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基于Kinect的自主康復(fù)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
摘要：為了使患者能夠在家中自主進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練并能與醫(yī)院進(jìn)行信息交互，本文設(shè)計了一套基于Kinect的自主康復(fù)系統(tǒng)。系統(tǒng)使用Kinect開發(fā)完成，患者按康復(fù)計劃規(guī)定的康復(fù)訓(xùn)練動作進(jìn)行訓(xùn)練，并使用Kinect傳感器獲取人體骨骼關(guān)節(jié)點的空間坐標(biāo)并捕捉節(jié)點運動軌跡，計算獲取關(guān)節(jié)點的相對角度變化值判定患者動作是否完成并給出文字提示，醫(yī)生可調(diào)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)查看患者康復(fù)情況并更新康復(fù)訓(xùn)練內(nèi)容。實驗證明，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確識別關(guān)節(jié)點的運動，能較為直觀逼真地顯示用戶康復(fù)訓(xùn)練情況，實時性、準(zhǔn)確性達(dá)到設(shè)計需求，具有較好的應(yīng)用價值。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/277709.htm
關(guān)鍵詞：自主康復(fù)系統(tǒng);Kinect;骨骼關(guān)節(jié)點;運動軌跡;信息交互
引言
Kinect體感傳感器是微軟公司于2010年發(fā)布的新興體感交互式傳感器，它打破了傳統(tǒng)的人機(jī)交互方式，更加生動有效地展示了人機(jī)交互的理念和方式，因此在各行各業(yè)迅速得到應(yīng)用推廣。隨著中國社會老齡化程度不斷加深，老年人群比例逐年增大，老年病和慢性病成為社區(qū)醫(yī)療服務(wù)的重點關(guān)注疾病，老年癡呆、腦卒中、高血壓等易發(fā)疾病不僅需要藥物治療，還需持久的康復(fù)訓(xùn)練，目前醫(yī)療資源較為緊張，將治療后期用以增加肌體功能的康復(fù)訓(xùn)練轉(zhuǎn)移到社區(qū)或家庭中進(jìn)行能緩解老年疾病護(hù)理和醫(yī)療資源的需求供給矛盾，還能提高康復(fù)訓(xùn)練的信息化，有利于康復(fù)數(shù)據(jù)收集和研究。本文結(jié)合Kin ect和軟件及數(shù)據(jù)庫技術(shù)，開發(fā)了一套自主康復(fù)系統(tǒng)，患者登錄系統(tǒng)獲取康復(fù)訓(xùn)練計劃，按計劃要求的動作進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，系統(tǒng)使用Kinect傳感器獲取人體關(guān)節(jié)點的空間坐標(biāo)并捕捉節(jié)點運動軌跡，經(jīng)異常值處理后判定患者各節(jié)點康復(fù)訓(xùn)練動作是否達(dá)標(biāo)，并根據(jù)訓(xùn)練效果制定進(jìn)一步的康復(fù)計劃，醫(yī)生可隨時進(jìn)入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)查詢患者的康復(fù)狀態(tài)。該系統(tǒng)經(jīng)驗證可準(zhǔn)確識別關(guān)節(jié)運動，交互實時性、準(zhǔn)確性達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計要求，為老年疾病康復(fù)訓(xùn)練提供了較好的恢復(fù)平臺，而且所獲得的康復(fù)數(shù)據(jù)也為相關(guān)疾病康復(fù)研究提供了大量的數(shù)據(jù)信息。
一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)使用Kine ct設(shè)備獲取用戶的骨骼空間坐標(biāo)并進(jìn)行軌跡生成再現(xiàn)，同時計算用戶訓(xùn)練的關(guān)節(jié)點相對角度值與設(shè)置的閾值比較，當(dāng)相對角度變化值超過閾值后系統(tǒng)將提示用戶完成該訓(xùn)練動作內(nèi)容并給出響應(yīng)。為完成這一系列過程，系統(tǒng)需要四個主要部分：(1)傳感器數(shù)據(jù)采集;(2)數(shù)據(jù)處理運算;(3)數(shù)據(jù)顯示;(4)數(shù)據(jù)存儲。其中傳感器數(shù)據(jù)采集主要由Kinect傳感器完成，數(shù)據(jù)處理運算在Visual C++的后臺中進(jìn)行運算，數(shù)據(jù)顯示通過生成的系統(tǒng)軟件在前臺顯示并對用戶動作響應(yīng)，數(shù)據(jù)存儲功能由MySQL完成，醫(yī)生可隨時調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)查看患者自主康復(fù)數(shù)據(jù)，并根據(jù)用戶自主康復(fù)訓(xùn)練結(jié)果更新訓(xùn)練計劃，在軟件前端顯示并提供用戶使用，從而形成一個良性循環(huán)的閉環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。
二、系統(tǒng)功能原理
2.1數(shù)據(jù)采集
Kinect設(shè)備能夠?qū)崟r獲得彩色圖像和深度圖像數(shù)據(jù)，而且支持實時的半身和全向骨骼跟蹤模式并能識別一系列的動作，這是自主康復(fù)系統(tǒng)應(yīng)用Kine ct的關(guān)鍵原因。Kinect由紅外發(fā)射器、RGB彩色攝像頭和紅外線COMS攝像機(jī)組成。Kinect能夠提供人體內(nèi)的二十個骨架關(guān)節(jié)點的三維坐標(biāo)值，如圖2所示。
以這二十個關(guān)節(jié)點為基礎(chǔ)，計算任意兩個關(guān)節(jié)點的距離和方位變化可得人體關(guān)節(jié)運動軌跡。Kinect可獲取場景深度信息并進(jìn)一步計算出入與相機(jī)間的空間間隔，設(shè)人體到Kin ect設(shè)備的距離為d，可由式(1)求得：
d=K・tan(H・dk+L)-0
(1)
式中dk是對象深度值，由Kinect設(shè)備獲取，k=12.36厘米、H=3.5-10-4rad、L=1.18rad、0=3.7厘米。
2.2運動軌跡生成
將深度圖像坐標(biāo)(Xk，yk，Zk)轉(zhuǎn)化為實際坐標(biāo)(Xr，Yr，Zr)，轉(zhuǎn)化公式為：
式中F=O.0021，D'=-10， Kinect的分辨率為w×h=680×480。這樣利用(1)式、(2)式可得人體任意兩個關(guān)節(jié)點的空間坐標(biāo)值M (Xr1，Yr1，Zr1)和N(Xr2，Yr2，Zr2)，可得兩關(guān)節(jié)點間的距離為：
由于Kinect的硬件誤差或抖動等一系列因素導(dǎo)致骨骼關(guān)節(jié)點的相對位置在短時間內(nèi)變化極大、數(shù)據(jù)中存在異常值，針對這一問題，在系統(tǒng)生成骨骼節(jié)點的運動軌跡時需對這類異常值進(jìn)行篩選和刪除，對運動軌跡進(jìn)行平滑處理。為達(dá)到降噪效果，將活動關(guān)節(jié)當(dāng)前時刻的坐標(biāo)值與前N-l個采樣周期的關(guān)節(jié)坐標(biāo)的平均值當(dāng)作當(dāng)前時刻的關(guān)節(jié)位置，并按時序以N為步長對獲取的坐標(biāo)位置進(jìn)行遞進(jìn)前移，該方法可以使系統(tǒng)獲取并用于顯示的人體關(guān)節(jié)活動軌跡更為平滑優(yōu)美，帶給康復(fù)患者較好的視覺感觀，以增強(qiáng)康復(fù)的信心。
2.3姿勢判斷
獲取骨骼節(jié)點的坐標(biāo)標(biāo)據(jù)和運動軌跡是生成人體關(guān)節(jié)運動軌跡的基礎(chǔ)，而判斷患者動作是否達(dá)到要求是系統(tǒng)指導(dǎo)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的關(guān)鍵，在關(guān)節(jié)點運動過程中還需判斷患者是否完成康復(fù)動作并在完成動作后給予響應(yīng)。考慮人體運動時很多骨骼關(guān)節(jié)并非直線運動，而是以某一關(guān)節(jié)為圓心的類似圓弧運動，因此可實時獲取各時刻的關(guān)節(jié)點角度，通過活動關(guān)節(jié)點相對于轉(zhuǎn)動圓心關(guān)節(jié)點的角度變化值來計算患者是否完成康復(fù)動作。
在系統(tǒng)中利用余弦定理計算如圖3所示的相關(guān)聯(lián)的3個關(guān)節(jié)點連線的角度值，計算方法為：
通過(4)式，系統(tǒng)在Kinect檢測到骷髏關(guān)節(jié)點的運動時可獲取相關(guān)聯(lián)的節(jié)點間在任意時刻的相對角度，繼而求得在某時段內(nèi)活動關(guān)節(jié)點相對于轉(zhuǎn)動圓心關(guān)節(jié)點的角度變化值，并設(shè)該活動關(guān)節(jié)點對應(yīng)角度閾值為θt，，并設(shè)BOOL型變量K，K通過(5)式確定：
在每一采樣周期，系統(tǒng)計算此時刻與前時刻的角度差，得至K的結(jié)果并判斷，當(dāng)K為假時繼續(xù)采樣追蹤活動關(guān)節(jié)點位置，當(dāng)K為真時給出對應(yīng)語音和文字提示并結(jié)束追蹤關(guān)節(jié)運動。
三、測試結(jié)果
對系統(tǒng)進(jìn)行性能測試驗證，為減少系統(tǒng)負(fù)擔(dān)提高運算效率，對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，當(dāng)追蹤某一關(guān)節(jié)活動時，系統(tǒng)只計算該關(guān)節(jié)與系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的關(guān)聯(lián)關(guān)節(jié)活動軌跡，對其他關(guān)節(jié)點的動作不進(jìn)行跟蹤和建立軌跡。而且由于系統(tǒng)傳感器使用了激光散斑原理，即激光在散射體表面發(fā)生漫反射的時候在附近光場中可看到無規(guī)則分布的亮暗光點，這就要求系統(tǒng)使用過程中使用者和背景環(huán)境有較為明顯的區(qū)分度，而且Kinect傳感器的有效探測區(qū)間是[0.8米，3.5米]，因此在測試時測試者身著深色服裝、背靠白色墻壁、距Kinect傳感器2.5米進(jìn)行測試。圖4系統(tǒng)界面所示為系統(tǒng)界面，用戶登錄系統(tǒng)后將進(jìn)入到此界面，左側(cè)為提示框和操作區(qū)，其中上方顯示了當(dāng)前動作的動作概念、鍛煉部位和小貼示，下方為系統(tǒng)控制區(qū)，可進(jìn)行重做、下一動作、尋求幫助、系統(tǒng)風(fēng)格等操作，其中顯示風(fēng)格為系統(tǒng)右側(cè)規(guī)定動作和展示使用者動作展示的顯示風(fēng)格，目前已完成鋼鐵機(jī)甲、與子偕老、夕陽紅等三種風(fēng)格：右側(cè)為動作展示區(qū)和進(jìn)行提示區(qū)，分別展示系統(tǒng)規(guī)定動作和使用者動作，并在下方提示用戶完成進(jìn)度。
為了測試系統(tǒng)的實時性和準(zhǔn)確性，分別選取舉手上伸、握拳抬小臂、擊掌、小腿劃圈、頭部轉(zhuǎn)圈等五個動作，前四個動作左右肢各進(jìn)行50次，頭部轉(zhuǎn)圈動作進(jìn)行100次，通過讀取系統(tǒng)時戳以獲取系統(tǒng)反應(yīng)時間，并根據(jù)系統(tǒng)顯示結(jié)果判斷系統(tǒng)識別動作是否正確，測試結(jié)果如表1所示。
從表1數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)對舉手上伸、握拳抬小臂、擊掌等三個動作的識別率達(dá)到100%，而小腿劃圈、頭部轉(zhuǎn)圈兩個動作有不識別情況，不識別主要發(fā)生在測試者劃圈速度較快的情況下，系統(tǒng)使用三關(guān)聯(lián)點測角的方法發(fā)生誤判，但考慮到康復(fù)患者普遍動作較慢，不識別的情況在系統(tǒng)實際使用中發(fā)生的可能性較小，系統(tǒng)的平均反應(yīng)時間隨著動作復(fù)雜度提升也會小幅增長，但都小于0.2秒的設(shè)計要求，因此本系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實時性滿足實際使用需求。
四、結(jié)束語
本文的系統(tǒng)使用Kinect開發(fā)完成，可實現(xiàn)對患者康復(fù)動作的引導(dǎo)教學(xué)和完成情況判定，并將最終的康復(fù)情況存人數(shù)據(jù)庫中，醫(yī)生可根據(jù)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)判斷患者自主康復(fù)效果并更新訓(xùn)練計劃提供給患者，在良好的人機(jī)交互的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了醫(yī)生和患者遠(yuǎn)程良性互動，對患者自主進(jìn)行康復(fù)具有積極促進(jìn)作用，系統(tǒng)測試結(jié)果表明系統(tǒng)的實時性和準(zhǔn)確性達(dá)到設(shè)計要求，因此系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用價值。但是系統(tǒng)也存在一定的不足，對用戶的使用環(huán)境有一定的要求，同時軟件使用方面還有較大的優(yōu)化空間，而且對于老人來說系統(tǒng)操作還不夠簡潔，這些都將是下一步工作中重點進(jìn)行改進(jìn)的地方。
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