基于AR的腕关节尺偏桡偏康复评估和训练研究

发布时间：2020-06-26 14:43

【摘要】：增强现实(Augmented Reality,简称AR)是一种将虚拟场景与真实环境融为一体从而对真实世界进行补充和增强的技术。腕关节尺偏桡偏功能锻炼在腕关节康复中起着重要作用。将AR技术和腕关节的功能锻炼相结合,给病人构造一个虚实融合的评估和训练场景,并且采用知识推理技术智能评估训练疗效,显然更有助于病人的康复。基于AR的腕关节尺偏桡偏康复评估和训练的研究是对AR技术、知识推理方法及其应用的进一步研究,在一定程度上为AR技术应用于康复医学多疗法分阶段治疗提供建模处理思路的同时为多学科交叉综合研究提供了解决方案。因此,论文的工作具有重要的理论意义和应用价值。临床上,完整的腕关节康复是一个以初次评估为基础制定适宜训练方案,分阶段多疗法综合实施,评估与训练循环进行直至达到既定康复目标的过程。腕关节尺偏桡偏康复评估是通过ROM(Range of Motion,关节活动度)评定进行的,即ROM值达到功能评定学中理想参考范围或依据残存功能等情况恢复到不影响日常生活即视为康复。目前,AR技术在腕关节康复领域的研究有很大局限性:在评估策略上,大多数仅靠游戏得分推断病人的康复情况,缺乏实时生物反馈和智能高效的推理评估机制;在训练方法上,大多数采用基于人工标识的AR康复系统,在虚实融合阶段虚拟物体存在较明显漂移的现象而导致无法对小关节进行精细化训练。针对以上问题,主要进行了以下几个方面工作:(1)知识表达和推理评估策略研究。首先对腕关节尺偏桡偏的康复评估指标进行分析,并对医学书籍等显性知识和专家经验等隐性知识进行提取和抽象后建立了基于产生式规则的康复评估知识库。然后推理引擎采用数据驱动控制策略将病人训练期间ROM均值等评估指标与知识库中知识进行匹配,实现从数据到知识、再到决策的转化。最后给出了具体的推理算法和流程。(2)AR尺偏桡偏康复训练方法研究。在三甲医院某区中医院长期调研和对国内外文献深度分析的基础上确定了AR多疗法分阶段训练设计思想。即康复初期,在运动疗法中渲染虚拟手腕带动真实手腕进行小角度训练;康复中后期,在作业疗法中渲染接水滴的游戏场景激励病人进行大角度训练。在团队工作已完成跟踪注册的基础上,通过对传感器旋转方向和角度的转换获取了真实场景中腕关节尺偏桡偏的训练数据,同时完成了虚拟场景数学模型的建立。最后,分别阐述了AR运动疗法与AR作业疗法中虚实融合实现的算法。(3)有效性和可用性验证。一方面健康人、模拟病患和真实病患作为评估对象,对康复有效性(包括康复评定有效性和康复训练有效性)进行量化评估;另一方面,基于“舒适、持久、趣味、有效”的原则,自行设计并实现了一个面向Android平台的原型系统,在三级甲等中医院重庆市某区中医院进行了实验,从原型可用性的角度进一步验证了基于AR的腕关节尺偏桡偏康复评估和训练的可用性。论文工作的创新点主要体现在以下几个方面:(1)提出了一种新的结合显性知识和隐性知识的推理方法,对腕关节尺偏桡偏康复训练疗效进行智能评估。(2)运用AR技术并结合康复医学疗法治疗原则,提出了依据患肢治疗不同需求阶段建立对应虚(指导信息)实(活动数据)融合场景,以支持多疗法分阶段训练设计思想和基于AR的康复疗法实现方法。(3)遵循工程化思路和方法设计并实现的原型系统用临床实验验证了提出方法的有效性和可用性。此外,原型体积小、携带方便,病人可以随时随地进行康复训练,降低了康复过程中对治疗师的依赖且有助于平衡紧张的医疗资源。论文工作达到了预期目标。但是实验中发现腕关节损伤会造成多种形式运动障碍,病患在尺偏桡偏康复训练时不会严格控制在一个平面内进行,即尺偏桡偏康复训练会连带掌屈背伸运动。下一步工作将是基于AR腕关节掌屈背伸康复的研究,通过四种运动形式综合实施,以便更全面地完成腕关节康复。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R496;TP391.9
【图文】：

多速率,系统展示,康复训练,多传感器

于该原型还处于实验室研究阶段，未涉及康复评估方法的研究。对估也仅仅是对原型系统可用性评估，例黑白盒测试，未采集临床评大利巴勒莫大学 Filippo 等人于 2016 年提出针对腕部、手部康复的增多传感器多速率的电机康复系统，如图 1.2.1 所示[11]。该实验原型在使用了多传感器和多速率融合算法，可以实现真实环境与虚拟物体准。具体的训练流程如下：病人佩戴头戴式显示器，透过显示器中导，以正确的方式完成开启塑料瓶等任务。通过虚拟 3D 手和真实塑靠对准，提供给病人高质量的治疗指导。图 1.1 基于 AR 腕关节康复训练系统[10]

康复训练,腕关节

西南大学硕士学位论文1.2 国内外研究现状目前，增强现实技术应用于腕部康复领域已有若干成果，而且国外相对于国内起步早，发展快。下面就从现有可以用于腕部康复治疗的 AR 康复系统的系统构成，评估方式，训练方法等方面进行深入分析。1.2.1 国外研究现状2016 年，土耳其盖布泽技术大学 Adem 等人针对腕关节背伸和掌屈康复治疗在文献中进行了分析，并在基于已有研究的基础上设计了一个增强现实腕部康复训练的原型系统，如图 1.1 所示[10]。具体的训练流程是：病人首先戴上贴有标记的帽子，然后在规定的时间内，通过腕关节的伸屈运动将处于虚拟环境迷宫中的小球从板的一端滚到板的另一端。

【参考文献】