發(fā)布時(shí)間：2019-10-24 00:18

【摘要】：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality,簡稱AR)技術(shù)能夠?qū)⑻摂M場景與真實(shí)場景完美融合從而實(shí)現(xiàn)對真實(shí)場景的增強(qiáng)和補(bǔ)充。跟蹤注冊是AR的關(guān)鍵技術(shù)之一,也是實(shí)現(xiàn)虛實(shí)場景融合的基礎(chǔ)。將AR應(yīng)用于上肢康復(fù)系統(tǒng)中,可以把計(jì)算機(jī)生成的虛擬指導(dǎo)訓(xùn)練信息疊加到病患真實(shí)的訓(xùn)練過程中,讓病患清晰而明確地看到自己當(dāng)前肢體動(dòng)作和既定訓(xùn)練計(jì)劃的真實(shí)差異。對AR上肢康復(fù)系統(tǒng)跟蹤注冊關(guān)鍵技術(shù)的研究是跟蹤注冊方法及應(yīng)用的進(jìn)一步研究,在一定程度上為AR技術(shù)應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的難點(diǎn)提供處理思路的同時(shí)為AR上肢康復(fù)系統(tǒng)的發(fā)展提供關(guān)鍵技術(shù)的解決方案。因此,論文的工作具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。目前國內(nèi)外AR上肢康復(fù)系統(tǒng)利用標(biāo)記和計(jì)算機(jī)視覺算法能夠跟蹤上肢的活動(dòng),但無法獲取上肢活動(dòng)時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)對訓(xùn)練效果進(jìn)行量化評估。此外,在病患的上肢放置各種標(biāo)記易使病患在心理上產(chǎn)生抵觸或不配合的情緒而導(dǎo)致康復(fù)效果不佳。針對以上問題,在對相關(guān)AR跟蹤注冊理論和方法進(jìn)行深入研究和分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了以下幾個(gè)主要工作:(1)虛實(shí)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(guān)節(jié)活動(dòng)特點(diǎn)分析,確定傳感器位置。再結(jié)合腕、肘關(guān)節(jié)ROM(Range of Motion,關(guān)節(jié)活動(dòng)度)評定,確定關(guān)節(jié)活動(dòng)角度為虛實(shí)融合特征數(shù)據(jù)。(2)傳感器實(shí)現(xiàn)的腕、肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)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(guān)節(jié)的尺偏、橈偏和肘關(guān)節(jié)的屈曲、伸展運(yùn)動(dòng)基于人體力學(xué)結(jié)構(gòu)可分析抽象為三維空間中繞某一坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn),穿戴的傳感器隨上肢運(yùn)動(dòng),其在三維空間中的旋轉(zhuǎn)方向、角度與關(guān)節(jié)的活動(dòng)方向、角度相對應(yīng),從而將關(guān)節(jié)的活動(dòng)角度在三維空間中進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,進(jìn)而通過計(jì)算傳感器的旋轉(zhuǎn)角度獲得關(guān)節(jié)的活動(dòng)角度。最后結(jié)合關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)即重復(fù)性和連續(xù)性,給出了一個(gè)適用于上肢腕、肘關(guān)節(jié)不同運(yùn)動(dòng)形式的跟蹤注冊算法。(3)有效性和可用性驗(yàn)證。一方面,選擇健康人、模擬病患和真實(shí)病患三類關(guān)節(jié)活動(dòng)度和關(guān)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)和穩(wěn)定四個(gè)指標(biāo)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(dòng)角度的數(shù)值進(jìn)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(shè)計(jì)和開發(fā)了一個(gè)原型系統(tǒng),在三級(jí)甲等中醫(yī)醫(yī)院重慶市某區(qū)中醫(yī)院進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),分別從硬件(主要是傳感器設(shè)備)和軟件的可用性進(jìn)一步驗(yàn)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(gè)指標(biāo)進(jìn)行評估,而軟件可用性從易于學(xué)習(xí)、易于記憶、容錯(cuò)性、高效性和滿意度五個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評估。論文的理論價(jià)值體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)首次提出了將人體上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)在三維空間中進(jìn)行抽象建模的方法。(2)論文的工作是AR與康復(fù)醫(yī)學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物,其工作成果一定程度上為下肢大關(guān)節(jié)功能障礙AR康復(fù)訓(xùn)練提供了理論指導(dǎo)和借鑒。論文的實(shí)用價(jià)值體現(xiàn)在:(1)提出的跟蹤注冊算法封裝應(yīng)用于AR上肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)既支持虛實(shí)訓(xùn)練場景的融合,又可作為醫(yī)生或治療師評估病患康復(fù)進(jìn)度和訓(xùn)練效果的重要依據(jù)。(2)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基于Android平臺(tái)的上肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)原型能夠直觀地展示病患的已達(dá)訓(xùn)練目標(biāo)、當(dāng)前訓(xùn)練狀態(tài)以及當(dāng)前設(shè)定的目標(biāo),便于病患和醫(yī)生清晰地對比和實(shí)時(shí)了解訓(xùn)練情況。論文的工作實(shí)現(xiàn)了對腕關(guān)節(jié)的穩(wěn)定跟蹤和注冊支持,但實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)病患肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)有時(shí)是由腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)的。因此下一步工作是對可能參與肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的其他關(guān)節(jié)結(jié)合分析,以更全面地完成對肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的跟蹤注冊,進(jìn)而更好地支持肘關(guān)節(jié)的康復(fù)評估和虛實(shí)訓(xùn)練場景融合。
【圖文】：

圖 1.1 集成增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和輔助裝置的訓(xùn)練環(huán)境la Ficheman 等人針對兒童腦癱的康復(fù)在文獻(xiàn)[8]中案例研究。Irene Karaguilla Ficheman 等人基于已樂療法輔助系統(tǒng)的原型，用于腦癱兒童的康復(fù)訓(xùn)一臺(tái)普通的 PC 機(jī)、一個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像頭和若干特制統(tǒng)原型利用基于計(jì)算機(jī)視覺的跟蹤注冊技術(shù)實(shí)現(xiàn)首先，網(wǎng)絡(luò)攝像頭利用圖像處理技術(shù)捕獲識(shí)別出算機(jī)圖形學(xué)和視覺計(jì)算得出卡片的位置，并在顯某一張卡片被遮擋或覆蓋，系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)的聲音反饋。腦癱患兒通過連續(xù)地觸摸不同的知能力的訓(xùn)練。

圖 1.1 集成增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和輔助裝置的訓(xùn)練環(huán)境Irene Karaguilla Ficheman 等人針對兒童腦癱的康復(fù)在文獻(xiàn)[8]中進(jìn)行了增強(qiáng)現(xiàn)音樂輔助系統(tǒng)的案例研究。Irene Karaguilla Ficheman 等人基于已有的研究設(shè)計(jì)一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)音樂療法輔助系統(tǒng)的原型，用于腦癱兒童的康復(fù)訓(xùn)練。該系統(tǒng)原使用的設(shè)備包括一臺(tái)普通的 PC 機(jī)、一個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像頭和若干特制的卡片，如下 1.2 所示。該系統(tǒng)原型利用基于計(jì)算機(jī)視覺的跟蹤注冊技術(shù)實(shí)現(xiàn)對標(biāo)記卡片的別和跟蹤注冊。首先，網(wǎng)絡(luò)攝像頭利用圖像處理技術(shù)捕獲識(shí)別出每張卡片代表音符，并結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和視覺計(jì)算得出卡片的位置，并在顯示器中呈現(xiàn)虛物體。其次，，當(dāng)某一張卡片被遮擋或覆蓋，系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)視覺算法檢測被覆的卡片并提供相應(yīng)的聲音反饋。腦癱患兒通過連續(xù)地觸摸不同的卡片實(shí)現(xiàn)上肢伸能力及聲音感知能力的訓(xùn)練。
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TP391.9

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2552296