增強現(xiàn)實上肢康復(fù)系統(tǒng)跟蹤注冊關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、增強現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱 AR）技術(shù)能夠?qū)⑻摂M場景與真實場景完美融合從而實現(xiàn)對真實場景的增強和補充。跟蹤注冊是AR的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是實現(xiàn)虛實場景融合的基礎(chǔ)。將AR應(yīng)用于上肢康復(fù)系統(tǒng)中，可以把計算機生成的虛擬指導(dǎo)訓(xùn)練信息疊加到病患真實的訓(xùn)練過程中，讓病患清晰而明確地看到自己當(dāng)前肢體動作和既定訓(xùn)練計劃的真實差異。對AR上肢康復(fù)系統(tǒng)跟蹤注冊關(guān)鍵技術(shù)的研究是跟蹤注冊方法及應(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)域的難點提供處理思路的同時為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)用價值。
　　目前國內(nèi)外AR上肢康復(fù)系統(tǒng)利用標(biāo)記和計算機視覺算法能夠跟蹤上肢的活動，但無法獲取上肢活動時的相關(guān)數(shù)據(jù)對訓(xùn)練效果進(jìn)行量化評估。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。針對以上問題，在對相關(guān)AR跟蹤注冊理論和方法進(jìn)行深入研究和分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了以下幾個主

3、要工作：
　　（1）虛實融合特征數(shù)據(jù)分析。通過體位（坐位、立位和仰臥位）分析以及腕、肘關(guān)節(jié)活動特點分析，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)活動度）評定，確定關(guān)節(jié)活動角度為虛實融合特征數(shù)據(jù)。
　?。?）傳感器實現(xiàn)的腕、肘關(guān)節(jié)運動跟蹤注冊。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、伸展運動基于人體力學(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動，其在三維空間中的旋轉(zhuǎn)方向、角度與關(guān)節(jié)的活動方向、角度相對應(yīng)，從而將關(guān)節(jié)的活動角度在三維空間中進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，進(jìn)而通過計算傳感器的旋轉(zhuǎn)角度獲得關(guān)節(jié)的活動角度。最后結(jié)合關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練運動的特點即重復(fù)性和連續(xù)性，給出了一個適用于上肢腕、肘關(guān)節(jié)不同運動形式的跟蹤注冊算法。
　　（3）有效性和可用性驗證。一方面，選擇健康人、模擬病患和真實病患三類關(guān)節(jié)活動度和關(guān)節(jié)靈活性各不相同的人群作為評估對象從靈敏、精確、連續(xù)

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

6、憶、容錯性、高效性和滿意度五個指標(biāo)進(jìn)行評估。
　　論文的理論價值體現(xiàn)在以下幾個方面：
　?。?）首次提出了將人體上肢關(guān)節(jié)運動在三維空間中進(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。
　　論文的實用價值體現(xiàn)在：
　?。?）提出的跟蹤注冊算法封裝應(yīng)用于AR上肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)既支持虛實訓(xùn)練場景的融合，又可作為醫(yī)生或

7、治療師評估病患康復(fù)進(jìn)度和訓(xùn)練效果的重要依據(jù)。
　?。?）設(shè)計實現(xiàn)的基于Android平臺的上肢康復(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)生清晰地對比和實時了解訓(xùn)練情況。
　　論文的工作實現(xiàn)了對腕關(guān)節(jié)的穩(wěn)定跟蹤和注冊支持，但實驗中發(fā)現(xiàn)病患肘關(guān)節(jié)運動有時是由腕關(guān)節(jié)運動帶動的。因此下一步工作是對可能參與肘關(guān)節(jié)運動的其他關(guān)節(jié)結(jié)合分析，以更全面地完成對肘關(guān)節(jié)運動的跟蹤注冊，進(jìn)而更好地