基于Kinect的自主康復(fù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(jì)了一套基于Kinect的自主康復(fù)系統(tǒng)。系統(tǒng)使用Kinect開(kāi)發(fā)完成，患者按康復(fù)計(jì)劃規(guī)定的康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)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(diǎn)的空間坐標(biāo)并捕捉節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡，計(jì)算獲取關(guān)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)角度變化值判定患者動(dòng)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(kù)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(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確識(shí)別關(guān)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，能較為直觀逼真地顯示用戶康復(fù)訓(xùn)練情況，實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性達(dá)到設(shè)計(jì)需求，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

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^[1]，它打破了傳統(tǒng)的人機(jī)交互方式，更加生動(dòng)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(guó)社會(huì)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(diǎn)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^[2]，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^[3] 。本文結(jié)合Kinect和軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，開(kāi)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(jì)劃，按計(jì)劃要求的動(dòng)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(diǎn)的空間坐標(biāo)并捕捉節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡，經(jīng)異常值處理后判定患者各節(jié)點(diǎn)康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)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(jì)劃，醫(yī)生可隨時(shí)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)查詢患者的康復(fù)狀態(tài)。該系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)證可準(zhǔn)確識(shí)別關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，交互實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，為老年疾病康復(fù)訓(xùn)練提供了較好的恢復(fù)平臺(tái)，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。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)使用Kinect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(shí)計(jì)算用戶訓(xùn)練的關(guān)節(jié)點(diǎn)相對(duì)角度值與設(shè)置的閾值比較，當(dāng)相對(duì)角度變化值超過(guò)閾值后系統(tǒng)將提示用戶完成該訓(xùn)練動(dòng)作內(nèi)容并給出響應(yīng)。為完成這一系列過(guò)程，系統(tǒng)需要四個(gè)主要部分：(1)傳感器數(shù)據(jù)采集;(2)數(shù)據(jù)處理運(yùn)算;(3)數(shù)據(jù)顯示;(4)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。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(yùn)算在Visual C++的后臺(tái)中進(jìn)行運(yùn)算，數(shù)據(jù)顯示通過(guò)生成的系統(tǒng)軟件在前臺(tái)顯示并對(duì)用戶動(dòng)作響應(yīng)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能由MySQL完成，醫(yī)生可隨時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)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(jì)劃，在軟件前端顯示并提供用戶使用，從而形成一個(gè)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。

2 系統(tǒng)功能原理

2.1 數(shù)據(jù)采集

　　Kinect設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)獲得彩色圖像和深度圖像數(shù)據(jù)，而且支持實(shí)時(shí)的半身和全向骨骼跟蹤模式并能識(shí)別一系列的動(dòng)作^[4]，這是自主康復(fù)系統(tǒng)應(yīng)用Kinect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^[5]。Kinect能夠提供人體內(nèi)的二十個(gè)骨架關(guān)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，如圖2所示。

　　以這二十個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)，計(jì)算任意兩個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的距離和方位變化可得人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡。Kinect可獲取場(chǎng)景深度信息并進(jìn)一步計(jì)算出人與相機(jī)間的空間間隔^[6]，設(shè)人體到Kinect設(shè)備的距離為d，可由式(1)求得：

　(1)

　　式中d_k是對(duì)象深度值，由Kinect設(shè)備獲取，k=12.36厘米、H=3.5-10^-4rad、L=1.18rad、O=3.7厘米。

2.2 運(yùn)動(dòng)軌跡生成

　　將深度圖像坐標(biāo)(x_k，y_k，z_k)轉(zhuǎn)化為實(shí)際坐標(biāo)(x_r，y_r，z_r)，轉(zhuǎn)化公式為：

(2)

　　式中F=0.0021，D'=-10，Kinect的分辨率[7]為w×h=680×480。這樣利用(1)式、(2)式可得人體任意兩個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)值M(x_r1，y_r1，z_r1)和N(x_r2，y_r2，z_r2)，可得兩關(guān)節(jié)點(diǎn)間的距離為：

(3)

　　由于Kinect的硬件誤差或抖動(dòng)^[8]等一系列因素導(dǎo)致骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置在短時(shí)間內(nèi)變化極大、數(shù)據(jù)中存在異常值，針對(duì)這一問(wèn)題，在系統(tǒng)生成骨骼節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)需對(duì)這類異常值進(jìn)行篩選和刪除，對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行平滑處理^[9]。為達(dá)到降噪效果，將活動(dòng)關(guān)節(jié)當(dāng)前時(shí)刻的坐標(biāo)值與前N-1個(gè)采樣周期的關(guān)節(jié)坐標(biāo)的平均值當(dāng)作當(dāng)前時(shí)刻的關(guān)節(jié)位置，并按時(shí)序以N為步長(zhǎng)對(duì)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(dòng)軌跡更為平滑優(yōu)美，帶給康復(fù)患者較好的視覺(jué)感觀，以增強(qiáng)康復(fù)的信心。

2.3 姿勢(shì)判斷

　　獲取骨骼節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)標(biāo)據(jù)和運(yùn)動(dòng)軌跡是生成人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡的基礎(chǔ)，而判斷患者動(dòng)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中還需判斷患者是否完成康復(fù)動(dòng)作并在完成動(dòng)作后給予響應(yīng)。考慮人體運(yùn)動(dòng)時(shí)很多骨骼關(guān)節(jié)并非直線運(yùn)動(dòng)，而是以某一關(guān)節(jié)為圓心的類似圓弧運(yùn)動(dòng)^[10]，因此可實(shí)時(shí)獲取各時(shí)刻的關(guān)節(jié)點(diǎn)角度，通過(guò)活動(dòng)關(guān)節(jié)點(diǎn)相對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)圓心關(guān)節(jié)點(diǎn)的角度變化值來(lái)計(jì)算患者是否完成康復(fù)動(dòng)作。