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，利用人際互動技術(shù)設(shè)計開發(fā)的情景互動的專業(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

目前我國康復(fù)醫(yī)療尚處于起步階段，有關(guān)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(fù)治療師僅5640人，平均每10萬人口僅分?jǐn)?.4名康復(fù)治療師?？祻?fù)治療師人數(shù)不多一方面是因?yàn)槲覈祻?fù)醫(yī)療體系并不發(fā)達(dá)，缺乏相關(guān)的政策鼓勵，另一方面也是因?yàn)榭祻?fù)醫(yī)療對人的綜合素質(zhì)要求比較高，要求人員既要有扎實(shí)的基礎(chǔ)知識，又要有豐富的實(shí)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(yán)重的供需不平衡現(xiàn)象暗示著康復(fù)醫(yī)療是個很大的市場。

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(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。本課題主要研究目的是把體感技術(shù)應(yīng)用于患者的主動運(yùn)動訓(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、物力以及場地等一系列成本，有效地緩解了當(dāng)前我國康復(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 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)關(guān)于肢體動作的研究主要集中在肢體語言學(xué)、肢體心理學(xué)、舞蹈學(xué)等專業(yè)性比較強(qiáng)的領(lǐng)域。計算機(jī)領(lǐng)域關(guān)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(dāng)前通過固定行為姿勢的訓(xùn)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(jī)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(guān)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(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)境通過構(gòu)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(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)境是通過計算機(jī)技術(shù)構(gòu)建出來的一些虛擬場景，通過一系列的匹配的終端設(shè)備可以和虛擬場景中的內(nèi)容進(jìn)行交互，對虛擬場景所構(gòu)建的空間環(huán)境進(jìn)行認(rèn)知，所以目前國內(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。

國外關(guān)于肢體動作和空間認(rèn)知關(guān)系的研究比國內(nèi)研究要早很多，新生兒去認(rèn)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(xué)習(xí)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(rèn)知空間的發(fā)展模式可以得出肢體動作對開始學(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(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-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(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玩家可以通過這項技術(shù)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(jìn)行二次開發(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)平臺相互結(jié)合，可以進(jìn)行深度圖像獲取、動態(tài)捕捉以及麥克風(fēng)輸入。

通過對肢體動作和空間認(rèn)知研究體感游戲中參與者如何通過自身的肢體動作認(rèn)知空間。利用開發(fā)接口研究圖像處理與實(shí)時交互的相關(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(jī)器能夠識別人體動作，語音提示病患康復(fù)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(jī)器具備“康復(fù)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(yīng)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(jī)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(shè)備設(shè)置相應(yīng)的熱身、互動游戲，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。而對于肌肉萎縮、肌無力等神經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)動機(jī)能的重塑最有效的方法就是進(jìn)行大運(yùn)動量的康復(fù)訓(xùn)練，體感設(shè)備能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地進(jìn)行圖像追蹤，對病患的錯誤動作進(jìn)行報錯，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器的實(shí)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(yùn)動量訓(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。

針對存在肢體運(yùn)動不便的運(yùn)動障礙患者，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)、鍵盤等傳統(tǒng)輸入設(shè)備的特點(diǎn)，可以開發(fā)基于Kinect體感設(shè)備的運(yùn)動康復(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，對存在運(yùn)動障礙和認(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、提升生活質(zhì)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(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)橛嬎銠C(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)院高級實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)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(shù)的肢體康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)研究》（項目編號：KY2015YB500）”。