本發(fā)明涉及康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，具體而言，涉及基于游戲互動(dòng)的兒童手功能康復(fù)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、手功能康復(fù)是指通過各種手段和方法，恢復(fù)手部的運(yùn)動(dòng)能力，尤其是對(duì)于因腦損傷、神經(jīng)損傷或發(fā)育性障礙等原因?qū)е碌膬和植抗δ軉适У闹委?。兒童手功能的康?fù)治療不僅僅是身體恢復(fù)的過程，更涉及到運(yùn)動(dòng)控制、感知覺知、心理認(rèn)知等多個(gè)方面。

2、目前，傳統(tǒng)的兒童手功能康復(fù)治療方法主要包括物理治療、作業(yè)治療、功能訓(xùn)練、和設(shè)備輔助康復(fù)等方式。這些方法通過手部運(yùn)動(dòng)的重復(fù)訓(xùn)練來幫助兒童恢復(fù)肢體的運(yùn)動(dòng)功能，尤其是對(duì)手指靈活性、手掌協(xié)調(diào)性和抓握能力等方面的訓(xùn)練。然而，這些傳統(tǒng)方法存在許多局限性：

3、單調(diào)性與缺乏趣味性：傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練大多數(shù)是重復(fù)性的練習(xí)，對(duì)于兒童來說容易感到枯燥乏味，導(dǎo)致治療效果不理想，兒童的參與度和積極性較低。

4、個(gè)性化不足：許多康復(fù)方案無法根據(jù)兒童的具體恢復(fù)進(jìn)度和手部功能的差異進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，因此很難滿足每個(gè)兒童個(gè)性化的康復(fù)需求。

5、監(jiān)控與評(píng)估的滯后性：傳統(tǒng)的治療往往依賴于人工記錄和評(píng)估，康復(fù)過程中的實(shí)時(shí)反饋和治療調(diào)整較為困難，導(dǎo)致無法及時(shí)對(duì)兒童的康復(fù)進(jìn)度做出反應(yīng)。

6、技術(shù)手段落后：現(xiàn)有的康復(fù)設(shè)備往往是機(jī)械化的，治療過程中缺乏智能化手段和自適應(yīng)調(diào)整能力，無法與兒童的實(shí)時(shí)表現(xiàn)和需求進(jìn)行精確匹配。

7、近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究開始嘗試將游戲互動(dòng)、虛擬現(xiàn)實(shí)(vr)和人工智能(ai)等新技術(shù)引入兒童手功能康復(fù)領(lǐng)域。基于游戲的康復(fù)方法通過將康復(fù)任務(wù)與游戲情境結(jié)合，提高兒童的參與感和治療的趣味性，從而改善兒童的康復(fù)效果。具體特點(diǎn)包括：

8、提升兒童的參與度：游戲互動(dòng)能夠有效激發(fā)兒童的興趣和治療積極性，使治療過程不再枯燥，提高兒童的訓(xùn)練動(dòng)力。

9、任務(wù)難度的動(dòng)態(tài)調(diào)整：通過游戲中的反饋機(jī)制，可以根據(jù)兒童的實(shí)際表現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整任務(wù)的難度，確保任務(wù)既有挑戰(zhàn)性，又能在兒童能力范圍內(nèi)完成，從而優(yōu)化治療效果。

10、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的個(gè)性化治療：通過實(shí)時(shí)收集兒童的動(dòng)作數(shù)據(jù)(如手指的活動(dòng)情況、手部協(xié)調(diào)性等)，游戲任務(wù)可以根據(jù)兒童的康復(fù)進(jìn)度進(jìn)行個(gè)性化調(diào)整，避免傳統(tǒng)治療方法中的“一刀切”問題。

11、多模態(tài)反饋機(jī)制：借助虛擬現(xiàn)實(shí)、觸覺反饋、視覺反饋等多模態(tài)技術(shù)，康復(fù)治療不僅僅依賴視覺刺激，還能通過觸覺、聽覺等感官輸入進(jìn)一步增強(qiáng)兒童的參與感和治療體驗(yàn)。

12、盡管基于游戲互動(dòng)的康復(fù)方法在理論上具有很多優(yōu)勢(shì)，但目前相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用還存在一些問題：

13、缺乏全面的技術(shù)集成：現(xiàn)有技術(shù)往往只局限于某一單一技術(shù)的應(yīng)用，如使用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行手部康復(fù)訓(xùn)練，或者采用人工智能進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，但缺乏將數(shù)據(jù)采集、游戲任務(wù)生成、實(shí)時(shí)反饋與個(gè)性化治療相結(jié)合的完整系統(tǒng)。

14、對(duì)兒童個(gè)體差異的忽視：目前大多數(shù)基于游戲的康復(fù)系統(tǒng)并未充分考慮兒童的個(gè)體差異，包括年齡、手功能的具體問題、情緒反應(yīng)等因素，這使得治療方案不能完全根據(jù)兒童的康復(fù)進(jìn)度和實(shí)際情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

15、實(shí)時(shí)評(píng)估和反饋的不足：盡管游戲能夠提供反饋，但這些反饋往往是基于兒童完成任務(wù)的結(jié)果，缺乏對(duì)手部運(yùn)動(dòng)精度、力量、協(xié)調(diào)性等細(xì)節(jié)的實(shí)時(shí)評(píng)估，無法實(shí)時(shí)調(diào)整治療任務(wù)，難以滿足更精確的治療需求。

16、為此，我們急需設(shè)計(jì)基于游戲互動(dòng)的兒童手功能康復(fù)系統(tǒng)解決上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供基于游戲互動(dòng)的兒童手功能康復(fù)系統(tǒng)，以解決背景技術(shù)中所提出的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種基于游戲互動(dòng)的兒童手功能康復(fù)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括以下模塊：

4、數(shù)據(jù)采集模塊：用于通過多個(gè)傳感器設(shè)備(如攝像頭、慣性傳感器、加速度計(jì)等)實(shí)時(shí)采集兒童的手部運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，生成實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)流，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括：視覺數(shù)據(jù)采集單元，通過攝像頭(例如rgb攝像頭、深度攝像頭)采集兒童手部的圖像或深度圖像數(shù)據(jù)；運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集單元，通過慣性傳感器(如加速度計(jì)、陀螺儀等)采集兒童手部的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)(如加速度、角速度等)。

5、動(dòng)作分析與識(shí)別模塊：用于將數(shù)據(jù)采集模塊所獲取的兒童手部運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)輸入深度學(xué)習(xí)模型(如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)cnn、長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)lstm等)，分析和提取兒童手部動(dòng)作的特征向量xa，并生成兒童的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)時(shí)判斷其手功能恢復(fù)進(jìn)度，具體包括：

6、xa＝f(iv；θa),

7、其中，iv為時(shí)刻t的視覺輸入數(shù)據(jù)(圖像或視頻數(shù)據(jù)),θa為動(dòng)作分析模型的參數(shù)，f(·)為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(cnn)模型，xa為時(shí)刻t生成的手部動(dòng)作特征向量。

8、游戲任務(wù)與虛擬現(xiàn)實(shí)(vr)模塊：根據(jù)分析模塊輸出的動(dòng)作特征xa，生成與兒童手部功能恢復(fù)進(jìn)度相關(guān)的個(gè)性化游戲任務(wù)。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(vr)，將游戲任務(wù)在虛擬環(huán)境中展示，并通過任務(wù)難度調(diào)整算法動(dòng)態(tài)調(diào)整任務(wù)的難度，以適應(yīng)兒童的恢復(fù)進(jìn)程，具體調(diào)整算法為：

9、dt+1＝dt+α·(xa-xg),

10、其中，dt+1為下一次任務(wù)的難度，dt為當(dāng)前任務(wù)的難度，α為調(diào)節(jié)系數(shù)，xa為當(dāng)前手部動(dòng)作特征向量，xg為目標(biāo)手部動(dòng)作特征。

11、反饋與評(píng)估模塊：用于根據(jù)兒童的康復(fù)進(jìn)度生成實(shí)時(shí)的反饋，并提供個(gè)性化的調(diào)整建議。通過深度學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，評(píng)估兒童手部功能的恢復(fù)效果，評(píng)估公式為：

12、

13、其中，q(st,at)為時(shí)刻t狀態(tài)st和動(dòng)作at的q值，rt為獎(jiǎng)勵(lì)值，γ為折扣因子，為下一個(gè)狀態(tài)的最大q值。

14、多模態(tài)感知反饋模塊：基于實(shí)時(shí)反饋，提供觸覺、視覺、聽覺等多模態(tài)反饋，增強(qiáng)兒童的康復(fù)參與感。反饋強(qiáng)度通過以下公式進(jìn)行調(diào)節(jié)：

15、ftotal＝α1·fvisual+β1·ftactile+γ1·fauditory,

16、其中，ftotal為綜合反饋強(qiáng)度，fvisual、ftactile和fauditory分別為視覺、觸覺和聽覺反饋的強(qiáng)度，α1,β1、γ1為反饋系數(shù)。

17、數(shù)據(jù)同步與遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊：通過云平臺(tái)將兒童的康復(fù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳并同步到醫(yī)生和家長(zhǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)中，使其能夠隨時(shí)查看兒童的康復(fù)進(jìn)度，并根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)整康復(fù)計(jì)劃。數(shù)據(jù)同步公式為：

18、

19、其中，dcloud為云端同步數(shù)據(jù)，di為第i設(shè)備的數(shù)據(jù)，n為設(shè)備的數(shù)量。

20、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和傳感器數(shù)據(jù)融合獲取兒童手部動(dòng)作數(shù)據(jù)，采集過程包括：使用rgb攝像頭或深度攝像頭(如intelrealsense、kinect等)捕捉兒童的手部圖像數(shù)據(jù)，并通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(cnn)提取手部的動(dòng)作特征；使用慣性傳感器(imu，包括加速度計(jì)和陀螺儀)采集兒童手部的運(yùn)動(dòng)加速度、角速度等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并通過lstm對(duì)時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。

21、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述虛擬現(xiàn)實(shí)(vr)游戲交互模塊中的任務(wù)目標(biāo)根據(jù)兒童的動(dòng)作恢復(fù)進(jìn)展調(diào)整，通過以下算法公式來生成個(gè)性化的游戲任務(wù)：

22、ttarget＝tbase+λ2·(st-starget),

23、其中，ttarget為目標(biāo)任務(wù)，tbase為基礎(chǔ)任務(wù)，λ2為調(diào)節(jié)因子，st為當(dāng)前康復(fù)評(píng)分，starget為目標(biāo)康復(fù)評(píng)分。

24、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述家長(zhǎng)與醫(yī)生監(jiān)控系統(tǒng)通過云平臺(tái)實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)，家長(zhǎng)和醫(yī)生可以查看兒童的康復(fù)進(jìn)展，并根據(jù)以下公式調(diào)整治療方案：

25、pt+1＝pt+λ3·(st+1-st),

26、其中，pt+1為下一階段的治療計(jì)劃，pt為當(dāng)前治療計(jì)劃，λ3為調(diào)節(jié)因子，st+1和st分別為當(dāng)前和下一時(shí)刻的康復(fù)評(píng)分。

27、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)同步與共享機(jī)制，通過以下公式進(jìn)行云端數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與共享：

28、

29、其中，dcloud為云端同步數(shù)據(jù)，di為第i設(shè)備的數(shù)據(jù)，n為設(shè)備的數(shù)量。

30、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述虛擬現(xiàn)實(shí)(vr)游戲交互模塊通過動(dòng)態(tài)任務(wù)調(diào)整算法根據(jù)兒童的動(dòng)作恢復(fù)進(jìn)展調(diào)整任務(wù)目標(biāo)，使用以下公式更新任務(wù)目標(biāo)的設(shè)定：

31、dt+1＝dt+β2·(xa-xg),

32、其中，dt+1為下一次任務(wù)的難度，dt為當(dāng)前任務(wù)的難度，β2為調(diào)節(jié)系數(shù)，xa為當(dāng)前手部動(dòng)作特征向量，xg為目標(biāo)動(dòng)作特征。

33、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述感知反饋系統(tǒng)包括視覺反饋、觸覺反饋、聽覺反饋，通過以下公式共同增強(qiáng)兒童的參與感和康復(fù)效果：

34、ftotal＝α1·fvisual+β1·ftactile+γ1·fauditory,

35、其中，ftotal為綜合反饋強(qiáng)度，fvisual、ftactile和fauditory分別為視覺、觸覺和聽覺反饋強(qiáng)度，α1,β1,γ1為反饋系數(shù)。

36、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述動(dòng)作識(shí)別模塊通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(cnn)和長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)(lstm)組合的多模態(tài)數(shù)據(jù)融合算法，優(yōu)化手部動(dòng)作的識(shí)別性能，通過以下公式優(yōu)化特征提?。?/p>

37、

38、其中，l為損失函數(shù)，yi為實(shí)際輸出，為預(yù)測(cè)輸出，θj為模型參數(shù)，λ4為正則化系數(shù)，n為樣本數(shù)，m為參數(shù)數(shù)目。

39、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述家長(zhǎng)與醫(yī)生監(jiān)控系統(tǒng)通過云平臺(tái)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享和監(jiān)控，允許醫(yī)生遠(yuǎn)程查看和調(diào)整治療計(jì)劃。

40、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述虛擬現(xiàn)實(shí)(vr)游戲任務(wù)生成過程基于深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行優(yōu)化，通過不斷反饋兒童的康復(fù)效果調(diào)整任務(wù)難度，確保治療效果最大化。

41、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具備以下有益效果：

42、1、本發(fā)明的基于游戲互動(dòng)的兒童手功能康復(fù)系統(tǒng)通過將游戲互動(dòng)與治療任務(wù)結(jié)合，不僅有效激發(fā)了兒童的治療興趣和積極性，避免了傳統(tǒng)康復(fù)方法的枯燥乏味，還增強(qiáng)了治療的趣味性和互動(dòng)性。多模態(tài)感知反饋機(jī)制(如觸覺、視覺、聽覺反饋)提供了實(shí)時(shí)獎(jiǎng)勵(lì)和反饋，進(jìn)一步增強(qiáng)了兒童的參與感和治療動(dòng)力，從而提高了整體治療效果。

43、2、本發(fā)明的系統(tǒng)能夠根據(jù)每個(gè)兒童的手部運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)評(píng)估其康復(fù)進(jìn)度，并根據(jù)個(gè)體差異調(diào)整治療任務(wù)的難度和內(nèi)容。通過深度學(xué)習(xí)模型對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的分析，可以精確地捕捉兒童手部功能的恢復(fù)情況，并動(dòng)態(tài)調(diào)整治療方案，確保任務(wù)的挑戰(zhàn)性與兒童的恢復(fù)能力匹配，避免了傳統(tǒng)治療方法中“一刀切”的問題，提供了真正的個(gè)性化治療。

44、3、本發(fā)明通過智能化的反饋機(jī)制和云平臺(tái)數(shù)據(jù)同步功能，實(shí)現(xiàn)了兒童康復(fù)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。醫(yī)生和家長(zhǎng)可以隨時(shí)獲取兒童的康復(fù)數(shù)據(jù)，并根據(jù)治療進(jìn)度進(jìn)行調(diào)整，確保治療方案的優(yōu)化。這種遠(yuǎn)程監(jiān)控不僅提升了治療的精準(zhǔn)性，還提高了家長(zhǎng)和醫(yī)生對(duì)兒童康復(fù)的掌控力和參與感，確?？祻?fù)治療的持續(xù)性和穩(wěn)定性。