關(guān)鍵詞:足過度旋前;肌肉訓(xùn)練;訓(xùn)練評估
0 引言(Introduction)
足過度旋前是指患者的足部在一個(gè)步態(tài)周期中旋前超過25%,它是對異常足部軟組織或骨性結(jié)構(gòu)的代償[1]。足部長期處于異常姿勢,會(huì)改變?nèi)梭w的正常步態(tài),導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、脊柱、肩關(guān)節(jié)、頸椎產(chǎn)生代償性損傷[2]。目前針對足過度旋前的保守治療方法包括佩戴足矯形器、穿戴具有運(yùn)動(dòng)控制作用的鞋、進(jìn)行肌肉訓(xùn)練和采用貼扎技術(shù)等[3]。其中,肌肉訓(xùn)練對足過度旋前的臨床效果是目前研究的熱點(diǎn)。陳雪梅等[4]對研究對象進(jìn)行肌肉平衡訓(xùn)練,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過肌力平衡矯正訓(xùn)練患者的足外旋和內(nèi)旋等問題得到不同程度的改善。楊兵等[5]對研究對象進(jìn)行肌肉訓(xùn)練,發(fā)現(xiàn)隨著研究對象的旋后肌力量增大,足跟接觸地面時(shí)足底后傾增大,而隨著脛骨前肌力增大,研究對象行走時(shí)與地面的反作用力增大,使足旋前癥狀得到改善。TADDEI等[6]將研究對象分為干預(yù)組和對照組,干預(yù)組接受針對足核心肌群和關(guān)節(jié)肌肉的訓(xùn)練,對照組僅進(jìn)行相同時(shí)間的牽伸,研究發(fā)現(xiàn)干預(yù)組的足部力量和足部姿勢相比對照組,得分更高,跑步相關(guān)損傷降低了58.68%。
上述研究表明,傳統(tǒng)的肌肉訓(xùn)練可以有效改善足過度旋前問題,但目前肌肉訓(xùn)練過程一般需要在醫(yī)生的指導(dǎo)和監(jiān)督下進(jìn)行,訓(xùn)練環(huán)境單調(diào),動(dòng)作單一枯燥,患者很難長期堅(jiān)持。因此,本文擬根據(jù)臨床動(dòng)作范式,設(shè)計(jì)一款用于足過度旋前患者訓(xùn)練動(dòng)作的系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)交互式游戲訓(xùn)練,幫助患者進(jìn)行肌力訓(xùn)練,設(shè)置虛擬場景,提高訓(xùn)練過程的趣味性。此外,系統(tǒng)設(shè)置了評估模塊,確保訓(xùn)練的精準(zhǔn)性和訓(xùn)練效果。
1 總體設(shè)計(jì)思路(Overall design ideas)
基于足過度旋前康復(fù)的交互式游戲系統(tǒng)由Kinect體感設(shè)備(由微軟公司開發(fā)的一款姿態(tài)傳感輸入設(shè)備)和康復(fù)訓(xùn)練軟件系統(tǒng)兩個(gè)部分組成。Kinect體感設(shè)備配備深度攝像頭和彩色攝像頭,通過采集圖像數(shù)據(jù),結(jié)合Exemplar算法實(shí)現(xiàn)對人體骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行追蹤。足過度旋前康復(fù)的交互式游戲系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。軟件訓(xùn)練系統(tǒng)利用Unity開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)游戲場景,完成游戲邏輯,系統(tǒng)獲取Kinect計(jì)算的骨骼數(shù)據(jù),將骨骼數(shù)據(jù)映射到虛擬游戲人物模型中,完成游戲任務(wù);計(jì)算靜態(tài)姿勢下骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)在冠狀面、矢狀面和水平面的角度,對比訓(xùn)練前后骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)角度變化,為醫(yī)生診斷評估提供參考依據(jù)。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)(System software design)
肌肉訓(xùn)練作為足過度旋前的治療手段之一,其有效性在臨床中已得到驗(yàn)證[7]。本文根據(jù)肌肉訓(xùn)練原理,采用雙腿微蹲站立、雙腿交替高抬腿以及持續(xù)微蹲三個(gè)康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作,增加患者腿部肌肉力量,提高其膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性,從而改善足過度旋前程度[8]。通過上述三個(gè)康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作為足過度旋前患者設(shè)計(jì)了一種交互式游戲康復(fù)系統(tǒng),其軟件系統(tǒng)包括兩大模塊:游戲訓(xùn)練模塊和訓(xùn)練評估模塊,系統(tǒng)模塊界面圖如圖2所示。游戲設(shè)計(jì)模塊使用Unity3D 游戲開發(fā)引擎,利用Autodesk 3Ds Max軟件制作游戲模型。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與Kinect設(shè)備相結(jié)合,提高人機(jī)交互的友好性。評估模塊又分為兩個(gè)部分:一是對患者的游戲訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行評估;二是通過靜態(tài)姿勢獲取骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn),并進(jìn)行角度與位置的計(jì)算與分析,為醫(yī)生對患者訓(xùn)練前后效果評估提供參考依據(jù)。
2.1 游戲訓(xùn)練模塊
2.1.1 游戲場景設(shè)計(jì)
為了將康復(fù)動(dòng)作融入游戲中,基于臨床中肌肉訓(xùn)練動(dòng)作與滑雪動(dòng)作類似,系統(tǒng)將滑雪場景設(shè)定為主題場景。游戲任務(wù)設(shè)為用戶滑雪通過障礙物,因此游戲場景元素以雪山為主。利用Unity軟件中的地形系統(tǒng)設(shè)計(jì)雪山地形,并添加各類相關(guān)的材質(zhì)。為了使游戲場景更加逼真,游戲中加入了樹木、房子等模型,效果如圖3(a)所示?;┡艿烙葾utodesk 3Ds Max軟件設(shè)計(jì)制作,跑道上設(shè)置與滑雪動(dòng)作相符的人形障礙物,兩端添加欄桿,跑道效果如圖3(b)所示。跑道設(shè)置碰撞器和觸發(fā)器,如圖3(c)所示的線條,用于檢測人物運(yùn)動(dòng)到指定點(diǎn)時(shí)設(shè)置碰撞與觸發(fā)事件。以三段跑道為一組,如圖3(d)所示,分別在每段跑道中間添加一個(gè)觸發(fā)器,通過腳本設(shè)置無限跑道生成。腳本邏輯是游戲人物從1號跑道位置開始滑行,當(dāng)模型觸發(fā)2號跑道的觸發(fā)器,1號跑道自動(dòng)轉(zhuǎn)移到3號跑道后的跑道位置,以此類推,即當(dāng)觸發(fā)3號跑道的觸發(fā)器后,2號跑道會(huì)轉(zhuǎn)移到1號跑道后的跑道位置。因此,在游戲視角中的跑道是無限延長的。無限跑道的設(shè)置便于用戶在游戲規(guī)定時(shí)間內(nèi)盡可能多地完成通過障礙物的任務(wù),并減少游戲計(jì)算量,從而優(yōu)化程序性能。
2.1.2 游戲模型映射
在游戲場景中,系統(tǒng)將患者實(shí)際姿勢映射到虛擬游戲人物模型中完成游戲任務(wù),幫助患者進(jìn)行肌肉訓(xùn)練。模型映射是指將Kinect體感設(shè)備識(shí)別到的患者關(guān)鍵骨骼點(diǎn)映射到虛擬游戲人物模型的相應(yīng)骨骼點(diǎn)中。當(dāng)Kinect體感設(shè)備捕捉到患者骨骼點(diǎn)的位置發(fā)生變化時(shí),將帶動(dòng)虛擬游戲人物模型相應(yīng)骨骼點(diǎn)位置發(fā)生位移或旋轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)作復(fù)刻。虛擬游戲人物模型實(shí)現(xiàn)動(dòng)作復(fù)刻,需要映射人體軀干的主要關(guān)節(jié)。
本系統(tǒng)中模型映射關(guān)節(jié)包括頭部、頸部、骨盆、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、手指、脊柱中心、脊柱下部、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、腳趾。游戲人物模型由Autodesk 3Ds Max軟件設(shè)計(jì)制作,通過建模布線制作人物模型,并將人物模型進(jìn)行蒙皮,將模型人物骨架(Biped)中的骨骼調(diào)整到模型中,通過“編輯封套”與設(shè)置權(quán)重即可為模型綁定骨骼,綁定骨骼效果圖如圖4(a)所示。將模型以.fbx格式導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D軟件中。Unity引擎具有豐富且復(fù)雜的動(dòng)畫系統(tǒng),其中Humanoid是人形動(dòng)畫,可以實(shí)現(xiàn)人形動(dòng)畫重定向功能,結(jié)合Unity引擎內(nèi)置,實(shí)現(xiàn)模型動(dòng)畫的關(guān)鍵枚舉類型HumanBodyBones和Kinect設(shè)備與人物模型的實(shí)時(shí)映射[9]。將模型的Animation Type 設(shè)置為Humanoid后,查看Avatar骨骼映射并設(shè)置骨骼位置,配置Avatar效果圖如圖4(b)所示。系統(tǒng)提供直觀配置骨骼映射方式,即通過配置Avatar骨骼運(yùn)動(dòng)與Biped骨骼對應(yīng)關(guān)系,如圖4(c)所示,精準(zhǔn)配置Biped骨骼與Avatar骨骼對應(yīng)。模型準(zhǔn)備結(jié)束后給Camera添加KinectManager腳本并設(shè)置腳本屬性,給游戲人物模型添加AvatarController腳本,將Kinect體感設(shè)備采集到的骨骼點(diǎn)與Avatar骨骼點(diǎn)對應(yīng)。Kinect體感設(shè)備在傳輸新的數(shù)據(jù)后,HumanBodyBones更新人物模型對應(yīng)關(guān)節(jié)和角度信息,實(shí)現(xiàn)將患者實(shí)際姿勢映射到虛擬游戲人物模型中。
2.1.3 肌肉訓(xùn)練虛擬交互動(dòng)作設(shè)計(jì)
造成足過度旋前的原因包括腿部肌肉失常和足底肌肉失常。其中,腿部肌肉問題包括脛骨前肌、脛骨后肌無力,腓骨肌群過度活躍,股二頭肌過度緊張以及臀中肌、臀大肌不夠活躍等[10]。足底肌肉問題包括足底屈肌無力、足部緩沖功能缺失等,會(huì)導(dǎo)致足底屈跖肌和筋膜組織因承受牽拉力量太大而易受傷[11]。
因此,針對足過度旋前的治療主要有鍛煉腿部肌肉和鍛煉足底肌肉兩大方向。采用雙腿微蹲站立、雙腿交替高抬腿以及持續(xù)微蹲三個(gè)腿部肌肉康復(fù)動(dòng)作鍛煉腿部肌肉,實(shí)現(xiàn)對于足過度旋前的康復(fù)訓(xùn)練[12]。其中,雙腿微蹲站立要求患者保持上身挺直,視線看向正前方,雙腳分開略寬于肩,下蹲時(shí)不可過快、過猛,先屈髖再屈膝,膝蓋前部不超過腳尖,重心盡量靠后,雙腳緊貼地面,蹲至大腿平行于地面[13],股四頭肌、腘繩肌和內(nèi)收肌呈緊繃狀態(tài),此時(shí)緩慢起身,髖部向上發(fā)力,臀中肌和臀大肌活躍。雙腿交替高抬腿要求患者保持身體挺直,重心穩(wěn)定,抬一側(cè)腿至大腿與地面大約平行,腳尖勾起,抬起腿落地的同時(shí),支撐腿用力蹬地抬起,其過程用來刺激髖部肌群、小腿三頭肌、臀肌及踝部肌群等[14]。持續(xù)微蹲要求患者雙腳平行站立與肩同寬,腳尖朝前,雙腿伸直,臀部收緊,雙臂自然下垂,屈膝屈髖下蹲,直至大腿與地面平行,緩慢起身,與雙腿微蹲站立相比,保持下蹲動(dòng)作時(shí)間較長,臀大肌、股四頭肌、腘繩肌和內(nèi)收肌緊繃時(shí)間更長,有利于鍛煉臀部和腿部肌肉力量,增強(qiáng)下肢穩(wěn)定性[15]。
根據(jù)以上三個(gè)訓(xùn)練動(dòng)作,將游戲分為三個(gè)關(guān)卡,每個(gè)關(guān)卡中設(shè)置相應(yīng)的障礙物,提示并幫助患者完成康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作,關(guān)卡設(shè)置障礙物的詳細(xì)信息如表1所示。由于雙腿微蹲站立與持續(xù)微蹲動(dòng)作相似,若將兩個(gè)關(guān)卡設(shè)置成前后相連的順序會(huì)導(dǎo)致股四頭肌、腘繩肌和內(nèi)收肌持續(xù)緊繃,容易導(dǎo)致受傷。對以上兩個(gè)動(dòng)作進(jìn)行排序時(shí),考慮運(yùn)動(dòng)鍛煉需循序漸進(jìn),持續(xù)微蹲動(dòng)作對肌肉要求更高,因此選擇雙腿微蹲站立為第一關(guān)卡,并在兩個(gè)關(guān)卡中間用雙腿交替高抬腿關(guān)卡隔開,將運(yùn)動(dòng)肌群從大腿肌群分散部分到小腿與踝部肌群,降低患者受傷風(fēng)險(xiǎn)。
患者在完成每個(gè)關(guān)卡任務(wù)后,自動(dòng)進(jìn)入下一關(guān)卡,每個(gè)關(guān)卡中的障礙物設(shè)有碰撞器和觸發(fā)器,通過編寫腳本中的OnTriggerEnter (Collider collider)和OnCollisionEnter (Collisioncollision)函數(shù),系統(tǒng)可以檢測用戶是否順利通過障礙物或是否觸碰障礙物。每個(gè)關(guān)卡結(jié)束后,系統(tǒng)自動(dòng)將通過與觸碰障礙物的數(shù)量以及分?jǐn)?shù)分別存入數(shù)據(jù)庫中,為訓(xùn)練評估提供依據(jù)。
2.2 評估模塊
2.2.1 游戲訓(xùn)練評估
患者游戲訓(xùn)練結(jié)束后,系統(tǒng)會(huì)將患者訓(xùn)練結(jié)果記錄到數(shù)據(jù)庫中,并顯示在游戲訓(xùn)練評估界面,評估圖如圖5(a)所示。其中,系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)定每個(gè)游戲基本訓(xùn)練時(shí)長為30 s,若患者的訓(xùn)練總時(shí)長少于90 s,則說明患者沒有完成全部游戲訓(xùn)練。結(jié)合游戲障礙物設(shè)置,與游戲人物滑行速度調(diào)節(jié)情況,經(jīng)測試站立蹲起數(shù)量一般為10~25個(gè),單腿站立數(shù)量一般為10~15組,持續(xù)微蹲動(dòng)作數(shù)量一般為3~5組。根據(jù)碰撞次數(shù)可推斷患者訓(xùn)練中出現(xiàn)不標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作的次數(shù)。醫(yī)生根據(jù)上述動(dòng)作數(shù)量范圍,針對患者的訓(xùn)練結(jié)果做出大致判斷,結(jié)合靜態(tài)姿勢評估結(jié)果[圖5(b)],為患者的動(dòng)作訓(xùn)練制訂新的計(jì)劃,如增加某一關(guān)卡訓(xùn)練時(shí)間或減少某一關(guān)卡障礙物數(shù)量等。
2.2.2 靜態(tài)姿勢評估
對患者進(jìn)行評估是個(gè)體精準(zhǔn)康復(fù)訓(xùn)練的基礎(chǔ),臨床上對足過度旋前的評估多用舟骨下降高度測試足部姿勢指數(shù),其評定過程通常基于醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)。但是,足過度旋前會(huì)影響脛骨、膝關(guān)節(jié)、股骨、脊柱的力線,引起脛骨過度內(nèi)旋,造成膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)在冠狀面、矢狀面和水平面的角度變化。Kinect體感設(shè)備測量軀干和下肢關(guān)節(jié)角度的有效性已得到驗(yàn)證[16]。
本系統(tǒng)通過靜態(tài)姿勢計(jì)算患者關(guān)節(jié)角度,要求Kinect體感設(shè)備放置于距地面0.8 m、距患者2 m的位置,患者保持身體直立,面向前方,雙足并攏,足尖向前,雙上肢自然下垂于軀干兩側(cè)。通過Kinect for Windows SDK提供的骨骼追蹤功能,獲取骨骼位置。本系統(tǒng)計(jì)算使用左右髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和腳部共8個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),其坐標(biāo)系設(shè)置為以Kinect體感傳感器為原點(diǎn),Z 軸垂直于Kinect正面;Y 軸垂直于Kinect底部;X軸與Kinect前表面平行。Kinect體感設(shè)備可以以30幀/s的速度捕捉目標(biāo)人體25個(gè)骨骼關(guān)節(jié)的3D坐標(biāo),本系統(tǒng)設(shè)定采樣時(shí)間為3 s,通過計(jì)算上述8個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的平均值得到關(guān)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo),計(jì)算結(jié)果的評估界面如圖5(b)所示。
得到骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)位置數(shù)據(jù)之后,可以通過計(jì)算關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的向量坐標(biāo),運(yùn)用空間向量法計(jì)算關(guān)節(jié)點(diǎn)向量角度,計(jì)算公式如下:
以左側(cè)關(guān)節(jié)角度計(jì)算為例,如圖6所示,基于左側(cè)髖關(guān)節(jié)(點(diǎn)A)、左側(cè)膝關(guān)節(jié)(點(diǎn)B)、左側(cè)踝關(guān)節(jié)(點(diǎn)C)以及左側(cè)腳部(點(diǎn)D),從冠狀面、矢狀面和水平面分別計(jì)算左膝關(guān)節(jié)和左踝關(guān)節(jié)的角度。以左膝關(guān)節(jié)B 點(diǎn)為基本點(diǎn),連接髖關(guān)節(jié)A 點(diǎn),方向指向髖關(guān)節(jié)得到向量BA,連接踝關(guān)節(jié)C 點(diǎn),方向指向踝關(guān)節(jié)得到向量BC,代入公式(1)計(jì)算 ∠ABC。以左踝關(guān)節(jié)C 點(diǎn)為基本點(diǎn),連接膝關(guān)節(jié)B 點(diǎn),方向指向膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)得到向量CB,連接腳部D 點(diǎn),方向指向腳部得到向量CD,代入公式(1)計(jì)算∠BCD。其中各平面關(guān)節(jié)向量計(jì)算過程如表2所示。
隨著脛骨內(nèi)旋角度變大,跟骨外翻角度與踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角度會(huì)相應(yīng)變大,進(jìn)一步引起相關(guān)肌肉韌帶損傷,最終導(dǎo)致足痛、膝痛等慢性疼痛的發(fā)生。一般足過度旋前評估由醫(yī)生結(jié)合足姿指數(shù)(Foot Posture Index, FPI)量表[17]中的觸診和視覺評估對患者進(jìn)行測試評分,但容易受主觀因素和外界條件的影響。本系統(tǒng)通過計(jì)算左右側(cè)膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)在直立時(shí)的角度,對比患者在訓(xùn)練前后膝關(guān)節(jié)內(nèi)旋角度與踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角度變化情況,從而評估患者在訓(xùn)練前后的足旋前程度是否發(fā)生變化,為醫(yī)生診斷評估提供參考依據(jù)。
3 游戲測試(Game testing)
系統(tǒng)的主要功能模塊通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測試,實(shí)驗(yàn)中,測試者根據(jù)軟件提示進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)者在第一關(guān)中按提示微蹲通過深色障礙物,站立通過淺色障礙物,完成時(shí)間為30 s,完成10組動(dòng)作;在第二關(guān)中按提示抬起右腳通過淺色障礙物,抬起左腳通過深色障礙物,完成時(shí)間為30 s,完成8組動(dòng)作;在第三關(guān)中按提示持續(xù)微蹲通過障礙物,完成時(shí)間為30 s,完成4組動(dòng)作。游戲測試圖如圖7所示,實(shí)驗(yàn)者實(shí)現(xiàn)了三組動(dòng)作的訓(xùn)練,分別完成游戲任務(wù)。通過每個(gè)游戲關(guān)卡后,實(shí)驗(yàn)者立即根據(jù)自感疲勞進(jìn)行疲勞程度主觀評價(jià),得出自感疲勞等級(Rating of Perceived Exertion, RPE) [18],實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。表3中,將腿部分為4大區(qū)域肌肉群,疲勞等級由數(shù)字表示,其中等級1表示不累,2表示較不累,3表示一般累,4表示較累,5表示很累。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在關(guān)卡1中,實(shí)驗(yàn)者感覺大腿前側(cè)與大腿后側(cè)較累,說明關(guān)卡1的訓(xùn)練對大腿的股二頭肌群與內(nèi)收肌等鍛煉作用明顯;在關(guān)卡2中,實(shí)驗(yàn)者感覺大腿后側(cè)與小腿后側(cè)較累,說明關(guān)卡2的訓(xùn)練對腓腸肌內(nèi)側(cè)與外側(cè)等鍛煉作用明顯,大腿后側(cè)股二頭肌群保持活躍狀態(tài);在關(guān)卡3中,實(shí)驗(yàn)者的大腿與小腿的疲勞程度都較高,說明關(guān)卡3的訓(xùn)練強(qiáng)度較大,對大腿股外側(cè)肌、股直肌等肌群、股二頭肌群與小腿腓腸肌群等鍛煉作用較大。
4 結(jié)論(Conclusion)
臨床實(shí)驗(yàn)初步表明,系統(tǒng)將三種針對足過度旋前康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作融入游戲任務(wù)中,幫助患者取得了較好的訓(xùn)練效果。游戲使用Kinect體感設(shè)備,可以實(shí)時(shí)獲取患者姿勢并映射到虛擬游戲人物中,使患者可以通過康復(fù)動(dòng)作訓(xùn)練完成游戲任務(wù),獲取積分。游戲虛擬場景可以讓患者沉浸于游戲中,提高訓(xùn)練樂趣。在評估模塊中,本系統(tǒng)通過獲取Kinect體感設(shè)備識(shí)別的骨骼點(diǎn)位置,分別計(jì)算左右膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)在冠狀面、矢狀面和水平面的角度,通過對比訓(xùn)練前后角度變化,為醫(yī)生診斷評估提供參考依據(jù)。系統(tǒng)總體上達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,但對下肢缺少足部肌肉訓(xùn)練方式,在評估方面缺少足部姿勢等數(shù)據(jù),因此完善設(shè)計(jì)足部肌肉訓(xùn)練的游戲并結(jié)合足姿評估,可以進(jìn)一步完善訓(xùn)練與評估系統(tǒng)的功能。