體感交互技術(shù)在運(yùn)動(dòng)康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用①

代艾波，瞿暢，朱小龍，于陳陳

體感交互技術(shù)在運(yùn)動(dòng)康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用①

代艾波，瞿暢，朱小龍，于陳陳

本文介紹3種體感設(shè)備EyeToy、Wii及Kinect應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)的研究現(xiàn)狀。體感交互技術(shù)作為一種有效的運(yùn)動(dòng)康復(fù)技術(shù)手段，應(yīng)用前景廣闊。

體感交互技術(shù)；運(yùn)動(dòng)功能；康復(fù)；EyeToy；Wii；Kinect；綜述

[本文著錄格式]代艾波，瞿暢，朱小龍，等.體感交互技術(shù)在運(yùn)動(dòng)康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].中國康復(fù)理論與實(shí)踐,2014,20(1): 41-45.

運(yùn)動(dòng)障礙主要指自主運(yùn)動(dòng)功能發(fā)生障礙，動(dòng)作不連貫、不能完成，或完全不能隨意運(yùn)動(dòng)。腦卒中、帕金森癥、注意缺陷多動(dòng)癥、獲得性腦損傷等都是造成運(yùn)動(dòng)障礙的原因。流行病學(xué)調(diào)查結(jié)果顯示，我國每年腦卒中發(fā)病率為217/10萬，患者數(shù)逾150萬，致殘率高達(dá)86.5%。醫(yī)學(xué)的發(fā)展使其高死亡率有所下降，但目前我國存活的腦卒中患者約700萬，其中2/3仍為永久殘疾者。腦卒中所致的肢體功能障礙成為首要的致殘?jiān)騕1]。積極和長期的康復(fù)訓(xùn)練可使患者的功能最大限度恢復(fù)，盡可能提高生活自理、勞動(dòng)、工作和學(xué)習(xí)能力。

目前針對(duì)患者運(yùn)動(dòng)功能訓(xùn)練的康復(fù)以治療師的手法操作為主，或在簡單訓(xùn)練器械的輔助下，進(jìn)行被動(dòng)運(yùn)動(dòng)、輔助運(yùn)動(dòng)、主動(dòng)運(yùn)動(dòng)和抗阻運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練等。在這種康復(fù)模式下，每名治療師在同一時(shí)間僅能對(duì)一名患者進(jìn)行治療，康復(fù)效率低下；而且訓(xùn)練過程單調(diào)無趣，不利于患者積極主動(dòng)參與到治療中。治療師也不容易及時(shí)了解其訓(xùn)練程度和效果。針對(duì)傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練的各種問題，世界各國都在積極研究康復(fù)訓(xùn)練的新理論、新方法、新手段。體感技術(shù)作為一項(xiàng)新興技術(shù)，在康復(fù)領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的發(fā)展前景。

1 體感技術(shù)

體感技術(shù)也稱動(dòng)作感應(yīng)控制技術(shù)，是由機(jī)器通過某些特殊方式對(duì)用戶的動(dòng)作進(jìn)行辨識(shí)、解析，并按照預(yù)定感測模式，對(duì)相應(yīng)動(dòng)作在機(jī)器端作出反饋，屬于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)范疇。體感技術(shù)按體感方式與原理可分為三大類：慣性感測、光學(xué)感測、慣性與光學(xué)聯(lián)合感測。目前體感技術(shù)在康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用主要為光學(xué)感測及慣性與光學(xué)聯(lián)合感測方式。

體感技術(shù)的實(shí)現(xiàn)離不開體感設(shè)備。目前，能夠較好應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)康復(fù)的低成本體感設(shè)備并不多見。索尼公司的EyeToy主要通過光學(xué)傳感器獲取人體影像，再將此人體影像的肢體動(dòng)作與游戲內(nèi)容互動(dòng)。微軟公司的Kinect可捕捉人體3D全身影像，無需使用任何操作手柄便可達(dá)到體感效果。任天堂的Wii是慣性及光學(xué)聯(lián)合感測套件。Wii在手柄上安裝一個(gè)重力傳感器以及一個(gè)紅外線傳感器，用以偵測手部三軸向的加速度和感應(yīng)紅外線發(fā)射器信號(hào)，通過偵測手部在垂直及水平方向的位移來操控空間鼠標(biāo)。

2 基于體感技術(shù)的肢體運(yùn)動(dòng)康復(fù)

2.1 EyeToy

EyeToy是索尼公司于2004年4月為PlayStation2游戲主機(jī)推出的動(dòng)作感應(yīng)控制裝置，通過EyeToy攝像頭可把人物影像投放到游戲中，用肢體動(dòng)作操作游戲。EyeToy以固定頻率采集圖像，通過對(duì)相鄰兩幀圖像進(jìn)行簡單處理，得到畫面中不同的部分，進(jìn)而可以感知是否有運(yùn)動(dòng)物體及運(yùn)動(dòng)物體的一些屬性(大小、位置、顏色等)。

自上市以來，基于EyeToy的運(yùn)動(dòng)康復(fù)研究不斷涌現(xiàn)[2-3]。EyeToy也因其價(jià)格優(yōu)勢及友好的交互界面?zhèn)涫芾懑煄熐嗖A。Flynn報(bào)道1例有2年腦卒中病史的76歲女性患者，用低成本的Sony PS2 EyeToy及配套游戲?qū)颊哌M(jìn)行運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，訓(xùn)練全程在患者家中進(jìn)行；在4.5周時(shí)間內(nèi)，患者完成20次時(shí)長1 h的康復(fù)訓(xùn)練。研究采用配套游戲中的15種體感游戲作為訓(xùn)練項(xiàng)目，要求患者完成基于靶點(diǎn)的上肢運(yùn)動(dòng)、保持站姿和坐姿的動(dòng)態(tài)平衡，以及手眼協(xié)調(diào)性。通過Fugl-Meyer評(píng)定、貝克抑郁量表、Berg平衡量表等方法證實(shí)，患者的上肢運(yùn)動(dòng)功能、平衡功能、協(xié)調(diào)性均相應(yīng)的改善；在訓(xùn)練過程中，患者未出現(xiàn)跌倒或疼痛加劇的癥狀[4]。

以色列Rand等通過對(duì)健康年輕人、健康老年人和老年卒中患者使用Sony PS2 EyeToy虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)EyeToy可用于老年卒中患者的肢體運(yùn)動(dòng)康復(fù)[5]。通過運(yùn)行那些要求患者在保持身體平衡的同時(shí)，用手臂移動(dòng)完成的游戲，如Wishy-Washy、Kung-Foo等，12例處于不同康復(fù)階段的老年腦卒中患者(7例平均年齡63歲，病史1～5年；5例平均年齡73歲，病史1～3個(gè)月)的實(shí)際訓(xùn)練表現(xiàn)及效果表明，該系統(tǒng)可用于不同階段腦卒中患者的康復(fù)訓(xùn)練。

康復(fù)訓(xùn)練的最終目的是幫助患者將訓(xùn)練效果移植到生活中，使患者可以獨(dú)立從事基本的日常活動(dòng)。加拿大Valter Mc-Conville等通過基于PS2 EyeToy的平衡訓(xùn)練驗(yàn)證了此項(xiàng)體感技術(shù)用于運(yùn)動(dòng)康復(fù)的可行性，同時(shí)也對(duì)其訓(xùn)練效果向現(xiàn)實(shí)世界的移植進(jìn)行了評(píng)估[6]。研究采用AntiGray游戲進(jìn)行平衡訓(xùn)練，患者通過積極的頭部運(yùn)動(dòng)及手臂動(dòng)作控制虛擬人物躲避障礙、獲取代幣或目標(biāo)，并利用身體的協(xié)調(diào)控制虛擬人在賽道中滑行的速度和精確度。訓(xùn)練效果移植的評(píng)估主要采用以下3種平衡測試：平衡板實(shí)驗(yàn)、前后羅姆格實(shí)驗(yàn)、單腿站立實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示采用PS2 EyeToy的實(shí)驗(yàn)組患者平衡能力提高，但在訓(xùn)練過程中出現(xiàn)了不適癥狀(頭痛、眼疲勞、眩暈等)。此類平衡運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練不適于運(yùn)動(dòng)障礙嚴(yán)重的患者。

EyeToy已經(jīng)成功應(yīng)用于康復(fù)訓(xùn)練中，但其二維圖像處理的局限性也制約了此項(xiàng)技術(shù)在康復(fù)領(lǐng)域的發(fā)展。2010年索尼公司推出新產(chǎn)品Move控制器，可以偵測手部在空間的移動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)，做到相當(dāng)精確的動(dòng)作感應(yīng)。Move控制器的推出給這項(xiàng)技術(shù)帶來良好的發(fā)展前景。但目前尚無該技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)康復(fù)的相關(guān)報(bào)道。

2.2 Wii

Wii是日本任天堂公司2006年推出的家用游戲主機(jī)，包括主機(jī)和模擬控制器兩個(gè)部分。游戲玩家通過Wii手柄和平衡板來控制游戲。平衡板中集成了壓力傳感器，用于偵測用戶運(yùn)動(dòng)的壓力重心，用戶通過改變重心的位置控制游戲環(huán)境。

目前，已經(jīng)有學(xué)者將此項(xiàng)技術(shù)及設(shè)備應(yīng)用于肢體運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練中。Burke等在論述和分析游戲用于康復(fù)訓(xùn)練的有效性、康復(fù)效果的影響因素(如趣味性和挑戰(zhàn)性)的同時(shí)，開發(fā)出一系列上肢康復(fù)游戲，如基于Wii的電顫琴游戲可以起到對(duì)手腕和手臂的康復(fù)訓(xùn)練作用[7]。患者手握Wii控制器，通過手臂移動(dòng)和按鈕控制操縱游戲環(huán)境中的虛擬演奏棒，實(shí)現(xiàn)電顫琴的仿真演奏。系統(tǒng)支持多個(gè)控制器同時(shí)使用，可使患者同時(shí)演奏多個(gè)音符或?qū)崿F(xiàn)多人訓(xùn)練。演奏結(jié)束后，系統(tǒng)將根據(jù)患者的訓(xùn)練表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)分并給出激勵(lì)信息。不同的演奏曲目對(duì)手臂移動(dòng)的幅度及運(yùn)動(dòng)量有不同要求，考慮到不同患者訓(xùn)練要求的差異，系統(tǒng)在演奏模式的曲目菜單列表后附上了相應(yīng)曲目的提示信息(著重訓(xùn)練的部位及運(yùn)動(dòng)量)，患者可根據(jù)理療師的康復(fù)要求選擇合適曲目進(jìn)行訓(xùn)練。在開發(fā)基于體感技術(shù)的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的同時(shí)，有必要對(duì)其實(shí)際臨床康復(fù)效果進(jìn)行驗(yàn)證，通常的方法是與傳統(tǒng)方式的訓(xùn)練效果進(jìn)行對(duì)比[8-10]。Gil-Gomez等開發(fā)了基于電腦和Wii平衡板的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)——eBaViR System，用于姿態(tài)不穩(wěn)及平衡失調(diào)患者的康復(fù)訓(xùn)練[8]。患者通過控制Wii平衡板完成Air Hockey和Balloon Breaker康復(fù)游戲。實(shí)驗(yàn)組及對(duì)照組患者分別完成了20次時(shí)長1 h的游戲訓(xùn)練，通過訓(xùn)練前后兩組患者靜態(tài)和動(dòng)態(tài)平衡測試結(jié)果的對(duì)比，評(píng)估了eBaViR系統(tǒng)用于平衡康復(fù)的有效性。Deutsch等將基于Wii的平衡和運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練與傳統(tǒng)護(hù)理進(jìn)行比較[9]。該研究選取2例患病5年以上的腦卒中患者(48歲男性患者，10年腦梗死病史；34歲女性患者，7年蛛網(wǎng)膜下腔出血史)，每周進(jìn)行3次時(shí)長1 h康復(fù)訓(xùn)練，持續(xù)4周。其中男性患者進(jìn)行基于Wii的康復(fù)訓(xùn)練，訓(xùn)練內(nèi)容包括拳擊、保齡球、棒球、跳臺(tái)滑雪、障礙滑雪、走鋼絲、弓箭步以及公園漫步；女性患者采用標(biāo)準(zhǔn)護(hù)理，進(jìn)行諸如坐、站、節(jié)拍踏步等常規(guī)平衡和協(xié)調(diào)訓(xùn)練。對(duì)患者訓(xùn)練前、訓(xùn)練結(jié)束時(shí)、訓(xùn)練結(jié)束3個(gè)月后的步速、行走耐力和平衡性進(jìn)行測試，結(jié)果顯示，在接受訓(xùn)練后，男性患者和女性患者的步速分別提高了19%和12%，計(jì)時(shí)起立-走測試得分分別提高23%和15%。但使用基于Wii訓(xùn)練系統(tǒng)的患者在訓(xùn)練結(jié)束后對(duì)訓(xùn)練效果的保持不如傳統(tǒng)護(hù)理訓(xùn)練下的患者，原因是基于Wii的訓(xùn)練效果未能很好地移植到日常生活中。兩者的綜合運(yùn)用在未來運(yùn)動(dòng)康復(fù)應(yīng)用中有良好的發(fā)展前景。

眾多研究證實(shí)基于Wii的肢體運(yùn)動(dòng)康復(fù)的可行性[11-13]。Kaluarachchi等開發(fā)的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)包含兩款康復(fù)游戲(the Rolly and Treasure games)，旨在為上肢輕癱患者提供積極有效的康復(fù)手段[14]。其中the Rolly game要求患者控制手腕及手臂的翻轉(zhuǎn)，以保持虛擬環(huán)境中小球在支撐桿上的平衡，目的是增加患者上臂、前臂和手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍以及肌力及控制力。理療師可根據(jù)患者病況改變虛擬支持桿的摩擦系數(shù)、小球速度及支撐桿長度，調(diào)整游戲難度水平以提高訓(xùn)練效果?；颊咄ㄟ^兩種游戲環(huán)境的訓(xùn)練，可提高反應(yīng)速度和肌肉控制能力。但目前該系統(tǒng)只支持站姿訓(xùn)練，具有一定的局限性。

Harley等開發(fā)的交互式腦卒中康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，將Wii控制器的紅外攝像頭裝在天花板上，用以追蹤固定在患臂上的2個(gè)紅外信號(hào)燈，可以實(shí)現(xiàn)患者前臂的二維平面追蹤[15]。系統(tǒng)配有一款以Peggle(幻幻球)為原型的康復(fù)游戲，患者通過手臂動(dòng)作操縱游戲中的彈珠發(fā)射臺(tái)，擊中并消除畫面中網(wǎng)格狀分布的小球及其他目標(biāo)。游戲可以使患者患臂的活動(dòng)范圍最大化，提高患臂運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，減小患臂顫動(dòng)。研究對(duì)1例輕度偏癱患者的可用性測試表明，基于幻幻球的康復(fù)游戲可以用于上肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)。

目前，各種基于Wii的肢體運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)僅支持依賴Wii控制器紅外攝像頭追蹤能力的二維平面追蹤。任天堂于2009年推出MotionPlus動(dòng)態(tài)感應(yīng)強(qiáng)化器，在原有基礎(chǔ)上增加了三軸陀螺儀感應(yīng)器，可以精確感應(yīng)傾斜、擺蕩的程度，從而可以精確地偵測人體手腕旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作。維多利亞大學(xué)的Li等對(duì)增加了MotionPlus的Wii控制器進(jìn)行相關(guān)研究[16-17]。研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)一些腕部及手臂動(dòng)作的準(zhǔn)確識(shí)別、分類，并指出通過對(duì)控制器偵測到的患者動(dòng)作與理療師示范動(dòng)作的差異分析，可以實(shí)現(xiàn)康復(fù)動(dòng)作的評(píng)估。但研究處于初始階段，尚未開發(fā)出基于此類技術(shù)的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)。

2.3 Kinect傳感器

Kinect是微軟公司2010年11月發(fā)布的一款3D體感設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)捕捉、影像辨識(shí)、麥克風(fēng)輸入、語音辨識(shí)、社群互動(dòng)等功能。Kinect采用光編碼技術(shù)對(duì)測量空間進(jìn)行編碼，并通過芯片運(yùn)算解碼，生成3D深度圖像。識(shí)別3D圖像深度信息后，Kinect通過渲染數(shù)據(jù)，計(jì)算得到人體主要的20個(gè)骨骼位置，以此來判斷人體姿勢，進(jìn)行骨架追蹤，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與虛擬環(huán)境的人機(jī)交互。短短兩年多時(shí)間，國外學(xué)者發(fā)現(xiàn)該技術(shù)在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域應(yīng)用的巨大潛力，開始研究基于Kinect傳感器的肢體運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練技術(shù)。

2.3.1 上肢運(yùn)動(dòng) 基于Kinect的運(yùn)動(dòng)康復(fù)研究中，針對(duì)上肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)的研究較多。Chang等通過Kinect與高保真光學(xué)追蹤系統(tǒng)OptiTrack的性能比較，證明低成本的Kinect可達(dá)到與光學(xué)追蹤系統(tǒng)相衡的動(dòng)作追蹤效果[18]，Kinect可作為臨床或家庭環(huán)境中的肢體運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練工具。

Gama等設(shè)計(jì)了一套基于Kinect的針對(duì)肩、肘部運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的系統(tǒng)[19]。在康復(fù)訓(xùn)練過程中，患者需要進(jìn)行手臂自下而上的側(cè)舉運(yùn)動(dòng)；系統(tǒng)通過提取Kinect傳感器捕捉的圖像，計(jì)算肩部與肘部在冠狀面內(nèi)的夾角，對(duì)患者進(jìn)行動(dòng)作糾正指導(dǎo)。

Chang等開發(fā)出Kinerehab運(yùn)動(dòng)障礙訓(xùn)練系統(tǒng)[20]。患者在訓(xùn)練過程中依次完成雙臂的前伸、側(cè)展及上舉。通過Kinerehab系統(tǒng)可以自動(dòng)探測患者關(guān)節(jié)位置，判斷動(dòng)作是否標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)動(dòng)量是否足夠，并以語音提示、動(dòng)畫演示形式實(shí)時(shí)反饋(患者動(dòng)作越準(zhǔn)確，動(dòng)畫中鯨魚尾部擺動(dòng)越大，歌聲越嘹亮)。該研究以ABAB序列(A代表無輔助技術(shù)的基本階段、B代表采用Kinerehab系統(tǒng)的干預(yù)階段)，證實(shí)患者在干預(yù)階段完成的正確動(dòng)作數(shù)明顯高于基本階段。

美國猶他大學(xué)的Pastor等對(duì)Kinect和電腦游戲在上肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)行了可行性研究[21]。系統(tǒng)采用水平放置的光滑透明支撐板作為手臂活動(dòng)界面，并將Kinect攝像頭向下放置于支撐板上方70 cm處，用于追蹤患者的手臂動(dòng)作?；颊咝韪鶕?jù)系統(tǒng)圖像提示，通過手臂移動(dòng)，將屏幕光標(biāo)移動(dòng)到指定單元，以完成訓(xùn)練動(dòng)作。系統(tǒng)通過患者手臂位置信息判斷是否完成動(dòng)作，在對(duì)患者動(dòng)作評(píng)分(得分與手臂的移動(dòng)速度成比例關(guān)系)的同時(shí)，提示患者下個(gè)目標(biāo)的位置。對(duì)1例48歲女患者(2年病史)訓(xùn)練前后進(jìn)行問卷調(diào)查及Fugl-Meyer上肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)分，初步證實(shí)其對(duì)與上肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)的可行性。

隨著Kinect技術(shù)應(yīng)用的日趨成熟，研究者可根據(jù)康復(fù)部位、目的及相關(guān)要求，搭建各種運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)[22-24]。若將Kinect與其他技術(shù)相結(jié)合，還可進(jìn)一步增強(qiáng)康復(fù)訓(xùn)練效果及訓(xùn)練過程的真實(shí)感，如Sadihov等開發(fā)的加入增強(qiáng)型觸覺反饋的虛擬上肢康復(fù)系統(tǒng)[25]。系統(tǒng)將Kinect與觸覺手套結(jié)合使用，在患者與虛擬康復(fù)訓(xùn)練環(huán)境交互時(shí)，觸覺手套的手掌及手指部位裝有的振動(dòng)馬達(dá)通過基于運(yùn)動(dòng)的震動(dòng)仿真，為患者提供觸覺反饋，提高了患者康復(fù)訓(xùn)練的沉浸感。

2.3.2 平衡康復(fù) Lange等開發(fā)了針對(duì)神經(jīng)損傷患者的平衡訓(xùn)練工具[26-27]?；贙inect的康復(fù)游戲JewelMine，要求患者通過自身動(dòng)作控制虛擬環(huán)境中的虛擬人將寶石放入框中，收集寶石越多，得分越高。在游戲過程中，系統(tǒng)用虛擬人反映患者的形象姿勢和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?；颊咄ㄟ^接收到的反饋信息進(jìn)行肩、肘等部位的平衡調(diào)整，從而提高自身的平衡感知能力。訓(xùn)練游戲的沉浸感及人性化設(shè)計(jì)使得患者輕松專注地投入訓(xùn)練，帶給患者游戲訓(xùn)練的愉悅感，調(diào)動(dòng)了患者的訓(xùn)練積極性。

Sun等開發(fā)了平衡訓(xùn)練系統(tǒng)以增強(qiáng)患者平衡能力，減少跌倒造成的危害[28]。系統(tǒng)自動(dòng)生成姿態(tài)框架(單腿站立姿態(tài))和虛擬人物，患者需根據(jù)系統(tǒng)生成的姿態(tài)框架結(jié)構(gòu)的形態(tài)，控制虛擬人物作出相應(yīng)動(dòng)作。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)虛擬人物與姿態(tài)框架的碰撞情況，對(duì)患者的訓(xùn)練表現(xiàn)進(jìn)行量化評(píng)估，以便安排后續(xù)訓(xùn)練任務(wù)。該研究只適用于靜態(tài)平衡訓(xùn)練，不能針對(duì)動(dòng)態(tài)平衡進(jìn)行相關(guān)訓(xùn)練。

Garrido等開發(fā)的系統(tǒng)通過訓(xùn)練患者直線行走的平衡性，幫助患者從平衡功能障礙中恢復(fù)[29]?；颊邚倪h(yuǎn)處直線走向Kinect，完成3 m直線行走訓(xùn)練任務(wù)，通過對(duì)患者行走過程中肩部運(yùn)動(dòng)的偵測，評(píng)估患者動(dòng)態(tài)行走的平衡性，給出實(shí)時(shí)反饋信息。該系統(tǒng)適用于患者動(dòng)態(tài)平衡訓(xùn)練。

2.3.3 特定部位康復(fù) Cordella等實(shí)現(xiàn)了通過Kinect和基于蒙特卡羅方法的手指追蹤，對(duì)患者運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)估[30]。首先由理療師做出手部動(dòng)作，通過在手指關(guān)節(jié)安置的標(biāo)記對(duì)手部動(dòng)作進(jìn)行追蹤，并采用貝葉斯估計(jì)方法過濾，使動(dòng)作追蹤對(duì)背景干擾具有較強(qiáng)的魯棒性?？祻?fù)系統(tǒng)將手指關(guān)節(jié)的軌跡作為虛擬手的輸入信息，在虛擬環(huán)境中再現(xiàn)治療師的動(dòng)作，并將患者模擬的動(dòng)作與治療師的動(dòng)作在虛擬環(huán)境疊加，通過兩者之間的偏差對(duì)患者的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)估。目前，該項(xiàng)研究并未完善和用于臨床試驗(yàn)。

目前，基于Kinect的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，著重于康復(fù)訓(xùn)練項(xiàng)目的開發(fā)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)成果評(píng)估。但系統(tǒng)訓(xùn)練項(xiàng)目所測得的相關(guān)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)數(shù)據(jù)并不代表患者運(yùn)動(dòng)能力的提升，因此需通過專業(yè)的康復(fù)評(píng)定方法對(duì)患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)功能評(píng)定。日本青山大學(xué)開發(fā)了一套用于康復(fù)效果測試的康復(fù)評(píng)定系統(tǒng)[31]。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了計(jì)時(shí)起立-走測試、10 m步行測試及實(shí)時(shí)關(guān)節(jié)活動(dòng)度測量3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)康復(fù)評(píng)定項(xiàng)目的搭建。

3 體感技術(shù)應(yīng)用于肢體運(yùn)動(dòng)康復(fù)的優(yōu)劣勢分析

體感技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)康復(fù)需要有康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)、體感設(shè)備等軟、硬件支持；基于體感設(shè)備的運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)通常配置趣味游戲，使患者忽視自身障礙及訓(xùn)練過程的無聊和痛苦，更專注于康復(fù)訓(xùn)練，提高康復(fù)訓(xùn)練效果。Wii、EyeToy、Kinect的運(yùn)動(dòng)控制，使用戶無需操作過多的控制按鈕，便可實(shí)現(xiàn)游戲控制及人機(jī)交互，使存在障礙的患者可以輕松訪問、參與并受益于康復(fù)游戲。康復(fù)系統(tǒng)的任務(wù)性訓(xùn)練項(xiàng)目及精確的感覺反饋，可為患者提供真實(shí)而安全的訓(xùn)練環(huán)境；患者可將虛擬環(huán)境中學(xué)會(huì)的動(dòng)作技能運(yùn)用到現(xiàn)實(shí)生活中?；隗w感技術(shù)的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)所提供的測評(píng)功能，可量化評(píng)定患者訓(xùn)練前后及訓(xùn)練過程中的各項(xiàng)指標(biāo)，有利于醫(yī)療人員準(zhǔn)確掌握患者的康復(fù)狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整訓(xùn)練計(jì)劃和訓(xùn)練強(qiáng)度，制定更有針對(duì)性的康復(fù)目標(biāo)。Wii、EyeToy、Kinect等體感設(shè)備的低成本、配置及使用的便捷性、游戲化的訓(xùn)練項(xiàng)目簡單易學(xué)等優(yōu)勢，均是體感技術(shù)在肢體運(yùn)動(dòng)康復(fù)領(lǐng)域迅速發(fā)展的重要原因?；诖隧?xiàng)技術(shù)的肢體運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練方法更適合患者的家庭自我康復(fù)訓(xùn)練，使更多的肢體運(yùn)動(dòng)障礙患者受益。

由于受硬件條件的限制，不同的體感設(shè)備在康復(fù)應(yīng)用中也存在一定的局限性。EyeToy的工作原理注定了它只能攝取二維圖像并加以解析，不能進(jìn)行三維圖像處理，并且使用時(shí)設(shè)備性能受環(huán)境光的影響較大?；贓yeToy的運(yùn)動(dòng)康復(fù)系統(tǒng)所采用的康復(fù)游戲通常不是專為康復(fù)訓(xùn)練設(shè)計(jì)，缺少針對(duì)患者表現(xiàn)的記錄及追蹤功能，不能完全滿足患者及理療師的需求。

Wii不能進(jìn)行全身動(dòng)作捕捉，且Wii手柄對(duì)于用戶動(dòng)作的捕捉存在缺陷，用戶腕部的旋轉(zhuǎn)與手臂旋轉(zhuǎn)的分辨不夠準(zhǔn)確。

Kinect傳感器的使用無需穿戴任何設(shè)備，擺脫了以往傳感技術(shù)的缺陷。但當(dāng)肢體運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)重疊時(shí)，動(dòng)作捕捉存在一定誤差，且在追蹤過程中存在時(shí)間延遲。

4 小結(jié)

EyeToy、Wii及Kinect等體感設(shè)備的出現(xiàn)，為將體感交互技術(shù)應(yīng)用于肢體運(yùn)動(dòng)康復(fù)提供了硬件支持，并在肢體運(yùn)動(dòng)康復(fù)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。EyeToy及Wii通過控制器實(shí)現(xiàn)交互，利用控制器的移動(dòng)逆向推算患者動(dòng)態(tài)。Kinect傳感器無需患者穿戴和操作任何設(shè)備，直接捕捉患者的肢體動(dòng)作，人機(jī)交互方式更自然、便捷。盡管基于體感技術(shù)的肢體運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)并不能完全取代傳統(tǒng)的康復(fù)手段，但隨著體感技術(shù)及其設(shè)備的發(fā)展，研究者可以開發(fā)出更加人性化、個(gè)性化、有效的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)?，F(xiàn)有體感設(shè)備的局限性，并不會(huì)制約此項(xiàng)技術(shù)在康復(fù)領(lǐng)域的發(fā)展，在今后醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展中，體感技術(shù)必將扮演更加積極、重要的角色。

[1]王利燕,袁長海,李廣元.我國腦卒中的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)及影響因素分析[J].醫(yī)學(xué)與哲學(xué),2006,27(9):4-7.

[2]Yavuzer G,Senel A,Atay MB,et al."Playstation EyeToy Games"improve upper extremity-related motor functioning in subacute stroke:a randomized controlled clinical trial[J].Eur J Phys Rehabil Med,2008,44(3):237-244.

[3]Lotan M,Yalon-Chamovitz S,Weiss PL.Improving physical fitness of individuals with intellectual and developmental disability through a Virtual Reality Intervention Program[J].Res Dev Disabil,2009,30(2):229-239.

[4]Flynn S,Palma P,Bender A.Feasibility of using the Sony Play-Station 2 gaming platform for an individual poststroke:a case report[J].J Neurol Phys Ther,2007,31(4):180-189.

[5]Rand D,Kizony R,Weiss PL.The Sony PlayStation II EyeToy: low-cost virtual reality for use in rehabilitation[J].J Neurol Phys Ther,2008,32(4):155-163.

[6]Valter McConville KM,Virk S.Evaluation of an electronic video game for improvement of balance[J].Virtual Reality,2012, 16(4):315-323.

[7]Burke JW,McNeill MDJ,Charles DK,et al.Serious games for upper limb rehabilitation following stroke[C].Coventry:IEEE Conference in Games and Virtual Worlds for Serious Applications,2009:103-110.

[8]Gil-Gómez JA,Lloréns R,Alca?iz M,et al.Effectiveness of a Wii balance board-based system(eBaViR)for balance rehabilitation:a pilot randomized clinical trial in patients with acquired brain injury[J].J NeuroEng Rehabil,2011,8(1):30-39.

[9]Deutsch JE,Robbins D,Morrison J,et al.Wii-based compared to standard of care balance and mobility rehabilitation for two individuals post-stroke[C].Virtual Rehabilitation International Conference,Haifa：IEEE,2009:117-120.

[10]Wuang YP,Chiang CS,Su CY,et al.Effectiveness of virtual reality using Wii gaming technology in children with Down syndrome[J].Res Dev Disabil,2011,32(1):312-321.

[11]Joo LY,Yin TS,Xu D,et al.A feasibility study using interactive commercial off-the-shelf computer gaming in upper limb rehabilitation in patients after stroke[J].J Rehabil Med,2010, 42(5):437-441.

[12]Saposnik G,Teasell R,Mamdani M,et al.Effectiveness of virtual reality using Wii gaming technology in stroke rehabilitation:a pilot randomized clinical trial and proof of principle[J]. Stroke,2010,41(7):1477-1484.

[13]Gordon C,Roopchand-Martin S,Gregg A.Potential of the Nintendo Wii as a rehabilitation tool for children with cerebral palsy in a developing country:a pilot study[J].Physiotherapy, 2012,98(3):238-242.

[14]Kaluarachchi C,Aung YM,Al-Jumaily A.Virtual games based self rehabilitation for home therapy system[C].Melacca:IEEE 11th International Conference on Hybrid Intelligent Systems,2011:653-657.

[15]Harley L,Robertson S,Gandy M,et al.The design of an interactive stroke rehabilitation gaming system[C].Human-Computer Interaction 14th International Conference,Orlando,FL, USA:Springer Berlin Heidelberg,2011:167-173.

[16]Li KF,Sevcenco AM.A feasibility study on using low-cost gaming devices for rehabilitation[C].Barcelona,Spain:IEEE Advanced Information Networking and Applications Workshops 27th International Conference,2013:219-224.

[17]Li KF,Sevcenco AM,Yan E.Telerehabilitation using low-costvideo game controllers[C].Taiwan,China:IEEE Complex,Intelligent,and Software Intensive Systems Seventh International Conference,2013:136-143.

[18]Chang CY,Lange B,Zhang M,et al.Towards pervasive physical rehabilitation using microsoft Kinect[C].San Diego,CA: IEEE Pervasive Computing Technologies for Healthcare(PervasiveHealth)and Workshops 6th International Conference, 2012:159-162.

[19]Gama AD,Chaves T,Figueiredo L,et al.Guidance and movement correction based on therapeutics movements for motor rehabilitation support systems[C].Rio Janiero:IEEE Virtual and Augmented Reality 14th Symposium,2012:191-200.

[20]Chang YJ,Chen SF,Huang JD.A Kinect-based system for physical rehabilitation:A pilot study for young adults with motor disabilities[J].Res Dev Disabil,2011,32(6):2566-2570.

[21]Pastor I,Hayes HA,Bamberg SJM.A feasibility study of an upper limb rehabilitation system using kinect and computer games[C].San Diego,CA:IEEE Engineering in Medicine and Biology Society,2012:1286-1289.

[22]Yeh SC,Hwang WY,Huang TC,et al.A study for the application of body sensing in assisted rehabilitation training[C].Taiwan,China:IEEE Computer,Consumer and Control International Symposium,2012:922-925.

[23]Saini S,Rambli DRA,Sulaiman S,et al.A low-cost game framework for a home-based stroke rehabilitation system[C]. Kuala Lumpeu,Malaysia:IEEE Computer&Information Science International Conference,2012:55-60.

[24]Dukes PS,Hayes A,Hodges LF,et al.Punching ducks for post-stroke neurorehabilitation:system design and initial exploratory feasibility study[C].Orlando,FL,USA:IEEE 3D User Interfaces 2013 IEEE Symposium,2013:47-54.

[25]Sadihov D,Migge B,Gassert R,et al.Prototype of a VR upper-limb rehabilitation system enhanced with motion-based tactile feedback[C].Daejeon,Korea:IEEE World Haptics Conference,2013:449-454.

[26]Lange B,Chang CY,Suma E.et al.Development and evaluation of low cost game-based balance rehabilitation tool using the Microsoft Kinect Sensor[C].Boston,Massachusetts USA: IEEE Engineering in Medicine and Biology Society Annual International Conference,2011:1831-1834.

[27]Lange B,Koenig S,McConnell E,et al.Interactive game-based rehabilitation using the Microsoft Kinect[C].Costa Mesa,USA:IEEE Virtual Reality Short Papers and Posters, 2012:171-172.

[28]Sun TL,Huang CH,Yang WL.Design and development of Kinect-based exergame for balance control training[C].Dunhuang,China:IMS Proceedings of the 11th International Conference on Information and Management Sciences,2012: 61-64.

[29]Garrido JE,Marset I,Penichet VMR,et al.Balance disorder rehabilitation through movement interaction[C].Venice,Italy: ICST Pervasive Computing Technologies for Healthcare and Workshops 7th International Conference,,2013:319-322.

[30]Cordella F,Corato FD,Zollo L,et al.Patient performance evaluation using Kinect and Monte Carlo-based finger tracking[C].Roma,Italy:IEEE Biomedical Robotics and Biomechatronics 4th International Conference,2012:1967-1971.

[31]Kitsunezaki N,Adachi E,Masuda T.Kinect applications for the physical rehabilitation[C].Gatineau,QC,Canada:IEEE Medical Measurements and Applications Proceedings 2013 IEEE International Symposium,2013:294-299.

Somatic Sense Interactive Technology and Its Application in Motor Rehabilitation(review)

DAI Ai-bo,QU Chang,ZHU Xiao-long, et al.School of Mechanical Engineering,Nantong University,Nantong 226019,Jiangsu,China

The application and advance of somatic sense interactive devices,such as EyeToy,Wii and Kinect,in the motor rehabilitation were introduced in this paper.The prospect of application of somatic sense interactive technology as an effective approach in rehabilitation is wide and bright.

somatic sense interactive;motor function;rehabilitation;EyeToy;Wii;Kinect;review

R493

A [文章編號(hào)] 1006-9771(2014)01-0041-05

2013-08-26

2013-10-18)

更正

1006-9771(2013)12-1197-02)，作者單位更正為：南京醫(yī)科大學(xué)附屬南京兒童醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科。

《中國康復(fù)理論與實(shí)踐》編輯部

1.南通市應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目(No.BK2013018)；2.南通大學(xué)研究生科技創(chuàng)新計(jì)劃(No.YKC12062)。

南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南通市226019。作者簡介：代艾波(1990-)，男，江蘇徐州市人，碩士研究生，主要研究方向：工程及計(jì)算機(jī)圖學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及應(yīng)用。通訊作者：瞿暢(1967-)，女，碩士，教授，主要研究方向：工程及計(jì)算機(jī)圖學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及應(yīng)用等。

10.3969/j.issn.1006-9771.2014.01.011

應(yīng)作者要求，我刊2013年第12期徐怡、湯健著《健康教育路徑對(duì)腦癱患兒護(hù)理及家庭康復(fù)的影響》(