体感技术在运动训练中的应用

体感技术在运动训练中的应用

运动障碍主要是指运动功能障碍，动作不完整，不能完成，也不能随意移动。脑卒中、帕金森症、注意缺陷多动症、获得性脑损伤等都是造成运动障碍的原因。流行病学调查结果显示,我国每年脑卒中发病率为217/10万,患者数逾150万,致残率高达86.5%。医学的发展使其高死亡率有所下降,但目前我国存活的脑卒中患者约700万,其中2/3仍为永久残疾者。脑卒中所致的肢体功能障碍成为首要的致残原因。积极和长期的康复训练可使患者的功能最大限度恢复,尽可能提高生活自理、劳动、工作和学习能力。目前针对患者运动功能训练的康复以治疗师的手法操作为主,或在简单训练器械的辅助下,进行被动运动、辅助运动、主动运动和抗阻运动训练等。在这种康复模式下,每名治疗师在同一时间仅能对一名患者进行治疗,康复效率低下;而且训练过程单调无趣,不利于患者积极主动参与到治疗中。治疗师也不容易及时了解其训练程度和效果。针对传统康复训练的各种问题,世界各国都在积极研究康复训练的新理论、新方法、新手段。体感技术作为一项新兴技术,在康复领域展现了广阔的发展前景。1体感技术在康复领域的应用体感技术也称动作感应控制技术,是由机器通过某些特殊方式对用户的动作进行辨识、解析,并按照预定感测模式,对相应动作在机器端作出反馈,属于虚拟现实技术范畴。体感技术按体感方式与原理可分为三大类:惯性感测、光学感测、惯性与光学联合感测。目前体感技术在康复领域的应用主要为光学感测及惯性与光学联合感测方式。体感技术的实现离不开体感设备。目前,能够较好应用于运动康复的低成本体感设备并不多见。索尼公司的EyeToy主要通过光学传感器获取人体影像,再将此人体影像的肢体动作与游戏内容互动。微软公司的Kinect可捕捉人体3D全身影像,无需使用任何操作手柄便可达到体感效果。任天堂的Wii是惯性及光学联合感测套件。Wii在手柄上安装一个重力传感器以及一个红外线传感器,用以侦测手部三轴向的加速度和感应红外线发射器信号,通过侦测手部在垂直及水平方向的位移来操控空间鼠标。2基于体感技术的下肢运动恢复2.1体感在治疗老年患者中的应用EyeToy是索尼公司于2004年4月为PlayStation2游戏主机推出的动作感应控制装置,通过EyeToy摄像头可把人物影像投放到游戏中,用肢体动作操作游戏。EyeToy以固定频率采集图像,通过对相邻两帧图像进行简单处理,得到画面中不同的部分,进而可以感知是否有运动物体及运动物体的一些属性(大小、位置、颜色等)。自上市以来,基于EyeToy的运动康复研究不断涌现。EyeToy也因其价格优势及友好的交互界面备受理疗师青睐。Flynn报道1例有2年脑卒中病史的76岁女性患者,用低成本的SonyPS2EyeToy及配套游戏对患者进行运动康复训练,训练全程在患者家中进行;在4.5周时间内,患者完成20次时长1h的康复训练。研究采用配套游戏中的15种体感游戏作为训练项目,要求患者完成基于靶点的上肢运动、保持站姿和坐姿的动态平衡,以及手眼协调性。通过Fugl-Meyer评定、贝克抑郁量表、Berg平衡量表等方法证实,患者的上肢运动功能、平衡功能、协调性均相应的改善;在训练过程中,患者未出现跌倒或疼痛加剧的症状。以色列Rand等通过对健康年轻人、健康老年人和老年卒中患者使用SonyPS2EyeToy虚拟现实平台的实验研究,证实EyeToy可用于老年卒中患者的肢体运动康复。通过运行那些要求患者在保持身体平衡的同时,用手臂移动完成的游戏,如Wishy-Washy、Kung-Foo等,12例处于不同康复阶段的老年脑卒中患者(7例平均年龄63岁,病史1~5年;5例平均年龄73岁,病史1~3个月)的实际训练表现及效果表明,该系统可用于不同阶段脑卒中患者的康复训练。康复训练的最终目的是帮助患者将训练效果移植到生活中,使患者可以独立从事基本的日常活动。加拿大ValterMc-Conville等通过基于PS2EyeToy的平衡训练验证了此项体感技术用于运动康复的可行性,同时也对其训练效果向现实世界的移植进行了评估。研究采用AntiGray游戏进行平衡训练,患者通过积极的头部运动及手臂动作控制虚拟人物躲避障碍、获取代币或目标,并利用身体的协调控制虚拟人在赛道中滑行的速度和精确度。训练效果移植的评估主要采用以下3种平衡测试:平衡板实验、前后罗姆格实验、单腿站立实验。结果显示采用PS2EyeToy的实验组患者平衡能力提高,但在训练过程中出现了不适症状(头痛、眼疲劳、眩晕等)。此类平衡运动训练不适于运动障碍严重的患者。EyeToy已经成功应用于康复训练中,但其二维图像处理的局限性也制约了此项技术在康复领域的发展。2010年索尼公司推出新产品Move控制器,可以侦测手部在空间的移动及转动,做到相当精确的动作感应。Move控制器的推出给这项技术带来良好的发展前景。但目前尚无该技术应用于运动康复的相关报道。2.2传统护理训练效果的验证Wii是日本任天堂公司2006年推出的家用游戏主机,包括主机和模拟控制器两个部分。游戏玩家通过Wii手柄和平衡板来控制游戏。平衡板中集成了压力传感器,用于侦测用户运动的压力重心,用户通过改变重心的位置控制游戏环境。目前,已经有学者将此项技术及设备应用于肢体运动康复训练中。Burke等在论述和分析游戏用于康复训练的有效性、康复效果的影响因素(如趣味性和挑战性)的同时,开发出一系列上肢康复游戏,如基于Wii的电颤琴游戏可以起到对手腕和手臂的康复训练作用。患者手握Wii控制器,通过手臂移动和按钮控制操纵游戏环境中的虚拟演奏棒,实现电颤琴的仿真演奏。系统支持多个控制器同时使用,可使患者同时演奏多个音符或实现多人训练。演奏结束后,系统将根据患者的训练表现进行评分并给出激励信息。不同的演奏曲目对手臂移动的幅度及运动量有不同要求,考虑到不同患者训练要求的差异,系统在演奏模式的曲目菜单列表后附上了相应曲目的提示信息(着重训练的部位及运动量),患者可根据理疗师的康复要求选择合适曲目进行训练。在开发基于体感技术的康复训练系统的同时,有必要对其实际临床康复效果进行验证,通常的方法是与传统方式的训练效果进行对比。Gil-Gomez等开发了基于电脑和Wii平衡板的康复训练系统——eBaViRSystem,用于姿态不稳及平衡失调患者的康复训练。患者通过控制Wii平衡板完成AirHockey和BalloonBreaker康复游戏。实验组及对照组患者分别完成了20次时长1h的游戏训练,通过训练前后两组患者静态和动态平衡测试结果的对比,评估了eBaViR系统用于平衡康复的有效性。Deutsch等将基于Wii的平衡和运动康复训练与传统护理进行比较。该研究选取2例患病5年以上的脑卒中患者(48岁男性患者,10年脑梗死病史;34岁女性患者,7年蛛网膜下腔出血史),每周进行3次时长1h康复训练,持续4周。其中男性患者进行基于Wii的康复训练,训练内容包括拳击、保龄球、棒球、跳台滑雪、障碍滑雪、走钢丝、弓箭步以及公园漫步;女性患者采用标准护理,进行诸如坐、站、节拍踏步等常规平衡和协调训练。对患者训练前、训练结束时、训练结束3个月后的步速、行走耐力和平衡性进行测试,结果显示,在接受训练后,男性患者和女性患者的步速分别提高了19%和12%,计时起立-走测试得分分别提高23%和15%。但使用基于Wii训练系统的患者在训练结束后对训练效果的保持不如传统护理训练下的患者,原因是基于Wii的训练效果未能很好地移植到日常生活中。两者的综合运用在未来运动康复应用中有良好的发展前景。众多研究证实基于Wii的肢体运动康复的可行性。Kaluarachchi等开发的康复训练系统包含两款康复游戏(theRol-lyandTreasuregames),旨在为上肢轻瘫患者提供积极有效的康复手段。其中theRollygame要求患者控制手腕及手臂的翻转,以保持虚拟环境中小球在支撑杆上的平衡,目的是增加患者上臂、前臂和手腕的转动范围以及肌力及控制力。理疗师可根据患者病况改变虚拟支持杆的摩擦系数、小球速度及支撑杆长度,调整游戏难度水平以提高训练效果。患者通过两种游戏环境的训练,可提高反应速度和肌肉控制能力。但目前该系统只支持站姿训练,具有一定的局限性。Harley等开发的交互式脑卒中康复训练系统,将Wii控制器的红外摄像头装在天花板上,用以追踪固定在患臂上的2个红外信号灯,可以实现患者前臂的二维平面追踪。系统配有一款以Peggle(幻幻球)为原型的康复游戏,患者通过手臂动作操纵游戏中的弹珠发射台,击中并消除画面中网格状分布的小球及其他目标。游戏可以使患者患臂的活动范围最大化,提高患臂运动的准确性、稳定性,减小患臂颤动。研究对1例轻度偏瘫患者的可用性测试表明,基于幻幻球的康复游戏可以用于上肢运动康复。目前,各种基于Wii的肢体运动康复训练系统仅支持依赖Wii控制器红外摄像头追踪能力的二维平面追踪。任天堂于2009年推出MotionPlus动态感应强化器,在原有基础上增加了三轴陀螺仪感应器,可以精确感应倾斜、摆荡的程度,从而可以精确地侦测人体手腕旋转等动作。维多利亚大学的Li等对增加了MotionPlus的Wii控制器进行相关研究。研究实现了对一些腕部及手臂动作的准确识别、分类,并指出通过对控制器侦测到的患者动作与理疗师示范动作的差异分析,可以实现康复动作的评估。但研究处于初始阶段,尚未开发出基于此类技术的康复训练系统。2.3运动训练及旅游产品Kinect是微软公司2010年11月发布的一款3D体感设备,可以实现实时运动捕捉、影像辨识、麦克风输入、语音辨识、社群互动等功能。Kinect采用光编码技术对测量空间进行编码,并通过芯片运算解码,生成3D深度图像。识别3D图像深度信息后,Kinect通过渲染数据,计算得到人体主要的20个骨骼位置,以此来判断人体姿势,进行骨架追踪,进而实现与虚拟环境的人机交互。短短两年多时间,国外学者发现该技术在医疗康复领域应用的巨大潜力,开始研究基于Kinect传感器的肢体运动康复训练技术。2.3.1上肢运动基于Kinect的运动康复研究中,针对上肢运动康复的研究较多。Chang等通过Kinect与高保真光学追踪系统OptiTrack的性能比较,证明低成本的Kinect可达到与光学追踪系统相衡的动作追踪效果,Kinect可作为临床或家庭环境中的肢体运动康复训练工具。Gama等设计了一套基于Kinect的针对肩、肘部运动康复训练的系统。在康复训练过程中,患者需要进行手臂自下而上的侧举运动;系统通过提取Kinect传感器捕捉的图像,计算肩部与肘部在冠状面内的夹角,对患者进行动作纠正指导。Chang等开发出Kinerehab运动障碍训练系统。患者在训练过程中依次完成双臂的前伸、侧展及上举。通过Kinerehab系统可以自动探测患者关节位置,判断动作是否标准,运动量是否足够,并以语音提示、动画演示形式实时反馈(患者动作越准确,动画中鲸鱼尾部摆动越大,歌声越嘹亮)。该研究以ABAB序列(A代表无辅助技术的基本阶段、B代表采用Kinere-hab系统的干预阶段),证实患者在干预阶段完成的正确动作数明显高于基本阶段。美国犹他大学的Pastor等对Kinect和电脑游戏在上肢运动康复中的应用进行了可行性研究。系统采用水平放置的光滑透明支撑板作为手臂活动界面,并将Kinect摄像头向下放置于支撑板上方70cm处,用于追踪患者的手臂动作。患者需根据系统图像提示,通过手臂移动,将屏幕光标移动到指定单元,以完成训练动作。系统通过患者手臂位置信息判断是否完成动作,在对患者动作评分(得分与手臂的移动速度成比例关系)的同时,提示患者下个目标的位置。对1例48岁女患者(2年病史)训练前后进行问卷调查及Fugl-Meyer上肢运动功能评分,初步证实其对与上肢运动康复的可行性。随着Kinect技术应用的日趋成熟,研究者可根据康复部位、目的及相关要求,搭建各种运动康复训练系统。若将Kinect与其他技术相结合,还可进一步增强康复训练效果及训练过程的真实感,如Sadihov等开发的加入增强型触觉反馈的虚拟上肢康复系统。系统将Kinect与触觉手套结合使用,在患者与虚拟康复训练环境交互时,触觉手套的手掌及手指部位装有的振动马达通过基于运动的震动仿真,为患者提供触觉反馈,提高了患者康复训练的沉浸感。2.3.2平衡康复Lange等开发了针对神经损伤患者的平衡训练工具。基于Kinect的康复游戏JewelMine,要求患者通过自身动作控制虚拟环境中的虚拟人将宝石放入框中,收集宝石越多,得分越高。在游戏过程中,系统用虚拟人反映患者的形象姿势和运动状态。患者通过接收到的反馈信息进行肩、肘等部位的平衡调整,从而提高自身的平衡感知能力。训练游戏的沉浸感及人性化设计使得患者轻松专注地投入训练,带给患者游戏训练的愉悦感,调动了患者的训练积极性。Sun等开发了平衡训练系统以增强患者平衡能力,减少跌倒造成的危害。系统自动生成姿态框架(单腿站立姿态)和虚拟人物,患者需根据系统生成的姿态框架结构的形态,控制虚拟人物作出相应动作。系统会根据虚拟人物与姿态框架的碰撞情况,对患者的训练表现进行量化评估,以便安排后续训练任务。该研究只适用于静态平衡训练,不能针对动态平衡进行相关训练。Garrido等开发的系统通过训练患者直线行走的平衡性,帮助患者从平衡功能障碍中恢复。患者从远处直线走向Ki-nect,完成3m直线行走训练任务,通过对患者行走过程中肩部运动的侦测,评估患者动态行走的平衡性,给出实时反馈信息。该系统适用于患者动态平衡训练。2.3.3特定部位康复Cordella等实现了通过Kinect和基于蒙特卡罗方法的手指追踪,对患者运动表现进行评估。首先由理疗师做出手部动作,通过在手指关节安置的标记对手部动作进行追踪,并采用贝叶斯估计方法过滤,使动作追踪对背景干扰具有较强的鲁棒性。康复系统将手指关节的轨迹作为虚拟手的输入信息,在虚拟环境中再现治疗师的动作,并将患者模拟的动作与治疗师的动作在虚拟环境叠加,通过两者之间的偏差对患者的运动表现进行评估。目前,该项研究并未完善和用于临床试验。目前,基于Kinect的康复训练系统不断涌现,着重于康复训练项目的开发设计及系统成果评估。但系统训练项目所测得的相关运动表现数据并不代表患者运动能力的提升,因此需通过专业的康复评定方法对患者进行运动功能评定。日本青山大学开发了一套用于康复效果测试的康复评定系统。系统实现了计时起立-走测试、10m步行测试及实时关节活动度测量3项标准康复评定项目的搭建。3体感技术在肢体运动康复中的应用体感技术应用于运动康复需要有康复训练系统、体感设备等软、硬件支持;基于体感设备的运动康复训练系统通常配置趣味游戏,使患者忽视自身障碍及训练过程的无聊和痛苦,更专注于康复训练,提高康复训练效果。Wii、EyeToy、Kinect的运动控制,使用户无需操作过多的控制按钮,便可实现游戏控制及人机交互,使存在障碍的患者可以轻松访问、参与并受益于康复游戏。康复系统的任务性训练项目及精确的感觉反馈,可为患者提供真实而安全的训练环境;患者可将虚拟环境中学会的动作技能运用到现实生活中。基于体感技术的康复训练系统所提供的测评功能,可量化评定患者训练前后及训练过程中的各项指标,有利于医疗人员准确掌握患者的康复状态,及时调整训练计划和训练强度,制定更有针对性的康复目标。Wii、Eye