基于体感技术的肢体康复训练系统研究

桂林电子科技大学信息科技学院 全刘辉 黄建灯

基于体感技术的肢体康复训练系统研究

桂林电子科技大学信息科技学院 全刘辉 黄建灯

目前由于康复治疗人才短缺导致许多患者难以达到预期康复效果，针对这一现状本课题提出一种基于体感技术的肢体康复训练解决方案，利用人际互动技术设计开发的情景互动的专业康复产品。根据康复进展程度区别化训练，趣味性强，能提升训练效率，可量化评估训练进程。

体感技术；肢体康复；Kinect

1 引言

目前我国康复医疗尚处于起步阶段，有关统计数据显示我国拥有13亿多人口，其中残疾人有6千万之多，而我国现有康复治疗师仅5640人，平均每10万人口仅分摊0.4名康复治疗师。康复治疗师人数不多一方面是因为我国康复医疗体系并不发达，缺乏相关的政策鼓励，另一方面也是因为康复医疗对人的综合素质要求比较高，要求人员既要有扎实的基础知识，又要有丰富的实践操作能力，还需有积极乐观的心态，良好的沟通能力等。严重的供需不平衡现象暗示着康复医疗是个很大的市场。

2 研究目的和意义

体感技术在于人们可以很直接地通过肢体动作展示与所处环境的互动，而不再需要使用任何复杂的穿戴控制设备，便可让人们犹如身临其境般地与情景内容做互动。本课题主要研究目的是把体感技术应用于患者的主动运动训练与肢体康复治疗，利用体感游戏辅助患者进行康复治疗。利用体感技术开发出的肢体康复训练系统可以代替传统的肢体康复训练器材，能够节约人力、物力以及场地等一系列成本，有效地缓解了当前我国康复医疗师紧缺的压力，为广大患者在社区与家庭更有效地得到康复服务提供帮助。

3 国内外研究现状

国内关于肢体动作的研究主要集中在肢体语言学、肢体心理学、舞蹈学等专业性比较强的领域。计算机领域关于肢体动作研究主要体现在行为姿势的识别，行为姿势作为原始和自然直接的交流方式在无语言时期是人类沟通的主要方式，当前通过固定行为姿势的训练可以帮助有听力障碍的人交流更加方便。近几年基于计算机视觉的行为姿势识别作为交互的一种模式逐渐受到人们的关注，因此科研人员正在积极开发一些行为动作输入终端。

在空间认知方面的研究主要集中在空间信息获取和地理环境认知上，由于计算机技术的快速发展，通常难以摄像和感受的环境通过构建虚拟地形环境后以动态直观的形式展示在使用者面前，一方面大大提高了地图表达和空间信息的体现；另一方面也有利于空间信息的理解和决策。虚拟环境是通过计算机技术构建出来的一些虚拟场景，通过一系列的匹配的终端设备可以和虚拟场景中的内容进行交互，对虚拟场景所构建的空间环境进行认知，所以目前国内的空间认知方面的研究是基于虚拟空间环境和地形地理等方面的。

国外关于肢体动作和空间认知关系的研究比国内研究要早很多，新生儿去认识空间是通过身体各种知觉去感知的，其中肢体动作在空间感知过程中起着重要的学习作用。

“模仿”、“游戏”等概念说明儿童在成长初期的身体动作。通过研究儿童认知空间的发展模式可以得出肢体动作对开始学习认知空间具有重要作用，因此研究空间认知可以从我们肢体动作的研究出发，发掘出肢体动作统一对于虚拟与现实空间统一所起的作用。

关于空间认知是主题内部认知模式和外部表征之间的具有反射性的交互，这些外部表征包含理解外部的空间信息和接手。也就是说认知空间是主体本身的认知和外部环境表征之间的具有视觉-空间信息的具有反射性的交互。因此模仿人类在空间中的各种行为是一个充分了解人类与环境交互和人类空间认知的工具。

4 系统研究概述

Kinect体感设备是微软公司的X-BOX360游戏机的体感外设，是一种3D体感摄影器，Kinect玩家可以通过这项技术在游戏中开车，与其他玩家互动等。通过Kinect for Windows SDK提供的软件库对Kinect进行二次开发实现与应用程序的交互。将Kinect体感设备与虚拟现实平台相互结合，可以进行深度图像获取、动态捕捉以及麦克风输入。

通过对肢体动作和空间认知研究体感游戏中参与者如何通过自身的肢体动作认知空间。利用开发接口研究图像处理与实时交互的相关算法，将Kinect体感交互技术嵌入到自主研发的虚拟现实平台中。通过3D影像侦测、人体骨架追踪、人物提取、音频处理等功能，让机器能够识别人体动作，语音提示病患康复医疗操作过程，通过交互功能纠正病患错误的动作，完全读懂病患，让机器具备“康复医疗师”的智能化功能。举个例子，老年人容易出现脑力衰退，反应时间会越来越慢，出现老年痴呆的可能性也会更大，加上用脑机会少，与人交流互动的次数不多，脑力衰退会更快，而通过体感医疗设备设置相应的热身、互动游戏，能够有效的提高老年人反应速度，降低老年痴呆发生的概率。而对于肌肉萎缩、肌无力等神经系统运动机能的重塑最有效的方法就是进行大运动量的康复训练，体感设备能够实时准确地进行图像追踪，对病患的错误动作进行报错，实现人与机器的实时互动，不间断、系统化、随时待命的优良性能充分满足了病患大运动量训练的要求，从而提高病患自身的平衡感知能力，达到康复的目的。

针对存在肢体运动不便的运动障碍患者，存在空间感缺失的认知障碍患者，智力和记忆缺陷患者不适用传统鼠标、键盘等传统输入设备的特点，可以开发基于Kinect体感设备的运动康复训练模块、认知空间康复训练模块、智力和记忆功能康复训练模块等具有针对治疗功能的模块可以快速实现医疗康复训练的效果。

5 结论

本课题基于Kinect体感设备进行二次开发的肢体康复训练系统有效缓解了目前康复医疗师紧缺的压力，节约人力、物力和场地成本。该系统应用于康复医疗机构临床实践，对存在运动障碍和认知障碍患者的早日康复将具有十分重要的作用，为患者早日回归社会、提升生活质量创造有利条件，对减轻甚至消除患者家庭乃至社会的物质和精神负担具有重要意义。

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全刘辉（1987—），男，桂林电子科技大学信息科技学院助理研究员，主要研究方向为计算机网络与通信。

黄建灯（1982—），男，桂林电子科技大学信息科技学院高级实验师，主要研究方向为计算机算法与编程。

科研项目：此文为2015年广西教育厅科研项目研究成果“项目名称《基于体感技术的肢体康复训练系统研究》（项目编号：KY2015YB500）”。