基于AR技术的社区居家慢性病患者运动康复训练APP的开发研究

摘要：通过分析和探讨目前基于AR技术的社区居家运动康复训练APP的开发背景、可行性和优势，针对中老年社区居家慢性病伴有轻、中肢体功能障碍的人群需要长期进行运动康复训练的需求，设计开发了一款基于AR技术的社区居家运动康复训练APP。将AR技术与康复医疗技术相结合，旨在利用远程医疗指导，增强社区居家患者的康复意愿，促进病情恢复。2021年，国际标准化组织（ISO）发布的《ISO战略2030》提出，数字技术是未来世界变革的驱动因素。作为一种将计算机生成的虚拟信息与真实环境相融合的数字技术，增强现实（AugmentedReality，简称AR）技术就是利用计算机生成的文字图像和三维模型等虚拟信息，通过多媒体、三维建模、实时跟踪及注册、智能交互、传感等多种技术手段，将虚拟信息模拟仿真后应用到真实世界中，从而实现对真实世界的“增强”。同时，AR技术成本相对较低、研发门槛不高、应用范围十分广泛，能够给用户带来良好的使用体验，因此在未来有着广阔的发展前景。1、基于AR技术的社区居家运动康复训练APP的开发背景2016年，中共中央、国务院印发的《“健康中国2030”规划纲要》明确提出了“共建共享，全民健康”这一建设健康中国的战略主题，其核心是坚持预防为主、防治结合的原则，对于提升社区康复医疗水平起到了巨大的推动作用。同时，《纲要》还指出，未来要积极发展健康服务新业态，在康复医疗领域探索推进智能健康电子产品和健康医疗移动应用服务等方面的发展。以上原则不但为康复服务的发展提供了有力的支持和指导，而且为加速社区康复医疗的发展提供了一个可行的方案。由此可见，价值医疗与功能改善已逐渐成为医疗趋势与核心，同时也逐渐成为人们对康复医疗的要求之一。目前，鉴于市场上缺少针对中老年慢性病伴有轻、中度肢体功能障碍，需要长期进行运动康复训练的人群的康复治疗APP，因此基于AR技术的社区居家运动康复训练APP的开发具有一定的必要性与紧迫性。2、基于AR技术的社区居家运动康复训练APP的开发设想本研究借助AR技术设计开发的社区居家运动康复训练APP可满足中老年居家慢性病患者对便捷性与个性化的双重需求。在设计之初，该APP2.0版本利用现有数据库（卡片库）进行运行，在不断完善后升级到3.0版本，届时可通过将计算机生成的虚拟信息与真实世界巧妙融合，利用摄像头捕捉患者的实时动作，结合其身体数据以及预设的康复目标，为患者量身定制个性化的康复训练计划。同时，虚拟教练还可以在APP端为患者示范正确的运动姿势、动作要领，并实时监测患者的锻炼动作，及时纠正错误姿势，提供个性化的指导意见，就如同拥有一位专属的康复专家在家中陪伴训练一样。这种个性化的训练指导方式，不仅考虑到了不同患者的个体差异，而且通过虚拟信息融合等手段，极大地增强了患者居家运动康复训练的针对性和有效性。3、基于AR技术的社区居家运动康复训练APP的设计方案“愈享生活”——社区居家运动康复+AR融合训练APP的研发项目是国家级大学生创新创业项目，旨在利用AR技术的优势，通过虚拟与现实结合的方式，为用户打造一个可随时开展康复训练的平台，并提供个性化、高效的康复训练计划。​3.1、平台架构本APP2.0版本主要由四部分组成。（1）前端用户交互界面。①界面元素排布规划合理依据功能的重要性与使用频率，对各功能模块进行分区布局，例如将“AR康复训练模块”“社区互动模块”“数据记录与分析模块”等主要功能以清晰明了的方式呈现，使用户能够迅速定位到所需功能入口，避免出现因元素混乱而导致的操作困扰。②交互流程的设计简明扼要从用户打开APP开始，每一步的操作引导都简洁易懂，尽可能减少不必要的步骤与确认过程。比如，在用户注册环节，只需引导其填写必要的用户名/邮箱/手机号、密码及验证码，并阅读同意用户协议等核心信息，避免过多的填写项。③视觉感受方面契合大众审美设计风格简洁大方，色彩搭配舒适。图标与按钮的设计直观形象，让用户一眼就能明白其代表的功能含义，同时也要保证文字描述清晰准确，避免产生歧义。④确保界面在不同的设备以及屏幕上都良好显示无论是在手机的小屏幕，还是平板电脑等大屏幕设备上，界面元素都能根据屏幕尺寸自动调整大小、位置与间距，保持整体的美观性与可读性，提升视觉舒适度，从而全方位提升用户的交互体验。（2）后端数据处理与分析中心。在本2.0版本研发中，数据收集方面，借助佩戴在中老年慢性病伴有轻、中肢体功能障碍且需要长期进行运动康复训练的人群以及康复师身上的传感器来实现。这些传感器能够实时捕捉用户运动时的各种数据，如关节的角度变化、肌肉的发力情况以及肢体的活动轨迹等，同时也能收集康复师在指导过程中的相关建议与评价数据。收集到的数据会源源不断地传输至后端系统，成为后续分析的基础素材。而对于收集到的原始数据，最初还需要半人工进行一系列的清洗、转换和整合操作，来去除其中的异常值、重复数据以及因传感器误差等原因产生的错误信息，确保数据的准确性与可靠性，并对经过清洗与转换的数据进行半人工整合，按照用户、时间、训练项目等维度进行分类整理，使其条理清晰。不过，在今后不断完善的3.0以上版本中，就可以运用统计分析、机器学习等先进方法对整合后的数据进行深入挖掘，并基于深入分析的结果，生成不同年龄段用户的数据模型，以直观的图表、可视化报告等形式展示数据分析成果。用户可以清晰地看到自己的训练成效，比如随着时间推移，关节活动度的提升曲线、肌力增强的百分比变化等，康复师也能依据这些数据模型为用户制订更为精准的个性化康复训练计划，进一步优化康复训练过程。（3）用户数据库。用户数据库作为存储用户相关信息的核心模块，其涵盖了个人基本信息、健康状况记录、训练历史数据等多方面内容。在设计时，做到既简洁、清晰、一致、安全，又能提供给数据处理者进行商业化使用。为避免数据的冗余存储，只保留关键且必要的信息，确保数据库的结构和数据关系易于理解与维护，任何有权限操作数据库的人员（如开发人员、运维人员、康复师等）都能迅速明白各个数据所代表的含义以及它们之间的关联关系。同时，由于用户数据库涉及大量敏感的个人健康信息，必须采取严格的安全措施进行保护。在遵守相关法律法规的前提下，对数据进行加密储存，严格设置访问权限控制，只有经过授权的合法角色（如特定的康复师、后台管理员等）才能根据其业务需求访问相应的数据，从而全方位确保用户数据的安全与隐私。（4）实体动作卡片。本2.0版本的APP使用实体动作卡片来辅助用户开展康复训练。实体动作卡片的基本构成包括标题、图像、摘要、AR识别功能。针对中老年慢性病伴有轻、中肢体功能障碍，需要长期进行运动康复训练的人群，卡片的文字需具有直观性和易读性，使用大字号和简短有效的描述确保患者能迅速理解卡片上的信息，减少认知负担。同时，卡片要兼具强大的功能，通过鲜明的对比色标注不同的卡片适用症，减少因使用错误而造成的负面后果。针对不同的疾病，要有针对性的训练动作，卡片上可以添加简短有效的描述，避免患者因不了解而造成的认知误区。卡片的最大特点——AR识别功能，更是实现了虚拟与现实结合的便捷康复训练体验。通过添加高对比度、鲜明色彩、清晰边缘的图片便于识别扫描，当用户使用APP扫描卡片时，就能借助AR技术将预先制作好的对应的康复训练视频精准地展示出来。视频中会有虚拟教练进行动作示范以及语音讲解，引导患者在社区居家环境中正确开展康复训练，仿佛将专业的康复指导搬到了家中，极大地提升了康复训练的便利性与效果。3.2、功能模块主要功能分区包括用户注册与信息管理模块、AR康复训练模块、社区互动模块、数据记录与分析模块。用户注册与信息管理模块需要考虑到四个方面。第一部分是用户注册，需要用户填写用户名/邮箱/手机号、密码、验证码，以及阅读并同意用户协议。第二部分是用户信息管理，包括个人信息编辑（如昵称、头像、性别等）、安全设置（修改密码、绑定/解绑第三方账号）、隐私设置（公开/隐藏个人信息选项）、数据查询与下载（如用户行为记录）。第三部分是验证与安全，用户需要进行实名认证，同时对账号异常进行监控与保护。第四部分为数据保护，在遵守相关法律法规的前提下，对APP收集的数据进行加密储存、访问权限控制。AR康复训练模块分为康复计划制定模块和康复训练模块。软件可以根据用户输入的个人信息、症状及预期表现，提供多种训练方式，如关节活动训练、肌力训练、平衡协调训练等。用户根据系统生成的训练动作，挑选恰当的卡片。扫描卡片后根据AR提示进行训练。社区互动模块主要为用户社交模块。用户可以通过文字、图片、视频等方式把自己的康复成果分享到社区，也可以通过社区看到其他人的训练成果。由此，可以通过社区找到志同道合的训练伙伴，可以通过大家的反馈对APP进行优化。数据记录与分析模块是应用设计的核心模块之一。软件对收集的数据进行预处理，使用分析工具对数据进行深入发掘。通过分析可得出数据的平均值、时间趋势和周期性变化，发现不同数据之间的关联性，应用算法预测和分类，应用图表进行展示，并提供交互式数据可视化工具，允许用户自定义视图和过滤条件。3.3、关键技术实现本APP所使用的关键技术包括AR技术、传感器与检测技术和人工智能算法。AR技术是利用ARKit（iOS）、ARCord（Android）等主流AR开发平台，实现虚拟场景的融合。传感器作为信息获取的重要手段，与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱。传感器与检测技术是通过传感器收集用户运动数据，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，实时监控用户动作和身体情况。人工智能算法运用机器学习、深度学习等算法数据，生成个性化训练计划，提供实时指导与反馈。4、AR技术在中老年慢性病与轻、中肢体功能障碍患者干预康复中的应用价值4.1、与康复医疗相结合，促进患者病情恢复通过结合3D模型和实时图像，AR技术可以将虚拟元素与现实世界进行叠加，从而创造出既真实又个性化的康复训练环境。例如，居家环境康复训练区，设有客厅、卧室、厨房、餐厅、卫生间等场景，完全按照居家生活设施进行设计。这样的环境能帮助患者在康复期间学会家庭环境中的各种生活动作，适应家庭环境，了解居家生活注意事项，以及必要辅具的使用方法，减少居家生活中可能带来的二次伤害。4.2、借助AR技术提高参与率对于中老年慢性病和肢体功能障碍患者来说，长期的康复训练可能会让他们感到枯燥乏味，甚至产生抵触情绪。而AR技术则可以通过游戏化的方式，将康复训练融入有趣的游戏中，从而激发患者的参与热情和积极性，提高他们的康复意愿和治疗效率。4.3、利用AR技术提供远程指导医生可以通过AR设备远程监测患者的康复训练情况，及时发现问题并给予指导，从而确保康复训练的顺利进行