基于Kinect的平衡功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計

張志鵬

摘 要：文章基于體感設(shè)備Kinect，設(shè)計開發(fā)了一套針對老年人和腦卒中患者的平衡功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)以游戲的形式對使用者的平衡功能進(jìn)行訓(xùn)練，成本低、交互流暢、使用簡單，在患者自主訓(xùn)練的積極性、便捷性和有效性方面得到了驗證。

關(guān)鍵詞：平衡功能；Kinect；康復(fù)訓(xùn)練

研究表明，老年人以及患病人數(shù)逐年增長的腦卒中患者會出現(xiàn)平衡能力大幅下降的情況[1]。平衡能力的下降會導(dǎo)致人體喪失獨立行動的能力[2]。因此研究并改善平衡功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)具有重要意義[3]。

現(xiàn)有的平衡能力訓(xùn)練都以指定動作的完成情況或重心軌跡為標(biāo)準(zhǔn)，而后者更加客觀準(zhǔn)確[4]。采用三維運動捕捉系統(tǒng)來捕捉身體重心，或是采用足底壓力測試系統(tǒng)以足底壓力中心替代重心[5]，兩種方式成本都較高，而且不夠方便。而現(xiàn)有的采用Kinect作為輸入設(shè)備獲取重心的平衡康復(fù)系統(tǒng)對訓(xùn)練設(shè)計不夠深入，也沒有提供個性化的訓(xùn)練，有較大的改進(jìn)空間。

1 系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)包括以下模塊：用戶模塊、檢測模塊、訓(xùn)練模塊、評價模塊，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

1.1 總體設(shè)計

用戶登錄后可以選擇x-t重心訓(xùn)練模式和x-y重心訓(xùn)練模式。訓(xùn)練過程中，系統(tǒng)的檢測模塊通過Kinect捕捉患者的骨骼點的空間三維坐標(biāo)，通過身體節(jié)段法計算得到重心空間坐標(biāo)[6]，并由此得到重心軌跡參數(shù)，包括：擺幅、x-y平面軌跡包絡(luò)面積、x-t重心軌跡穩(wěn)定性。評價模塊負(fù)責(zé)實時難度智能調(diào)控，還會根據(jù)訓(xùn)練任務(wù)完成情況給出評價，并提供近期訓(xùn)練趨勢，作為訓(xùn)練建議和激勵。

1.2 x-t重心訓(xùn)練模式設(shè)計

x-t重心訓(xùn)練模式是虛擬角色駕駛平衡車在平直路線上收集金幣的虛擬訓(xùn)練場景。如圖2所示，訓(xùn)練題材和反饋上區(qū)別于普通游戲，回避了障礙物以及碰撞障礙帶來的消極反饋，保證了訓(xùn)練全程都是正向激勵。為了滿足無限長直跑到需求，采用了模塊化的場景設(shè)計，備選模塊動態(tài)在下一個任務(wù)單元難度范圍中隨機(jī)加載。

虛擬角色實時保持與患者動作一致，與平衡車的尾燈一起直觀體現(xiàn)患者重心與當(dāng)前動作的關(guān)系，方便自主動作糾正。平衡車整體在x軸的移動方式采用速度與重心偏移方向一致的方案，保證了行車軌跡與重心軌跡的一致性。

x-t訓(xùn)練模式的訓(xùn)練任務(wù)是駕駛平衡車收集路上的金幣。收集金幣的即時反饋引導(dǎo)患者進(jìn)行重心偏移，完整收集金幣的增益反饋引導(dǎo)患者對重心更精確的持續(xù)控制，完成指定數(shù)量金幣的階段性反饋，提供患者挑戰(zhàn)更高分?jǐn)?shù)的動力。

系統(tǒng)對難度進(jìn)行智能控制，當(dāng)前任務(wù)單元完成情況較好時會自動提高難度，提高訓(xùn)練效率。當(dāng)前任務(wù)單元完成情況較差時會自動降低難度，保證患者訓(xùn)練的積極性。

1.3 x-y重心訓(xùn)練模式設(shè)計

如圖3所示，在x-y訓(xùn)練模式場景中，航標(biāo)實時反饋患者重心在當(dāng)前平面內(nèi)的位置，軌跡與重心軌跡相對應(yīng)。漁船始終以不超過漁船極限的速度駛向航標(biāo)，防止了漁船的頻繁不規(guī)則移動，同時保證患者不會為了更快完成任務(wù)而過快移動中心造成摔倒。魚群為圓形區(qū)域，魚群范圍邊緣有環(huán)形粒子特效標(biāo)識魚群的判定范圍，并在漁船進(jìn)行捕撈時進(jìn)行倒計時。

x-y重心訓(xùn)練模式的任務(wù)就是通過移動重心控制航標(biāo)，進(jìn)而控制漁船到魚群范圍捕魚。通過魚群的屬性靈活配置可以適應(yīng)不同類型患者定制化的平衡康復(fù)訓(xùn)練需求。縮小捕撈范圍即提升患者重心控制精確性，控制魚群刷新區(qū)域即配置患者的訓(xùn)練區(qū)域以及患側(cè)方向，增長捕撈要求時間即提升患者重心的穩(wěn)定性。

2 結(jié)語

本文基于Kinect設(shè)計開發(fā)了一套針對老年人和腦卒中患者的平衡功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用簡單、趣味性強(qiáng)，不僅能夠以游戲的形式為患者提供平衡訓(xùn)練，還能將訓(xùn)練數(shù)據(jù)作為平衡功能評估參考。該系統(tǒng)的應(yīng)用對于老年人及腦卒中患者的平衡功能康復(fù)訓(xùn)練具有重要意義。

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