基于Kinect的體感交互對腦卒中患者治療的應用

中國醫科大學 于建發 王 爽 譚玉恩 王 濤 張志常

0 引言

作為一項新興的人機交互技術，體感交互技術已經成為了目前在腦卒中患者康復治療的研究熱點。體感交互技術，是通過利用簡單的肢體動作與周圍裝置環境產生互動，在營造的虛擬現實環境下，能夠控制或交流某個事物。利用其虛擬現實技術的優勢，配合腦卒中患者的康復訓練，共同協作產生較以往傳統康復訓練更加有效的治療效果。

1 Kinect體感交互技術

近些年，隨著醫藥衛生事業的發展，以虛擬現實技術為代表的新興醫療康復技術應用于臨床研究，如注意力缺陷、空間感知障礙、記憶障礙等認知方面的康復，抑郁、恐懼、焦慮與其他精神方面的疾患的情緒障礙康復，運動功能障礙、平衡協調性差與舞蹈癥等運動障礙康復等，在這些臨床診療康復方面都取得了不錯的康復療效[1]。

Kinect是美國微軟公司于2010年11月4日推出的XBOX360游戲機體感周邊外設[2]。

Ki nect的主要功能的實現是利用它的瞬時影像捕獲和識別、語音的輸入和識別以及一些社交功能達到擺脫傳統游戲操作模式，使用者通過肢體動作模擬控制虛擬空間畫面或裝置，并且使用者之間能夠互通信息，如影音圖片的分享，實時交流[3]。利用kinect傳感器結合計算機技術和康復醫學技術，充分進行交叉融合，建立虛擬環境，實現人機交互評價和訓練，并對多種指標和檢查項目進行檢測[4]。

圖1 Kinect數據采集

Kinect體感設備擁有3個不同的攝像頭，從左到右依次為紅外線發射器，r gb彩色攝像頭和紅外線發射器。Kinect本質上是一個輸入設備，行使三種不同功信息輸入。身份識別，利用到kinect傳感器的紅外線裝置，cmos攝像機能夠捕獲到紅外線的對應位點，并由這些空間位點構成人眼看不到的空間位置圖案，kinect收集到這些圖案由內部芯片程序進行編碼和解碼處理，從而構建出3D圖像[5]。骨骼跟蹤，將解碼得到的深度圖像，逐點掃描這些圖像的像素，從圖像中將人體各個部位識別出來，通過特征進行分類。系統最多可測出6的形態，包括不同身高，不同年齡，不同姿勢[6]。語音辨別，在Kinect內部音頻處理裝置中有能夠對外部嘈雜聲予以抑制和消除，并對使用者的聲音予以識別的先進技術。

2 虛擬現實技術在腦卒中康復訓練中的應用

腦卒中疾病在世界范圍內都存在著廣泛的發病原因，腦卒中不僅具有較高的發病率，而且死亡率也居高不下。雖然近些年由于醫療水平的不斷發展，死亡率已有所控制，但是對于腦卒中遺留病患卻造成患者不同程度的智力障礙和認知功能障礙[7]。目前腦卒中患者的肢體運動康復是近年來虛擬現實技術（Virtual reality,VR）應用的熱門領域[8]。國內外的研究已經利用虛擬現實技術在該領域進行探討，取得一定的臨床資料和治療成效。

1993年由Wann和Turnbul l提出了可視化虛擬康復治療[9]。與其他傳統的治療方法相比，患者能夠看到相應的操作程序，應用于自身治療，虛擬現實技術的治療方法優點在于患者能夠深刻體驗到在虛擬環境中的康復治療和針對性的強化認知康復訓練。虛擬現實優越性主要體現在重復、反饋和動機三個關鍵環節上。重復是學習強化過程的必要手段，積極的反饋，包括虛擬現實技術中的激勵條件，可以給患者訓練體驗帶來正向的驅動力量，給患者更強烈的沉浸感。此外，明確的動機可以讓患者在長時間的訓練過程中，分化所要實現的目標，逐漸營造循序漸進的訓練程序。

虛擬現實與大腦重塑方面有著密不可分的關系，對于腦卒中患者其大腦表現為同側激活，通過一系列的康復訓練可以轉換為對側激活。Jang等[10]在研究虛擬現實技術對大腦重塑功能恢復時發現虛擬現實訓練與手的協調運動存在一定的關聯。Sal eh等[11]在對腦卒中患者的康復訓練研究中發現，通過功能性核磁共振前后對比檢查發現，手指運動的同時其腦內運動區之間的連接數量明顯升高，表明虛擬現實技術的康復訓練方式對大腦運動功能區的重塑起到積極作用。

2.1 在認知康復方面

王靜等[12]通過將住院腦卒中患者隨機分為對照組和治療組，對照組進行傳統的物理療法等康復訓練，治療組在對照組基礎上加用體感游戲。通過對干預后的執行缺陷綜合征的行為評價（BADS）評分差比較，發現兩組差值均提高且差異有顯著意義。

劉俊杰等[13]同樣利用kinect體感交互技術觀察其對腦卒中后抑郁（PSD）的治療效果。利用Zung抑郁自評量表對干預前和干預后的患者進行評估，結果表明實驗組明顯低于對照組（P＜0.01），證明與傳統康復訓練相比，Kinect體感交互康復訓練對PSD患者的治療效果更顯著。

Yip等[14]開發使用一套以日常活動記憶訓練的12-session系統用于前瞻性記憶的訓練，通過視覺、聽覺讓受試者了解訓練設定任務，觀察并提醒患者完成預設任務。通過實驗組和對照組的數據分析，結果表明，經VR治療后其認知屬性，如額葉功能和語義流暢性均較對照組有明顯提高。進一步證明了VR訓練對腦卒中患者認知功能的積極治療意義。

王文春等[15]自主研發了一 套虛擬認知康復訓練系統，在空間定向能力訓練中，要求患者控制虛擬戰士完成由預備區域到射擊位置射擊后再到半身靶處數環數整個任務，從而達到治療目的。

2.2 在肢體康復方面

竇娜等[16]通過體感交互技術對腦卒中患者的行動功能方面的康復治療實驗，通過Ber g平衡量表、Hol den步行量表和Barthel指數評價，結果表明實驗組和對照組均有改善（P＜0.01），且實驗組改善更顯著（P＜0.05）。

Turolla等[17]通過對376例（實驗組263例，對照組113例）進行觀察，實驗組采取1h傳統療法和虛擬現實療法，對照組為2h傳統療法，4周后測量評估發現虛擬聯合療法要優于傳統療法。這也是目前證明虛擬現實技術對腦卒中治療有效的最大樣本實驗。

顧瑩等[18]使用VR技術訓練系統（IREX-情景互動在運動控制中的應用訓練系統）按Bobat h治療技術中的弛緩、痙攣、相對恢復三個階段分別對腦卒中患者進行上肢訓練，并建立試驗對照組，結果顯示VR技術對于偏癱患者上肢功能改善有明顯效果。

Piron等[19]采用治療師遠程康復設備（VRRS．net）生成一個VR環境，要求患者將患肢控制的移動數據傳輸器進行移動，完成任務。

在平常的康復訓練中，所創建的虛擬康復訓練環境應與真實環境密切相關，這樣有利于患者將自己在虛擬環境中訓練恢復的應用技能重新在現實世界里得到展現。對比傳統的訓練模式，虛擬現實技術有著獨到的優越性[20]。

3 結語

VR訓練相對于其他訓練方式存在著很大的優勢，VR可以模擬現實場景，干預和刺激患者康復治療。但相關研究仍處于初級階段，這種康復技術仍存在著不足之處，比如缺乏相關評估標準，人機交互體驗較理想體驗差，研究人員需要在醫療領域和硬件領域的雙向。雖然目前VR技術還不夠完善，但VR康復技術在認知功能障礙和運動康復領域的成績有目共睹，相信在未來相關計算機技術，康復醫學等相關技術的不斷成熟，相關細節不斷完善，虛擬環境沉浸感提高，相信未來能夠對腦卒中患者的康復治療帶來更多的希望。

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