基于體感技術的肢體康復訓練系統(tǒng)研究

桂林電子科技大學信息科技學院 全劉輝 黃建燈

基于體感技術的肢體康復訓練系統(tǒng)研究

桂林電子科技大學信息科技學院 全劉輝 黃建燈

目前由于康復治療人才短缺導致許多患者難以達到預期康復效果，針對這一現(xiàn)狀本課題提出一種基于體感技術的肢體康復訓練解決方案，利用人際互動技術設計開發(fā)的情景互動的專業(yè)康復產品。根據(jù)康復進展程度區(qū)別化訓練，趣味性強，能提升訓練效率，可量化評估訓練進程。

體感技術；肢體康復；Kinect

1 引言

目前我國康復醫(yī)療尚處于起步階段，有關統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示我國擁有13億多人口，其中殘疾人有6千萬之多，而我國現(xiàn)有康復治療師僅5640人，平均每10萬人口僅分攤0.4名康復治療師。康復治療師人數(shù)不多一方面是因為我國康復醫(yī)療體系并不發(fā)達，缺乏相關的政策鼓勵，另一方面也是因為康復醫(yī)療對人的綜合素質要求比較高，要求人員既要有扎實的基礎知識，又要有豐富的實踐操作能力，還需有積極樂觀的心態(tài)，良好的溝通能力等。嚴重的供需不平衡現(xiàn)象暗示著康復醫(yī)療是個很大的市場。

2 研究目的和意義

體感技術在于人們可以很直接地通過肢體動作展示與所處環(huán)境的互動，而不再需要使用任何復雜的穿戴控制設備，便可讓人們猶如身臨其境般地與情景內容做互動。本課題主要研究目的是把體感技術應用于患者的主動運動訓練與肢體康復治療，利用體感游戲輔助患者進行康復治療。利用體感技術開發(fā)出的肢體康復訓練系統(tǒng)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的肢體康復訓練器材，能夠節(jié)約人力、物力以及場地等一系列成本，有效地緩解了當前我國康復醫(yī)療師緊缺的壓力，為廣大患者在社區(qū)與家庭更有效地得到康復服務提供幫助。

3 國內外研究現(xiàn)狀

國內關于肢體動作的研究主要集中在肢體語言學、肢體心理學、舞蹈學等專業(yè)性比較強的領域。計算機領域關于肢體動作研究主要體現(xiàn)在行為姿勢的識別，行為姿勢作為原始和自然直接的交流方式在無語言時期是人類溝通的主要方式，當前通過固定行為姿勢的訓練可以幫助有聽力障礙的人交流更加方便。近幾年基于計算機視覺的行為姿勢識別作為交互的一種模式逐漸受到人們的關注，因此科研人員正在積極開發(fā)一些行為動作輸入終端。

在空間認知方面的研究主要集中在空間信息獲取和地理環(huán)境認知上，由于計算機技術的快速發(fā)展，通常難以攝像和感受的環(huán)境通過構建虛擬地形環(huán)境后以動態(tài)直觀的形式展示在使用者面前，一方面大大提高了地圖表達和空間信息的體現(xiàn)；另一方面也有利于空間信息的理解和決策。虛擬環(huán)境是通過計算機技術構建出來的一些虛擬場景，通過一系列的匹配的終端設備可以和虛擬場景中的內容進行交互，對虛擬場景所構建的空間環(huán)境進行認知，所以目前國內的空間認知方面的研究是基于虛擬空間環(huán)境和地形地理等方面的。

國外關于肢體動作和空間認知關系的研究比國內研究要早很多，新生兒去認識空間是通過身體各種知覺去感知的，其中肢體動作在空間感知過程中起著重要的學習作用。

“模仿”、“游戲”等概念說明兒童在成長初期的身體動作。通過研究兒童認知空間的發(fā)展模式可以得出肢體動作對開始學習認知空間具有重要作用，因此研究空間認知可以從我們肢體動作的研究出發(fā)，發(fā)掘出肢體動作統(tǒng)一對于虛擬與現(xiàn)實空間統(tǒng)一所起的作用。

關于空間認知是主題內部認知模式和外部表征之間的具有反射性的交互，這些外部表征包含理解外部的空間信息和接手。也就是說認知空間是主體本身的認知和外部環(huán)境表征之間的具有視覺-空間信息的具有反射性的交互。因此模仿人類在空間中的各種行為是一個充分了解人類與環(huán)境交互和人類空間認知的工具。

4 系統(tǒng)研究概述

Kinect體感設備是微軟公司的X-BOX360游戲機的體感外設，是一種3D體感攝影器，Kinect玩家可以通過這項技術在游戲中開車，與其他玩家互動等。通過Kinect for Windows SDK提供的軟件庫對Kinect進行二次開發(fā)實現(xiàn)與應用程序的交互。將Kinect體感設備與虛擬現(xiàn)實平臺相互結合，可以進行深度圖像獲取、動態(tài)捕捉以及麥克風輸入。

通過對肢體動作和空間認知研究體感游戲中參與者如何通過自身的肢體動作認知空間。利用開發(fā)接口研究圖像處理與實時交互的相關算法，將Kinect體感交互技術嵌入到自主研發(fā)的虛擬現(xiàn)實平臺中。通過3D影像偵測、人體骨架追蹤、人物提取、音頻處理等功能，讓機器能夠識別人體動作，語音提示病患康復醫(yī)療操作過程，通過交互功能糾正病患錯誤的動作，完全讀懂病患，讓機器具備“康復醫(yī)療師”的智能化功能。舉個例子，老年人容易出現(xiàn)腦力衰退，反應時間會越來越慢，出現(xiàn)老年癡呆的可能性也會更大，加上用腦機會少，與人交流互動的次數(shù)不多，腦力衰退會更快，而通過體感醫(yī)療設備設置相應的熱身、互動游戲，能夠有效的提高老年人反應速度，降低老年癡呆發(fā)生的概率。而對于肌肉萎縮、肌無力等神經(jīng)系統(tǒng)運動機能的重塑最有效的方法就是進行大運動量的康復訓練，體感設備能夠實時準確地進行圖像追蹤，對病患的錯誤動作進行報錯，實現(xiàn)人與機器的實時互動，不間斷、系統(tǒng)化、隨時待命的優(yōu)良性能充分滿足了病患大運動量訓練的要求，從而提高病患自身的平衡感知能力，達到康復的目的。

針對存在肢體運動不便的運動障礙患者，存在空間感缺失的認知障礙患者，智力和記憶缺陷患者不適用傳統(tǒng)鼠標、鍵盤等傳統(tǒng)輸入設備的特點，可以開發(fā)基于Kinect體感設備的運動康復訓練模塊、認知空間康復訓練模塊、智力和記憶功能康復訓練模塊等具有針對治療功能的模塊可以快速實現(xiàn)醫(yī)療康復訓練的效果。

5 結論

本課題基于Kinect體感設備進行二次開發(fā)的肢體康復訓練系統(tǒng)有效緩解了目前康復醫(yī)療師緊缺的壓力，節(jié)約人力、物力和場地成本。該系統(tǒng)應用于康復醫(yī)療機構臨床實踐，對存在運動障礙和認知障礙患者的早日康復將具有十分重要的作用，為患者早日回歸社會、提升生活質量創(chuàng)造有利條件，對減輕甚至消除患者家庭乃至社會的物質和精神負擔具有重要意義。

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全劉輝（1987—），男，桂林電子科技大學信息科技學院助理研究員，主要研究方向為計算機網(wǎng)絡與通信。

黃建燈（1982—），男，桂林電子科技大學信息科技學院高級實驗師，主要研究方向為計算機算法與編程。

科研項目：此文為2015年廣西教育廳科研項目研究成果“項目名稱《基于體感技術的肢體康復訓練系統(tǒng)研究》（項目編號：KY2015YB500）”。