基于运动康复的现实增强外文翻译资料

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基于运动康复的现实增强

会议记录·2016年1月

Dol;10,1145/2910017.2910612

读着数：35

Kanchan bahirat Balakrishnan Prabhakaran

德克萨斯大学达拉斯分校 得克萨斯大学达拉斯分校

出版物：5 引用数：17 出版物：200 引用数：1499

Thiru M Annaswamy Una E Makris

德克萨斯大学索斯韦特医学中心 德克萨斯大学

出版物：47 引用物：286 出版物：24 引用物：152

基于运动康复的现实增强

摘要

针对中风患者的康复治疗，通过为个人需求量身定制的锻炼，旨在重新学习基本的运动技能，尤其是四肢运动技能。通过基于增强现实(AR)游戏进行康复治疗，并激励患者进行练习，否则，可能会很单调乏味。此外，镜像疗法允许用户在游戏中观察自己的动作，从而为他们提供良好的视觉反馈。本文提出了一种基于增强现实的康复系统，通过玩四种互动、认知和娱乐(锻炼和游戏)来进行康复。

该系统使用低成本的RGB-D相机，例如mi-crosoft Kinect V2，通过从整个捕获的数据中提取并生成一个人的3D模型，并将其沉浸在不同的交互虚拟环境中。基于动画的肢体运动增强以及游戏中融入的认知方面可以帮助积极强化，渐进式挑战和动作改善。该工具包的录音模块允许将来参考，并有助于医生的反馈。10位身体健全的用户，2位心理专家和2位物理医学和康复医师评估了用户体验和可用性方面的情况。 结果表明，游戏具有趣味性和现实意义，同时也是进行锻炼的参与和激励。

CCS概念

计算方法----gt;混合/增强现实;应用计算---gt;交互式学习环境;软件及其工程----gt;互动游戏;信息系统---gt;多媒体信息系统;

1. 引言

根据美国疾病控制和预防中心（CDC）的统计，美国每年大约有80万人患中风[1]。每年约有13万人死亡，使中风成为患者死亡的第5大主要原因[1]，也是导致严重长期残疾的主要原因[1]。血液正常流动或大脑出血的中断，会在最小范围内破坏脑细胞，使其死亡，导致的情况称之为中风。对脑细胞的损害会引发他们不能控制的身体部位，注意力不足，长期残疾，出现无力和局部区域部分麻痹甚至死亡的症状[2]。通常，患者来自中风后损伤，导致丧失执行正常日常任务的能力。大约80％的中风幸存者来自上肢损伤[2]。接受下肢康复治疗的患者中，超过40％即使在完成治疗后也无法自由行走[18]。

中风患者的康复治疗包括通过强烈的，熟练的训练练习，对肢体部位（主要是极端部位）的运动恢复。各种康复策略[9]包括身体任务，例如达到，伸出和抓住日常使用的物体（例如杯子，电话，电视遥控器，球等）以增强上肢功能。下肢康复包括特殊疗法，如部分支持体重的跑步机训练，髋关节和膝关节伸展运动。通过在治疗师监督下重复锻炼，脑中风受到刺激，在一段时间内，这可能导致重新学习基本动作[2]。通过视频，图像甚至直播的方式对所执行的任务进行行动观察，可显着改善移动恢复[30]。近年来康复运动游戏（运动和游戏）[32]，也被称为康复锻炼游戏，已经成为一种成本有效的康复工具[29]，使重复性的锻炼成为一项有趣和激励的任务。[30,26,13]中提出的使用动作观察来改善运动恢复的一种方式是使用增强现实（AR）。在康复锻炼的文献中提出的大多数AR系统都需要一个人佩戴外部设备或传感器，这是侵入性的，因为它抑制了正常的使用者移动，使他们感到不舒服[3,5,6,10,34]，因此不能用于家庭康复。在[15,31]中提出的非侵入式系统使用网络摄像头来捕捉2D中的人，因此需要另一个设备来跟踪3D中的手部运动。拥有各种不同的设备不仅使系统局限于复杂的实验室设置，而且也增加了整体成本。在一些系统中已经使用虚拟化身来复制人体运动。随着低成本3D相机的出现，可以捕捉活的“人体模型/头像并将它们浸入AR游戏中。这种方法是非侵入性的，因为患者不需要佩戴额外的传感器。此外，使用这种活人模型/头像有助于了解进行锻炼游戏的人的情绪体验，这里的挑战是需要完成获取，生成和渲染场景中存在的人的3D网格模型，实时地进行3D模型捕捉和渲染这一任务，需要一个良好的增强环境设置，以使锻炼任务变得有趣，引人入胜和变得不单调。

• 1. 推荐系统

所提出的架构采用微软Kinect V2 [8]，这是一款低成本的，支持纵深感应的非侵入式无标记摄像头，可实时捕捉整个场景。除了RGB和深度流之外，Kinect V2还提供了骨骼流，可以在三维空间中提供人体关节运动的运动。这个骨架数据流用于执行基于物理的交互。采集到的3D人体模型放置在AR场景中，通过使用Mirror治疗玩游戏来锻炼[33,35]。在肢体上执行基于动画的虚拟增强，以提供积极的强化和动力来执行在AR空间中的现实世界中不可能的任务。基于这种方法，一个由4个身临其境的康复锻炼游戏组成的工具包可用于中风后恢复。该工具包还包含用于游戏选择，会话记录和回放（用于未来参考和专家反馈）以及用户模式选择（医生与患者）的附加功能。该工具包中的四个身临其境的游戏 - 推铅球，保龄球，平衡游戏和康复测试 - 从而获得不同的康复训练，即肘关节屈曲，肘关节伸展，肘关节旋转和髋关节外展。除了正在执行的物理任务之外，康复测试游戏通过包含一般知识问题来解决认知问题。

• 1. 贡献

拟议的运动锻炼游戏系统由10名未知残疾人，2名心理学专家和2名物理医学和康复医师进行测试和评估。 在本文中，我们做出以下贡献：

·成本高效，易于使用的非侵入性系统，用于实时3D捕捉人体及其在各种增强现实环境中的使用。

·参与者的镜像观点有助于了解他们在游戏过程中的情绪体验，特别是对于医生回顾录制的游戏时段。

·在骨骼关节上使用基于动画的虚拟增强以及镜像疗法来帮助患者康复。

来自2位物理治疗师和康复医师以及2位心理学专家的反馈表明，基于增强现实的运动康复锻炼游戏系统具有良好的吸引力，辅助性和激励性，对中风患者的康复具有良好的潜力。

1. 相关工作

对于应用于康复训练的游戏应该做到：（a）玩得开心; （b）产出的不确定性水平; （c）伴随着对虚拟现实的认识[4]。如[20]中提到的，有效中风康复治疗的基本组成部分包括：

·对运动技能水平、有意义的任务适应性，适当的反馈，运动理论适用范围，重点转向运动，有意运动和定量测量。

·包括诸如个性化，易用性，直观界面，默认模式设置和高效设置等标准。

·提供适当的挑战，激励反馈，易用性和可用性。

·以一个足够快的速度将人沉浸在虚拟场景中，以便有一个良好，平滑和无滞后的渲染。

镜像疗法[33,35]是利用镜子反映非顽固性手臂运动，使手的功能如同正常。已经证明，与[35]所示的一样，镜像疗法改善了手部功能而不是普通康复。两个小组参加了实验：在执行任务之前，其他小组人员在完成实际任务之前，通过一面镜子观察他们自己的非粘滞性手部运动，从而让他们感觉到虚拟手执行相同的移动任务。使用镜像疗法的小组在正常任务中表现得更好，并证明这种错觉或虚拟增强可用于促进和加速康复。 [23]中提出的增强现实技术（ART）系统能够在信仰，交互性，可预测性和解耦的各个方面操纵现实的经验，并展示AR提高健康和幸福的潜力。

在下肢康复中，基于机器人的技术以及体重支持的跑步机训练被用于重复性机车步态康复，特别关注脑瘫儿童[7,16,19]。一个基于虚拟现实的社交场景被开发来提供互动元素，以吸引病人在机器人辅助跑步机训练[3]。这项研究使用了18名要求在跑步机上行走的孩子，这个孩子在髋关节和膝关节配备了传感器。该研究表明，VR场景的使用对电机输出产生了直接影响，从而有助于步态恢复。

在过去几年中，各种尝试通过使用机器人/触觉控制以及商业游戏以及为特定康复任务创建的独立游戏来开发康复训练游戏。因为这些游戏被认为是有趣的，所以患者更有可能参与这些活动，这可能会提高运动例程的可持续性。基于机器人的康复用于减少专家治疗师的参与并提供大规模重复训练。一些用于上肢康复的机器人装置包括MIT-MANUS [17]，Bi-Manu Track [14]和T-WREX [25]。这样的系统通过使患者容易和强有力地辅助来促使患者执行重复性任务，但同时由于侵入性，成本和实验室设置要求使其不适合于家庭康复。使用各种商业相机，如索尼EyeToy，任天堂Wii，OptiTrack，微软Kinect和其他网络摄像头已经增加，以通过捕捉和模仿用户动作来产生增强现实设置以用于康复。这样的架式相机使得游戏的创建和部署变得简单易行，因此最近在物理治疗中获得了很大的兴趣。除了Kinect之外，几乎所有其他商业相机设置都需要额外的3D捕捉侵入式程序。

图一：系统的示意图显示的主要模块：三维模型生成、运动锻炼游戏工具和虚拟增强

索尼的PlayStation 2 EyeToy被用于[22]来生成一个用于制作游戏的视频捕捉VR平台，但需要人们站在和玩耍，这使得那些有平衡障碍的人进行练习时不方便。 Ther-aMem系统在[24]中显示，通过视觉放大使用者的手部运动来“愚弄大脑” - 小的实际手部运动导致感知到的较大运动。四十个非临床参与者的结果验证系统，它特别适用于手部和手指运动，[31]中的手势治疗系统通过使用网络摄像头拍摄并通过执行手臂运动练习与虚拟游戏互动，提供了一种非常便宜的手段。 2D平面，是一款成本高效且易于使用的VR系统，它使用单个摄像头进行家庭康复，但无法捕捉到三维动作，因此无法用于普通康复。因此需要另外一个带球的抓手来跟踪3D手臂的位置，这种系统的使用需要病人能够在没有阻塞的情况下握住球，3D运动也受到限制。

[10]中的3D红外被动运动捕捉系统使用10个摄像机记录用户移动。将有效标记放在身体上，如手，胳膊，肩膀和躯干，以便在3D空间中获得它们的位置。与会者坐在一张桌子上，通过前面大屏幕上的虚拟视频和音频反馈指导，对着真实物体和虚拟物体进行了深入的运动。在家庭治疗中使用这种设置的主要缺点包括：系统的高成本和尺寸以及在身体上佩戴额外标记的需要。游戏使用Kinect开发，用于非侵入性任务，如基于脑电图的脑功能映射，如[27]所示。基于Kinect的运动康复系统在[12]中得到开发和评估。该系统展示了一个运动锻炼游戏，支持多种生物机械运动以及分析和体位补偿。这个原型系统在被评估的健康用户中运行良好，但是在虚拟增强方面没有提供任何辅助反馈。一个单一的微软Kinect被[11]用于创建一个鸭子冲孔游戏，通过在不同的虚拟环境中放置虚拟鸭子目标来执行伸手可及的任务。使用可以以受控方式增强的虚拟手臂模拟患者的运动。游戏追踪3D位置并显示虚拟手臂，但缺乏展示真人在游戏中的完整视觉方面。

在[5,6,34]中使用由8个近红外摄像机组成的轨迹追踪系统来捕捉和跟踪该人戴的有效腕带。基于从椅子和桌子获得的跟踪位置和压力反馈，获得人的正确移动。系统在康复期间提供音频和视觉反馈。 轨迹追踪系统不像[10]那样昂贵，但需要专业知识来设置和使用。此外，这是侵入性的，需要人佩戴反射标记在肢体上，并且在家里康复部署并不容易。

3.推荐系统与构造

所提出的系统由3个主要部分组成，如图1所示：（i）人类三维模型生成; （ii）增强现实工具包，用于康复锻炼游戏; 和（iii）虚拟增强。如第3.1节所述，开发了一套由4个基于增强现实的游戏组成的运动康复锻炼游戏工具箱。 参与者，患者或医生需要通过捕获和生成3D网格模型放置在AR场景中，如第3.2节所述。然后将基于动画的虚拟肢体增强功能（第3.3节）与镜像疗法一起使用，以协助病人在AR空间中的移动。 图3：运动游戏工具包，显示基于身体部分的游戏选择，用户配置文件创建/加载和增强率选择。

3.1运动游戏工具包

提供易于使用的界面，用于基于想要进行锻炼的名称或身体关节来浏览和选择游戏，例如，肘部，臀部，全部等，如图3所示。可以创建和保存用户程序，以便将来用于参考或进行治疗师/医师评审。提供下拉菜单用于选择由系统提供的虚拟肢体增强方面的所需辅助比率。

不同的演习如图2所示，包括Elbow Flex-ion，Elbow Extension，Elbow Rotation和Hip Abduction。所提及的练习适用于由专业康复专家监督或创建的公共网站 - http：/ / /www.stroke-rehab。 com /＆http://www.hep2go.com/。基于这些练习，开发了4种与锻炼者一一对应的不同游戏 -推铅球（图8）用于肘关节屈曲（图2a），保龄球（图9）用于肘关节伸展（图2b） ），肘关节旋转的康复测试（图10）（图2c）和髋关节外展的平衡（图11）（图2d）。康复测试不仅让人们进行体育锻炼，而且还将注意力集中在认知方面，以解决一些基本的一般知识问题。在这个工具包中，我们促进身体下部的锻炼，即平衡中的臀部外展，这并不是很多研究者关注的。

该系统提供了一个记录设备，可以让

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