體感交互技術在醫療護理領域中的應用現狀

張培宇，朱憶寧，周天鈞，肖 倩*

1.首都醫科大學護理學院，北京100069；2.清華大學生命科學學院

體感（motion sensing）技術又稱動作感應控制技術、體感交互技術，它是一種直接利用軀體動作、聲音、眼球轉動等方式與周邊的裝置或環境互動，由機器對用戶的動作識別、解析，并做出反饋的人機交互技術[1-2]。與其他交互手段相比，當前的體感交互技術無論是在硬件方面還是軟件方面都有了較大提升。交互設備的體積越來越小，越來越便攜，使用起來也更加簡便，同時在交互過程中不需要發生直接接觸，大大降低了對用戶的約束，提高了人機交互的沉浸感，使得交互過程更加自然。當前，體感交互技術從眾多自然人機交互技術中脫穎而出，成為前沿研究領域之一，逐漸應用于醫療、護理領域[3-4]。因此，本研究擬綜述體感交互技術在醫療護理領域中的應用現狀，并分析其發展前景，為醫護人員充分利用體感交互技術開展醫療、護理工作提供參考。

1 體感交互類型及常用體感設備

體感交互技術按體感方式與原理可分為三大類：慣性感測、光學感測、慣性與光學聯合感測[5]。

1.1 慣性感測 主要是以慣性傳感器為主，例如用重力傳感器、陀螺儀以及磁傳感器等來感測使用者肢體動作的物理參數，分別為加速度、角速度以及磁場，再根據這些物理參數求得使用者在空間中的各種動作。蘋果智能手機使用了以三軸重力感測以及三軸磁傳感器為主的慣性感測，開發了手機體感設備。

1.2 光學感測 主要是通過光學傳感器獲取人體影像，再將此人體影像的肢體動作與游戲情景中的內容互動，主要是以2D 為主，主要代表設備為EyeToy 和Kinect[5]。索尼公司的EyeToy 主要通過光學傳感器獲取人體影像，再將此人體影像的肢體動作與游戲內容互動。EyeToy 已成功應用于康復訓練中，但其二維圖像處理的局限性也制約了此項技術在康復領域的發展。Move 控制器通過偵測手部在空間的移動及轉動，做到相當精確的動作感應，提高了EyeToy 在康復領域中的應用范圍和精度[6-8]。微軟公司的Kinect 可捕捉人體3D 全身影像，無須使用任何操作手柄便可達到體感效果[5]。Kinect 通過渲染數據，計算得到人體主要的20 個骨骼位置，以此來判斷人體姿勢，進行骨架追蹤，進而實現與虛擬環境的人機交互。國外學者發現該技術在醫療護理領域應用有巨大潛力，開始研究基于Kinect傳感器的肢體運動康復訓練技術，特別適用于肢體鍛煉、手指關節運動和平衡訓練，同時，也可在教育教學、情緒管理、注意力訓練等方面發揮作用[9-14]。當血液在身體中流動時，人體膚色會發生輕微改變，而新一代Kinect 將可以探測到這一變化，從而確定血液流動的速度[15]。

1.3 慣性與光學聯合感測 主要代表設備為Wii，即在手柄上安裝1 個重力傳感器以及1 個紅外線傳感器，用以偵測手部三軸向的加速度和感應紅外線發射器信號，通過偵測手部在垂直及水平方向的位移來操控空間鼠標[5]。2009 年推出了Wii 手柄的加強版——Wii Motion Plus，主要是在原有的Wii 手柄上再插入1 個三軸陀螺儀，可更精確地偵測人體手腕旋轉等動作，強化了在體感方面的體驗，用于姿態不穩及平衡失調病人的康復訓練[16-18]。

2 體感交互技術在醫療護理領域中的應用

2.1 認知功能訓練 陳長香等[19]研究結果顯示，體感互動游戲可顯著改善腦卒中病人的短時記憶和長時記憶能力。周穎等[20]采用Kinect 體感游戲模式對腦卒中病人進行訓練，干預4 周后，體感游戲組病人的蒙特利爾認知評估量表(MoCA)和簡易精神狀態評價量表(MMSE)評分均高于常規康復組病人，有效改善了腦卒中病人的認知功能。駱金維等[21]基于Kinect 體感器開發的一套幼兒認知系統，實現了幼兒與系統之間互動，帶幼兒進入近似真實的環境中進行認知訓練，在娛樂中提高了幼兒的認知能力。

2.2 運動功能訓練 體感游戲可以幫助病人進行伸展運動[22]、力量運動[23]、平衡運動[23-24]、精細運動[22]等多種形式運動。Chang 等[10]開發的基于Kinect 系統的Kinerehab 系統可以對運動障礙病人進行康復指導，并將Kinect 傳感器捕獲的病人關節點位置與計算機中的數據庫進行匹配，計算出動作到位的精準程度，通過動畫形式實現實時反饋。Belinda 等[25]開發了適宜平衡康復訓練的體感交互游戲，使病人通過接收到的反饋信息進行肩、肘等部位的平衡調整，提高平衡感知能力和運動功能。Brokaw 等[26]結合Kinect 傳感器設計了一個注重上肢運動指導和修正的家庭虛擬現實康復訓練系統，該系統的訓練方式以監控和糾正無治療師情況下的不恰當姿勢代償為主，并且可提高訓練的依從性。

2.3 行為監測 體感交互技術還可以用于人體行為的監測。如Kinect 體感設備通過獲取人體骨架關節點的空間位置，編輯摔倒識別特征，采用閾值法進行檢測，實現對人體跌倒行為的監測；也可以通過獲取彩色和深度圖像信息，如Rougier 等從前景圖中分割出人體圖像，提取重心高度，用人體重心與地面的距離以及人體重心的移動速度進行跌倒識別[27]。美國曾在老人中心安置Kinect 網絡傳感器，對老人的活動進行監控，實時監測他們的步行時間與速度等信息，當發現有老人的運動指數偏離正常值時，會及時做出相應的反饋，采取有效措施加以干預[28]。

2.4 生活技能訓練 隨著體感交互技術的發展，運動員訓練、駕駛員訓練、日常生活能力訓練等領域逐漸開始應用該技術。研究顯示，體感音樂療法能有效緩解運動員的心理疲勞和身體疲憊感，使運動員更快進入更好的訓練狀態。對于團體運動項目，還可以提高運動員的團隊意識，對于一些危險性比較高的運動也可以讓運動員提前訓練熟悉，以減少傷害[29]。任青[30]通過體感游戲對孤獨癥兒童進行康復治療，以幫助其提高生活技能和交往能力。羅元等[31]利用Kinect 深度傳感器所獲取的深度信息圖像，協助殘疾人對輪椅運動的智能控制，方便下肢運動障礙的病人在康復過程中自理生活。經過體感游戲的干預訓練后，智障兒童的日常生活能力有所提高，在刷牙、洗臉、系扣子和使用餐具等日常活動的表現都有較為明顯的進步[32]。

2.5 教育培訓 將Kinect 作為教學輔助工具主要有2 種，Kinect 與電子白板結合和Kinect 與Powerpoint 結合。教師可以直接面對學生，通過簡單的手勢去操作屏幕，如開啟功能菜單、放大縮小、寫字擦除、頁面移動等，這樣不僅可以提高教學效率，而且可以提高課堂教學的交互性[33]。醫學教育中，為了提高學生的參與感，通過四方位的Kinect 布置，使用者可以利用深度傳感器和RGB 攝像頭分別捕獲3D 空間數據和影像數據，實時的3D 捕獲與顯示實現真正意義上的3D 建模。另外，Kinect 可與虛擬現實技術和增強現實技術相結合，為學習者提供身臨其境的體驗，有助于提高學生的主觀能動性，培養學生的創新思維和能力[2]。在幼兒教育領域，卡內基梅隆大學的研究發現，采用體感技術進行幼兒教育可以有效提高幼兒學習的有效性[12]。

2.6 其他領域 基于體感交互技術的眼動儀可以記錄人在處理視覺信息時的眼動軌跡特征，以此分析駕駛員的心理特點，給駕駛員實時反饋，減少交通事故發生率[34]。通過體感交互技術，可以為使用者創造身臨其境的感官體驗與情境的互動，降低對負性事件的關注，利用環境帶來的歡愉感受對抗負面心理狀態引起的情緒反應，真正緩解負性情緒的影響。通過結合Kinect、LCD 顯示器與透視掃描儀，進行手術影像無接觸交互平臺的搭建，可以幫助主刀醫生完成對數字圖像的放大、評議、旋轉與鎖定等任務[28]，提高外科手術的便捷性與準確性。

3 體感交互技術的優勢與不足

3.1 優勢

3.1.1 增加興趣 體感游戲比傳統方法更能讓使用者有強烈的興趣和動機進行康復訓練、參與學習等。Sun 等[35]對26 名老年人進行了6 周控制試驗，結果表明，老年人借助體感交互游戲進行自發的身體康復鍛煉時，總鍛煉時長是在醫護人員監督下進行身體康復鍛煉時長的3 倍多。在教育方面，體感游戲可以充分激活學習者的視覺、聽覺、觸覺、肢體運動，并做出相應反饋，使用戶產生身臨其境的感覺，有效提升其在游戲中的置入感、沉浸感。多感官的刺激能夠從多個通道同時促進學習者的認知過程，極大提高學習者的學習興趣和動力[2]。

3.1.2 使用方便 隨著我國醫療技術的發展，現代化精密儀器、高新技術已廣泛應用于臨床，但因條件所限，多數學生沒有機會了解某些危險性較大、侵入性的操作，無法學習精密儀器的使用。利用基于體感交互技術的虛擬實訓教學，可以在實訓設備更新周期越來越短、院校招生規模增加的現狀下，使得更多護理專業學生得到充足的教學訓練，緩解有限的試驗空間和緊張的專業教學資源的問題。同時，利用體感交互技術進行人機交互，可以降低因缺乏計算機操作經驗額外增加的認知負荷和挫折感，增加學生參與感和控制感[2]。

3.1.3 功能多樣 體感交互系統已在多個領域得以應用，如醫學監測、技能訓練、基礎教育、生活娛樂，深入從民生到專業領域的各個方面，發展潛力極大。在醫學領域中，Kinect 體感技術目前主要應用于康復訓練、影像學、心理學、護理實踐、醫學教育等。體感游戲的形式多種多樣，從簡單動作的模仿訓練到借助于不同載體的球類游戲、冒險類游戲、益智類游戲、競賽類游戲等，從教育的輔助工具發展為與虛擬現實結合進行更為抽象的理論教學、技能訓練、綜合能力培養等。

3.1.4 效果顯著 體感交互系統通過模擬器模擬出三維場景，讓使用者通過自己身體的動作來控制游戲中人物的動作，“全身”投入到游戲當中，享受到前所未有的體感互動新體驗。多個研究已經證明，體感交互技術能夠改善認知功能[19-21]，促進肢體運動能力的康復[10,25-26]，監測人體行為[27-28]，提高生活能力[30-32]，提升教育培訓效果[2,12]等。

3.2 不足

3.2.1 開發費用較高 體感交互技術需要將現實世界轉化為特定的數字信號，其采樣、信號轉換、信號處理、關鍵點識別、數據分析等需要大量投入。同時，設備的服務成本也較高，更換零件的價格也較為昂貴，服務技術也需要相關專業人員的協助，因此，其開發和維護的成本決定了其較高的市場價格。

3.2.2 真實性還需增強 體感交互技術雖然在不斷進行技術革新，但其對環境所呈現出的真實性還未能達到預期。由于真實性的制約，即使孤獨癥兒童在虛擬情境中學會了某項技能，并不代表其能夠在真實情景中熟練使用相關技能。因此，在未來的研究中，還需要利用合適的力學、動力學反饋等技術手段增強其真實感。

3.2.3 對距離敏感，動作捕捉延遲 目前，存在的動作捕捉技術主要有光學式、機械式、慣性式和電磁式4 種，其中僅慣性式不受工作空間和距離限制，但由于誤差積累較快，目前還沒有完全成熟的應用。同時，動作捕捉的延遲依然存在。通常來說，延遲達到50 ms 即可在操作中感知到，更高要求的訓練甚至不超過30 ms，然而技術較高的電磁式動作捕捉的延遲最低也有33 ms，如果算上運算和網絡等其他延遲問題，操作者的感知一定會受到影響[32]。因此，體感交互系統對于一些細致動作的識別速度和精度還需要進一步改進。

3.2.4 可能造成二次傷害 穿戴式體感設備可以接受人體的生物信號，從而統計身體各種生理機能反饋出來的數據，極大地方便人們對身體健康狀態的把握。但設備自身存在電波信號，監測數據通過WiFi 信號傳遞給云存儲系統，如何保證人體的健康不受影響、數據的安全是需要考慮的問題。同時，使用者可能會對游戲成癮，產生依賴，從而影響正常的生活；也可能在沒有專業人員的指導下出現不當的運動訓練，造成肢體損傷；長久的屏幕亮度和嘈雜的游戲聲音也可能造成視覺、聽覺的損害[36]。因此，如何控制體感交互系統對使用者的二次傷害，將成為體感游戲發展的挑戰。

4 小結

體感交互技術被稱為“第三次人機交互革命的原點”，不僅給人們的娛樂帶來了全新體驗，更為醫療、護理提供了全新模式。其所展現出來的獨特的沉浸感、功能的多樣化和集成化、更加自然有趣的互動與反饋、在醫療護理應用中的可行性和優越性已得到證實。未來體感交互技術還需在降低成本、增強真實感和敏感性、避免二次傷害方面繼續努力，以促進其更加廣泛的應用與發展。