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        基于Kinect技術(shù)的胸外心臟按壓輔助訓(xùn)練系統(tǒng)研究

        2025-03-18 00:00:00張新京曹文鑫祝嘉誠
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2025年5期

        摘 要:隨著計算機(jī)視覺和人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展,運動捕捉技術(shù)逐漸開始在各領(lǐng)域得到應(yīng)用和普及,具有較強(qiáng)的教學(xué)實踐指導(dǎo)意義。本文根據(jù)對心肺復(fù)蘇(CPR)教學(xué)現(xiàn)狀的需求分析,研究開發(fā)了一種基于Kinect技術(shù)的胸外心臟按壓輔助訓(xùn)練系統(tǒng),旨在提高醫(yī)療專業(yè)人員在緊急情況下執(zhí)行高質(zhì)量心肺復(fù)蘇的能力。系統(tǒng)通過實時捕捉操作者的動作并提供反饋,幫助用戶學(xué)習(xí)和改進(jìn)按壓技巧。研究結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠有效提高用戶的CPR技能,具有較高的實用性和教育價值。

        關(guān)鍵詞:Kinect;胸外心臟按壓;輔助訓(xùn)練

        中圖分類號:TP 31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        心臟驟停是臨床上常見的危急重癥,致死率高[1]。高質(zhì)量的CPR能顯著提升患者生存率,但CPR普及率低,尤其在中國,大眾普遍缺乏相關(guān)知識。非專業(yè)人員因缺乏訓(xùn)練,操作可能不規(guī)范,影響救援效果。傳統(tǒng)胸外心臟按壓訓(xùn)練方式成本高、反饋不及時、效率低。隨著技術(shù)發(fā)展,Kinect技術(shù)已應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域[2],本系統(tǒng)通過捕捉人體三維骨骼信息,實時評估按壓深度、頻率和姿勢,提供即時反饋,解決傳統(tǒng)訓(xùn)練不足。當(dāng)前,CPR教學(xué)正借助互聯(lián)網(wǎng)等新興媒體,從面對面教學(xué)向多樣化方式轉(zhuǎn)變,促進(jìn)技能普及[3]。BESKIND等[4]發(fā)現(xiàn)視頻訓(xùn)練在提高CPR技能質(zhì)量和反應(yīng)能力方面優(yōu)勢顯著。PAGLINO M等[5]研究了一個以視頻為媒介的小學(xué)生CPR教學(xué)計劃,學(xué)生通過視頻學(xué)習(xí)CPR操作,并在人體模型上進(jìn)行練習(xí)。NAS等[6]發(fā)現(xiàn)虛擬培訓(xùn)在胸部按壓速度上優(yōu)于面對面培訓(xùn),但在按壓深度上稍顯不足。LEARY等[7]創(chuàng)建了一個模擬的虛擬現(xiàn)實環(huán)境,學(xué)員可以與環(huán)境互動,并且參與訓(xùn)練的人體模型能夠提供反饋。萬資鈺[8]在高級生命支持訓(xùn)練系統(tǒng)中加入了Kinect圖像識別技術(shù)用來對訓(xùn)練者操作過程中訓(xùn)練姿態(tài)進(jìn)行識別與糾正。

        1 相關(guān)技術(shù)與開發(fā)平臺

        1.1 Kinect技術(shù)概述

        Kinect V2擁有三個關(guān)鍵組件:紅外投影器、彩色攝像頭和紅外攝像頭。紅外投影器與紅外攝像頭協(xié)同工作,實現(xiàn)深度感知,能夠捕捉深度圖像并進(jìn)行人體跟蹤。彩色攝像頭則負(fù)責(zé)捕捉場景和人物的RGB圖像,提供彩色圖像流,使得簡單的人臉識別成為可能。此外,Kinect V2底部配備了四個麥克風(fēng),它們線性排列且等距分布,能夠同時收集聲音信息,并通過數(shù)字語音處理技術(shù),實現(xiàn)聲源定位。Kinect V1和Kinect V2的骨骼追蹤功能是其顯著特點之一,能夠精確地定位和追蹤人體骨骼關(guān)節(jié)點,提供實時的3D骨骼坐標(biāo)信息,為各種應(yīng)用提供了強(qiáng)大的交互能力。Kinect在醫(yī)療范疇的應(yīng)用廣泛,涵蓋復(fù)健操練、體態(tài)量化、機(jī)能評價、人身辨識以及新科技探索等多重要領(lǐng)域。

        1.2 Unity3D三維建模平臺

        該系統(tǒng)將動畫創(chuàng)作中的角色原型引入至虛擬建構(gòu)環(huán)境,開展相應(yīng)劇本的編撰,以此實現(xiàn)虛擬行動的復(fù)刻。Unity3D系UnityTechnologies企業(yè)所研發(fā)之軟件工具,專為生成三維動畫、構(gòu)建虛擬環(huán)境與執(zhí)行物理運算等任務(wù)而設(shè)計,具備跨平臺特性,適用于游戲開發(fā)及其他多媒體應(yīng)用領(lǐng)域。作為一款跨平臺的開發(fā)工具,Unity3D集成了三維游戲引擎所需的編輯器框架、圖像渲染模塊、地形處理系統(tǒng)等核心功能,能夠生成引人入勝的三維視覺體驗。該工具所配套的編程語言包括C#與JavaScript等,允許開發(fā)者在Unity3D的開發(fā)環(huán)境中便捷地制作出動態(tài)的三維視覺效果。X、開放圖形庫技術(shù)。很多類似于Maya、使用如3D Max在內(nèi)的流行三維建模工具所創(chuàng)建的內(nèi)容能夠順暢且高效地集成至Unity3D環(huán)境。

        2 輔助訓(xùn)練系統(tǒng)的實現(xiàn)

        為了構(gòu)建胸外按壓輔助訓(xùn)練系統(tǒng),第一步是收集運動信息。該系統(tǒng)利用無須人體額外佩戴的Kinect體感裝置來獲取動作數(shù)據(jù),并將這些實際操作記錄為虛擬檔案。建立基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫至關(guān)重要,因為它直接影響著整個輔助平臺的專業(yè)水平和實用性。

        2.1 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

        構(gòu)建規(guī)范數(shù)據(jù)庫的核心要素如下。1)**數(shù)據(jù)收集流程**:應(yīng)選用具備專業(yè)知識的急救人員進(jìn)行操作,確保采用標(biāo)準(zhǔn)化的心肺復(fù)蘇胸外按壓動作作為數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ),以確保數(shù)據(jù)的精度和一致性。 2) **數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化與準(zhǔn)確性**:建立一個專業(yè)且標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)庫,能有效降低因參考數(shù)據(jù)偏差導(dǎo)致的評估不精確問題,從而減輕后續(xù)數(shù)據(jù)處理與調(diào)整的工作負(fù)擔(dān)。 3) **任務(wù)模型與用戶匹配**:在計算動作數(shù)據(jù)時,需通過調(diào)整任務(wù)模型與用戶之間的對應(yīng)關(guān)系,確保動作的準(zhǔn)確性和兼容性。此步驟涉及執(zhí)行三種不同動作,通過這些動作姿態(tài)來校正人體各部位與Unity虛擬人物骨骼的相對位置,這直接影響了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及其后續(xù)處理的復(fù)雜度。 4)**Kinect數(shù)據(jù)采集**:在使用Kinect設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)收集時,應(yīng)將其完整記錄救護(hù)員的動作過程,以便于在后續(xù)的數(shù)據(jù)修正階段,以視頻為依據(jù),提供直觀的參考,確保數(shù)據(jù)的可靠性和精確性。在構(gòu)建數(shù)據(jù)庫時,須收集若干批次數(shù)據(jù),各批次中急救人員面對Kinect紅外攝像頭的角度各異。

        2.2 人體姿態(tài)特征提取

        本文提取的角度特征、速度特性均遵循核心數(shù)據(jù)特性提取的準(zhǔn)則:一是特征數(shù)據(jù)能刻畫動作的獨有狀況;二是特征數(shù)據(jù)在動作全周期內(nèi)保持連貫性與穩(wěn)定性,實現(xiàn)了從原始數(shù)據(jù)到簡化形式的降維,從而縮減了運算負(fù)荷,減輕了計算難度;三是即便遭遇不可抗力的外界干擾,特征數(shù)據(jù)仍具備不變性。利用抽取的人體姿態(tài)角度特征作為后續(xù)章節(jié)中DTW算法匹配對應(yīng)幀的評判基準(zhǔn)。利用提取效率及方向?qū)傩宰鳛樵u估標(biāo)準(zhǔn)。

        2.3 DTW算法匹配

        該系統(tǒng)運用DTW算法對測試個體的動作序列與基準(zhǔn)動作序列的相應(yīng)幀進(jìn)行匹配,匹配準(zhǔn)則基于所抽取的人體姿勢角度特性。DTW算法憑借其簡潔與高效的特點,普遍應(yīng)用于語音識別、文本信息匹配等范疇,乃是一種旨在優(yōu)化模板匹配的算法。該方法的核心理念在于,通過拉長及壓縮時間序列,以評估測試案例與基準(zhǔn)案例之間的相似度,進(jìn)而構(gòu)建一條連接二者的時間校準(zhǔn)對應(yīng)軌跡。在求解環(huán)節(jié),目標(biāo)是識別兩個樣本間累積距離最短的路徑,以此界定最優(yōu)路徑。

        Kinect 采集的數(shù)據(jù)的速率大約 30 幀/s,一個動作序列可看作為連續(xù)多幀骨架數(shù)據(jù)的集合。定義兩個動作序列U=(U1,U2,…,Um)和V=(V1,V2,…,Vn),U為測試序列,V為標(biāo)準(zhǔn)序列,長度分別m幀和n幀。通常情況下m≠n,需要構(gòu)建一個m×n的矩陣網(wǎng)格,定義矩陣D如公式(1)所示。

        (1)

        最優(yōu)匹配路徑如圖1 所示,為了在該網(wǎng)格矩陣內(nèi)識別一條涵蓋特定節(jié)點的最短路徑,此路徑連接的節(jié)點代表了兩個序列各自幀中的對應(yīng)點。將此最短路徑命名為有序路徑WK=(ω1,ω2,…,ωK)這一組連續(xù)矩陣元素用來映射動作序列U、V的角度特征對應(yīng)關(guān)系,W的第k-1、k個元素分別定義WK-l=D(i',j')k-l,Wk=D(i,j)k。這條最優(yōu)路徑要滿足以下4個約束條件。1)邊界約束:ω1=D(1,1), ωk=D(m,n)。2) 有界性:max(m,n)≤k≤m+n-1。3)連續(xù)性:ωi=D(i,j)" "ωk-1=D(i',j'),i-i'≤1,j-j'≤1。4)單調(diào)性:不允許同時出現(xiàn)i-i'=1,j-j'=1。

        根據(jù)上述幾個約束條件,計算距離矩陣的最優(yōu)路徑,如果序列U中的某一幀Ui和序列V中的某一幀Vj,對應(yīng)到最優(yōu)路徑中的同一個元素上,那么Ui和Vj即是對應(yīng)幀。

        2.4 系統(tǒng)評分設(shè)計

        本系統(tǒng)的中心模塊為評分機(jī)制的構(gòu)建,融合DTW算法匹配幀間關(guān)節(jié)的角度及速度指標(biāo)。以計算測試參與者執(zhí)行的動作序列與預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)動作序列之間的角度偏差作為評估基準(zhǔn):鑒于心肺復(fù)蘇過程中按壓動作的特性,此設(shè)計方案進(jìn)一步分析了動作序列的速度參數(shù),將速度的離散程度作為評價的另一關(guān)鍵指標(biāo)。此外,該平臺還將提供太極動作的時長信息,并通過整合分析,評定成績。評分算法具體計算流程如圖2所示。

        2.4.1 人體姿態(tài)角度差異計算

        假設(shè)長度分別為m幀和n幀的兩個動作序列A=(A1,A2,…,Am)和B=(B1,B2,…,Bn)有k個對應(yīng)幀。A為測試序列B為標(biāo)準(zhǔn)序列。Bi幀對應(yīng)的角度特征為θi,幀Bi對應(yīng)的角度特征用θi表示(角度特征是一個16維的向量),測試動作序列A與標(biāo)準(zhǔn)動作序列B的距離即把A中每個幀與其對應(yīng)幀的距離求和再取平均值(即DAngle),如公式(2)所示。

        (2)

        式中:Di Angle表示Bi幀角度特征與Bi幀角度特征的曼哈頓距離;Bi表示序列B中的任意一幀;Bi'表示序列A中,與幀Bi對應(yīng)的幀。

        2.4.2 人體姿態(tài)速度差異計算

        序列A與序列B之間對應(yīng)幀的速度偏差計算機(jī)制相仿。令Bi幀的速度特征為vi,Bi'幀的速度特征為vi'(速度特征是一個20維的向量,表示每個關(guān)節(jié)點的瞬時速度)。序列A與序列的速度特征距離計算如公式(3)所示。

        (3)

        式中:Di Speed表示Bi幀速度特征與Bi'幀速度特征的曼哈頓距離。

        2.4.3 得分計算

        上述計算反映的是兩個動作序列間的差異度,序列間越是相像,其距離數(shù)值越低;反之,若序列差異顯著,則距離數(shù)值相應(yīng)增加。借助轉(zhuǎn)換,將間距轉(zhuǎn)化為評價指標(biāo),具體而言,若間距更廣,則評分較低;反之,若間距較窄,則評分較高。映射公式如公式(4)所示。

        S=α·(S-β) (4)

        式中:S表示角度或者速度得分;α與β是映射參數(shù),應(yīng)該根據(jù)實際測試情況選擇合理的值,使得分能映射到合理的范圍內(nèi)。

        2.4.4 系統(tǒng)的三維重建

        在三維組件的設(shè)計探索中,旨在克服將Kinect捕獲的各個關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)信息映射至Unity3D角色模型對應(yīng)關(guān)節(jié)位置的挑戰(zhàn)。一旦收集到特定關(guān)鍵點的信息,鑒于Kinect固有的噪聲影響,就必須執(zhí)行去噪操作以優(yōu)化數(shù)據(jù)質(zhì)量。為保證人物姿態(tài)和生理構(gòu)造的一致性,對各關(guān)鍵點的轉(zhuǎn)動進(jìn)行必要的限制。此步驟旨在生成更為自然、合理的模型姿勢。最后,通過調(diào)整Kinect坐標(biāo)系統(tǒng)與Unity3D中的鏡像和旋轉(zhuǎn)校正,成功再現(xiàn)由Kinect捕獲的三維動作。

        Kinect與Unity組件通過調(diào)用特定函數(shù)實現(xiàn)信息交換,其中Unity組件側(cè)重于利用二維繪圖工具構(gòu)建虛擬環(huán)境及動作元素,在Unity3D平臺內(nèi)執(zhí)行模塊集成、數(shù)據(jù)解析與互動管理,以此確保能即時呈現(xiàn)用戶的三維動畫效果。

        3 試驗設(shè)計與分析

        選取30名學(xué)員對系統(tǒng)功能進(jìn)行測試,將受試者分為AB兩組:A組未使用系統(tǒng)輔助訓(xùn)練(15人);B組使用系統(tǒng)輔助訓(xùn)練(15人),經(jīng)過兩周的分開訓(xùn)練后測試。結(jié)果顯示B組平均得分(88.3)明顯高于A組平均得分(70.5),說明系統(tǒng)對CPR動作水平的提高具有顯著效果,提高了訓(xùn)練的效率。成績見表1。

        通過試驗數(shù)據(jù)來看,本系統(tǒng)對CPR動作的評價機(jī)制已經(jīng)充分驗證了項目的可行性、可靠性和先進(jìn)性。經(jīng)過系統(tǒng)的輔助訓(xùn)練后,在實際的CPR動作考核中成績提升顯著。評分較之前提高了20%~40% 。

        4 結(jié)論

        通過剖析胸外心臟按壓技巧教育現(xiàn)狀,本文明確了系統(tǒng)的任務(wù)及實施流程,并采用Kinect技術(shù)及Unity平臺,創(chuàng)制了一款旨在輔助練習(xí)者提升胸外按壓技能的訓(xùn)練系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠評估操作者的動作準(zhǔn)確性與及時性,并提供必要的反饋以糾正不規(guī)范的操作。動作捕捉單元能夠?qū)⒂脩舻牟噬曨l流呈現(xiàn)在界面上,并在彩色視頻上標(biāo)注出骨骼數(shù)據(jù)流所對應(yīng)的空間坐標(biāo)及關(guān)鍵點位置;動作評價單元已成功構(gòu)建了對使用者動作進(jìn)行評判與修正的功能,展現(xiàn)出較為理想的性能;而實現(xiàn)的三維重構(gòu)組件,則具備即時將收集到的被試者運動信息輸入至角色模型內(nèi),進(jìn)而操控虛擬角色的能力。此方案旨在適當(dāng)?shù)剌o佐傳統(tǒng)教學(xué),不僅能夠幫助用戶對其動作進(jìn)行自我校準(zhǔn)與修正,還能提升訓(xùn)練的科學(xué)性與吸引力。通過實施自主學(xué)習(xí)與自我評估機(jī)制,成功克服了傳統(tǒng)胸外按壓技藝教學(xué)中的效率低下及反饋滯后難題,為推行系統(tǒng)化與科學(xué)性的胸外按壓技能實踐與培訓(xùn),提供了堅實的數(shù)據(jù)支撐。進(jìn)而顯著提升了訓(xùn)練效能,展現(xiàn)出極高的實踐價值。對Kinect在體育、在虛擬現(xiàn)實顯示、動畫創(chuàng)作、體感互動游戲等范疇的應(yīng)用,具備實際的借鑒意義。

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