基于Kinect的上肢康復(fù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

, ,張杰,,

(北京工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)部，北京 100124)

0 引言

近些年，因事故、疾病等因素，導(dǎo)致上肢運(yùn)動(dòng)功能障礙的人數(shù)逐年提升[1]。這些患者出現(xiàn)了不同程度的勞動(dòng)能力喪失問題，有些甚至影響到了日常生活。對(duì)于這些運(yùn)動(dòng)功能障礙者，除了初期的治療外，仍需要后續(xù)的長(zhǎng)期康復(fù)訓(xùn)練。

研究表明，通過大量密集、重復(fù)的康復(fù)訓(xùn)練，病患可以最大限度的恢復(fù)機(jī)體功能，提高工作和生活自理能力[2]。因此，康復(fù)訓(xùn)練是必要的治療過程，在上肢運(yùn)動(dòng)障礙疾病的治療中具有非常重要的作用。

目前傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練方法主要是在醫(yī)護(hù)人員的指導(dǎo)下一對(duì)一進(jìn)行的，雖然這是效果很好的訓(xùn)練方式，但是它具有明顯的缺點(diǎn)：1)受限于醫(yī)護(hù)人員資源;2)訓(xùn)練過程枯燥;3)訓(xùn)練數(shù)據(jù)難以記錄。

這些問題困擾著醫(yī)生與病患[3-5]。因此，一種可自主進(jìn)行訓(xùn)練、具有較高趣味性、對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)可以詳細(xì)記錄與查詢的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)是當(dāng)前的重要研究課題。

Saposnik等人基于任天堂Wii游戲系統(tǒng)開發(fā)了一個(gè)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)[6]，用于輕度偏癱患者的上肢功能康復(fù)訓(xùn)練。阿爾斯特大學(xué)的J.W.Burke、P.J.Morrow等人提出了一個(gè)基于視覺游戲的中風(fēng)病人上肢康復(fù)系統(tǒng)[7]。漢諾威萊布尼茲大學(xué)的Bruckner H、 Bartels C,等人提出了基于慣性傳感器的人體運(yùn)動(dòng)康復(fù)系統(tǒng)[8]。河北工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了結(jié)合主動(dòng)和被動(dòng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的跟關(guān)節(jié)康復(fù)系統(tǒng)用于踝關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練[9]。

然而這些系統(tǒng)并沒有與互聯(lián)網(wǎng)緊密結(jié)合。應(yīng)用人機(jī)交互技術(shù)，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，是一種新穎的思路，具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。

本文設(shè)計(jì)的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，利用動(dòng)作采集技術(shù)，通過對(duì)人體動(dòng)作的匹配，使患者在康復(fù)訓(xùn)練中與計(jì)算機(jī)交互，由計(jì)算機(jī)引導(dǎo)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，擺脫了需要訓(xùn)練場(chǎng)所與專業(yè)人員的限制。通過互聯(lián)網(wǎng)，病人的訓(xùn)練記錄以及訓(xùn)練過程中采集到的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)可以方便的存儲(chǔ)與查詢，訓(xùn)練教練等專業(yè)人員可以隨時(shí)查看病人的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，追蹤病人的訓(xùn)練情況。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的使用人員主要為兩類：患者與醫(yī)護(hù)人員。系統(tǒng)為患者提供PC端軟件，可用它進(jìn)行自主康復(fù)訓(xùn)練；為醫(yī)護(hù)人員提供康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可通過瀏覽器查詢病人的訓(xùn)練記錄與相關(guān)數(shù)據(jù)。PC端軟件會(huì)將患者訓(xùn)練過程中的數(shù)據(jù)發(fā)送到訓(xùn)練數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行記錄。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PC端軟件通過Kinect傳感器采集患者訓(xùn)練過程中的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并通過USB傳輸數(shù)據(jù)。PC端軟件利用運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算出姿勢(shì)、動(dòng)作的匹配結(jié)果，通過圖形界面指導(dǎo)病人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練以及康復(fù)游戲。對(duì)于病人的訓(xùn)練記錄數(shù)據(jù)，PC端軟件通過HTTP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到訓(xùn)練數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。

通過瀏覽器可以訪問訓(xùn)練數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。瀏覽器向系統(tǒng)服務(wù)端發(fā)起HTTP請(qǐng)求，接收到請(qǐng)求后，服務(wù)端查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中滿足條件的數(shù)據(jù)，并將結(jié)果數(shù)據(jù)渲染為HTML代碼，響應(yīng)給瀏覽器。瀏覽器將HTML代碼渲染為可視化頁(yè)面，展示給用戶。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能

整個(gè)系統(tǒng)主要包括兩部分：PC端與康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

PC端功能包括康復(fù)訓(xùn)練、康復(fù)游戲、動(dòng)作錄入?？祻?fù)訓(xùn)練是計(jì)算機(jī)指導(dǎo)患者進(jìn)行自主康復(fù)的功能模塊，訓(xùn)練過程中系統(tǒng)播放標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作，患者需做出相同的姿勢(shì)動(dòng)作。模塊計(jì)算出患者動(dòng)作與標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作的匹配度，若匹配度滿足要求則進(jìn)行下一動(dòng)作的訓(xùn)練，否則需重試；康復(fù)游戲模塊構(gòu)建3D游戲場(chǎng)景，利用康復(fù)訓(xùn)練的匹配結(jié)果作為輸入信號(hào)，對(duì)游戲內(nèi)的物體進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使患者與游戲場(chǎng)景進(jìn)行交互。動(dòng)作錄入模塊用于采集標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作的數(shù)據(jù)，提供給康復(fù)訓(xùn)練與康復(fù)游戲。

康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)包括動(dòng)作管理、訓(xùn)練管理、訓(xùn)練記錄管理3個(gè)模塊。動(dòng)作管理模塊提供標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作數(shù)據(jù)的查看、刪除操作，從PC端動(dòng)作錄入模塊錄入的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作可在本模塊中管理。訓(xùn)練管理模塊用于編輯訓(xùn)練信息，利用已有標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作構(gòu)建訓(xùn)練。訓(xùn)練記錄管理模塊用于查看病患的訓(xùn)練記錄數(shù)據(jù)，提供了表格、折線圖、柱狀圖3種可視化方式。

2 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集與匹配

2.1 Kinect運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集

Kinect是微軟發(fā)布的一款體感設(shè)備[10-11]，集成了許多計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)。Kinect傳感器包含一個(gè)紅外發(fā)射器、紅外接收器、RGB攝像頭，當(dāng)人進(jìn)入Kinect的視角范圍時(shí)，Kinect會(huì)以每秒30幀的速率采集彩色視頻流、深度視頻流。Kinect把人體分為32部分，使用隨機(jī)決策森林的分類算法與概率近似度的匹配方法，識(shí)別人體關(guān)節(jié)點(diǎn)，生成人體骨骼數(shù)據(jù)[12-13]。每幀骨骼數(shù)據(jù)包含20個(gè)人體關(guān)鍵關(guān)節(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)信息，如圖3所示。

圖3 人體骨架關(guān)節(jié)點(diǎn)

20個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)分別為：頭部、肩部中心、左手、右手、左手腕、右手腕、左肘部、右肘部、左肩、右肩、脊柱、髖部中心、左髖、右髖、左膝蓋、右膝蓋、左腳踝、右腳踝、左腳、右腳。每個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包含x、y、z三維空間坐標(biāo)，Kinect的世界坐標(biāo)系是右手坐標(biāo)系，其中，Z軸正方向?yàn)镵inect傳感器的朝向方向，Y軸正方向?yàn)檎戏椒较?，X軸正方向?yàn)镵inect的左方向。

2.2 上肢姿態(tài)特征提取

靜態(tài)姿勢(shì)為人在某一幀的骨骼狀態(tài)，基于Kinect采集到的人體骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，本文提出了一種上肢靜態(tài)姿勢(shì)特征的計(jì)算方法。

本文采用4個(gè)向量來描述人體上肢，即左肩-左肘、左肘-左手、右肩-右肘、右肘-右手腕這4個(gè)向量作為特征來描述一個(gè)靜態(tài)姿勢(shì)。兩個(gè)動(dòng)作的相似度，由四組對(duì)應(yīng)向量的余弦相似度來表示。

采用這種方式的優(yōu)點(diǎn)為：

1)向量的平移不變性，可保證不同的位置不會(huì)影響相似度。

2)兩向量的余弦相似度僅與兩向量的夾角有關(guān)，與向量的模無關(guān)，此性質(zhì)可保證不同的身材不會(huì)影響相似度。

通過Kinect獲取左肩、左肘、左手腕、右肩、右肘、右手腕這6個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。設(shè)某個(gè)向量起點(diǎn)關(guān)節(jié)、終點(diǎn)關(guān)節(jié)的坐標(biāo)分別為(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)，則對(duì)應(yīng)的向量為:

v=(x2-x1,y2-y1,z2-z1)

(1)

分別計(jì)算四組向量的余弦相似度，對(duì)于兩個(gè)向量a(x1,y1,z1)與b(x2,y2,z2)，余弦相似度為：

(2)

余弦相似度的取值范圍為[-1,1]，當(dāng)值為1時(shí)兩向量方向相同，相似度最高；值為-1時(shí)兩向量方向相反，相似度最低。為了方便求和運(yùn)算，本文采用1-cos的值作為兩向量的相似度，將余弦相似度映射到[0,2]上，其值越小相似度越高。故最終相似度的計(jì)算公式為：

(3)

2.3 靜態(tài)姿勢(shì)匹配

對(duì)于兩個(gè)動(dòng)作的匹配，本文采用的方法為：計(jì)算兩個(gè)動(dòng)作對(duì)應(yīng)的四組上肢向量的相似度Sim1、Sim2、Sim3、Sim4，當(dāng)且僅當(dāng)4個(gè)的相似度均滿足某個(gè)閾值條件時(shí)，兩個(gè)姿勢(shì)匹配成功，否則匹配失敗。

此閾值越低則對(duì)兩個(gè)姿勢(shì)的相似度要求越高，經(jīng)過試驗(yàn)表明，將此閾值設(shè)置為0.1能取得較好的效果。

2.4 動(dòng)作匹配

動(dòng)作是一組靜態(tài)姿勢(shì)的序列，每一幀都是一個(gè)靜態(tài)姿勢(shì)。本系統(tǒng)的訓(xùn)練策略為訓(xùn)練者模仿標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作，將病人的實(shí)際動(dòng)作與標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作進(jìn)行匹配，故采用幀匹配的方法，每組對(duì)應(yīng)的幀之前計(jì)算相似度，最后計(jì)算所有對(duì)應(yīng)幀相似度的平均值作為兩個(gè)動(dòng)作的相似度。

然而對(duì)于同一個(gè)動(dòng)作，由于動(dòng)作快慢的因素，兩個(gè)序列可能長(zhǎng)度不同，且不同的運(yùn)動(dòng)節(jié)奏也會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)動(dòng)作序列在時(shí)間軸上有一定的差異，幀不是簡(jiǎn)單的按順序一對(duì)一對(duì)應(yīng)關(guān)系。采用動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整算法DTW(dynamic time warping)可以找到兩個(gè)序列最佳的對(duì)齊方式。

DTW是在孤立詞語音識(shí)別中最簡(jiǎn)單有效的算法，基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃(DP)的思想，解決了長(zhǎng)短發(fā)音不同的模板匹配問題，是語音識(shí)別中出現(xiàn)較早、較為經(jīng)典的一種算法，有著廣泛的應(yīng)用。 算法利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的思想，尋找兩個(gè)不同長(zhǎng)度序列的最小匹配路徑，匹配路徑上的點(diǎn)就是兩個(gè)序列的對(duì)應(yīng)關(guān)系。DTW算法可以消除時(shí)間軸上的差異，規(guī)整時(shí)間軸，找到最佳對(duì)齊方式[14]。

設(shè)有兩序列R、T，長(zhǎng)度分別為M、N：

(4)

記Rm與Tn之間的距離為d(Rm,Tn)，簡(jiǎn)寫為d(m,n),1≤m≤M,1≤n≤N。對(duì)齊的Rm與Tn，表示為a(m,n)，則連個(gè)序列對(duì)齊的路徑A可表示為:

A=a1,a2,…,ak,…,aK

max(M,N)≤K≤M+N

(5)

則兩個(gè)序列的匹配距離為A的累積距離為：

(6)

對(duì)于路徑A，有以下3個(gè)約束條件：

1)邊界約束：路徑必須從起點(diǎn)(1,1)到達(dá)終點(diǎn)(M,N)。

2)單調(diào)性約束：路徑保證時(shí)間順序單調(diào)不減,對(duì)于兩個(gè)匹配ak-1(m,n)、ak(x,y)，則存在m≤x，n≤y。

3)連續(xù)性約束：m和n只能依次增加0或者1，即(m,n)后的點(diǎn)必須是(m+1,n)、(m,n+1)或(m+1,n+1)中的其中一個(gè)。

具有最小累積距離的路徑是最優(yōu)規(guī)整路徑，滿足上述約束條件，DTW的遞推公式為：

(7)

兩個(gè)序列的匹配路徑與對(duì)齊關(guān)系如圖4所示。

圖4 匹配路徑與對(duì)齊關(guān)系

Kinect采集的動(dòng)作序列為30幀/秒，由于每?jī)蓭g相隔時(shí)間過短，差異過小，故每3幀抽取1幀，即每秒抽取10幀。兩姿勢(shì)幀之間的相似度d(m,n)用4對(duì)四肢向量的相似度平均值來表示,即：

(8)

最終求得路徑上的累積相似度和D(R,T)，路徑長(zhǎng)度Len(R,T)，則路徑平均相似度為：

Meand=D(R,T)/Len(R,T)

(9)

若路徑的平均相似度小于閾值時(shí)，則兩個(gè)動(dòng)作匹配成功。經(jīng)過試驗(yàn)表明，將此閾值設(shè)置為0.05時(shí)，匹配精度與完成難度能達(dá)到較好的平衡。

系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)采集訓(xùn)練者的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)與模板動(dòng)作進(jìn)行匹配。模板動(dòng)作由康復(fù)教練錄入到系統(tǒng)，動(dòng)作的起點(diǎn)和終點(diǎn)可人工進(jìn)行選擇。而對(duì)于在訓(xùn)練過程中實(shí)時(shí)采集的樣本數(shù)據(jù)，則需要找到動(dòng)作起點(diǎn)和終點(diǎn)。

在本系統(tǒng)中，起點(diǎn)和終點(diǎn)的判定策略如下：當(dāng)前的實(shí)時(shí)姿勢(shì)與模板動(dòng)作的起始姿勢(shì)相匹配時(shí)，則將此姿勢(shì)標(biāo)記為起點(diǎn)；在起點(diǎn)已標(biāo)記的情況下，若3秒內(nèi)姿勢(shì)的變化程度很小，即認(rèn)定為沒有變化時(shí)，則將3秒前的姿勢(shì)標(biāo)記為終點(diǎn)。

終點(diǎn)標(biāo)記成功后，樣本動(dòng)作數(shù)據(jù)為起點(diǎn)、終點(diǎn)間的姿勢(shì)序列數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)與展示

3.1 PC端的功能實(shí)現(xiàn)與展示

PC端的功能模塊與數(shù)據(jù)流如圖5所示。

圖5 PC端功能模塊與數(shù)據(jù)流

其中，Kinect通過 USB連接到計(jì)算機(jī)；數(shù)據(jù)接收模塊采用Kinect SDK提供的事件模型獲取骨骼數(shù)據(jù)；姿勢(shì)向量模塊計(jì)算出上肢姿勢(shì)向量后，將向量數(shù)據(jù)發(fā)送到姿勢(shì)匹配、動(dòng)作匹配、動(dòng)作采集模塊，通過消息隊(duì)列、采用生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與處理，生產(chǎn)者為姿勢(shì)向量計(jì)算模塊，消費(fèi)者為姿勢(shì)匹配、動(dòng)作匹配、動(dòng)作采集模塊；由于姿勢(shì)匹配、動(dòng)作匹配與康復(fù)游戲之間存在環(huán)境隔離，且只需要發(fā)送識(shí)別結(jié)果，數(shù)據(jù)量較小，因此采用TCP協(xié)議，通過Socket進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞；PC端各模塊與數(shù)據(jù)管理平臺(tái)之間通過Http協(xié)議，采用json數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。

PC端為患者提供了康復(fù)訓(xùn)練、康復(fù)游戲兩種方式?？祻?fù)訓(xùn)練方式，會(huì)在窗口上顯示要完成的標(biāo)準(zhǔn)姿勢(shì)、動(dòng)作，當(dāng)病患完成的動(dòng)作與標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作匹配成功或超時(shí)，則會(huì)進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作的練習(xí)；訓(xùn)練的所有動(dòng)作都完成后訓(xùn)練結(jié)束，如圖6(a)所示。

在動(dòng)作訓(xùn)練過程中，Kinect實(shí)時(shí)采集姿勢(shì)幀數(shù)據(jù)，在某個(gè)時(shí)刻會(huì)有3種狀態(tài)：初始、開始、結(jié)束。其中，初始狀態(tài)存在于開始動(dòng)作采集且還沒有標(biāo)記到動(dòng)作起點(diǎn)的時(shí)刻；開始狀態(tài)存在于已標(biāo)記動(dòng)作起點(diǎn)且還沒有標(biāo)記到動(dòng)作終點(diǎn)的時(shí)刻；結(jié)束狀態(tài)存在于標(biāo)記終點(diǎn)后的時(shí)刻。

最初，系統(tǒng)處于初始狀態(tài)；在初始狀態(tài)下，當(dāng)動(dòng)作起點(diǎn)標(biāo)記完成后進(jìn)入開始狀態(tài)；在開始狀態(tài)下，當(dāng)動(dòng)作終點(diǎn)標(biāo)記完成后進(jìn)入結(jié)束狀態(tài)；在結(jié)束狀態(tài)下，起點(diǎn)與終點(diǎn)之間的動(dòng)作數(shù)據(jù)會(huì)與模板動(dòng)作進(jìn)行匹配，匹配完成后則再次進(jìn)入初始狀態(tài)，開始新一輪的動(dòng)作數(shù)據(jù)采集。

康復(fù)游戲采用Unity3D平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，采用賽跑的游戲策略，控制人物與貓進(jìn)行賽跑。游戲可以選擇簡(jiǎn)單、一般、困難3個(gè)難度，難度越高貓的移動(dòng)速度越快。游戲接收姿勢(shì)、動(dòng)作匹配模塊的匹配結(jié)果，當(dāng)匹配成功時(shí)會(huì)控制游戲人物角色前進(jìn)3秒，時(shí)間可累加。若控制的人物角色先到達(dá)終點(diǎn)則游戲勝利，否則游戲失敗，如圖6(b)所示。

圖6 PC端軟件界面

角色的前進(jìn)包括兩部分：空間位置的移動(dòng)與角色動(dòng)畫的播放。在改變角色坐標(biāo)的同時(shí)播放角色的奔跑動(dòng)畫，便可實(shí)現(xiàn)角色的前進(jìn)效果。

累積前進(jìn)時(shí)間每秒都會(huì)減1，若累積時(shí)間大于0角色會(huì)前進(jìn)，當(dāng)累積時(shí)間減至0則停止前進(jìn)。累積時(shí)間的自動(dòng)減少通過Unity中的協(xié)程(IEnumerator)來實(shí)現(xiàn)，協(xié)程執(zhí)行的程序會(huì)提交到主線程中運(yùn)行，因此不會(huì)導(dǎo)致線程不安全的問題。

本游戲的跑道在Unity場(chǎng)景的世界坐標(biāo)系中是沿著Z軸方向的，因此可通過判斷角色位置的Z坐標(biāo)是否超過終點(diǎn)線的Z坐標(biāo)來判別是否抵達(dá)終點(diǎn)。

醫(yī)護(hù)人員可以利用動(dòng)作采集功能，向系統(tǒng)錄入標(biāo)準(zhǔn)姿勢(shì)、動(dòng)作。點(diǎn)擊采集頁(yè)面上的開始按鈕會(huì)開始采集數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊停止按鈕會(huì)停止錄制。錄制完成后可以調(diào)節(jié)兩個(gè)滑動(dòng)條分別選擇起點(diǎn)、終止幀，在輸入框輸入名稱后上傳姿勢(shì)、動(dòng)作。上傳的姿勢(shì)是起點(diǎn)幀對(duì)應(yīng)的姿勢(shì)，上傳的動(dòng)作為起點(diǎn)、終點(diǎn)幀之間的動(dòng)作。

3.2 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)采用MVC模式，將程序分為三部分：模型(Model)、視圖(View)、控制器(Controller)。Moel層用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的處理邏輯；View層用于實(shí)現(xiàn)用戶與頁(yè)面的交互邏輯；Controller層是Model與View之間的橋梁。MVC模式實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的職能分工，降低系統(tǒng)的耦合性[15]。

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)使用SSM框架進(jìn)行開發(fā)。SpringMVC框架負(fù)責(zé)請(qǐng)求的轉(zhuǎn)發(fā)，根據(jù)請(qǐng)求的URL調(diào)用相應(yīng)的處理方法處理請(qǐng)求；MyBatis框架負(fù)責(zé)對(duì)象關(guān)系映射，使得數(shù)據(jù)庫(kù)的操作更加的便捷；Spring框架作為Bean容器，提供了IOC與AOP的特性，接管了對(duì)象的創(chuàng)建、組裝工作，使得程序的開發(fā)更加的便捷。3個(gè)框架整合后簡(jiǎn)化了程序的開發(fā)工作。

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)提供了權(quán)限管理、動(dòng)作管理、訓(xùn)練管理、訓(xùn)練記錄管理的功能。

權(quán)限管理是管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊，用于區(qū)分限制不同用戶的功能與數(shù)據(jù)的操作權(quán)限。在本系統(tǒng)中，用戶的角色分為3種：系統(tǒng)管理員、醫(yī)護(hù)人員、病患。系統(tǒng)管理員能夠創(chuàng)建用戶、分配用戶角色、為病患用戶分配醫(yī)護(hù)人員；醫(yī)護(hù)人員可以查看病患信息、姿勢(shì)數(shù)據(jù)、動(dòng)作數(shù)據(jù)、訓(xùn)練數(shù)據(jù)、訓(xùn)練記錄數(shù)據(jù)。對(duì)于病患信息、訓(xùn)練記錄數(shù)據(jù)，醫(yī)護(hù)人員只能查看分配給自己的病患的數(shù)據(jù)。

動(dòng)作管理用于管理錄入的標(biāo)準(zhǔn)姿勢(shì)、動(dòng)作，提供了查看、編輯、刪除的功能，如圖7(a)所示。

訓(xùn)練管理可以讓醫(yī)護(hù)人員利用已有的標(biāo)準(zhǔn)姿勢(shì)、動(dòng)作，自由組合搭配，構(gòu)建康復(fù)訓(xùn)練，如圖7(b)所示。

圖7 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)web端界面

訓(xùn)練記錄管理可以查看病患的訓(xùn)練記錄，包括病患在某次訓(xùn)練中每個(gè)動(dòng)作的用時(shí)、完成情況數(shù)據(jù)，如圖7(c)所示。此外，系統(tǒng)提供了柱狀圖與折線圖的數(shù)據(jù)可視化方式，可以查看指定病患?xì)v次訓(xùn)練的訓(xùn)練總用時(shí)、完成度趨勢(shì)折線圖，以及某次訓(xùn)練各中各動(dòng)作的用時(shí)、完成度柱狀圖，分別如圖7(d)與圖7(e)所示。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包含PC端與訓(xùn)練數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)兩部分，PC端提供給患者，用于進(jìn)行自主康復(fù)訓(xùn)練；訓(xùn)練數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以記錄、管理訓(xùn)練動(dòng)作數(shù)據(jù)及病患的訓(xùn)練記錄，并在WEB端提供多種可視化方式供醫(yī)護(hù)人員查看數(shù)據(jù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，本系統(tǒng)可以供病患進(jìn)行自主康復(fù)訓(xùn)練，并能夠有效地解決醫(yī)護(hù)人員資源限制、訓(xùn)練過程枯燥、訓(xùn)練數(shù)據(jù)與記錄不易管理等問題。綜上，本文所述基于Kinect的上肢康復(fù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在病患康復(fù)訓(xùn)練方面有著廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。