[发明专利]一种基于虚拟环境的CPR技术训练评价方法

权利要求书

1.一种基于虚拟环境的CPR技术训练评价方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、构建虚拟教学平台；

步骤二、训练动作的判定；

步骤三、训练动作评价；

所述步骤一的具体方法为：在Unity 3D环境中插入CPR教学演示的视频，播放完毕后进行下一动作的文字提醒；使用者可以通过Kinect V2的语音识别控制视频播放和停止，同时实现环境重建，预动作识别，训练场景中的人体重要部位点通过Unity3D中的着色器功能提供高亮显示，便于使用者在学习过程中快速找到正确施力点；

所述步骤二的具体方法为：

利用Kinect V2每秒30帧采集人体骨骼点的动态坐标并计算相应节点间的向量和部分骨骼点的偏移距离；具体如下：

21)主要环境点的定位；

Unity3D激活场景后，训练系统进行坐标校准，生成虚拟人体模型，根据Kniect的坐标系，定位胸外按压正确施力点P_a(-20,25，200)、模型呼吸中心点P_b(20,20，200)；

22)人体骨骼点的识别；

通过Kniect采集使用者的骨骼坐标数据，包括头部A_1,γ(x_1,γ,y_1,γ,z_1,γ)、颈部A_2,γ(x_2,γ,y_2,γ,z_2,γ)、肩中心A_3,γ(x_3,γ,y_3,γ,z_3,γ)、左手腕A_4,γ(x_4,γ,y_4,γ,z_4,γ)、右手腕A_5,γ(x_5,γ,y_5,γ,z_5,γ)、左肘A_6,γ(x_6,γ,y_6,γ,z_6,γ)、右肘A_7,γ(x_7,γ,y_7,γ,z_7,γ)、左肩膀A_8,γ(x_8,γ,y_8,γ,z_8,γ)、右肩膀A_9,γ(x_9,γ,y_9,γ,z_9,γ)、脊柱A_10,γ(x_10,γ,y_10,γ,z_10,γ)、髋关节中心A_11,γ(x_11,γ,y_11,γ,z_11,γ)、左掌心A_12,γ(x_12,γ,y_12,γ,z_12,γ)、右掌心A_13,γ(x_13,γ,y_13,γ,z_13,γ)；

23)动作归类；

系统启动后的45s用于坐标系校准以及语音文字交互功能，指导用户报警并检查患者即人体模型状态，45s后进行动作归类处理并记录操作时间；

CPR技术操作包括胸外按压和人工呼吸两部分动作，通过肘关节点延伸出的两向量夹角对两类动作归类，以两臂的肘关节为中心点，分别向肩关节、腕关节延伸，得到四条向量，记左肘到左手腕的向量为左肘到左肩膀的向量为右肘到右手腕的向量为右肘到右肩膀的向量为

因此，空间中两对向量的夹角分别为其中|θ₁|,|θ₂|均小于等于180°，取当θ₃≥175°时，该动作归类为胸外按压，依照胸外按压动作进行标准化判定，反之，则归类到人工呼吸动作，依照人工呼吸判别标准进行标准化判定；

训练过程需记录两类动作的时间，记m为胸外按压时长，初始值为0，每有一帧归类为胸外按压动作，则m＝m+1；记n为人工呼吸时长，初始值为0，每有一帧归类为人工呼吸动作，则n＝n+1，随后对两类动作分别判定并评价，最后进行综合评价，给出总得分；

23)标准化动作判定；

在胸外按压、人工呼吸两部分操作过程中存在着无效动作，无效动作影响用户该次训练得分；根据标准动作，在虚拟环境中对这两类操作和无效动作依照如下方法进行判定；

对于归类到胸外按压动作的时间帧，以第一帧下的髋关节坐标为中心点，记为P_c(x₀,y₀,z₀)，所有胸外按压动作时间帧下髋关节坐标到中心点的距离为l_1,γ，则规定l_1,γ不超过5cm，引入变量s记录不达标帧数，初始值s＝0，若某一帧下判定l_1,γ5cm，则s＝s+1，记为I类无效动作，s为I类无效动作时长；记髋关节到脊柱的向量为施力点P_a到肩中心的向量为向量夹角为以第一帧下的夹角为初始角，记为θ₀，随后所有时间帧下的向量夹角与初始角的差值为△θ_γ＝θ_4,γ-θ₀，规定差值的绝对值不超过3°，若△θ_γ3°记为II类无效动作；引入变量t记录不达标帧数，初始值t＝0，若某一帧下判定△θ_γ3°，则t＝t+1，记为II类无效动作，t为II类无效动作时长；

对于归类到人工呼吸动作的时间帧，对操作人员头部位置进行判定，取颈部和头部坐标的中点P_d,γ坐标与模型呼吸中点P_b的距离在规定范围内视为有效，引入变量p记录不达标帧数，初始值p＝0，若某一帧下判定l_2,γ10cm，则p＝p+1，记为III类无效动作，p为III类无效动作时长；

所述步骤三的具体方法为：

胸外按压过程要求双手叠加按压，是保证按压动作标准的一项重要指标；故在虚拟环境中，需对人体左右手掌心骨骼点进行距离约束，在胸外按压时间帧中，动态测量右手掌心距离该部分评分系数为ω₁，根据人体手掌平均厚度给出标准范围l_3,γ≤5cm，此时ω₁取1；l_3,γ∈(5,7.5]时ω₁取0.8；l_3,γ∈(7.5,10]时ω₁取0.6,超出范围不计分；

根据胸外按压动作中第一帧双手掌心位置求得按压位置，按压位置为双手掌心在胸外按压动作时间序列下第一帧坐标的中点，记为按压位置与按压点的距离记为r，该部分评分系数为ω₂，r≤6cm时，ω₂取1，r∈(6,8]则ω₂取0.8，r∈(8,10]则ω₂取0.6，超出范围不计分；

按压时长评分系数为ω₃，若m+n≥3600,则ω₃取1；若m+n∈[3000,3600)，ω₃取0.8；若m+n∈[2400,3000)，ω₃取0.6，其余区间不计分；

胸外按压和人工呼吸频率比在虚拟环境中以时间比例近似表示，取比例系数该部分评分系数为ω₄；若η∈[0.95,1.05]，则ω₄取1；若η∈[0.90,0.95)∪(1.05,1.10]，ω₄取0.8；若η∈[0.85,0.90)∪(1.10,1.15]，ω₄取0.6，其余区间不计分；

综合得分Q＝(ω₁+ω₂+ω₃)×30+ω₄×10，在系统交互界面显示各项得分及总分，反馈给用户动作改进要点并提出建议。