體感技術在運動訓練中的應用

體感技術在運動訓練中的應用

運動障礙主要是指運動功能障礙，動作不完整，不能完成，也不能隨意移動。腦卒中、帕金森癥、注意缺陷多動癥、獲得性腦損傷等都是造成運動障礙的原因。流行病學調(diào)查結(jié)果顯示,我國每年腦卒中發(fā)病率為217/10萬,患者數(shù)逾150萬,致殘率高達86.5%。醫(yī)學的發(fā)展使其高死亡率有所下降,但目前我國存活的腦卒中患者約700萬,其中2/3仍為永久殘疾者。腦卒中所致的肢體功能障礙成為首要的致殘原因。積極和長期的康復訓練可使患者的功能最大限度恢復,盡可能提高生活自理、勞動、工作和學習能力。目前針對患者運動功能訓練的康復以治療師的手法操作為主,或在簡單訓練器械的輔助下,進行被動運動、輔助運動、主動運動和抗阻運動訓練等。在這種康復模式下,每名治療師在同一時間僅能對一名患者進行治療,康復效率低下;而且訓練過程單調(diào)無趣,不利于患者積極主動參與到治療中。治療師也不容易及時了解其訓練程度和效果。針對傳統(tǒng)康復訓練的各種問題,世界各國都在積極研究康復訓練的新理論、新方法、新手段。體感技術作為一項新興技術,在康復領域展現(xiàn)了廣闊的發(fā)展前景。1體感技術在康復領域的應用體感技術也稱動作感應控制技術,是由機器通過某些特殊方式對用戶的動作進行辨識、解析,并按照預定感測模式,對相應動作在機器端作出反饋,屬于虛擬現(xiàn)實技術范疇。體感技術按體感方式與原理可分為三大類:慣性感測、光學感測、慣性與光學聯(lián)合感測。目前體感技術在康復領域的應用主要為光學感測及慣性與光學聯(lián)合感測方式。體感技術的實現(xiàn)離不開體感設備。目前,能夠較好應用于運動康復的低成本體感設備并不多見。索尼公司的EyeToy主要通過光學傳感器獲取人體影像,再將此人體影像的肢體動作與游戲內(nèi)容互動。微軟公司的Kinect可捕捉人體3D全身影像,無需使用任何操作手柄便可達到體感效果。任天堂的Wii是慣性及光學聯(lián)合感測套件。Wii在手柄上安裝一個重力傳感器以及一個紅外線傳感器,用以偵測手部三軸向的加速度和感應紅外線發(fā)射器信號,通過偵測手部在垂直及水平方向的位移來操控空間鼠標。2基于體感技術的下肢運動恢復2.1體感在治療老年患者中的應用EyeToy是索尼公司于2004年4月為PlayStation2游戲主機推出的動作感應控制裝置,通過EyeToy攝像頭可把人物影像投放到游戲中,用肢體動作操作游戲。EyeToy以固定頻率采集圖像,通過對相鄰兩幀圖像進行簡單處理,得到畫面中不同的部分,進而可以感知是否有運動物體及運動物體的一些屬性(大小、位置、顏色等)。自上市以來,基于EyeToy的運動康復研究不斷涌現(xiàn)。EyeToy也因其價格優(yōu)勢及友好的交互界面?zhèn)涫芾懑煄熐嗖A。Flynn報道1例有2年腦卒中病史的76歲女性患者,用低成本的SonyPS2EyeToy及配套游戲?qū)颊哌M行運動康復訓練,訓練全程在患者家中進行;在4.5周時間內(nèi),患者完成20次時長1h的康復訓練。研究采用配套游戲中的15種體感游戲作為訓練項目,要求患者完成基于靶點的上肢運動、保持站姿和坐姿的動態(tài)平衡,以及手眼協(xié)調(diào)性。通過Fugl-Meyer評定、貝克抑郁量表、Berg平衡量表等方法證實,患者的上肢運動功能、平衡功能、協(xié)調(diào)性均相應的改善;在訓練過程中,患者未出現(xiàn)跌倒或疼痛加劇的癥狀。以色列Rand等通過對健康年輕人、健康老年人和老年卒中患者使用SonyPS2EyeToy虛擬現(xiàn)實平臺的實驗研究,證實EyeToy可用于老年卒中患者的肢體運動康復。通過運行那些要求患者在保持身體平衡的同時,用手臂移動完成的游戲,如Wishy-Washy、Kung-Foo等,12例處于不同康復階段的老年腦卒中患者(7例平均年齡63歲,病史1~5年;5例平均年齡73歲,病史1~3個月)的實際訓練表現(xiàn)及效果表明,該系統(tǒng)可用于不同階段腦卒中患者的康復訓練。康復訓練的最終目的是幫助患者將訓練效果移植到生活中,使患者可以獨立從事基本的日?；顒印＜幽么骎alterMc-Conville等通過基于PS2EyeToy的平衡訓練驗證了此項體感技術用于運動康復的可行性,同時也對其訓練效果向現(xiàn)實世界的移植進行了評估。研究采用AntiGray游戲進行平衡訓練,患者通過積極的頭部運動及手臂動作控制虛擬人物躲避障礙、獲取代幣或目標,并利用身體的協(xié)調(diào)控制虛擬人在賽道中滑行的速度和精確度。訓練效果移植的評估主要采用以下3種平衡測試:平衡板實驗、前后羅姆格實驗、單腿站立實驗。結(jié)果顯示采用PS2EyeToy的實驗組患者平衡能力提高,但在訓練過程中出現(xiàn)了不適癥狀(頭痛、眼疲勞、眩暈等)。此類平衡運動訓練不適于運動障礙嚴重的患者。EyeToy已經(jīng)成功應用于康復訓練中,但其二維圖像處理的局限性也制約了此項技術在康復領域的發(fā)展。2010年索尼公司推出新產(chǎn)品Move控制器,可以偵測手部在空間的移動及轉(zhuǎn)動,做到相當精確的動作感應。Move控制器的推出給這項技術帶來良好的發(fā)展前景。但目前尚無該技術應用于運動康復的相關報道。2.2傳統(tǒng)護理訓練效果的驗證Wii是日本任天堂公司2006年推出的家用游戲主機,包括主機和模擬控制器兩個部分。游戲玩家通過Wii手柄和平衡板來控制游戲。平衡板中集成了壓力傳感器,用于偵測用戶運動的壓力重心,用戶通過改變重心的位置控制游戲環(huán)境。目前,已經(jīng)有學者將此項技術及設備應用于肢體運動康復訓練中。Burke等在論述和分析游戲用于康復訓練的有效性、康復效果的影響因素(如趣味性和挑戰(zhàn)性)的同時,開發(fā)出一系列上肢康復游戲,如基于Wii的電顫琴游戲可以起到對手腕和手臂的康復訓練作用?；颊呤治誛ii控制器,通過手臂移動和按鈕控制操縱游戲環(huán)境中的虛擬演奏棒,實現(xiàn)電顫琴的仿真演奏。系統(tǒng)支持多個控制器同時使用,可使患者同時演奏多個音符或?qū)崿F(xiàn)多人訓練。演奏結(jié)束后,系統(tǒng)將根據(jù)患者的訓練表現(xiàn)進行評分并給出激勵信息。不同的演奏曲目對手臂移動的幅度及運動量有不同要求,考慮到不同患者訓練要求的差異,系統(tǒng)在演奏模式的曲目菜單列表后附上了相應曲目的提示信息(著重訓練的部位及運動量),患者可根據(jù)理療師的康復要求選擇合適曲目進行訓練。在開發(fā)基于體感技術的康復訓練系統(tǒng)的同時,有必要對其實際臨床康復效果進行驗證,通常的方法是與傳統(tǒng)方式的訓練效果進行對比。Gil-Gomez等開發(fā)了基于電腦和Wii平衡板的康復訓練系統(tǒng)——eBaViRSystem,用于姿態(tài)不穩(wěn)及平衡失調(diào)患者的康復訓練?；颊咄ㄟ^控制Wii平衡板完成AirHockey和BalloonBreaker康復游戲。實驗組及對照組患者分別完成了20次時長1h的游戲訓練,通過訓練前后兩組患者靜態(tài)和動態(tài)平衡測試結(jié)果的對比,評估了eBaViR系統(tǒng)用于平衡康復的有效性。Deutsch等將基于Wii的平衡和運動康復訓練與傳統(tǒng)護理進行比較。該研究選取2例患病5年以上的腦卒中患者(48歲男性患者,10年腦梗死病史;34歲女性患者,7年蛛網(wǎng)膜下腔出血史),每周進行3次時長1h康復訓練,持續(xù)4周。其中男性患者進行基于Wii的康復訓練,訓練內(nèi)容包括拳擊、保齡球、棒球、跳臺滑雪、障礙滑雪、走鋼絲、弓箭步以及公園漫步;女性患者采用標準護理,進行諸如坐、站、節(jié)拍踏步等常規(guī)平衡和協(xié)調(diào)訓練。對患者訓練前、訓練結(jié)束時、訓練結(jié)束3個月后的步速、行走耐力和平衡性進行測試,結(jié)果顯示,在接受訓練后,男性患者和女性患者的步速分別提高了19%和12%,計時起立-走測試得分分別提高23%和15%。但使用基于Wii訓練系統(tǒng)的患者在訓練結(jié)束后對訓練效果的保持不如傳統(tǒng)護理訓練下的患者,原因是基于Wii的訓練效果未能很好地移植到日常生活中。兩者的綜合運用在未來運動康復應用中有良好的發(fā)展前景。眾多研究證實基于Wii的肢體運動康復的可行性。Kaluarachchi等開發(fā)的康復訓練系統(tǒng)包含兩款康復游戲(theRol-lyandTreasuregames),旨在為上肢輕癱患者提供積極有效的康復手段。其中theRollygame要求患者控制手腕及手臂的翻轉(zhuǎn),以保持虛擬環(huán)境中小球在支撐桿上的平衡,目的是增加患者上臂、前臂和手腕的轉(zhuǎn)動范圍以及肌力及控制力。理療師可根據(jù)患者病況改變虛擬支持桿的摩擦系數(shù)、小球速度及支撐桿長度,調(diào)整游戲難度水平以提高訓練效果。患者通過兩種游戲環(huán)境的訓練,可提高反應速度和肌肉控制能力。但目前該系統(tǒng)只支持站姿訓練,具有一定的局限性。Harley等開發(fā)的交互式腦卒中康復訓練系統(tǒng),將Wii控制器的紅外攝像頭裝在天花板上,用以追蹤固定在患臂上的2個紅外信號燈,可以實現(xiàn)患者前臂的二維平面追蹤。系統(tǒng)配有一款以Peggle(幻幻球)為原型的康復游戲,患者通過手臂動作操縱游戲中的彈珠發(fā)射臺,擊中并消除畫面中網(wǎng)格狀分布的小球及其他目標。游戲可以使患者患臂的活動范圍最大化,提高患臂運動的準確性、穩(wěn)定性,減小患臂顫動。研究對1例輕度偏癱患者的可用性測試表明,基于幻幻球的康復游戲可以用于上肢運動康復。目前,各種基于Wii的肢體運動康復訓練系統(tǒng)僅支持依賴Wii控制器紅外攝像頭追蹤能力的二維平面追蹤。任天堂于2009年推出MotionPlus動態(tài)感應強化器,在原有基礎上增加了三軸陀螺儀感應器,可以精確感應傾斜、擺蕩的程度,從而可以精確地偵測人體手腕旋轉(zhuǎn)等動作。維多利亞大學的Li等對增加了MotionPlus的Wii控制器進行相關研究。研究實現(xiàn)了對一些腕部及手臂動作的準確識別、分類,并指出通過對控制器偵測到的患者動作與理療師示范動作的差異分析,可以實現(xiàn)康復動作的評估。但研究處于初始階段,尚未開發(fā)出基于此類技術的康復訓練系統(tǒng)。2.3運動訓練及旅游產(chǎn)品Kinect是微軟公司2010年11月發(fā)布的一款3D體感設備,可以實現(xiàn)實時運動捕捉、影像辨識、麥克風輸入、語音辨識、社群互動等功能。Kinect采用光編碼技術對測量空間進行編碼,并通過芯片運算解碼,生成3D深度圖像。識別3D圖像深度信息后,Kinect通過渲染數(shù)據(jù),計算得到人體主要的20個骨骼位置,以此來判斷人體姿勢,進行骨架追蹤,進而實現(xiàn)與虛擬環(huán)境的人機交互。短短兩年多時間,國外學者發(fā)現(xiàn)該技術在醫(yī)療康復領域應用的巨大潛力,開始研究基于Kinect傳感器的肢體運動康復訓練技術。2.3.1上肢運動基于Kinect的運動康復研究中,針對上肢運動康復的研究較多。Chang等通過Kinect與高保真光學追蹤系統(tǒng)OptiTrack的性能比較,證明低成本的Kinect可達到與光學追蹤系統(tǒng)相衡的動作追蹤效果,Kinect可作為臨床或家庭環(huán)境中的肢體運動康復訓練工具。Gama等設計了一套基于Kinect的針對肩、肘部運動康復訓練的系統(tǒng)。在康復訓練過程中,患者需要進行手臂自下而上的側(cè)舉運動;系統(tǒng)通過提取Kinect傳感器捕捉的圖像,計算肩部與肘部在冠狀面內(nèi)的夾角,對患者進行動作糾正指導。Chang等開發(fā)出Kinerehab運動障礙訓練系統(tǒng)?；颊咴谟柧氝^程中依次完成雙臂的前伸、側(cè)展及上舉。通過Kinerehab系統(tǒng)可以自動探測患者關節(jié)位置,判斷動作是否標準,運動量是否足夠,并以語音提示、動畫演示形式實時反饋(患者動作越準確,動畫中鯨魚尾部擺動越大,歌聲越嘹亮)。該研究以ABAB序列(A代表無輔助技術的基本階段、B代表采用Kinere-hab系統(tǒng)的干預階段),證實患者在干預階段完成的正確動作數(shù)明顯高于基本階段。美國猶他大學的Pastor等對Kinect和電腦游戲在上肢運動康復中的應用進行了可行性研究。系統(tǒng)采用水平放置的光滑透明支撐板作為手臂活動界面,并將Kinect攝像頭向下放置于支撐板上方70cm處,用于追蹤患者的手臂動作?；颊咝韪鶕?jù)系統(tǒng)圖像提示,通過手臂移動,將屏幕光標移動到指定單元,以完成訓練動作。系統(tǒng)通過患者手臂位置信息判斷是否完成動作,在對患者動作評分(得分與手臂的移動速度成比例關系)的同時,提示患者下個目標的位置。對1例48歲女患者(2年病史)訓練前后進行問卷調(diào)查及Fugl-Meyer上肢運動功能評分,初步證實其對與上肢運動康復的可行性。隨著Kinect技術應用的日趨成熟,研究者可根據(jù)康復部位、目的及相關要求,搭建各種運動康復訓練系統(tǒng)。若將Kinect與其他技術相結(jié)合,還可進一步增強康復訓練效果及訓練過程的真實感,如Sadihov等開發(fā)的加入增強型觸覺反饋的虛擬上肢康復系統(tǒng)。系統(tǒng)將Kinect與觸覺手套結(jié)合使用,在患者與虛擬康復訓練環(huán)境交互時,觸覺手套的手掌及手指部位裝有的振動馬達通過基于運動的震動仿真,為患者提供觸覺反饋,提高了患者康復訓練的沉浸感。2.3.2平衡康復Lange等開發(fā)了針對神經(jīng)損傷患者的平衡訓練工具。基于Kinect的康復游戲JewelMine,要求患者通過自身動作控制虛擬環(huán)境中的虛擬人將寶石放入框中,收集寶石越多,得分越高。在游戲過程中,系統(tǒng)用虛擬人反映患者的形象姿勢和運動狀態(tài)。患者通過接收到的反饋信息進行肩、肘等部位的平衡調(diào)整,從而提高自身的平衡感知能力。訓練游戲的沉浸感及人性化設計使得患者輕松專注地投入訓練,帶給患者游戲訓練的愉悅感,調(diào)動了患者的訓練積極性。Sun等開發(fā)了平衡訓練系統(tǒng)以增強患者平衡能力,減少跌倒造成的危害。系統(tǒng)自動生成姿態(tài)框架(單腿站立姿態(tài))和虛擬人物,患者需根據(jù)系統(tǒng)生成的姿態(tài)框架結(jié)構(gòu)的形態(tài),控制虛擬人物作出相應動作。系統(tǒng)會根據(jù)虛擬人物與姿態(tài)框架的碰撞情況,對患者的訓練表現(xiàn)進行量化評估,以便安排后續(xù)訓練任務。該研究只適用于靜態(tài)平衡訓練,不能針對動態(tài)平衡進行相關訓練。Garrido等開發(fā)的系統(tǒng)通過訓練患者直線行走的平衡性,幫助患者從平衡功能障礙中恢復。患者從遠處直線走向Ki-nect,完成3m直線行走訓練任務,通過對患者行走過程中肩部運動的偵測,評估患者動態(tài)行走的平衡性,給出實時反饋信息。該系統(tǒng)適用于患者動態(tài)平衡訓練。2.3.3特定部位康復Cordella等實現(xiàn)了通過Kinect和基于蒙特卡羅方法的手指追蹤,對患者運動表現(xiàn)進行評估。首先由理療師做出手部動作,通過在手指關節(jié)安置的標記對手部動作進行追蹤,并采用貝葉斯估計方法過濾,使動作追蹤對背景干擾具有較強的魯棒性?？祻拖到y(tǒng)將手指關節(jié)的軌跡作為虛擬手的輸入信息,在虛擬環(huán)境中再現(xiàn)治療師的動作,并將患者模擬的動作與治療師的動作在虛擬環(huán)境疊加,通過兩者之間的偏差對患者的運動表現(xiàn)進行評估。目前,該項研究并未完善和用于臨床試驗。目前,基于Kinect的康復訓練系統(tǒng)不斷涌現(xiàn),著重于康復訓練項目的開發(fā)設計及系統(tǒng)成果評估。但系統(tǒng)訓練項目所測得的相關運動表現(xiàn)數(shù)據(jù)并不代表患者運動能力的提升,因此需通過專業(yè)的康復評定方法對患者進行運動功能評定。日本青山大學開發(fā)了一套用于康復效果測試的康復評定系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了計時起立-走測試、10m步行測試及實時關節(jié)活動度測量3項標準康復評定項目的搭建。3體感技術在肢體運動康復中的應用體感技術應用于運動康復需要有康復訓練系統(tǒng)、體感設備等軟、硬件支持;基于體感設備的運動康復訓練系統(tǒng)通常配置趣味游戲,使患者忽視自身障礙及訓練過程的無聊和痛苦,更專注于康復訓練,提高康復訓練效果。Wii、EyeToy、Kinect的運動控制,使用戶無需操作過多的控制按鈕,便可實現(xiàn)游戲控制及人機交互,使存在障礙的患者可以輕松訪問、參與并受益于康復游戲?？祻拖到y(tǒng)的任務性訓練項目及精確的感覺反饋,可為患者提供真實而安全的訓練環(huán)境;患者可將虛擬環(huán)境中學會的動作技能運用到現(xiàn)實生活中。基于體感技術的康復訓練系統(tǒng)所提供的測評功能,可量化評定患者訓練前后及訓練過程中的各項指標,有利于醫(yī)療人員準確掌握患者的康復狀態(tài),及時調(diào)整訓練計劃和訓練強度,制定更有針對性的康復目標。Wii、Eye