增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)上肢康復(fù)系統(tǒng)跟蹤注冊(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱(chēng) AR）技術(shù)能夠?qū)⑻摂M場(chǎng)景與真實(shí)場(chǎng)景完美融合從而實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的增強(qiáng)和補(bǔ)充。跟蹤注冊(cè)是AR的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是實(shí)現(xiàn)虛實(shí)場(chǎng)景融合的基礎(chǔ)。將AR應(yīng)用于上肢康復(fù)系統(tǒng)中，可以把計(jì)算機(jī)生成的虛擬指導(dǎo)訓(xùn)練信息疊加到病患真實(shí)的訓(xùn)練過(guò)程中，讓病患清晰而明確地看到自己當(dāng)前肢體動(dòng)作和既定訓(xùn)練計(jì)劃的真實(shí)差異。對(duì)AR上肢康復(fù)系統(tǒng)跟蹤注冊(cè)關(guān)鍵技術(shù)的研究是跟蹤注冊(cè)方法及應(yīng)用的進(jìn)一步研究，在一定程度上為AR技術(shù)應(yīng)用于

2、康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的難點(diǎn)提供處理思路的同時(shí)為AR上肢康復(fù)系統(tǒng)的發(fā)展提供關(guān)鍵技術(shù)的解決方案。因此，論文的工作具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　目前國(guó)內(nèi)外AR上肢康復(fù)系統(tǒng)利用標(biāo)記和計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法能夠跟蹤上肢的活動(dòng)，但無(wú)法獲取上肢活動(dòng)時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)訓(xùn)練效果進(jìn)行量化評(píng)估。此外，在病患的上肢放置各種標(biāo)記易使病患在心理上產(chǎn)生抵觸或不配合的情緒而導(dǎo)致康復(fù)效果不佳。針對(duì)以上問(wèn)題，在對(duì)相關(guān)AR跟蹤注冊(cè)理論和方法進(jìn)行深入研究和分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了以下幾個(gè)主

3、要工作：
　?。?）虛實(shí)融合特征數(shù)據(jù)分析。通過(guò)體位（坐位、立位和仰臥位）分析以及腕、肘關(guān)節(jié)活動(dòng)特點(diǎn)分析，確定傳感器位置。再結(jié)合腕、肘關(guān)節(jié)ROM（Range of Motion，關(guān)節(jié)活動(dòng)度）評(píng)定，確定關(guān)節(jié)活動(dòng)角度為虛實(shí)融合特征數(shù)據(jù)。
　　（2）傳感器實(shí)現(xiàn)的腕、肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)跟蹤注冊(cè)。傳感器因其逐漸智能化且微型化，可穿戴在手腕和肘部，易于接受。腕關(guān)節(jié)的尺偏、橈偏和肘關(guān)節(jié)的屈曲、伸展運(yùn)動(dòng)基于人體力學(xué)結(jié)構(gòu)可分析抽象為三維空間中繞某一坐標(biāo)

4、軸的旋轉(zhuǎn)，穿戴的傳感器隨上肢運(yùn)動(dòng)，其在三維空間中的旋轉(zhuǎn)方向、角度與關(guān)節(jié)的活動(dòng)方向、角度相對(duì)應(yīng)，從而將關(guān)節(jié)的活動(dòng)角度在三維空間中進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算傳感器的旋轉(zhuǎn)角度獲得關(guān)節(jié)的活動(dòng)角度。最后結(jié)合關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)即重復(fù)性和連續(xù)性，給出了一個(gè)適用于上肢腕、肘關(guān)節(jié)不同運(yùn)動(dòng)形式的跟蹤注冊(cè)算法。
　?。?）有效性和可用性驗(yàn)證。一方面，選擇健康人、模擬病患和真實(shí)病患三類(lèi)關(guān)節(jié)活動(dòng)度和關(guān)節(jié)靈活性各不相同的人群作為評(píng)估對(duì)象從靈敏、精確、連續(xù)

5、和穩(wěn)定四個(gè)指標(biāo)量化評(píng)估數(shù)據(jù)的有效性：通過(guò)將傳感器采集的數(shù)據(jù)與臨床使用的量角器測(cè)量的同一活動(dòng)角度的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比評(píng)估了精確性，通過(guò)分析原型生成的數(shù)據(jù)變化曲線量化評(píng)估了靈敏性、連續(xù)性和穩(wěn)定性。另一方面，自行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了一個(gè)原型系統(tǒng)，在三級(jí)甲等中醫(yī)醫(yī)院重慶市某區(qū)中醫(yī)院進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，分別從硬件（主要是傳感器設(shè)備）和軟件的可用性進(jìn)一步驗(yàn)證了跟蹤注冊(cè)的可用性。硬件可用性從易于使用、可接受度、舒適度和滿意度四個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，而軟件可用性從易于學(xué)習(xí)、易于記

6、憶、容錯(cuò)性、高效性和滿意度五個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。
　　論文的理論價(jià)值體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
　?。?）首次提出了將人體上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)在三維空間中進(jìn)行抽象建模的方法。
　?。?）論文的工作是AR與康復(fù)醫(yī)學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，其工作成果一定程度上為下肢大關(guān)節(jié)功能障礙AR康復(fù)訓(xùn)練提供了理論指導(dǎo)和借鑒。
　　論文的實(shí)用價(jià)值體現(xiàn)在：
　?。?）提出的跟蹤注冊(cè)算法封裝應(yīng)用于AR上肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)既支持虛實(shí)訓(xùn)練場(chǎng)景的融合，又可作為醫(yī)生或

7、治療師評(píng)估病患康復(fù)進(jìn)度和訓(xùn)練效果的重要依據(jù)。
　?。?）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基于Android平臺(tái)的上肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)原型能夠直觀地展示病患的已達(dá)訓(xùn)練目標(biāo)、當(dāng)前訓(xùn)練狀態(tài)以及當(dāng)前設(shè)定的目標(biāo)，便于病患和醫(yī)生清晰地對(duì)比和實(shí)時(shí)了解訓(xùn)練情況。
　　論文的工作實(shí)現(xiàn)了對(duì)腕關(guān)節(jié)的穩(wěn)定跟蹤和注冊(cè)支持，但實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)病患肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)有時(shí)是由腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)的。因此下一步工作是對(duì)可能參與肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的其他關(guān)節(jié)結(jié)合分析，以更全面地完成對(duì)肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的跟蹤注冊(cè)，進(jìn)而更好地