腦卒中手指康復(fù)訓(xùn)練中視覺(jué)監(jiān)控設(shè)備的設(shè)計(jì)

仇嘉慧 馬兆敏

（廣西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，廣西 柳州 545000）

我國(guó)患腦血管病的群體正在年輕化，其中有大約60%以上的患者在發(fā)病后遺留有手部功能障礙[1]，因此要求對(duì)腦卒中患者的手指康復(fù)訓(xùn)練的需求越來(lái)越大。而在目前的研究中對(duì)手部康復(fù)的研究主要是以智能機(jī)器人為主，以硬件對(duì)手部進(jìn)行相應(yīng)的康復(fù)訓(xùn)練而缺乏了訓(xùn)練監(jiān)控的一個(gè)過(guò)程[2]。也就導(dǎo)致了在手康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中，并不能了解到手指的訓(xùn)練情況，康復(fù)訓(xùn)練是否到位，是否每個(gè)手指都得到了足夠的訓(xùn)練等。因此為實(shí)現(xiàn)腦卒中后病人手指的自動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，可考慮引入機(jī)器視覺(jué)開(kāi)發(fā)手指康復(fù)監(jiān)控設(shè)備。已有研究對(duì)手指姿勢(shì)的研究相對(duì)比較多[3-5]，但其準(zhǔn)確性和精準(zhǔn)度無(wú)法得到保證。在手指康復(fù)訓(xùn)練上[6]，也有相應(yīng)的算法研究。但這些研究沒(méi)有將手指康復(fù)過(guò)程監(jiān)控作為目標(biāo)。針對(duì)這一現(xiàn)象，可以考慮引入機(jī)器視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行手指康復(fù)訓(xùn)練監(jiān)控設(shè)備的開(kāi)發(fā)。監(jiān)控設(shè)備主要包括兩個(gè)部分：一是手指運(yùn)動(dòng)監(jiān)控部分，二是康復(fù)運(yùn)動(dòng)控制部分。

1 手指運(yùn)動(dòng)監(jiān)控部分

為更好的監(jiān)控手指的康復(fù)運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)引入雙目攝像頭進(jìn)行圖像采集。分別為上攝像頭和側(cè)攝像頭，上攝像頭主要用于識(shí)別康復(fù)動(dòng)作的手指，而側(cè)攝像頭則是為了識(shí)別手指動(dòng)作的位置。雙攝像頭同時(shí)拍攝，獲取同一時(shí)間兩個(gè)不同手指方位的手指圖像，當(dāng)?shù)玫綀D片后都進(jìn)行圖像分割將手指部分和背景分割開(kāi)，而且分割時(shí)只分割所需區(qū)域，將得到分割好的圖像后進(jìn)行圖像二值化處理。側(cè)面的攝像機(jī)采集的圖像進(jìn)行二值化處理后追蹤相應(yīng)的像素點(diǎn)，通過(guò)特定的像素點(diǎn)得到手指動(dòng)作情況。頂端的攝像機(jī)采集的圖像進(jìn)行二值化處理后，與第一張無(wú)手指動(dòng)作的圖像的二值圖相減，得到剩余的像素點(diǎn)的位置便是手指伸出的位置，通過(guò)查找相應(yīng)像素點(diǎn)便可得出正在動(dòng)作的是哪個(gè)手指。

對(duì)于手部的圖像分割來(lái)說(shuō)，采用閾值分割的方法。圖像閾值分割是一種比較經(jīng)典和常用的一種分割方法，其中閾值的確定是分割的關(guān)鍵一步，無(wú)論是閾值取得太大還是閾值過(guò)小都會(huì)直接影響分割效果，而且不同的分割閾值都會(huì)得到不同的分割結(jié)果，因此閾值的選擇是關(guān)鍵，第二就是每個(gè)像素點(diǎn)都應(yīng)該要有對(duì)應(yīng)的值，這個(gè)對(duì)應(yīng)值就被稱之為特征值，其中提取這個(gè)特征值的方法就叫作特征提取。為此需要構(gòu)造一個(gè)光源充足的背景單一的環(huán)境，并且在手上戴上純紅色手套，這就可以將手部與背景有一個(gè)非常明顯的對(duì)比。因此本研究就采用了閾值分割法，而且分割的特征就為紅色，直接提取紅色部分的點(diǎn)，即為所要分割的手的圖像。因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)構(gòu)造了良好的分割環(huán)境，因此分割效果也是有相應(yīng)的保障的。

本實(shí)驗(yàn)將整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建好后，就對(duì)采集到的照片通過(guò)提取紅色為分割特征值，然后將有用區(qū)域的像素點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)統(tǒng)計(jì)，得到相應(yīng)的分割閾值。選擇好相應(yīng)的分割特征和閾值后，開(kāi)始對(duì)這兩組圖像進(jìn)行相應(yīng)的圖像分割。分割結(jié)果見(jiàn)圖1 和圖2。

圖1 側(cè)面圖像分割

圖2 頂端圖像分割

2 康復(fù)運(yùn)動(dòng)控制部分

康復(fù)運(yùn)動(dòng)控制部分主要包括信號(hào)控制機(jī)構(gòu)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電源三大部分構(gòu)成。

信號(hào)控制結(jié)構(gòu)主要由超聲波傳感器和西門子logo 組成。利用超聲波傳感器將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)感應(yīng)電磁鐵的位置狀況，再把信號(hào)傳給西門子logo 中，然后通過(guò)邏輯編程控制電磁鐵的通斷狀態(tài)從而實(shí)現(xiàn)手指的抬升訓(xùn)練，而且西門子logo 是八輸入四輸出的結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行外擴(kuò)展端口，而且西門子logo 的編程可以通過(guò)梯形圖和邏輯圖兩種方式編程，這里采用的是邏輯圖編程（見(jiàn)圖3）。其中I1 為輸入，Q1和Q2 為輸出，因?yàn)槌暡ǜ袘?yīng)到推桿位置時(shí)就會(huì)立即將信號(hào)傳給西門子logo 中，而西門子就會(huì)立即給信號(hào)給推桿動(dòng)作，而推桿一動(dòng)作超聲波傳感器就會(huì)立即沒(méi)有信號(hào)，由于此間的間隔時(shí)間過(guò)短，就會(huì)導(dǎo)致電磁鐵通電時(shí)間太短動(dòng)力不足，因此應(yīng)該在上面加一個(gè)斷電延時(shí)模塊，保證電磁鐵能正常工作。

圖3 邏輯控制圖

機(jī)械部分主要就是電磁鐵，電磁鐵有個(gè)特點(diǎn)就是通電就動(dòng)作，什么時(shí)候斷電什么時(shí)候才恢復(fù)原狀，而且電磁鐵不能長(zhǎng)期通電，不然很容易發(fā)燙甚至損壞。電磁鐵的行程由自己所需的推動(dòng)的東西決定，而在這里選擇了行程為50mm 的電磁鐵，電磁鐵通過(guò)推動(dòng)固定在指板下方的三角形木塊從而帶動(dòng)指板上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手指的抬升訓(xùn)練。

電源給整個(gè)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力源，保證整個(gè)設(shè)備的正常運(yùn)作。主要是根據(jù)設(shè)備所需的電源所確定，有24v 電源、36v 電源等，由于所用的電磁鐵需要的是24v 電源，因此所選的電源就是24v 電源。整個(gè)動(dòng)力機(jī)構(gòu)主要就是給電磁鐵、西門子logo 還有傳感器提供穩(wěn)定的動(dòng)力。

設(shè)備整體框架為木制結(jié)構(gòu)，分為上下結(jié)構(gòu)，底下是一個(gè)u 型木板，用于將電磁鐵固定與電源的放置，u 型木板上放置的是一塊平滑的木板，并在合適的位置利用合頁(yè)固定好小長(zhǎng)方形板，作為支撐手指的木板，在小木板底下固定好一個(gè)小木塊，作為電磁鐵推動(dòng)的目標(biāo)，再通過(guò)木塊帶動(dòng)手指運(yùn)動(dòng)。（見(jiàn)圖4）

圖4 實(shí)物圖

3 結(jié)論

通過(guò)雙目攝像頭對(duì)在康復(fù)訓(xùn)練的手指在不同方位的圖像采集，將得到的圖像進(jìn)行相應(yīng)的圖像分割、圖像特征值提取等處理后是可以得到手指的動(dòng)作狀態(tài)的。在成像上，采用雙目視覺(jué)，因此在視覺(jué)監(jiān)控上比單目視覺(jué)更加全面，不僅可以得到手指抬升情況還可以得到在動(dòng)作的手指是哪一個(gè)。

從目前的研究來(lái)看，對(duì)于腦卒中患者康復(fù)中，基本都是使用機(jī)器直接套在相應(yīng)部位，很少與機(jī)器視覺(jué)搭配在一起，基本都是分為專門進(jìn)行手指監(jiān)控或者只做手指康復(fù)的設(shè)備儀器。而利用視覺(jué)的方式對(duì)手部抬升情況進(jìn)行處理，可得出手指動(dòng)作時(shí)它相應(yīng)的動(dòng)作手指和抬升情況。就探討手指康復(fù)和視覺(jué)監(jiān)控相結(jié)合，當(dāng)手指在進(jìn)行康復(fù)時(shí)，要一直進(jìn)行視覺(jué)監(jiān)控，對(duì)手指的狀態(tài)和抬升情況進(jìn)行分析，如果在未來(lái)的發(fā)展中視覺(jué)技術(shù)與設(shè)備相結(jié)合，通過(guò)當(dāng)前手部位置進(jìn)行相應(yīng)的手指康復(fù)訓(xùn)練，利用視覺(jué)技術(shù)監(jiān)控腦卒中患者手部康復(fù)的狀態(tài)，可以對(duì)患者手部康復(fù)有一個(gè)實(shí)時(shí)情況的了解。