基于光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉的上肢康復(fù)機(jī)器人可用性測(cè)試研究

丁竹，王殊軼，谷雯雪,于德旺，陳俊

上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院(上海, 200093)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和老年化的加劇， 老年人易發(fā)的中風(fēng)、 偏癱等腦血管疾病的發(fā)病率也隨之增加， 患者主要表現(xiàn)為肢體運(yùn)動(dòng)障礙[1]。利用康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練逐漸成為治療肢體運(yùn)動(dòng)障礙的主要方式， 上肢康復(fù)機(jī)器人的作用是實(shí)現(xiàn)患者上肢運(yùn)動(dòng)功能重建， 使患者回歸日常生活[2-4]。而上肢康復(fù)機(jī)器人由于設(shè)計(jì)的不合理往往在臨床中出現(xiàn)使用錯(cuò)誤， 從而對(duì)患者康復(fù)效果產(chǎn)生影響， 嚴(yán)重者將危及患者生命[5-6]， 所以對(duì)上肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行可用性測(cè)試是十分必要的工作。

1 研究現(xiàn)狀

安全性是醫(yī)療器械可用性測(cè)試的首要指標(biāo)， 也是最重要的指標(biāo)[7]， 而上肢康復(fù)機(jī)器人的有效性主要通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)來(lái)驗(yàn)證。光學(xué)式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)通過(guò)捕捉粘貼在人體主要關(guān)節(jié)部位上的被動(dòng)反光標(biāo)記小球(Marker)的三維空間位置記錄人體在運(yùn)動(dòng)捕捉范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。 近年來(lái)國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者都曾利用光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)進(jìn)行上肢康復(fù)的相關(guān)研究， 如Pasquale等[8]利用機(jī)械手臂系統(tǒng)和有標(biāo)記光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)分別對(duì)家庭康復(fù)訓(xùn)練中患者肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)軌跡跟蹤能力進(jìn)行評(píng)價(jià)， 驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。但由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境中電子設(shè)備對(duì)系統(tǒng)的磁干擾無(wú)法排除， 所以角度測(cè)量結(jié)果受到影響。Adso等[9]對(duì)用于康復(fù)治療的上肢和下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的Kinect運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)進(jìn)行了生物力學(xué)驗(yàn)證， 對(duì)比研究了Kinect與光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉專業(yè)系統(tǒng)(VICON)的關(guān)節(jié)角計(jì)算精度， 通過(guò)兩種系統(tǒng)獲得的上半身和下半身關(guān)節(jié)角度的差異來(lái)評(píng)估其作為運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的準(zhǔn)確性， 結(jié)果證明Kinect的精度不及光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)， 但可以確認(rèn)Kinect是目前康復(fù)治療中非常有用的技術(shù)。Joan等[10]建立了一個(gè)神經(jīng)障礙患者上肢運(yùn)動(dòng)的新生物力學(xué)模型， 對(duì)上肢運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、 動(dòng)力學(xué)和能量分析， 該模型的生物力學(xué)測(cè)量結(jié)果為臨床醫(yī)生深入了解神經(jīng)性疾病患者日常生活活動(dòng)中上肢運(yùn)動(dòng)情況提供了有價(jià)值的信息。

本文為上肢康復(fù)機(jī)器人建立了可用性測(cè)試指標(biāo)模型， 如圖1所示。利用光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)采集受試者在利用上肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)， 客觀驗(yàn)證了上肢康復(fù)機(jī)器人的安全性和有效性， 并采用視覺模擬評(píng)分法對(duì)受試者進(jìn)行主觀問卷調(diào)查， 其結(jié)果反映了上肢康復(fù)機(jī)器人的舒適性問題。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 受試者

ANSI/AAMI HE75:2009標(biāo)準(zhǔn)提出， 對(duì)于后期總結(jié)性可用性測(cè)試， 每個(gè)不同的用戶組只需要15到20名參與者就可以進(jìn)行[11]。因此本次實(shí)驗(yàn)招募15名受試者， 其中8名男性、 7名女性， 年齡(23.4±1.7)歲； 身高(1.7±0.08) m； 體重(60.73±10.15) kg； 體重指數(shù)(20.92±1.82) kg/m2。入組標(biāo)準(zhǔn)為無(wú)上肢關(guān)節(jié)和肌肉疾患的正常成年人。排除標(biāo)準(zhǔn)： 1)患有腦卒中、 偏癱及有上述病史者； 2)患有腦損傷及腦神經(jīng)功能障礙及有上述病史者； 3)上肢關(guān)節(jié)、 肌肉疼痛或有骨折、 關(guān)節(jié)脫位病史者。

圖1 上肢康復(fù)機(jī)器人可用性測(cè)試指標(biāo)模型Fig.1 Usability test index model of upper limb rehabilitation robot

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)選擇了安陽(yáng)神方康復(fù)機(jī)器人有限公司的上肢康復(fù)機(jī)器人SFRobot作為研究對(duì)象， 該上肢康復(fù)機(jī)器人適用于腦卒中、 外傷、 術(shù)后等原因所致的上肢功能障礙患者。整個(gè)系統(tǒng)包括患者訓(xùn)練設(shè)備和醫(yī)生操作界面?？祻?fù)機(jī)器人具有6個(gè)自由度： 肩關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展、 屈/伸、 內(nèi)旋/外翻、 肘關(guān)節(jié)屈/伸、 前臂旋前/旋后、 腕關(guān)節(jié)屈/伸， 能夠?qū)崿F(xiàn)被動(dòng)訓(xùn)練、 主動(dòng)訓(xùn)練以及虛擬現(xiàn)實(shí)游戲訓(xùn)練， 實(shí)物如圖2所示。

圖2 上肢康復(fù)機(jī)器人實(shí)物 Fig.2 Physical picture of upper limb rehabilitation robot

2.3 測(cè)試任務(wù)

測(cè)試準(zhǔn)備： 本次實(shí)驗(yàn)的三維運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)由瑞典Qualisys公司的光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)采集。Qualisys光學(xué)式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)使用高速攝像機(jī)來(lái)精確捕捉帶有主動(dòng)或被動(dòng)標(biāo)記點(diǎn)的可測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)。采集系統(tǒng)由數(shù)臺(tái)超高速紅外攝像機(jī)Miqus1、 分析軟件QTM、 校準(zhǔn)設(shè)備、 反光標(biāo)記球Maker和設(shè)備固定裝置組成。受試者實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖3所示。在受試者右上肢各關(guān)節(jié)點(diǎn)表面的皮膚表面貼上反光球Marker[12]， 要求受試者身穿緊身且無(wú)反光材料的上衣， 以減少對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。將6個(gè)Miqus1高速紅外攝像機(jī)分布在上肢康復(fù)機(jī)器人和受試者周圍， 位置擺放以每臺(tái)攝像機(jī)盡可能捕捉到所有Marker點(diǎn)為準(zhǔn)[13]。將攝像機(jī)與系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和PC端正確連接， 啟動(dòng)Qualisys運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)配套分析軟件QTM， 進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定， 得到系統(tǒng)精度為0.019 mm， 采樣頻率為100 Hz。

測(cè)試內(nèi)容： 讓受試者在上肢康復(fù)機(jī)器人上模擬卒中患者做5 min被動(dòng)訓(xùn)練， 訓(xùn)練過(guò)程中運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)采集受試者身上Marker點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)， 并實(shí)時(shí)傳輸?shù)絈TM分析軟件中； 訓(xùn)練完成后受試者填寫主觀問卷調(diào)查表， 并進(jìn)行會(huì)后訪談。

圖3 受試者實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景Fig.3 Subjects' experimental scenes

2.4 數(shù)據(jù)處理

將Marker點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為受試者上肢三維模型， 得到受試者肩關(guān)節(jié)內(nèi)收外展角度、 肘關(guān)節(jié)屈伸角度和腕關(guān)節(jié)屈伸角度數(shù)據(jù)， 用快速上肢評(píng)估量表對(duì)受試者上肢進(jìn)行肌肉骨骼損傷風(fēng)險(xiǎn)分析， 將運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)得到的角度數(shù)據(jù)與上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)角度做相關(guān)性分析， 并計(jì)算平均誤差， 最后用視覺模擬評(píng)分法(Visual Analogue Scale， VAS)對(duì)受試者進(jìn)行主觀問卷調(diào)查[14]。

3 結(jié)果

3.1 安全性驗(yàn)證

根據(jù)RULA計(jì)算得出15名受試者最后得分均為3分(得分為1或2說(shuō)明該工作環(huán)境比較舒適； 得分為3或4說(shuō)明該工作環(huán)境需要進(jìn)一步深入研究； 得分為5或6說(shuō)明該工作環(huán)境需要盡快改進(jìn)； 得分為7或8， 說(shuō)明該工作環(huán)境需要立即調(diào)查并改進(jìn))。如圖4所示， 說(shuō)明該上肢康復(fù)機(jī)器人說(shuō)明該工作環(huán)境配置相對(duì)合適， 不會(huì)對(duì)受試者造成明顯的肌肉骨骼損傷， 保證了上肢康復(fù)機(jī)器人的安全性， 但需要進(jìn)一步深入研究。

圖4 RULA得分Fig.4 RULA scores

3.2 有效性分析

將某位受試者用運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)和上肢康復(fù)機(jī)器人采集到的肩關(guān)節(jié)內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)角度、 肘關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)角度和腕關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)角度數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)繪圖軟件中進(jìn)行曲線繪制， 得到該受試者的關(guān)節(jié)角度曲線如圖5所示， 圖中可看出運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)采集的角度數(shù)據(jù)與上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)角度在肩關(guān)節(jié)內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)、 肘關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)和腕關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)總表現(xiàn)出一致性， 平均誤差分別為6.09和8.59和0.46。

對(duì)15名受試者的運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)與上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)角度數(shù)據(jù)做配對(duì)t檢驗(yàn)， 得到相關(guān)系數(shù)r和P值， 得到角度分析結(jié)果顯示在表1中。15名受試者的運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)與上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)數(shù)據(jù)在肩關(guān)節(jié)內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)和肘關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)中均顯示顯著相關(guān)性(P<0.05)， 相關(guān)系數(shù)的平均值分別為0.951和0.823； 而腕關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)結(jié)果上顯示無(wú)相關(guān)性， 在腕關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)分析中， 上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)顯示腕關(guān)節(jié)在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中無(wú)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生， 而運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)顯示腕關(guān)節(jié)在整個(gè)康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中出現(xiàn)周期性的運(yùn)動(dòng)， 兩種數(shù)據(jù)的差異可以從圖5(c)中看出。

圖5 受試者的關(guān)節(jié)角度曲線圖Fig.5 Joint angle curve of the subject

將15名受試者角度數(shù)據(jù)的平均誤差(Mean Error, ME)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)， 得到肩關(guān)節(jié)內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)、 肘關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)以及腕關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)的平均誤差如表1所示。考慮到肩關(guān)節(jié)、 肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)在實(shí)驗(yàn)中的活動(dòng)范圍各不相同， 平均誤差無(wú)法在同一量級(jí)進(jìn)行比較， 本文選擇相對(duì)關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍的平均誤差(Mean Error Relative to Range of Motion, MER)參數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍(Range of Motion, ROM)是評(píng)估關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)最常用的測(cè)量方式[15]。表1中給出了三種關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍ROM， 平均誤差ME以及相對(duì)關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍的平均誤差 。三種運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍均在正常范圍內(nèi)， 且運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)與上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)角度數(shù)的平均誤差ME與關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍ROM呈一定的線性增長(zhǎng)關(guān)系， 除此之外， 肩關(guān)節(jié)內(nèi)收外展、 肘關(guān)節(jié)屈伸和腕關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)相對(duì)關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍的平均誤差依次增大， 說(shuō)明上肢康復(fù)機(jī)器人肩關(guān)節(jié)、 肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的有效性依次降低[16]。

表1 角度分析結(jié)果Tab.1 Angular analysis results

3.3 舒適性評(píng)價(jià)

受試者主觀問卷調(diào)查表涉及7個(gè)與上肢康復(fù)機(jī)器人舒適性相關(guān)的問題， 主觀問卷調(diào)查總得分為70.85(滿分為100分， 其中得分≥70分為滿意； 得分31～69分為一般； 得分≤30分為不滿意)， 表明上肢康復(fù)機(jī)器人舒適性總體上是令人滿意的。對(duì)得分結(jié)果進(jìn)行分析得出得分≥70分的人數(shù)所占比例均在46.7%以上， 最高達(dá)到100%。而得分情況較差的項(xiàng)目主要涉及手臂固定裝置的舒適性、 訓(xùn)練過(guò)程中肌肉拉伸效果和座位高度設(shè)置的問題。

通過(guò)會(huì)后訪談發(fā)現(xiàn)， 有4名受試者反應(yīng)手部固定裝置對(duì)手指擠壓過(guò)度， 在訓(xùn)練過(guò)程中出現(xiàn)手指麻木的情況。有3名受試者反應(yīng)在訓(xùn)練過(guò)程中存在手腕過(guò)度外翻和過(guò)度內(nèi)翻的現(xiàn)象， 從而使前臂肌肉過(guò)度拉伸產(chǎn)生撕裂感， 這種情況與圖5(c)中運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)采集的腕關(guān)節(jié)屈伸角度變化規(guī)律相符。另外有2位受試者反應(yīng)座椅高度過(guò)低， 他們不得不離開座位表面才能完成康復(fù)訓(xùn)練。經(jīng)過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)這兩名受試者分別為男生組和女生組中身高為最小值的人， 分別為： 男生1.64 m， 女生1.54 m， 這反應(yīng)出邊緣身高的受試者對(duì)上肢康復(fù)機(jī)器人的舒適性不高， 后期改進(jìn)設(shè)計(jì)可考慮增加座椅高度。

4 討論

本研究基于光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)對(duì)一款上肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行了可用性測(cè)試。用快速上肢評(píng)估量表得分保證了上肢康復(fù)機(jī)器人安全性。通過(guò)運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)和上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析、 平均誤差和相對(duì)于關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍的平均誤差等對(duì)上肢康復(fù)機(jī)器人的有效性進(jìn)行分析， 得出上肢康復(fù)機(jī)器人肩部-肘部-腕部有效性依次降低。由主觀問卷調(diào)查法進(jìn)行上肢康復(fù)機(jī)器人舒適性評(píng)價(jià)， 從而找出可用性問題。

本研究還存在許多局限性， 主要體現(xiàn)在： 1)上肢外骨骼結(jié)構(gòu)對(duì)Marker點(diǎn)造成遮擋造成數(shù)據(jù)丟失， 盡管采用線性插值的方法對(duì)丟失數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償， 但也對(duì)數(shù)據(jù)造成一定的偏差； 2)Marker點(diǎn)數(shù)目較少， 無(wú)法進(jìn)行肩關(guān)節(jié)屈伸、 肩關(guān)節(jié)外旋內(nèi)旋以及肘關(guān)節(jié)旋前旋后運(yùn)動(dòng)分析； 3)僅對(duì)上肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行了可用性測(cè)試研究， 軟件系統(tǒng)的可用性尚待驗(yàn)證。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究的報(bào)告結(jié)果為從事上肢康復(fù)機(jī)器人產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員指出了改進(jìn)設(shè)計(jì)的方向， 提出的上肢康復(fù)機(jī)器人的可用性測(cè)試方法為醫(yī)療器械可用性測(cè)試工作者建立了可用性測(cè)試框架模型， 并從關(guān)節(jié)角度運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度分析了上肢康復(fù)機(jī)器人的可用性， 今后的研究可以從關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)以及功能分析等方向進(jìn)行研究。