增強現(xiàn)實上肢康復系統(tǒng)跟蹤注冊關鍵技術研究.pdf

1、增強現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱 AR）技術能夠將虛擬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的關鍵技術之一，也是實現(xiàn)虛實場景融合的基礎。將AR應用于上肢康復系統(tǒng)中，可以把計算機生成的虛擬指導訓練信息疊加到病患真實的訓練過程中，讓病患清晰而明確地看到自己當前肢體動作和既定訓練計劃的真實差異。對AR上肢康復系統(tǒng)跟蹤注冊關鍵技術的研究是跟蹤注冊方法及應用的進一步研究，在一定程度上為AR技術應用于

2、康復醫(yī)學領域的難點提供處理思路的同時為AR上肢康復系統(tǒng)的發(fā)展提供關鍵技術的解決方案。因此，論文的工作具有重要的理論意義和應用價值。
　　目前國內外AR上肢康復系統(tǒng)利用標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數(shù)據(jù)對訓練效果進行量化評估。此外，在病患的上肢放置各種標記易使病患在心理上產生抵觸或不配合的情緒而導致康復效果不佳。針對以上問題，在對相關AR跟蹤注冊理論和方法進行深入研究和分析的基礎上進行了以下幾個主

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、肘關節(jié)活動特點分析，確定傳感器位置。再結合腕、肘關節(jié)ROM（Range of Motion，關節(jié)活動度）評定，確定關節(jié)活動角度為虛實融合特征數(shù)據(jù)。
　　（2）傳感器實現(xiàn)的腕、肘關節(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。腕關節(jié)的尺偏、橈偏和肘關節(jié)的屈曲、伸展運動基于人體力學結構可分析抽象為三維空間中繞某一坐標

4、軸的旋轉，穿戴的傳感器隨上肢運動，其在三維空間中的旋轉方向、角度與關節(jié)的活動方向、角度相對應，從而將關節(jié)的活動角度在三維空間中進行數(shù)學建模，進而通過計算傳感器的旋轉角度獲得關節(jié)的活動角度。最后結合關節(jié)康復訓練運動的特點即重復性和連續(xù)性，給出了一個適用于上肢腕、肘關節(jié)不同運動形式的跟蹤注冊算法。
　?。?）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節(jié)活動度和關節(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)院進行了實驗，分別從硬件（主要是傳感器設備）和軟件的可用性進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進行評估，而軟件可用性從易于學習、易于記

6、憶、容錯性、高效性和滿意度五個指標進行評估。
　　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節(jié)運動在三維空間中進行抽象建模的方法。
　?。?）論文的工作是AR與康復醫(yī)學相結合的產物，其工作成果一定程度上為下肢大關節(jié)功能障礙AR康復訓練提供了理論指導和借鑒。
　　論文的實用價值體現(xiàn)在：
　?。?）提出的跟蹤注冊算法封裝應用于AR上肢康復訓練系統(tǒng)既支持虛實訓練場景的融合，又可作為醫(yī)生或

7、治療師評估病患康復進度和訓練效果的重要依據(jù)。
　?。?）設計實現(xiàn)的基于Android平臺的上肢康復訓練系統(tǒng)原型能夠直觀地展示病患的已達訓練目標、當前訓練狀態(tài)以及當前設定的目標，便于病患和醫(yī)生清晰地對比和實時了解訓練情況。
　　論文的工作實現(xiàn)了對腕關節(jié)的穩(wěn)定跟蹤和注冊支持，但實驗中發(fā)現(xiàn)病患肘關節(jié)運動有時是由腕關節(jié)運動帶動的。因此下一步工作是對可能參與肘關節(jié)運動的其他關節(jié)結合分析，以更全面地完成對肘關節(jié)運動的跟蹤注冊，進而更好地