李邦政+農(nóng)旭安+李旭昌

摘 要 在社會(huì)老齡化背景下，康復(fù)醫(yī)生和患者比例失配的情況非常嚴(yán)峻。家庭康復(fù)系統(tǒng)通過(guò)kinect骨骼追蹤技術(shù)采集訓(xùn)練者動(dòng)作的深度信息，使醫(yī)生遠(yuǎn)程了解患者訓(xùn)練進(jìn)展。借助計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)，患者可以咨詢醫(yī)師，而醫(yī)師可以根據(jù)訓(xùn)練效果通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程指導(dǎo)與開出訓(xùn)練動(dòng)作“處方”?；颊咴诩依锞涂梢钥祻?fù)訓(xùn)練。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)病人的康復(fù)有積極影響。

關(guān)鍵詞 kinect相機(jī)；家庭康復(fù)訓(xùn)練；遠(yuǎn)程指導(dǎo)

中圖分類號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2017）198-0148-02

為了促進(jìn)運(yùn)動(dòng)功能障礙患者身體肌能更好恢復(fù)，患者在治療出院后仍需在社區(qū)或者家庭進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。然而運(yùn)動(dòng)功能障礙患者的社區(qū)康復(fù)仍有一些困難：1）上門服務(wù)的治療師數(shù)量稀少而且收費(fèi)高；2）患者在缺乏標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)的動(dòng)作輔導(dǎo)情況下自行訓(xùn)練，科學(xué)性不高，效果有限。3）患者需在康復(fù)活動(dòng)中心等特殊環(huán)境訓(xùn)練，且穿戴復(fù)雜的訓(xùn)練設(shè)備，對(duì)患者來(lái)說(shuō)很不方便。家庭康復(fù)系統(tǒng)通過(guò)kinect骨骼追蹤技術(shù)采集訓(xùn)練者動(dòng)作的深度信息；借助計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)，患者可以咨詢醫(yī)師，而醫(yī)師可以根據(jù)訓(xùn)練效果通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程指導(dǎo)與開出訓(xùn)練動(dòng)作“處方”，患者在家里就可以康復(fù)訓(xùn)練。

1 系統(tǒng)的使用流程

系統(tǒng)硬件由助行車、kinect相機(jī)、計(jì)算機(jī)組成。顯示器顯示的康復(fù)動(dòng)作引導(dǎo)殘疾人系統(tǒng)的完成康復(fù)訓(xùn)練，Kinect傳感器安裝在離人0.4m～8m的范圍內(nèi)，用于捕捉患者肢體康復(fù)動(dòng)作時(shí)肢體和身體的傾斜角度，計(jì)算機(jī)接收到Kinect傳感器獲取的自動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)，并與標(biāo)準(zhǔn)康復(fù)動(dòng)作對(duì)比，正確的給與語(yǔ)音獎(jiǎng)勵(lì)，錯(cuò)誤的給與語(yǔ)音提示。計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸給外部計(jì)算機(jī)，醫(yī)生可以根據(jù)數(shù)據(jù)判斷訓(xùn)練完成情況，并通過(guò)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程指導(dǎo)，如圖1。患者在起立訓(xùn)練時(shí)，液壓彈簧將人體托起，減輕下肢承受力?；颊哒玖⑵饋?lái)后，彈力復(fù)位皮筋和折疊復(fù)位結(jié)構(gòu)將座椅垂直收起，增加患者行走訓(xùn)練的空間。患者在訓(xùn)練累時(shí)，將座椅水平旋轉(zhuǎn)90℃，即可在座椅上休息。結(jié)束訓(xùn)練時(shí)，將助行車折疊以減少占用空間。系統(tǒng)特別適合下肢力量不足患者的訓(xùn)練。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 前端系統(tǒng)模塊

前端系統(tǒng)主要由kinect傳感器和顯示器組成。Kinect是Microsoft公司推出的一款性能極強(qiáng)的傳感器。其核心部件包括紅外投影機(jī)、彩色攝像機(jī)、紅外深度攝像機(jī)和芯片4個(gè)部分，捕捉范圍在1m～8m。Kinect傳感器能夠提供的數(shù)據(jù)信息有：深度信息、視頻和音頻3種。Kinect在系統(tǒng)中的功能主要有：患者數(shù)據(jù)的輸入和儲(chǔ)存、根據(jù)運(yùn)動(dòng)障礙一側(cè)、康復(fù)部位及訓(xùn)練模式設(shè)立康復(fù)計(jì)劃、進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)的語(yǔ)音提醒。顯示器主要是顯示動(dòng)作模板和實(shí)時(shí)顯示患者訓(xùn)練畫面、訓(xùn)練結(jié)束后通過(guò)聊天窗口和PDF文檔反饋訓(xùn)練結(jié)果的評(píng)價(jià)。

2.2 后臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)采集并初步處理后，系統(tǒng)對(duì)根據(jù)相應(yīng)關(guān)節(jié)連線的角度值和位置范圍值對(duì)患者的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)分。數(shù)據(jù)采集模塊中利用公式計(jì)算相聯(lián)系的3個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)連線的夾角，如公式（1）：

通過(guò)公式（2），當(dāng)Kinect捕捉關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)可以隨時(shí)獲取節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)夾角，從而計(jì)算出Δt時(shí)間范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)點(diǎn)與圓心關(guān)節(jié)點(diǎn)的夾角變化Δθ，并假設(shè)該運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)角度范圍的變量為K，K通過(guò)公式（2）確定：

在每次數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，系統(tǒng)計(jì)算當(dāng)前時(shí)間和前Δt時(shí)刻的夾角變化Δθ，獲得K的數(shù)據(jù)并計(jì)算，當(dāng)K=假時(shí)繼續(xù)捕捉運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)點(diǎn)所在位置信息，當(dāng)K=真時(shí)顯示相應(yīng)音頻信息和文字信息提醒，結(jié)束并開始下一動(dòng)作的信息采集。

2.3 動(dòng)作庫(kù)模塊

動(dòng)作庫(kù)由動(dòng)作模板和評(píng)分算法組成，它不僅是整個(gè)系統(tǒng)的重要部分，而且是康復(fù)訓(xùn)練前端的核心。動(dòng)作模板和評(píng)分算法分別具有為患者提供訓(xùn)練引導(dǎo)、為評(píng)價(jià)用戶訓(xùn)練情況提供依據(jù)的作用。根據(jù)每個(gè)動(dòng)作的特點(diǎn)，選取評(píng)分要點(diǎn)，如關(guān)鍵部位夾角、關(guān)節(jié)位置的范圍值以及不同關(guān)節(jié)點(diǎn)位置關(guān)系等。動(dòng)作庫(kù)如表1。

2.4 患者動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)火柴人顯示模塊

將系統(tǒng)設(shè)定Kinect采集信息為30幀/秒，且在顯示器動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)播放含有20個(gè)人體關(guān)節(jié)點(diǎn)的火柴人的畫面，患者可以參照火柴人的畫面了解自己訓(xùn)練動(dòng)作是否標(biāo)準(zhǔn)并及時(shí)作出調(diào)整。Kinect骨骼追蹤技術(shù)所采集的共有人體20個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

2.5 中心網(wǎng)站和網(wǎng)絡(luò)交流模塊

開發(fā)中心網(wǎng)站的目的是為了方便患者查閱個(gè)人訓(xùn)練情況、醫(yī)生意見、下載新“康復(fù)處方”、醫(yī)生可以查詢患者資料并遠(yuǎn)程指導(dǎo)訓(xùn)練。網(wǎng)站包含3個(gè)部分：1）公共部分，包括首頁(yè)、登陸頁(yè)面和注冊(cè)頁(yè)面。2）患者用戶部分，包括患者登陸后的總頁(yè)與集合在該頁(yè)的各功能頁(yè)，如圖4。3）醫(yī)生用戶部分，包括醫(yī)生登陸后的總頁(yè)與集合在該頁(yè)的各功能頁(yè)。

2.6 助行車

助行車主要用于輔助患者起立、行走和原地休息?；颊咴谄鹆⒂?xùn)練時(shí)，液壓彈簧將人體托起，減輕下肢承受力?；颊哒玖⑵饋?lái)后，彈力復(fù)位皮筋和折疊復(fù)位結(jié)構(gòu)將座板垂直收起，增加患者行走訓(xùn)練的空間?；颊咴谟?xùn)練累時(shí)，將座板水平旋轉(zhuǎn)90°，即可在座椅上休息。結(jié)束訓(xùn)練時(shí)，將助行車折疊以減少占用空間。整體效果圖如圖2。

3 系統(tǒng)測(cè)試

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，分別選取肘關(guān)節(jié)屈曲、雙手合并、肘關(guān)節(jié)屈曲加平移、頭部360°轉(zhuǎn)動(dòng)等4個(gè)動(dòng)作，每個(gè)動(dòng)作測(cè)試100次。對(duì)比實(shí)際動(dòng)作與系統(tǒng)識(shí)別是否準(zhǔn)確。結(jié)果表明系統(tǒng)對(duì)肘關(guān)節(jié)屈曲、雙手合并動(dòng)作能完全識(shí)別，而小肘關(guān)節(jié)屈曲加平移、頭部360°轉(zhuǎn)動(dòng)5次識(shí)別不出。其原因是測(cè)試人員動(dòng)作較快而系統(tǒng)識(shí)別發(fā)生誤差。總體而言該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性能夠滿足患者需要。

4 結(jié)論

在社會(huì)老齡化，運(yùn)動(dòng)性功能障礙患者逐年增多而醫(yī)護(hù)人員緊缺的背景下，家庭康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)能解放醫(yī)生的勞動(dòng)力，提高患者康復(fù)效果。它在優(yōu)良的人機(jī)交互、醫(yī)患之間良性互動(dòng)的基礎(chǔ)上，對(duì)病人的康復(fù)有積極的影響。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性符合設(shè)計(jì)要求，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]姚倩，王麗，侯筱婷.基于Kinect的自主康復(fù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子產(chǎn)品世界，2015（8）：37-39.

[2]楊藝，許源，張俊杰，等.基于Kinect與虛擬現(xiàn)實(shí)的社區(qū)家庭康復(fù)系統(tǒng)的研制[J].微型電腦應(yīng)用，2014，30（3）：32-34.

[3]姜振興.基于Kinect的人體康復(fù)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2015.endprint