基于體感技術(shù)的肢體康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)研究

桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院 全劉輝 黃建燈

基于體感技術(shù)的肢體康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)研究

桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院 全劉輝 黃建燈

目前由于康復(fù)治療人才短缺導(dǎo)致許多患者難以達(dá)到預(yù)期康復(fù)效果，針對(duì)這一現(xiàn)狀本課題提出一種基于體感技術(shù)的肢體康復(fù)訓(xùn)練解決方案，利用人際互動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的情景互動(dòng)的專(zhuān)業(yè)康復(fù)產(chǎn)品。根據(jù)康復(fù)進(jìn)展程度區(qū)別化訓(xùn)練，趣味性強(qiáng)，能提升訓(xùn)練效率，可量化評(píng)估訓(xùn)練進(jìn)程。

體感技術(shù)；肢體康復(fù)；Kinect

1 引言

目前我國(guó)康復(fù)醫(yī)療尚處于起步階段，有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示我國(guó)擁有13億多人口，其中殘疾人有6千萬(wàn)之多，而我國(guó)現(xiàn)有康復(fù)治療師僅5640人，平均每10萬(wàn)人口僅分?jǐn)?.4名康復(fù)治療師。康復(fù)治療師人數(shù)不多一方面是因?yàn)槲覈?guó)康復(fù)醫(yī)療體系并不發(fā)達(dá)，缺乏相關(guān)的政策鼓勵(lì)，另一方面也是因?yàn)榭祻?fù)醫(yī)療對(duì)人的綜合素質(zhì)要求比較高，要求人員既要有扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)，又要有豐富的實(shí)踐操作能力，還需有積極樂(lè)觀的心態(tài)，良好的溝通能力等。嚴(yán)重的供需不平衡現(xiàn)象暗示著康復(fù)醫(yī)療是個(gè)很大的市場(chǎng)。

2 研究目的和意義

體感技術(shù)在于人們可以很直接地通過(guò)肢體動(dòng)作展示與所處環(huán)境的互動(dòng)，而不再需要使用任何復(fù)雜的穿戴控制設(shè)備，便可讓人們猶如身臨其境般地與情景內(nèi)容做互動(dòng)。本課題主要研究目的是把體感技術(shù)應(yīng)用于患者的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練與肢體康復(fù)治療，利用體感游戲輔助患者進(jìn)行康復(fù)治療。利用體感技術(shù)開(kāi)發(fā)出的肢體康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的肢體康復(fù)訓(xùn)練器材，能夠節(jié)約人力、物力以及場(chǎng)地等一系列成本，有效地緩解了當(dāng)前我國(guó)康復(fù)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(fù)服務(wù)提供幫助。

3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)關(guān)于肢體動(dòng)作的研究主要集中在肢體語(yǔ)言學(xué)、肢體心理學(xué)、舞蹈學(xué)等專(zhuān)業(yè)性比較強(qiáng)的領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)領(lǐng)域關(guān)于肢體動(dòng)作研究主要體現(xiàn)在行為姿勢(shì)的識(shí)別，行為姿勢(shì)作為原始和自然直接的交流方式在無(wú)語(yǔ)言時(shí)期是人類(lèi)溝通的主要方式，當(dāng)前通過(guò)固定行為姿勢(shì)的訓(xùn)練可以幫助有聽(tīng)力障礙的人交流更加方便。近幾年基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的行為姿勢(shì)識(shí)別作為交互的一種模式逐漸受到人們的關(guān)注，因此科研人員正在積極開(kāi)發(fā)一些行為動(dòng)作輸入終端。

在空間認(rèn)知方面的研究主要集中在空間信息獲取和地理環(huán)境認(rèn)知上，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，通常難以攝像和感受的環(huán)境通過(guò)構(gòu)建虛擬地形環(huán)境后以動(dòng)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(dá)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(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建出來(lái)的一些虛擬場(chǎng)景，通過(guò)一系列的匹配的終端設(shè)備可以和虛擬場(chǎng)景中的內(nèi)容進(jìn)行交互，對(duì)虛擬場(chǎng)景所構(gòu)建的空間環(huán)境進(jìn)行認(rèn)知，所以目前國(guó)內(nèi)的空間認(rèn)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(guó)外關(guān)于肢體動(dòng)作和空間認(rèn)知關(guān)系的研究比國(guó)內(nèi)研究要早很多，新生兒去認(rèn)識(shí)空間是通過(guò)身體各種知覺(jué)去感知的，其中肢體動(dòng)作在空間感知過(guò)程中起著重要的學(xué)習(xí)作用。

“模仿”、“游戲”等概念說(shuō)明兒童在成長(zhǎng)初期的身體動(dòng)作。通過(guò)研究?jī)和J(rèn)知空間的發(fā)展模式可以得出肢體動(dòng)作對(duì)開(kāi)始學(xué)習(xí)認(rèn)知空間具有重要作用，因此研究空間認(rèn)知可以從我們肢體動(dòng)作的研究出發(fā)，發(fā)掘出肢體動(dòng)作統(tǒng)一對(duì)于虛擬與現(xiàn)實(shí)空間統(tǒng)一所起的作用。

關(guān)于空間認(rèn)知是主題內(nèi)部認(rèn)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(shuō)認(rèn)知空間是主體本身的認(rèn)知和外部環(huán)境表征之間的具有視覺(jué)-空間信息的具有反射性的交互。因此模仿人類(lèi)在空間中的各種行為是一個(gè)充分了解人類(lèi)與環(huán)境交互和人類(lèi)空間認(rèn)知的工具。

4 系統(tǒng)研究概述

Kinect體感設(shè)備是微軟公司的X-BOX360游戲機(jī)的體感外設(shè)，是一種3D體感攝影器，Kinect玩家可以通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)在游戲中開(kāi)車(chē)，與其他玩家互動(dòng)等。通過(guò)Kinect for Windows SDK提供的軟件庫(kù)對(duì)Kinect進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用程序的交互。將Kinect體感設(shè)備與虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)相互結(jié)合，可以進(jìn)行深度圖像獲取、動(dòng)態(tài)捕捉以及麥克風(fēng)輸入。

通過(guò)對(duì)肢體動(dòng)作和空間認(rèn)知研究體感游戲中參與者如何通過(guò)自身的肢體動(dòng)作認(rèn)知空間。利用開(kāi)發(fā)接口研究圖像處理與實(shí)時(shí)交互的相關(guān)算法，將Kinect體感交互技術(shù)嵌入到自主研發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)中。通過(guò)3D影像偵測(cè)、人體骨架追蹤、人物提取、音頻處理等功能，讓機(jī)器能夠識(shí)別人體動(dòng)作，語(yǔ)音提示病患康復(fù)醫(yī)療操作過(guò)程，通過(guò)交互功能糾正病患錯(cuò)誤的動(dòng)作，完全讀懂病患，讓機(jī)器具備“康復(fù)醫(yī)療師”的智能化功能。舉個(gè)例子，老年人容易出現(xiàn)腦力衰退，反應(yīng)時(shí)間會(huì)越來(lái)越慢，出現(xiàn)老年癡呆的可能性也會(huì)更大，加上用腦機(jī)會(huì)少，與人交流互動(dòng)的次數(shù)不多，腦力衰退會(huì)更快，而通過(guò)體感醫(yī)療設(shè)備設(shè)置相應(yīng)的熱身、互動(dòng)游戲，能夠有效的提高老年人反應(yīng)速度，降低老年癡呆發(fā)生的概率。而對(duì)于肌肉萎縮、肌無(wú)力等神經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)能的重塑最有效的方法就是進(jìn)行大運(yùn)動(dòng)量的康復(fù)訓(xùn)練，體感設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行圖像追蹤，對(duì)病患的錯(cuò)誤動(dòng)作進(jìn)行報(bào)錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器的實(shí)時(shí)互動(dòng)，不間斷、系統(tǒng)化、隨時(shí)待命的優(yōu)良性能充分滿(mǎn)足了病患大運(yùn)動(dòng)量訓(xùn)練的要求，從而提高病患自身的平衡感知能力，達(dá)到康復(fù)的目的。

針對(duì)存在肢體運(yùn)動(dòng)不便的運(yùn)動(dòng)障礙患者，存在空間感缺失的認(rèn)知障礙患者，智力和記憶缺陷患者不適用傳統(tǒng)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等傳統(tǒng)輸入設(shè)備的特點(diǎn)，可以開(kāi)發(fā)基于Kinect體感設(shè)備的運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練模塊、認(rèn)知空間康復(fù)訓(xùn)練模塊、智力和記憶功能康復(fù)訓(xùn)練模塊等具有針對(duì)治療功能的模塊可以快速實(shí)現(xiàn)醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練的效果。

5 結(jié)論

本課題基于Kinect體感設(shè)備進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的肢體康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)有效緩解了目前康復(fù)醫(yī)療師緊缺的壓力，節(jié)約人力、物力和場(chǎng)地成本。該系統(tǒng)應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)療機(jī)構(gòu)臨床實(shí)踐，對(duì)存在運(yùn)動(dòng)障礙和認(rèn)知障礙患者的早日康復(fù)將具有十分重要的作用，為患者早日回歸社會(huì)、提升生活質(zhì)量創(chuàng)造有利條件，對(duì)減輕甚至消除患者家庭乃至社會(huì)的物質(zhì)和精神負(fù)擔(dān)具有重要意義。

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全劉輝（1987—），男，桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院助理研究員，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信。

黃建燈（1982—），男，桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)算法與編程。

科研項(xiàng)目：此文為2015年廣西教育廳科研項(xiàng)目研究成果“項(xiàng)目名稱(chēng)《基于體感技術(shù)的肢體康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)研究》（項(xiàng)目編號(hào)：KY2015YB500）”。