视化图形的形式进行可视化并发送至前端进行显示反馈，可视化图形为进度条、柱状条、二维平面图形和三维立体图形中的一种或多种结合。

语音模块，用于将动作评分值进行语音提醒。

第二显示模块，用于将动作参数进行可视化并发送至前端进行显示。

需要说明的是，将所采集到的动作参数以及匹配结果转换为视觉、听觉刺激等类型的反馈刺激，指导患者训练动作。

在一个示例中，当匹配度达到不同程度时，患者显示屏有文字提示和语音提示，指引患者做到标准动作，患者动作达到标准值后通过，会进入较复杂的训练动作挑战，增加运动训练的趣味性和挑战性，同时增强了患者动作的一致性，加深了肌肉记忆，容易将神经回路中的动力学现象转换为一定的规则，在突触重叠的过程中，根据读取的外部信息时空信息，形成一种内部信息的表达过程，患者在下次训练的时候会调取记忆，将动作做的更标准。

为了提高趣味性，将动作评分值以进度条、柱状条、二维平面图形和三维立体图形中的一种或多种结合的形式进行可视化并发送至前端进行显示反馈，以显示分值甚至不同维度的分值，或者可以用闯关游戏中的内容进行表达动作评分值，达到对应的值给出文字和声音提示，增强患者闯关的挑战欲望，从而提高运动训练动作的趣味性，提高患者的依从性。

在一个可以实现的方式中，本设备还包括：

复位模块，用于当患者的脊柱预训练部位主动运动到达预设规划路径中的最后一个预置路径节点，并判断当前节点的动作参数的匹配度大于预设的匹配度阈值时，根据用户输入的控制指令控制机械手保持当前动作至预设时长后进行复位。

需要说明的是，康复训练一般需要把一个动作做标准后，保持在标准状态一定时长，为此，在患者的脊柱预训练部位主动运动到达预设规划路径中的最后一个预置路径节点后，也即做完康复训练动作时，需要患者保持该动作几十秒后，以便患者保持相应的特定性运动动作一定时长，从而起到更好的训练效果，再使机械手回到初始位置，机械臂也跟随患者回到初始位置；患者自己重复上述动作，机械臂按照规划路径以一定速度进行重复动作。

其中，对于机械臂的运动速度可以基于医生指导下患者完成该动作的路径距离和用的时长的比值来计算，也可以根据患者实际的运动时间来设置速度，在此不作限定。

以上为本发明提供的一种脊柱侧凸三维力矫正设备的实施例的详细描述，以下为本发明提供的一种脊柱侧凸三维力矫正的反馈控制方法的实施例的详细描述。

为了便于理解，请参阅图2，本发明提供的一种脊柱侧凸三维力矫正的反馈控制方法，包括以下步骤：

101、获取患者的脊柱预训练部位按照预设规划路径主动运动到达预置路径节点的动作参数，其中，预设规划路径包含多个预置路径节点；

102、将动作参数与预设的标准动作参数进行匹配，得到匹配度；

103、判断匹配度是否大于预设的匹配度阈值；

104、若判断匹配度不大于预设的匹配度阈值，则返回至步骤101；

105、若判断匹配度大于预设的匹配度阈值，则执行下一步；

106、获取患者的脊柱预训练部位继续主动运动到达下一个预置路径节点的动作参数，并重复步骤102至本步骤，直至患者的脊柱预训练部位主动运动完成预设规划路径。

在一个具体实施例中，本方法应用了机械手；

方法还包括：

根据用户输入的控制指令控制机械手按照预设规划路径运动并依次到达每个预置路径节点。

在一个具体实施例中，动作参数包括矫正力参数和姿态动作图像，其中，矫正力参数包括患者的脊柱预训练部位对处于预置路径节点的机械手的作用力、作用力方向和患者的脊柱预训练部位相对起始路径节点的运动位移。

在一个具体实施例中，步骤102具体包括：

1021、将矫正力参数与预设的标准矫正力参数进行匹配，得到第一匹配结果；

1022、将姿态动作图像与预设的标准姿态动作图像进行匹配，得到第二匹配结果；

1023、将第一匹配结果和第二匹配结果进行加权计算，得到匹配度。

在一个具体实施例中，本方法还包括：

根据匹配度确定动作评分值；

将动作评分值以可视化图形的形式进行可视化并发送至前端进行显示反馈，可视化图形为进度条、柱状条、二维平面图形和三维立体图形中的一种或多种结合；

将动作评分值进行语音提醒。

在一个具体实施例中，本方法还包括：

将动作参数进行可视化并发送至前端进行显示。

在一个具体实施例中，本方法还包括：

当患者的脊柱预训练部位主动运动到达预设规划路径中的最后一个预置路径节点，并判断当前节点的动作参数的匹配度大于预设的匹配度阈值时，根据用户输入的控制指令控制机械手保持当前动作至预设时长后进行复位。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程，可以参考前述系统实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。