一種基于kinect體感相機的家庭康復訓練系統(tǒng)

李邦政+農(nóng)旭安+李旭昌

摘 要 在社會老齡化背景下，康復醫(yī)生和患者比例失配的情況非常嚴峻。家庭康復系統(tǒng)通過kinect骨骼追蹤技術采集訓練者動作的深度信息，使醫(yī)生遠程了解患者訓練進展。借助計算機和互聯(lián)網(wǎng)，患者可以咨詢醫(yī)師，而醫(yī)師可以根據(jù)訓練效果通過互聯(lián)網(wǎng)遠程指導與開出訓練動作“處方”?；颊咴诩依锞涂梢钥祻陀柧殹y試結(jié)果表明：該系統(tǒng)病人的康復有積極影響。

關鍵詞 kinect相機；家庭康復訓練；遠程指導

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）198-0148-02

為了促進運動功能障礙患者身體肌能更好恢復，患者在治療出院后仍需在社區(qū)或者家庭進行康復訓練。然而運動功能障礙患者的社區(qū)康復仍有一些困難：1）上門服務的治療師數(shù)量稀少而且收費高；2）患者在缺乏標準、系統(tǒng)的動作輔導情況下自行訓練，科學性不高，效果有限。3）患者需在康復活動中心等特殊環(huán)境訓練，且穿戴復雜的訓練設備，對患者來說很不方便。家庭康復系統(tǒng)通過kinect骨骼追蹤技術采集訓練者動作的深度信息；借助計算機和互聯(lián)網(wǎng)，患者可以咨詢醫(yī)師，而醫(yī)師可以根據(jù)訓練效果通過互聯(lián)網(wǎng)遠程指導與開出訓練動作“處方”，患者在家里就可以康復訓練。

1 系統(tǒng)的使用流程

系統(tǒng)硬件由助行車、kinect相機、計算機組成。顯示器顯示的康復動作引導殘疾人系統(tǒng)的完成康復訓練，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動作時肢體和身體的傾斜角度，計算機接收到Kinect傳感器獲取的自動捕捉數(shù)據(jù)，并與標準康復動作對比，正確的給與語音獎勵，錯誤的給與語音提示。計算機通過網(wǎng)絡實時傳輸給外部計算機，醫(yī)生可以根據(jù)數(shù)據(jù)判斷訓練完成情況，并通過計算機遠程指導，如圖1?；颊咴谄鹆⒂柧殨r，液壓彈簧將人體托起，減輕下肢承受力?；颊哒玖⑵饋砗螅瑥椓臀黄そ詈驼郫B復位結(jié)構(gòu)將座椅垂直收起，增加患者行走訓練的空間?；颊咴谟柧毨蹠r，將座椅水平旋轉(zhuǎn)90℃，即可在座椅上休息。結(jié)束訓練時，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的傳感器。其核心部件包括紅外投影機、彩色攝像機、紅外深度攝像機和芯片4個部分，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)的輸入和儲存、根據(jù)運動障礙一側(cè)、康復部位及訓練模式設立康復計劃、進行訓練時的語音提醒。顯示器主要是顯示動作模板和實時顯示患者訓練畫面、訓練結(jié)束后通過聊天窗口和PDF文檔反饋訓練結(jié)果的評價。

2.2 后臺實時數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)采集并初步處理后，系統(tǒng)對根據(jù)相應關節(jié)連線的角度值和位置范圍值對患者的運動數(shù)據(jù)進行實時評分。數(shù)據(jù)采集模塊中利用公式計算相聯(lián)系的3個關節(jié)點連線的夾角，如公式（1）：

通過公式（2），當Kinect捕捉關節(jié)運動時，系統(tǒng)可以隨時獲取節(jié)點之間的相對夾角，從而計算出Δt時間范圍內(nèi)運動的關節(jié)點與圓心關節(jié)點的夾角變化Δθ，并假設該運動關節(jié)點對應角度范圍的變量為K，K通過公式（2）確定：

在每次數(shù)據(jù)采集過程中，系統(tǒng)計算當前時間和前Δt時刻的夾角變化Δθ，獲得K的數(shù)據(jù)并計算，當K=假時繼續(xù)捕捉運動關節(jié)點所在位置信息，當K=真時顯示相應音頻信息和文字信息提醒，結(jié)束并開始下一動作的信息采集。

2.3 動作庫模塊

動作庫由動作模板和評分算法組成，它不僅是整個系統(tǒng)的重要部分，而且是康復訓練前端的核心。動作模板和評分算法分別具有為患者提供訓練引導、為評價用戶訓練情況提供依據(jù)的作用。根據(jù)每個動作的特點，選取評分要點，如關鍵部位夾角、關節(jié)位置的范圍值以及不同關節(jié)點位置關系等。動作庫如表1。

2.4 患者動態(tài)實時火柴人顯示模塊

將系統(tǒng)設定Kinect采集信息為30幀/秒，且在顯示器動態(tài)實時播放含有20個人體關節(jié)點的火柴人的畫面，患者可以參照火柴人的畫面了解自己訓練動作是否標準并及時作出調(diào)整。Kinect骨骼追蹤技術所采集的共有人體20個關節(jié)點。

2.5 中心網(wǎng)站和網(wǎng)絡交流模塊

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

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柧殨r，液壓彈簧將人體托起，減輕下肢承受力?；颊哒玖⑵饋砗?，彈力復位皮筋和折疊復位結(jié)構(gòu)將座板垂直收起，增加患者行走訓練的空間?；颊咴谟柧毨蹠r，將座板水平旋轉(zhuǎn)90°，即可在座椅上休息。結(jié)束訓練時，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)測試

為了檢驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，分別選取肘關節(jié)屈曲、雙手合并、肘關節(jié)屈曲加平移、頭部360°轉(zhuǎn)動等4個動作，每個動作測試100次。對比實際動作與系統(tǒng)識別是否準確。結(jié)果表明系統(tǒng)對肘關節(jié)屈曲、雙手合并動作能完全識別，而小肘關節(jié)屈曲加平移、頭部360°轉(zhuǎn)動5次識別不出。其原因是測試人員動作較快而系統(tǒng)識別發(fā)生誤差?？傮w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

在社會老齡化，運動性功能障礙患者逐年增多而醫(yī)護人員緊缺的背景下，家庭康復訓練系統(tǒng)能解放醫(yī)生的勞動力，提高患者康復效果。它在優(yōu)良的人機交互、醫(yī)患之間良性互動的基礎上，對病人的康復有積極的影響。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性符合設計要求，具有一定的應用價值。

參考文獻

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