基于體感技術(shù)上肢康復(fù)游戲系統(tǒng)的評(píng)價(jià)模塊

韓志峰，曹磊，楊文璐，賈杰，夏斌

基于體感技術(shù)上肢康復(fù)游戲系統(tǒng)的評(píng)價(jià)模塊

韓志峰1，曹磊1，楊文璐1，賈杰2，夏斌1

目的 基于體感交互技術(shù)開發(fā)上肢運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)系統(tǒng)，觀察其實(shí)時(shí)獲得康復(fù)效果的模塊功能。方法 利用Kinect體感器的骨骼跟蹤技術(shù)和Unity3D技術(shù)開發(fā)一款3D康復(fù)游戲系統(tǒng)。選取4個(gè)常用的上肢康復(fù)動(dòng)作，利用動(dòng)作引導(dǎo)軌跡引導(dǎo)5名健康受試者進(jìn)行訓(xùn)練，按系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)分。結(jié)果 5位受試者在有引導(dǎo)軌跡的康復(fù)游戲系統(tǒng)下的得分高于無引導(dǎo)下的得分。結(jié)論 基于Kinect的上肢康復(fù)游戲訓(xùn)練系統(tǒng)可以通過動(dòng)作引導(dǎo)軌跡引導(dǎo)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，并對(duì)康復(fù)效果進(jìn)行量化評(píng)估。

體感交互技術(shù)；上肢；康復(fù)；評(píng)估

老年人容易發(fā)作腦卒中、高血壓等疾病[1]。傳統(tǒng)康復(fù)方法模式較為單一，患者容易失去康復(fù)興趣，導(dǎo)致康復(fù)難以進(jìn)行?；谔摂M現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality,AR)技術(shù)的新策略已經(jīng)開始用于腦卒中的康復(fù)[2-5]。

目前，虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)系統(tǒng)主要有兩種形式：一種是基于穿戴設(shè)備的康復(fù)系統(tǒng)[6]，患者通過穿戴智能設(shè)備對(duì)其康復(fù)訓(xùn)練進(jìn)行記錄與反饋，智能設(shè)備的重量和體積等給患者康復(fù)帶來負(fù)擔(dān)；另一種是基于體感交互技術(shù)的康復(fù)系統(tǒng)[7]。利用體感交互技術(shù)不需要佩戴傳感器，就可以幫助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。

本課題組設(shè)計(jì)了一種基于Kinect骨骼跟蹤技術(shù)和Unity3D的康復(fù)游戲系統(tǒng)。系統(tǒng)利用Kinect的骨骼跟蹤技術(shù)設(shè)計(jì)康復(fù)動(dòng)作引導(dǎo)軌跡，以輔助患者進(jìn)行自我康復(fù)訓(xùn)練；在結(jié)束時(shí)，則依據(jù)患者所做動(dòng)作與標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作的角度比較、坐標(biāo)比較和時(shí)間比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)作的評(píng)估。系統(tǒng)追蹤并記錄患者的康復(fù)過程，有利于患者及時(shí)調(diào)整康復(fù)訓(xùn)練計(jì)劃，提高康復(fù)效率；且系統(tǒng)的游戲性較強(qiáng)，能夠提高患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的積極性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文主要研究基于Kinect體感設(shè)備的康復(fù)評(píng)估系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)圖如圖1。評(píng)估方法總結(jié)性量表評(píng)定法，由一系列技能或功能活動(dòng)組成，根據(jù)受試者完成活動(dòng)的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)分，最后將各項(xiàng)評(píng)分相加得出總分，做出結(jié)論[8]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)首先利用Kinect體感設(shè)備獲取人體25個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，將三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為各關(guān)節(jié)角度序列和距離序列；根據(jù)康復(fù)動(dòng)作的特征提取出關(guān)節(jié)點(diǎn)角度序列、關(guān)節(jié)點(diǎn)距離序列和時(shí)間序列，這三個(gè)序列統(tǒng)稱為參量值。根據(jù)患者動(dòng)作的參量值，結(jié)合患者做動(dòng)作前標(biāo)定的關(guān)鍵參量值，計(jì)算參量評(píng)分。最后采用參量評(píng)分加權(quán)的方式評(píng)估患者康復(fù)動(dòng)作的效果，并及時(shí)反饋給患者，從而指導(dǎo)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。

1.1 Kinect體感器和Unity3D游戲引擎

Kinect 2.0體感器是微軟公司研發(fā)的一款設(shè)備，由彩色攝像頭、紅外傳感器和深度傳感器組成[9]。它可以實(shí)時(shí)獲取人體25個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)三維坐標(biāo)和彩色高清視頻。我們利用Kinect采集的數(shù)據(jù)開發(fā)應(yīng)用程序，可以為康復(fù)醫(yī)療提供可擴(kuò)展的解決方案[10-11]。

Unity3D游戲引擎可實(shí)現(xiàn)玩家與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的交互[12]。由于其獨(dú)特的跨平臺(tái)優(yōu)勢(shì)和優(yōu)越的3D渲染效果，近年來在體感互動(dòng)游戲系統(tǒng)[13-14]的開發(fā)領(lǐng)域倍受青睞。

1.2 康復(fù)動(dòng)作的設(shè)計(jì)

腦卒中患者一般經(jīng)歷軟癱期、痙攣期和康復(fù)期三個(gè)階段[15-17]。軟癱期患者只能進(jìn)行被動(dòng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，痙攣期患者需進(jìn)行伸展類康復(fù)訓(xùn)練，康復(fù)期患者需進(jìn)行關(guān)節(jié)活動(dòng)度訓(xùn)練。

利用Kinect的骨骼跟蹤技術(shù)，可對(duì)患者動(dòng)作過程進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤[18-19]，對(duì)患者的動(dòng)作進(jìn)行評(píng)估、實(shí)時(shí)反饋和精確記錄，引導(dǎo)患者做出標(biāo)準(zhǔn)的康復(fù)動(dòng)作?？祻?fù)訓(xùn)練任務(wù)可根據(jù)患者情況做出相應(yīng)調(diào)整。

本文康復(fù)動(dòng)作設(shè)計(jì)根據(jù)醫(yī)院康復(fù)科理療師的建議，結(jié)合BrunnstormⅣ、Ⅴ、Ⅵ期的動(dòng)作范式[8]，針對(duì)康復(fù)期患者選取4個(gè)常用的上肢康復(fù)動(dòng)作(表1)。經(jīng)過多次試驗(yàn)，Kinect對(duì)這些動(dòng)作的跟蹤效果良好。

表1 上肢康復(fù)動(dòng)作

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Kinect 2.0 SDK(software development kit)的應(yīng)用程序編程接口，獲取表征人體骨骼25個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)[9]，將關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為角度序列和距離序列，將動(dòng)作時(shí)間轉(zhuǎn)換為時(shí)間序列。從上述序列中提取特征，根據(jù)特征計(jì)算出評(píng)估參量的評(píng)分；最后采用參量評(píng)分加權(quán)的方式計(jì)算出游戲評(píng)分。具體流程見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖

1.3.1 特征的提取

經(jīng)過多次試驗(yàn)結(jié)果分析，關(guān)節(jié)點(diǎn)間的角度序列和距離序列中變化最大的共計(jì)7個(gè)，將它們作為特征。為提高評(píng)估的科學(xué)性，特征還包含動(dòng)作的時(shí)間序列，共8個(gè)特征值。記特征值集合為Pa={c1,c2,c3...c8}。在4個(gè)綜合性康復(fù)動(dòng)作中，這8個(gè)特征值表示8個(gè)參量，見表2。

表2 特征值變量與參量名

做動(dòng)作前，患者正對(duì)Kinect體感器站立，距離2.3～2.5 m，雙臂放松向下，肘關(guān)節(jié)伸展，軀干挺直，雙肩平齊。系統(tǒng)完成標(biāo)定，記錄參量的標(biāo)定值。參量標(biāo)定值可作為參量評(píng)分的一個(gè)約束因子。通過多次試驗(yàn)，將上肢康復(fù)的參量標(biāo)定值設(shè)為5個(gè)，分別是手與目標(biāo)距離、左肘關(guān)節(jié)角度、右肘關(guān)節(jié)角度、軀干傾斜度和雙肩高度差，記為Pb={d1,d2,d3...d5}。系統(tǒng)動(dòng)作評(píng)估參量的得分由Pa和Pb計(jì)算而來。

1.3.2 關(guān)鍵特征的計(jì)算

以第1個(gè)動(dòng)作為例，選取左肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)3個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)(圖3)，分別設(shè)為J1(x1,y1,z1)、J2(x2,y2,z2)、J3(x3,y3,z3)。其中，連接點(diǎn)J1和J2的矢量M在X,Y,Z方向的分量分別為MX,MY,MZ，連接點(diǎn)J2和J3的矢量N在X,Y,Z方向的分量分別為NX,NY,NZ。

圖3 關(guān)節(jié)點(diǎn)空間矢量圖

計(jì)算出矢量的模，也就計(jì)算出了距離序列；根據(jù)兩個(gè)矢量的模，可以計(jì)算角度序列。

設(shè)兩個(gè)相鄰關(guān)節(jié)點(diǎn)組成的矢量為M，模

設(shè)M與X軸、Y軸、Z軸的夾角為α1,α2,α3，

其中，α1,α2,α3均∈(0°,180°)，β∈[30°,180°)。

1.3.3 參量評(píng)分的計(jì)算

不同動(dòng)作的評(píng)估方法相同，但計(jì)算參量評(píng)分的閾值和計(jì)算游戲得分的權(quán)值不同。以第1個(gè)動(dòng)作為例，使用特征值集合Pa對(duì)動(dòng)作進(jìn)行評(píng)估，ci為動(dòng)作實(shí)測(cè)的特征值，則其平均值為

其中，k和n表示測(cè)試者運(yùn)動(dòng)軌跡包含的三維坐標(biāo)點(diǎn)的數(shù)量；da和db屬于集合Pb，η為根據(jù)健康人多次試驗(yàn)后選取的閾值，可根據(jù)條件做出修改，它是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值。參量閾值集合為 H={η1,η2,η3...η8}。c表示cmean和cmin。不同動(dòng)作選不同的c和η，計(jì)算方法相同。

1.3.4 評(píng)估結(jié)果

通過參量評(píng)分的計(jì)算，可以得到一個(gè)參量評(píng)分的集合Sp={s1,s2,s3...s8}。由于參量評(píng)分si不盡相同，而且它們對(duì)于衡量動(dòng)作評(píng)估結(jié)果的貢獻(xiàn)度也存在差異，因此不能直接使用參量評(píng)分之和來評(píng)估動(dòng)作得分，可以通過給每一個(gè)參量評(píng)分賦予不同的權(quán)重來削減這種差異。權(quán)重值的設(shè)定要考慮每個(gè)參量在動(dòng)作評(píng)估中的波動(dòng)性，波動(dòng)性大的設(shè)定的權(quán)值較大，波動(dòng)性小的權(quán)值較小。經(jīng)過多次試驗(yàn)，給每個(gè)參量評(píng)分匹配了相應(yīng)的權(quán)重值，得到一個(gè)權(quán)重集合W={w1,w2,w3...w8}，并使根據(jù)各參量評(píng)分及其對(duì)應(yīng)的權(quán)重，可以得到歸一化的得分

2 實(shí)測(cè)

2.1 對(duì)象與方法

為了驗(yàn)證系統(tǒng)評(píng)估算法的可行性和有效性，分別進(jìn)行兩組試驗(yàn)。招募5名健康受試者，其中男性3名，女性2名，年齡22～24歲，均首次接觸該游戲訓(xùn)練系統(tǒng)。5名受試者分別在無引導(dǎo)軌跡的系統(tǒng)和有引導(dǎo)軌跡的系統(tǒng)中完成5次試驗(yàn)，每次完成4個(gè)動(dòng)作，共200次。比較系統(tǒng)以百分制給出的訓(xùn)練效果得分，分?jǐn)?shù)越高，表明受試者訓(xùn)練效果越好。

2.2 結(jié)果

5名受試者在有引導(dǎo)軌跡下的得分高于無引導(dǎo)軌跡下的得分。見表3。

測(cè)試顯示，不同受試者動(dòng)作2的平均得分相比動(dòng)作1和動(dòng)作3略低，但在實(shí)驗(yàn)時(shí)，受試者都能較好完成該動(dòng)作，提示得分不能很好反映訓(xùn)練效果。分析主要原因是計(jì)算參量評(píng)分的閾值設(shè)定不太合理。通過對(duì)計(jì)算參量評(píng)分的閾值和計(jì)算游戲得分的權(quán)值進(jìn)行優(yōu)化，有軌跡得分結(jié)果較優(yōu)化前有所提高。見表4。

3 討論

本研究通過健康人測(cè)試了系統(tǒng)的評(píng)估模塊。盡管由于受試者少，還不能得出一般性結(jié)論，但從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的動(dòng)作引導(dǎo)軌跡能夠引導(dǎo)受試者進(jìn)行更有效率的康復(fù)訓(xùn)練來看，系統(tǒng)的評(píng)估方法能夠有效地對(duì)上肢功能進(jìn)行評(píng)估。

動(dòng)作4不同受試者在有軌跡引導(dǎo)下的得分波動(dòng)較明顯，主要是由于受試者在將手臂舉過頭頂時(shí)，會(huì)出現(xiàn)手臂彎曲、身體傾斜等動(dòng)作，正確完成該動(dòng)作需要進(jìn)行一段時(shí)間訓(xùn)練。今后可以考慮入選更多的訓(xùn)練項(xiàng)目，完善系統(tǒng)功能。

虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)系統(tǒng)使得患者能夠利用自己的身體在虛擬環(huán)境中進(jìn)行交互，然后使用計(jì)算機(jī)技術(shù)，將患者的運(yùn)動(dòng)功能情況進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋[20]。虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)系統(tǒng)能夠通過感覺(視覺、聽覺、觸覺)輸入，增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)功能訓(xùn)練，并以虛擬環(huán)境和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)為目標(biāo)導(dǎo)向，讓患者在康復(fù)過程中保持興趣[21]。目前已經(jīng)有虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)設(shè)備應(yīng)用于醫(yī)院和家庭[22]，如麻省理工學(xué)院的手動(dòng)機(jī)器人和鏡像運(yùn)動(dòng)機(jī)器人。這些設(shè)備的主要缺點(diǎn)有二：一是設(shè)備本身的成本高，二是這些設(shè)備要求患者必須穿戴在身上，患者訓(xùn)練時(shí)會(huì)感覺不適[23]。

Kinect體感交互技術(shù)和Unity3D游戲引擎技術(shù)可以給患者帶來互動(dòng)感和沉浸感，被越來越多地應(yīng)用于醫(yī)療康復(fù)中，利用體感交互技術(shù)不需要佩戴傳感器就可以幫助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。Chang等[24]基于Kinect設(shè)計(jì)的康復(fù)系統(tǒng)能夠改善有運(yùn)動(dòng)障礙年輕人的運(yùn)動(dòng)功能。日本青山大學(xué)開發(fā)的康復(fù)評(píng)定系統(tǒng)[25]，能完成起立-走測(cè)試、10米步行測(cè)試及實(shí)時(shí)關(guān)節(jié)活動(dòng)度測(cè)量三項(xiàng)康復(fù)評(píng)定。利用Kinect體感交互技術(shù)開發(fā)的康復(fù)游戲系統(tǒng)，不僅可以記錄并反饋患者的康復(fù)訓(xùn)練效果，還可以提高患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的積極性。

本研究利用Kinect體感器，并參考相關(guān)的康復(fù)理論，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一個(gè)體感康復(fù)游戲系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對(duì)患者的動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤、記錄、評(píng)估計(jì)算及反饋，整個(gè)過程都以游戲的形式引導(dǎo)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。由于設(shè)計(jì)的動(dòng)作來源于一線治療師的臨床實(shí)踐，該系統(tǒng)在上肢功能障礙的康復(fù)中有潛在的應(yīng)用價(jià)值。系統(tǒng)使用的設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，只需要一臺(tái)Kinect和計(jì)算機(jī)就可以滿足要求，適合患者居家進(jìn)行自我康復(fù)訓(xùn)練。

表3 兩種條件下各動(dòng)作的評(píng)分比較(n=5)

表4 算法優(yōu)化前后動(dòng)作2有軌跡引導(dǎo)下的評(píng)分比較(n=5)

在以健康人為對(duì)象的試驗(yàn)中，系統(tǒng)可以引導(dǎo)研究對(duì)象進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的康復(fù)動(dòng)作訓(xùn)練，并對(duì)動(dòng)作效果給出評(píng)價(jià)。但該康復(fù)游戲系統(tǒng)在評(píng)估方面存在一些不足，如參量評(píng)分中閾值的選取、評(píng)估結(jié)果中權(quán)值的設(shè)計(jì)等。我們將與康復(fù)治療師合作，以患者為對(duì)象進(jìn)行研究，探索合理的設(shè)計(jì)方案，完善該康復(fù)系統(tǒng)。

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Upper Limb Rehabilitation Game System Based on Somatosensory Technique:Assessment Module

HAN Zhi-feng1,CAO Lei1,YANG Wen-lu1,JIA Jie2,XIA Bin1
1.Department of Electronic Engineering,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China;2.Department of Rehabilitation,Huashan Hospital,Fudan University,Shanghai 200040,China

XIA Bin.E-mail:binxia@shmtu.edu.cn

Objective To develop a upper limb motor function rehabilitation system based on somatosensory interaction technique,and test the work of assessment module.Methods A 3D rehabilitation game system was developed based on the skeletal tracking of Kinect and Unity3D.Five subjects were trained with four actions commonly used for upper limb rehabilitation with the trajectory guidance or without,and were evaluated with the system.Results The scores of all the actions were more with the trajectory guidance than without.Conclusion Upper limb rehabilitation training game system has been developed based on Kinect,which can guide patients for rehabilitation training through trajectory guidance and assess the outcome of rehabilitation quantitatively.

somatosensory interaction;upper limb;rehabilitation;assessment

10.3969/j.issn.1006-9771.2017.11.021

R496

A

1006-9771(2017)11-1341-05

[本文著錄格式] 韓志峰，曹磊，楊文璐，等.基于體感技術(shù)上肢康復(fù)游戲系統(tǒng)的評(píng)價(jià)模塊[J].中國(guó)康復(fù)理論與實(shí)踐,2017,23(11):1341-1345.

CITED AS:Han ZF,Cao L,Yang WL,et al.Upper limb rehabilitation game system based on somatosensory technique:assessment module[J].Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2017,23(11):1341-1345.

1.國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.61550110252)；2.上海市科委課題(No.14441900300)。

1.上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院，上海市201306；2.復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，上海市200040。作者簡(jiǎn)介：韓志峰(1990-)，男，漢族，山西忻州市人，碩士研究生，主要研究方向：智能信息處理。通訊作者：夏斌(1975-)，男，漢族，貴州遵義市人，副教授，碩士生導(dǎo)師。E-mail:binxia@shmtu.edu.cn。

2017-03-12

2017-04-24)