基于AR技術(shù)的社區(qū)居家慢性病患者運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練APP的開發(fā)研究

摘要：通過分析和探討目前基于AR技術(shù)的社區(qū)居家運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練APP的開發(fā)背景、可行性和優(yōu)勢，針對中老年社區(qū)居家慢性病伴有輕、中肢體功能障礙的人群需要長期進(jìn)行運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練的需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一款基于AR技術(shù)的社區(qū)居家運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練APP。將AR技術(shù)與康復(fù)醫(yī)療技術(shù)相結(jié)合，旨在利用遠(yuǎn)程醫(yī)療指導(dǎo)，增強(qiáng)社區(qū)居家患者的康復(fù)意愿，促進(jìn)病情恢復(fù)。2021年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）發(fā)布的《ISO戰(zhàn)略2030》提出，數(shù)字技術(shù)是未來世界變革的驅(qū)動因素。作為一種將計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息與真實(shí)環(huán)境相融合的數(shù)字技術(shù)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AugmentedReality，簡稱AR）技術(shù)就是利用計(jì)算機(jī)生成的文字圖像和三維模型等虛擬信息，通過多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)跟蹤及注冊、智能交互、傳感等多種技術(shù)手段，將虛擬信息模擬仿真后應(yīng)用到真實(shí)世界中，從而實(shí)現(xiàn)對真實(shí)世界的“增強(qiáng)”。同時(shí)，AR技術(shù)成本相對較低、研發(fā)門檻不高、應(yīng)用范圍十分廣泛，能夠給用戶帶來良好的使用體驗(yàn)，因此在未來有著廣闊的發(fā)展前景。1、基于AR技術(shù)的社區(qū)居家運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練APP的開發(fā)背景2016年，中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》明確提出了“共建共享，全民健康”這一建設(shè)健康中國的戰(zhàn)略主題，其核心是堅(jiān)持預(yù)防為主、防治結(jié)合的原則，對于提升社區(qū)康復(fù)醫(yī)療水平起到了巨大的推動作用。同時(shí)，《綱要》還指出，未來要積極發(fā)展健康服務(wù)新業(yè)態(tài)，在康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域探索推進(jìn)智能健康電子產(chǎn)品和健康醫(yī)療移動應(yīng)用服務(wù)等方面的發(fā)展。以上原則不但為康復(fù)服務(wù)的發(fā)展提供了有力的支持和指導(dǎo)，而且為加速社區(qū)康復(fù)醫(yī)療的發(fā)展提供了一個(gè)可行的方案。由此可見，價(jià)值醫(yī)療與功能改善已逐漸成為醫(yī)療趨勢與核心，同時(shí)也逐漸成為人們對康復(fù)醫(yī)療的要求之一。目前，鑒于市場上缺少針對中老年慢性病伴有輕、中度肢體功能障礙，需要長期進(jìn)行運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練的人群的康復(fù)治療APP，因此基于AR技術(shù)的社區(qū)居家運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練APP的開發(fā)具有一定的必要性與緊迫性。2、基于AR技術(shù)的社區(qū)居家運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練APP的開發(fā)設(shè)想本研究借助AR技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)的社區(qū)居家運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練APP可滿足中老年居家慢性病患者對便捷性與個(gè)性化的雙重需求。在設(shè)計(jì)之初，該APP2.0版本利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫（卡片庫）進(jìn)行運(yùn)行，在不斷完善后升級到3.0版本，屆時(shí)可通過將計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息與真實(shí)世界巧妙融合，利用攝像頭捕捉患者的實(shí)時(shí)動作，結(jié)合其身體數(shù)據(jù)以及預(yù)設(shè)的康復(fù)目標(biāo)，為患者量身定制個(gè)性化的康復(fù)訓(xùn)練計(jì)劃。同時(shí)，虛擬教練還可以在APP端為患者示范正確的運(yùn)動姿勢、動作要領(lǐng)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測患者的鍛煉動作，及時(shí)糾正錯(cuò)誤姿勢，提供個(gè)性化的指導(dǎo)意見，就如同擁有一位專屬的康復(fù)專家在家中陪伴訓(xùn)練一樣。這種個(gè)性化的訓(xùn)練指導(dǎo)方式，不僅考慮到了不同患者的個(gè)體差異，而且通過虛擬信息融合等手段，極大地增強(qiáng)了患者居家運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練的針對性和有效性。3、基于AR技術(shù)的社區(qū)居家運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練APP的設(shè)計(jì)方案“愈享生活”——社區(qū)居家運(yùn)動康復(fù)+AR融合訓(xùn)練APP的研發(fā)項(xiàng)目是國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，旨在利用AR技術(shù)的優(yōu)勢，通過虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合的方式，為用戶打造一個(gè)可隨時(shí)開展康復(fù)訓(xùn)練的平臺，并提供個(gè)性化、高效的康復(fù)訓(xùn)練計(jì)劃。?3.1、平臺架構(gòu)本APP2.0版本主要由四部分組成。（1）前端用戶交互界面。①界面元素排布規(guī)劃合理依據(jù)功能的重要性與使用頻率，對各功能模塊進(jìn)行分區(qū)布局，例如將“AR康復(fù)訓(xùn)練模塊”“社區(qū)互動模塊”“數(shù)據(jù)記錄與分析模塊”等主要功能以清晰明了的方式呈現(xiàn)，使用戶能夠迅速定位到所需功能入口，避免出現(xiàn)因元素混亂而導(dǎo)致的操作困擾。②交互流程的設(shè)計(jì)簡明扼要從用戶打開APP開始，每一步的操作引導(dǎo)都簡潔易懂，盡可能減少不必要的步驟與確認(rèn)過程。比如，在用戶注冊環(huán)節(jié)，只需引導(dǎo)其填寫必要的用戶名/郵箱/手機(jī)號、密碼及驗(yàn)證碼，并閱讀同意用戶協(xié)議等核心信息，避免過多的填寫項(xiàng)。③視覺感受方面契合大眾審美設(shè)計(jì)風(fēng)格簡潔大方，色彩搭配舒適。圖標(biāo)與按鈕的設(shè)計(jì)直觀形象，讓用戶一眼就能明白其代表的功能含義，同時(shí)也要保證文字描述清晰準(zhǔn)確，避免產(chǎn)生歧義。④確保界面在不同的設(shè)備以及屏幕上都良好顯示無論是在手機(jī)的小屏幕，還是平板電腦等大屏幕設(shè)備上，界面元素都能根據(jù)屏幕尺寸自動調(diào)整大小、位置與間距，保持整體的美觀性與可讀性，提升視覺舒適度，從而全方位提升用戶的交互體驗(yàn)。（2）后端數(shù)據(jù)處理與分析中心。在本2.0版本研發(fā)中，數(shù)據(jù)收集方面，借助佩戴在中老年慢性病伴有輕、中肢體功能障礙且需要長期進(jìn)行運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練的人群以及康復(fù)師身上的傳感器來實(shí)現(xiàn)。這些傳感器能夠?qū)崟r(shí)捕捉用戶運(yùn)動時(shí)的各種數(shù)據(jù)，如關(guān)節(jié)的角度變化、肌肉的發(fā)力情況以及肢體的活動軌跡等，同時(shí)也能收集康復(fù)師在指導(dǎo)過程中的相關(guān)建議與評價(jià)數(shù)據(jù)。收集到的數(shù)據(jù)會源源不斷地傳輸至后端系統(tǒng)，成為后續(xù)分析的基礎(chǔ)素材。而對于收集到的原始數(shù)據(jù)，最初還需要半人工進(jìn)行一系列的清洗、轉(zhuǎn)換和整合操作，來去除其中的異常值、重復(fù)數(shù)據(jù)以及因傳感器誤差等原因產(chǎn)生的錯(cuò)誤信息，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性，并對經(jīng)過清洗與轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行半人工整合，按照用戶、時(shí)間、訓(xùn)練項(xiàng)目等維度進(jìn)行分類整理，使其條理清晰。不過，在今后不斷完善的3.0以上版本中，就可以運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)方法對整合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘，并基于深入分析的結(jié)果，生成不同年齡段用戶的數(shù)據(jù)模型，以直觀的圖表、可視化報(bào)告等形式展示數(shù)據(jù)分析成果。用戶可以清晰地看到自己的訓(xùn)練成效，比如隨著時(shí)間推移，關(guān)節(jié)活動度的提升曲線、肌力增強(qiáng)的百分比變化等，康復(fù)師也能依據(jù)這些數(shù)據(jù)模型為用戶制訂更為精準(zhǔn)的個(gè)性化康復(fù)訓(xùn)練計(jì)劃，進(jìn)一步優(yōu)化康復(fù)訓(xùn)練過程。（3）用戶數(shù)據(jù)庫。用戶數(shù)據(jù)庫作為存儲用戶相關(guān)信息的核心模塊，其涵蓋了個(gè)人基本信息、健康狀況記錄、訓(xùn)練歷史數(shù)據(jù)等多方面內(nèi)容。在設(shè)計(jì)時(shí)，做到既簡潔、清晰、一致、安全，又能提供給數(shù)據(jù)處理者進(jìn)行商業(yè)化使用。為避免數(shù)據(jù)的冗余存儲，只保留關(guān)鍵且必要的信息，確保數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)關(guān)系易于理解與維護(hù)，任何有權(quán)限操作數(shù)據(jù)庫的人員（如開發(fā)人員、運(yùn)維人員、康復(fù)師等）都能迅速明白各個(gè)數(shù)據(jù)所代表的含義以及它們之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。同時(shí)，由于用戶數(shù)據(jù)庫涉及大量敏感的個(gè)人健康信息，必須采取嚴(yán)格的安全措施進(jìn)行保護(hù)。在遵守相關(guān)法律法規(guī)的前提下，對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密儲存，嚴(yán)格設(shè)置訪問權(quán)限控制，只有經(jīng)過授權(quán)的合法角色（如特定的康復(fù)師、后臺管理員等）才能根據(jù)其業(yè)務(wù)需求訪問相應(yīng)的數(shù)據(jù)，從而全方位確保用戶數(shù)據(jù)的安全與隱私。（4）實(shí)體動作卡片。本2.0版本的APP使用實(shí)體動作卡片來輔助用戶開展康復(fù)訓(xùn)練。實(shí)體動作卡片的基本構(gòu)成包括標(biāo)題、圖像、摘要、AR識別功能。針對中老年慢性病伴有輕、中肢體功能障礙，需要長期進(jìn)行運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練的人群，卡片的文字需具有直觀性和易讀性，使用大字號和簡短有效的描述確?；颊吣苎杆倮斫饪ㄆ系男畔?，減少認(rèn)知負(fù)擔(dān)。同時(shí)，卡片要兼具強(qiáng)大的功能，通過鮮明的對比色標(biāo)注不同的卡片適用癥，減少因使用錯(cuò)誤而造成的負(fù)面后果。針對不同的疾病，要有針對性的訓(xùn)練動作，卡片上可以添加簡短有效的描述，避免患者因不了解而造成的認(rèn)知誤區(qū)?？ㄆ淖畲筇攸c(diǎn)——AR識別功能，更是實(shí)現(xiàn)了虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合的便捷康復(fù)訓(xùn)練體驗(yàn)。通過添加高對比度、鮮明色彩、清晰邊緣的圖片便于識別掃描，當(dāng)用戶使用APP掃描卡片時(shí)，就能借助AR技術(shù)將預(yù)先制作好的對應(yīng)的康復(fù)訓(xùn)練視頻精準(zhǔn)地展示出來。視頻中會有虛擬教練進(jìn)行動作示范以及語音講解，引導(dǎo)患者在社區(qū)居家環(huán)境中正確開展康復(fù)訓(xùn)練，仿佛將專業(yè)的康復(fù)指導(dǎo)搬到了家中，極大地提升了康復(fù)訓(xùn)練的便利性與效果。3.2、功能模塊主要功能分區(qū)包括用戶注冊與信息管理模塊、AR康復(fù)訓(xùn)練模塊、社區(qū)互動模塊、數(shù)據(jù)記錄與分析模塊。用戶注冊與信息管理模塊需要考慮到四個(gè)方面。第一部分是用戶注冊，需要用戶填寫用戶名/郵箱/手機(jī)號、密碼、驗(yàn)證碼，以及閱讀并同意用戶協(xié)議。第二部分是用戶信息管理，包括個(gè)人信息編輯（如昵稱、頭像、性別等）、安全設(shè)置（修改密碼、綁定/解綁第三方賬號）、隱私設(shè)置（公開/隱藏個(gè)人信息選項(xiàng)）、數(shù)據(jù)查詢與下載（如用戶行為記錄）。第三部分是驗(yàn)證與安全，用戶需要進(jìn)行實(shí)名認(rèn)證，同時(shí)對賬號異常進(jìn)行監(jiān)控與保護(hù)。第四部分為數(shù)據(jù)保護(hù)，在遵守相關(guān)法律法規(guī)的前提下，對APP收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密儲存、訪問權(quán)限控制。AR康復(fù)訓(xùn)練模塊分為康復(fù)計(jì)劃制定模塊和康復(fù)訓(xùn)練模塊。軟件可以根據(jù)用戶輸入的個(gè)人信息、癥狀及預(yù)期表現(xiàn)，提供多種訓(xùn)練方式，如關(guān)節(jié)活動訓(xùn)練、肌力訓(xùn)練、平衡協(xié)調(diào)訓(xùn)練等。用戶根據(jù)系統(tǒng)生成的訓(xùn)練動作，挑選恰當(dāng)?shù)目ㄆ呙杩ㄆ蟾鶕?jù)AR提示進(jìn)行訓(xùn)練。社區(qū)互動模塊主要為用戶社交模塊。用戶可以通過文字、圖片、視頻等方式把自己的康復(fù)成果分享到社區(qū)，也可以通過社區(qū)看到其他人的訓(xùn)練成果。由此，可以通過社區(qū)找到志同道合的訓(xùn)練伙伴，可以通過大家的反饋對APP進(jìn)行優(yōu)化。數(shù)據(jù)記錄與分析模塊是應(yīng)用設(shè)計(jì)的核心模塊之一。軟件對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，使用分析工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行深入發(fā)掘。通過分析可得出數(shù)據(jù)的平均值、時(shí)間趨勢和周期性變化，發(fā)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性，應(yīng)用算法預(yù)測和分類，應(yīng)用圖表進(jìn)行展示，并提供交互式數(shù)據(jù)可視化工具，允許用戶自定義視圖和過濾條件。3.3、關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)本APP所使用的關(guān)鍵技術(shù)包括AR技術(shù)、傳感器與檢測技術(shù)和人工智能算法。AR技術(shù)是利用ARKit（iOS）、ARCord（Android）等主流AR開發(fā)平臺，實(shí)現(xiàn)虛擬場景的融合。傳感器作為信息獲取的重要手段，與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱。傳感器與檢測技術(shù)是通過傳感器收集用戶運(yùn)動數(shù)據(jù)，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶動作和身體情況。人工智能算法運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等算法數(shù)據(jù)，生成個(gè)性化訓(xùn)練計(jì)劃，提供實(shí)時(shí)指導(dǎo)與反饋。4、AR技術(shù)在中老年慢性病與輕、中肢體功能障礙患者干預(yù)康復(fù)中的應(yīng)用價(jià)值4.1、與康復(fù)醫(yī)療相結(jié)合，促進(jìn)患者病情恢復(fù)通過結(jié)合3D模型和實(shí)時(shí)圖像，AR技術(shù)可以將虛擬元素與現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行疊加，從而創(chuàng)造出既真實(shí)又個(gè)性化的康復(fù)訓(xùn)練環(huán)境。例如，居家環(huán)境康復(fù)訓(xùn)練區(qū)，設(shè)有客廳、臥室、廚房、餐廳、衛(wèi)生間等場景，完全按照居家生活設(shè)施進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣的環(huán)境能幫助患者在康復(fù)期間學(xué)會家庭環(huán)境中的各種生活動作，適應(yīng)家庭環(huán)境，了解居家生活注意事項(xiàng)，以及必要輔具的使用方法，減少居家生活中可能帶來的二次傷害。4.2、借助AR技術(shù)提高參與率對于中老年慢性病和肢體功能障礙患者來說，長期的康復(fù)訓(xùn)練可能會讓他們感到枯燥乏味，甚至產(chǎn)生抵觸情緒。而AR技術(shù)則可以通過游戲化的方式，將康復(fù)訓(xùn)練融入有趣的游戲中，從而激發(fā)患者的參與熱情和積極性，提高他們的康復(fù)意愿和治療效率。4.3、利用AR技術(shù)提供遠(yuǎn)程指導(dǎo)醫(yī)生可以通過AR設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測患者的康復(fù)訓(xùn)練情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并給予指導(dǎo)，從而確保康復(fù)訓(xùn)練的順利進(jìn)行