【摘要】：增強現(xiàn)實(Augmented Reality,簡稱AR)技術(shù)能夠?qū)⑻摂M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(guān)鍵技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)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(shù)應用于康復醫(yī)學領(lǐng)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(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用價值。目前國內(nèi)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(guān)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(chǎn)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(guān)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(guān)節(jié)活動特點分析,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)活動度)評定,確定關(guān)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(guān)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(guān)節(jié)的尺偏、橈偏和肘關(guān)節(jié)的屈曲、伸展運動基于人體力學結(jié)構(gòu)可分析抽象為三維空間中繞某一坐標軸的旋轉(zhuǎn),穿戴的傳感器隨上肢運動,其在三維空間中的旋轉(zhuǎn)方向、角度與關(guān)節(jié)的活動方向、角度相對應,從而將關(guān)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(zhuǎn)角度獲得關(guān)節(jié)的活動角度。最后結(jié)合關(guān)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(guān)節(jié)不同運動形式的跟蹤注冊算法。(3)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(guān)節(jié)活動度和關(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:(1)首次提出了將人體上肢關(guān)節(jié)運動在三維空間中進行抽象建模的方法。(2)論文的工作是AR與康復醫(yī)學相結(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康復訓練提供了理論指導和借鑒。論文的實用價值體現(xiàn)在:(1)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)生或治療師評估病患康復進度和訓練效果的重要依據(jù)。(2)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(guān)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(guān)節(jié)運動有時是由腕關(guān)節(jié)運動帶動的。因此下一步工作是對可能參與肘關(guān)節(jié)運動的其他關(guān)節(jié)結(jié)合分析,以更全面地完成對肘關(guān)節(jié)運動的跟蹤注冊,進而更好地支持肘關(guān)節(jié)的康復評估和虛實訓練場景融合。
【圖文】：

圖 1.1 集成增強現(xiàn)實和輔助裝置的訓練環(huán)境la Ficheman 等人針對兒童腦癱的康復在文獻[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訓一臺普通的 PC 機、一個網(wǎng)絡攝像頭和若干特制統(tǒng)原型利用基于計算機視覺的跟蹤注冊技術(shù)實現(xiàn)首先，網(wǎng)絡攝像頭利用圖像處理技術(shù)捕獲識別出算機圖形學和視覺計算得出卡片的位置，并在顯某一張卡片被遮擋或覆蓋，系統(tǒng)利用計算機視覺應的聲音反饋。腦癱患兒通過連續(xù)地觸摸不同的知能力的訓練。

圖 1.1 集成增強現(xiàn)實和輔助裝置的訓練環(huán)境Irene Karaguilla Ficheman 等人針對兒童腦癱的康復在文獻[8]中進行了增強現(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計一個增強現(xiàn)實音樂療法輔助系統(tǒng)的原型，用于腦癱兒童的康復訓練。該系統(tǒng)原使用的設備包括一臺普通的 PC 機、一個網(wǎng)絡攝像頭和若干特制的卡片，如下 1.2 所示。該系統(tǒng)原型利用基于計算機視覺的跟蹤注冊技術(shù)實現(xiàn)對標記卡片的別和跟蹤注冊。首先，網(wǎng)絡攝像頭利用圖像處理技術(shù)捕獲識別出每張卡片代表音符，并結(jié)合計算機圖形學和視覺計算得出卡片的位置，并在顯示器中呈現(xiàn)虛物體。其次，，當某一張卡片被遮擋或覆蓋，系統(tǒng)利用計算機視覺算法檢測被覆的卡片并提供相應的聲音反饋。腦癱患兒通過連續(xù)地觸摸不同的卡片實現(xiàn)上肢伸能力及聲音感知能力的訓練。
【學位授予單位】：西南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TP391.9

【參考文獻】

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本文編號：2552296