基于Kinect的体感交互对脑卒中患者治疗的应用

中国医科大学 于建发 王 爽 谭玉恩 王 涛 张志常

0 引言

作为一项新兴的人机交互技术，体感交互技术已经成为了目前在脑卒中患者康复治疗的研究热点。体感交互技术，是通过利用简单的肢体动作与周围装置环境产生互动，在营造的虚拟现实环境下，能够控制或交流某个事物。利用其虚拟现实技术的优势，配合脑卒中患者的康复训练，共同协作产生较以往传统康复训练更加有效的治疗效果。

1 Kinect体感交互技术

近些年，随着医药卫生事业的发展，以虚拟现实技术为代表的新兴医疗康复技术应用于临床研究，如注意力缺陷、空间感知障碍、记忆障碍等认知方面的康复，抑郁、恐惧、焦虑与其他精神方面的疾患的情绪障碍康复，运动功能障碍、平衡协调性差与舞蹈症等运动障碍康复等，在这些临床诊疗康复方面都取得了不错的康复疗效[1]。

Kinect是美国微软公司于2010年11月4日推出的XBOX360游戏机体感周边外设[2]。

Ki nect的主要功能的实现是利用它的瞬时影像捕获和识别、语音的输入和识别以及一些社交功能达到摆脱传统游戏操作模式，使用者通过肢体动作模拟控制虚拟空间画面或装置，并且使用者之间能够互通信息，如影音图片的分享，实时交流[3]。利用kinect传感器结合计算机技术和康复医学技术，充分进行交叉融合，建立虚拟环境，实现人机交互评价和训练，并对多种指标和检查项目进行检测[4]。

图1 Kinect数据采集

Kinect体感设备拥有3个不同的摄像头，从左到右依次为红外线发射器，r gb彩色摄像头和红外线发射器。Kinect本质上是一个输入设备，行使三种不同功信息输入。身份识别，利用到kinect传感器的红外线装置，cmos摄像机能够捕获到红外线的对应位点，并由这些空间位点构成人眼看不到的空间位置图案，kinect收集到这些图案由内部芯片程序进行编码和解码处理，从而构建出3D图像[5]。骨骼跟踪，将解码得到的深度图像，逐点扫描这些图像的像素，从图像中将人体各个部位识别出来，通过特征进行分类。系统最多可测出6的形态，包括不同身高，不同年龄，不同姿势[6]。语音辨别，在Kinect内部音频处理装置中有能够对外部嘈杂声予以抑制和消除，并对使用者的声音予以识别的先进技术。

2 虚拟现实技术在脑卒中康复训练中的应用

脑卒中疾病在世界范围内都存在着广泛的发病原因，脑卒中不仅具有较高的发病率，而且死亡率也居高不下。虽然近些年由于医疗水平的不断发展，死亡率已有所控制，但是对于脑卒中遗留病患却造成患者不同程度的智力障碍和认知功能障碍[7]。目前脑卒中患者的肢体运动康复是近年来虚拟现实技术（Virtual reality,VR）应用的热门领域[8]。国内外的研究已经利用虚拟现实技术在该领域进行探讨，取得一定的临床资料和治疗成效。

1993年由Wann和Turnbul l提出了可视化虚拟康复治疗[9]。与其他传统的治疗方法相比，患者能够看到相应的操作程序，应用于自身治疗，虚拟现实技术的治疗方法优点在于患者能够深刻体验到在虚拟环境中的康复治疗和针对性的强化认知康复训练。虚拟现实优越性主要体现在重复、反馈和动机三个关键环节上。重复是学习强化过程的必要手段，积极的反馈，包括虚拟现实技术中的激励条件，可以给患者训练体验带来正向的驱动力量，给患者更强烈的沉浸感。此外，明确的动机可以让患者在长时间的训练过程中，分化所要实现的目标，逐渐营造循序渐进的训练程序。

虚拟现实与大脑重塑方面有着密不可分的关系，对于脑卒中患者其大脑表现为同侧激活，通过一系列的康复训练可以转换为对侧激活。Jang等[10]在研究虚拟现实技术对大脑重塑功能恢复时发现虚拟现实训练与手的协调运动存在一定的关联。Sal eh等[11]在对脑卒中患者的康复训练研究中发现，通过功能性核磁共振前后对比检查发现，手指运动的同时其脑内运动区之间的连接数量明显升高，表明虚拟现实技术的康复训练方式对大脑运动功能区的重塑起到积极作用。

2.1 在认知康复方面

王静等[12]通过将住院脑卒中患者随机分为对照组和治疗组，对照组进行传统的物理疗法等康复训练，治疗组在对照组基础上加用体感游戏。通过对干预后的执行缺陷综合征的行为评价（BADS）评分差比较，发现两组差值均提高且差异有显著意义。

刘俊杰等[13]同样利用kinect体感交互技术观察其对脑卒中后抑郁（PSD）的治疗效果。利用Zung抑郁自评量表对干预前和干预后的患者进行评估，结果表明实验组明显低于对照组（P＜0.01），证明与传统康复训练相比，Kinect体感交互康复训练对PSD患者的治疗效果更显著。

Yip等[14]开发使用一套以日常活动记忆训练的12-session系统用于前瞻性记忆的训练，通过视觉、听觉让受试者了解训练设定任务，观察并提醒患者完成预设任务。通过实验组和对照组的数据分析，结果表明，经VR治疗后其认知属性，如额叶功能和语义流畅性均较对照组有明显提高。进一步证明了VR训练对脑卒中患者认知功能的积极治疗意义。

王文春等[15]自主研发了一 套虚拟认知康复训练系统，在空间定向能力训练中，要求患者控制虚拟战士完成由预备区域到射击位置射击后再到半身靶处数环数整个任务，从而达到治疗目的。

2.2 在肢体康复方面

窦娜等[16]通过体感交互技术对脑卒中患者的行动功能方面的康复治疗实验，通过Ber g平衡量表、Hol den步行量表和Barthel指数评价，结果表明实验组和对照组均有改善（P＜0.01），且实验组改善更显著（P＜0.05）。

Turolla等[17]通过对376例（实验组263例，对照组113例）进行观察，实验组采取1h传统疗法和虚拟现实疗法，对照组为2h传统疗法，4周后测量评估发现虚拟联合疗法要优于传统疗法。这也是目前证明虚拟现实技术对脑卒中治疗有效的最大样本实验。

顾莹等[18]使用VR技术训练系统（IREX-情景互动在运动控制中的应用训练系统）按Bobat h治疗技术中的弛缓、痉挛、相对恢复三个阶段分别对脑卒中患者进行上肢训练，并建立试验对照组，结果显示VR技术对于偏瘫患者上肢功能改善有明显效果。

Piron等[19]采用治疗师远程康复设备（VRRS．net）生成一个VR环境，要求患者将患肢控制的移动数据传输器进行移动，完成任务。

在平常的康复训练中，所创建的虚拟康复训练环境应与真实环境密切相关，这样有利于患者将自己在虚拟环境中训练恢复的应用技能重新在现实世界里得到展现。对比传统的训练模式，虚拟现实技术有着独到的优越性[20]。

3 结语

VR训练相对于其他训练方式存在着很大的优势，VR可以模拟现实场景，干预和刺激患者康复治疗。但相关研究仍处于初级阶段，这种康复技术仍存在着不足之处，比如缺乏相关评估标准，人机交互体验较理想体验差，研究人员需要在医疗领域和硬件领域的双向。虽然目前VR技术还不够完善，但VR康复技术在认知功能障碍和运动康复领域的成绩有目共睹，相信在未来相关计算机技术，康复医学等相关技术的不断成熟，相关细节不断完善，虚拟环境沉浸感提高，相信未来能够对脑卒中患者的康复治疗带来更多的希望。

[1]周柳,王英华,刘强,等.虚拟现实技术在运动康复中的应用[J].中国组织工程研究与临床康复,2007(5):957-960.

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[4]张志常.基于体感技术的康复医学认知评估系统设计[J].中国医学工程,2014,22(5):183.

[5]丁晨,王君译,瞿畅,等.Kinect体感交互技术及其在医疗康复领域的应用[J].中国康复理论与实践,2013,19(2):136-138.

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