導(dǎo)語(yǔ)
遠(yuǎn)程患者監(jiān)測(cè)是為老年人和/或慢性病患者提供醫(yī)療保健服務(wù)的最可靠選擇之一?？祻?fù)需要準(zhǔn)確且醫(yī)學(xué)上正確地完成理療活動(dòng)。本文介紹了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）的BiomacVR康復(fù)系統(tǒng)，將VR物理訓(xùn)練監(jiān)測(cè)環(huán)境與上肢康復(fù)技術(shù)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的互動(dòng)，提高患者對(duì)康復(fù)訓(xùn)練的參與度。
1、研究背景
對(duì)于老年人和/或慢性病患者，遠(yuǎn)程患者監(jiān)測(cè)被認(rèn)為是醫(yī)療保健解決方案中最值得信賴(lài)的選擇之一。此外，觀察人們的互動(dòng)對(duì)于診斷和治療身體不適的人至關(guān)重要。老年人日常生活活動(dòng)（ADL）的保存對(duì)于保持較低的醫(yī)療支出至關(guān)重要，尤其是在老年人口增長(zhǎng)的情況下。物理治療活動(dòng)，如主動(dòng)運(yùn)動(dòng)范圍（ROM）運(yùn)動(dòng)（伸展、屈曲和旋轉(zhuǎn)）、肌肉力量和耐力訓(xùn)練，對(duì)于腦卒中患者恢復(fù)至關(guān)重要。物理治療師使用各種方法來(lái)幫助人們恢復(fù)日?；顒?dòng)能力，包括任務(wù)訓(xùn)練、肌肉強(qiáng)化和使用輔助設(shè)備。然而，指導(dǎo)患者進(jìn)行物理治療是一項(xiàng)耗時(shí)、累人且昂貴的工作。
據(jù)報(bào)道，許多研究評(píng)估了新信息技術(shù)工具及其設(shè)計(jì)的可行性和實(shí)用性，目的是幫助腦卒中或創(chuàng)傷后的家庭康復(fù)。已經(jīng)進(jìn)行了許多研究來(lái)調(diào)查計(jì)算機(jī)輔助治療或虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）在上肢運(yùn)動(dòng)技能、平衡控制和步態(tài)、下肢、姿勢(shì)和行走的康復(fù)和恢復(fù)方面的有效性。此外，研究人員還研究了遠(yuǎn)程康復(fù)的治療益處，該康復(fù)允許患者在家中使用電信技術(shù)與治療師進(jìn)行治療，并已廣泛用于運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知恢復(fù)。
實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者的姿勢(shì)以評(píng)估其運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的姿勢(shì)是分析一系列恢復(fù)練習(xí)準(zhǔn)確性的公認(rèn)方法之一。鍛煉的整體質(zhì)量是通過(guò)評(píng)估胸廓、髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)以及腿長(zhǎng)來(lái)確定的。這種人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)之一是其成本低廉，加上其緊湊的尺寸，可以廣泛用于康復(fù)診所、健身房甚至在家中。此外，姿勢(shì)觀察對(duì)健康受試者也很重要，這些受試者因不健康的工作實(shí)踐和人體工程學(xué)不良而面臨風(fēng)險(xiǎn)，例如在辦公室過(guò)度坐著工作的辦公室員工。將虛擬游戲化康復(fù)環(huán)境與上肢康復(fù)技術(shù)相結(jié)合的康復(fù)系統(tǒng)具有交互性和吸引力，這增加了患者對(duì)康復(fù)訓(xùn)練的積極性和主動(dòng)性，以及康復(fù)訓(xùn)練和治療的效率和效果。
本研究提出了一種用于上肢家庭康復(fù)的動(dòng)作識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種針對(duì)特定關(guān)節(jié)和肌肉群的體育鍛煉計(jì)劃，具有成本效益、康復(fù)適用性和易用性等優(yōu)點(diǎn)。該研究的主要貢獻(xiàn)是：（1）建議的系統(tǒng)是針對(duì)特定肌肉群的身體運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練計(jì)劃;（2）上肢康復(fù)系統(tǒng)的硬件包括個(gè)人電腦和Kinect深度攝像頭;（3）患者可以在VR環(huán)境中完成治療活動(dòng);（4）建議的上肢康復(fù)系統(tǒng)是實(shí)時(shí)的，在基于視覺(jué)的動(dòng)作識(shí)別方面是有效的，并且使用廉價(jià)的硬件和軟件。
2、研究?jī)?nèi)容
（1）生物力學(xué)模型：我們的技術(shù)再現(xiàn)人體骨骼姿勢(shì)，使表面幾何形狀變形，并且在捕獲深度視頻的每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)中與攝像機(jī)位置無(wú)關(guān)。與傳統(tǒng)的人類(lèi)活動(dòng)捕獲算法相比，我們創(chuàng)建的算法在處理頻繁的無(wú)人監(jiān)督的室內(nèi)情況方面效果很好，在這些情況下，潛在患者使用傳感器集拍攝自己進(jìn)行康復(fù)活動(dòng)的視頻。
（2）運(yùn)動(dòng)識(shí)別模型：基于卷積姿勢(shì)機(jī)（CPM），它基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被訓(xùn)練來(lái)檢測(cè)人體的關(guān)鍵點(diǎn)，即關(guān)節(jié)、頭皮和下巴。
（3）BiomacVR系統(tǒng)的架構(gòu)
（4）關(guān)鍵點(diǎn)跟蹤程序
（5）運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)配置：紹用于記錄鍛煉的人體運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的配置。開(kāi)發(fā)的運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)使用HTC Vive系統(tǒng)和至少八個(gè)第二代HTC Vive傳感器。這些傳感器允許您跟蹤空間中的位置和旋轉(zhuǎn)角度。該系統(tǒng)至少需要兩個(gè) HTC Vive 單元（稱(chēng)為基站），但建議使用四個(gè)基站，以便于使用和更準(zhǔn)確的跟蹤。
（6）分類(lèi)方法：各種分類(lèi)和預(yù)測(cè)方法可用于健康評(píng)估，并可以從數(shù)字圖像、生物或運(yùn)動(dòng)信號(hào)、調(diào)查數(shù)據(jù)等中識(shí)別可能的病理。
姿勢(shì)檢查通常是任何患者對(duì)任何肌肉骨骼問(wèn)題的測(cè)試和測(cè)量的初始組成部分。治療師從前、后和側(cè)面看病人。姿勢(shì)評(píng)估是客觀評(píng)估的關(guān)鍵組成部分，并且已經(jīng)提出了理想的靜態(tài)姿勢(shì)對(duì)齊。然而，必須評(píng)估靜態(tài)和動(dòng)態(tài)姿勢(shì)，以確定患者的功能活動(dòng)和自我糾正靜態(tài)習(xí)慣的能力。脊柱側(cè)彎、姿勢(shì)失代償、解剖學(xué)短腿、既往創(chuàng)傷或手術(shù)、軀干控制（卒中后）或存在不對(duì)稱(chēng)的身體部位的特定節(jié)段性軀體功能障礙都可能由姿勢(shì)錯(cuò)位或不對(duì)稱(chēng)引起。在康復(fù)計(jì)劃開(kāi)始時(shí)，有一些項(xiàng)目需要檢查[58]。在姿勢(shì)檢查期間，特別是在訓(xùn)練期間，由于正確和準(zhǔn)確地觀察運(yùn)動(dòng)，應(yīng)監(jiān)測(cè)和記錄所有外周關(guān)節(jié)（尤其是肩部和上肢）的活動(dòng)范圍 （ROM）。疼痛、虛弱、肌肉縮短和水腫都可能是關(guān)節(jié)活動(dòng)受限的原因。肩部 ROM、肌肉表現(xiàn)和力量不足都會(huì)影響姿勢(shì)改變或不適當(dāng)?shù)淖藙?shì)以及訓(xùn)練期間不正確的鍛煉。因此，在評(píng)估期間，我們采用肩部完全主動(dòng)活動(dòng)度（伸展/屈曲;內(nèi)收/外展;水平內(nèi)收/外展;和旋轉(zhuǎn)）作為最能影響姿勢(shì)改變或代償機(jī)制的因素（例如，肩部完全屈曲影響軀干控制并導(dǎo)致背部過(guò)度伸展）。
選擇腦卒中康復(fù)中用于恢復(fù)上肢和肩部運(yùn)動(dòng)功能的主要體育鍛煉。沒(méi)有健康障礙的受試者模擬正確和不正確的康復(fù)運(yùn)動(dòng)（鍛煉）5次。每個(gè)數(shù)據(jù)集由一個(gè)正確的記錄信號(hào)和一個(gè)兩個(gè)不正確的記錄信號(hào)組成。通過(guò)測(cè)量各個(gè)傳感器之間的角度來(lái)記錄物理運(yùn)動(dòng)。每個(gè)練習(xí)都有兩到三種可能的情況：
①正確的動(dòng)作（受試者準(zhǔn)確地執(zhí)行練習(xí)）——在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中記錄的角度被分配到 0 類(lèi)；
②不正確的運(yùn)動(dòng) 1（受試者不正確地執(zhí)行練習(xí)）——運(yùn)動(dòng)期間記錄的角度被分配到第 1 類(lèi);
③不正確的運(yùn)動(dòng) 2（實(shí)驗(yàn)者不正確地執(zhí)行練習(xí)，但方式與上述不同）——運(yùn)動(dòng)過(guò)程中記錄的角度被分配到第 2 類(lèi)。
圖1 運(yùn)動(dòng)期間記錄的人體中14個(gè)點(diǎn)的位置：0.頭部;1.下巴;2、右肩關(guān)節(jié);3、右臂肘關(guān)節(jié);4、右手腕關(guān)節(jié);5.左肩關(guān)節(jié);6、左臂肘關(guān)節(jié);7.左腕關(guān)節(jié);8、右側(cè)髖關(guān)節(jié);9、右腿膝關(guān)節(jié);10.右腿踝關(guān)節(jié);11.左側(cè)髖關(guān)節(jié);12.左腿膝關(guān)節(jié);和 13.左踝關(guān)節(jié)
圖2 運(yùn)動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)通過(guò)輸出中的運(yùn)動(dòng)曲線（藍(lán)色）和運(yùn)動(dòng)偏差（紅色）來(lái)補(bǔ)充IK模型
圖3 顯示實(shí)時(shí)視圖（左）、骨架關(guān)鍵點(diǎn)（中）和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)視圖（右）的應(yīng)用程序窗口快照
圖4 傳感器安裝示例：（a）前視圖、（b）45 度視圖和 （c） 側(cè)視圖
結(jié)果：深度傳感器能夠準(zhǔn)確識(shí)別進(jìn)行不同康復(fù)訓(xùn)練的人的姿勢(shì)的關(guān)鍵參數(shù)。平均響應(yīng)時(shí)間為23毫秒，這使得該系統(tǒng)能夠在實(shí)時(shí)應(yīng)用中使用。此外，通過(guò)該系統(tǒng)獲得的骨骼特征對(duì)于區(qū)分健康（正常）受試者和患有下背痛的受試者是有用的。
3、研究結(jié)果
本研究發(fā)現(xiàn)傳感器能夠識(shí)別進(jìn)行康復(fù)鍛煉的人姿勢(shì)的關(guān)鍵參數(shù)。由此產(chǎn)生的平均響應(yīng)時(shí)間為 23 毫秒，這使得該系統(tǒng)可用于實(shí)時(shí)體育鍛煉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以進(jìn)行遠(yuǎn)程康復(fù)。結(jié)果證實(shí)，所提出的系統(tǒng)可用于確定患者運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量，監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)，監(jiān)測(cè)訓(xùn)練進(jìn)度，控制體力負(fù)荷和鍛煉的復(fù)雜性，并評(píng)估康復(fù)計(jì)劃的有效性。
開(kāi)發(fā)新技術(shù)系統(tǒng)，使中風(fēng)患者能夠在家中獨(dú)立進(jìn)行康復(fù)活動(dòng)，是當(dāng)今健康研究的一個(gè)重要方面，也是一個(gè)重大問(wèn)題。將預(yù)先計(jì)算的運(yùn)動(dòng)模式與患者的運(yùn)動(dòng)連接并匹配至關(guān)重要。一個(gè)適當(dāng)和舒適地適應(yīng)患者的系統(tǒng)決定了家庭體育訓(xùn)練和康復(fù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成功和良好效果。開(kāi)發(fā)的BiomacVR系統(tǒng)基于先進(jìn)的深度攝像頭傳感器，受試者在進(jìn)行規(guī)定的練習(xí)或活動(dòng)時(shí)佩戴這些傳感器。傳感器數(shù)據(jù)被發(fā)送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)顯示用戶(hù)的動(dòng)作、姿勢(shì)、不正確的姿勢(shì)和訓(xùn)練進(jìn)度。
我們開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)展示了非常有希望的結(jié)果，其優(yōu)勢(shì)在于不僅可以確定這些演示的姿勢(shì)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確測(cè)量值，還可以確定所有身體運(yùn)動(dòng)（上肢和下肢，不正確的姿勢(shì)、平衡和步態(tài)參數(shù)）的復(fù)雜測(cè)量值，復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)測(cè)量非常準(zhǔn)確和正確。此外，我們的框架旨在使用3D運(yùn)動(dòng)跟蹤和虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境在康復(fù)環(huán)境中修改嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)，以創(chuàng)建個(gè)性化和自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，使患者能夠正確執(zhí)行物理治療師規(guī)定的選定身體動(dòng)作。
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