基于AR技術的社區(qū)居家慢性病患者運動康復訓練APP的開發(fā)研究

摘要：通過分析和探討目前基于AR技術的社區(qū)居家運動康復訓練APP的開發(fā)背景、可行性和優(yōu)勢，針對中老年社區(qū)居家慢性病伴有輕、中肢體功能障礙的人群需要長期進行運動康復訓練的需求，設計開發(fā)了一款基于AR技術的社區(qū)居家運動康復訓練APP。將AR技術與康復醫(yī)療技術相結合，旨在利用遠程醫(yī)療指導，增強社區(qū)居家患者的康復意愿，促進病情恢復。2021年，國際標準化組織（ISO）發(fā)布的《ISO戰(zhàn)略2030》提出，數(shù)字技術是未來世界變革的驅動因素。作為一種將計算機生成的虛擬信息與真實環(huán)境相融合的數(shù)字技術，增強現(xiàn)實（AugmentedReality，簡稱AR）技術就是利用計算機生成的文字圖像和三維模型等虛擬信息，通過多媒體、三維建模、實時跟蹤及注冊、智能交互、傳感等多種技術手段，將虛擬信息模擬仿真后應用到真實世界中，從而實現(xiàn)對真實世界的“增強”。同時，AR技術成本相對較低、研發(fā)門檻不高、應用范圍十分廣泛，能夠給用戶帶來良好的使用體驗，因此在未來有著廣闊的發(fā)展前景。1、基于AR技術的社區(qū)居家運動康復訓練APP的開發(fā)背景2016年，中共中央、國務院印發(fā)的《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》明確提出了“共建共享，全民健康”這一建設健康中國的戰(zhàn)略主題，其核心是堅持預防為主、防治結合的原則，對于提升社區(qū)康復醫(yī)療水平起到了巨大的推動作用。同時，《綱要》還指出，未來要積極發(fā)展健康服務新業(yè)態(tài)，在康復醫(yī)療領域探索推進智能健康電子產品和健康醫(yī)療移動應用服務等方面的發(fā)展。以上原則不但為康復服務的發(fā)展提供了有力的支持和指導，而且為加速社區(qū)康復醫(yī)療的發(fā)展提供了一個可行的方案。由此可見，價值醫(yī)療與功能改善已逐漸成為醫(yī)療趨勢與核心，同時也逐漸成為人們對康復醫(yī)療的要求之一。目前，鑒于市場上缺少針對中老年慢性病伴有輕、中度肢體功能障礙，需要長期進行運動康復訓練的人群的康復治療APP，因此基于AR技術的社區(qū)居家運動康復訓練APP的開發(fā)具有一定的必要性與緊迫性。2、基于AR技術的社區(qū)居家運動康復訓練APP的開發(fā)設想本研究借助AR技術設計開發(fā)的社區(qū)居家運動康復訓練APP可滿足中老年居家慢性病患者對便捷性與個性化的雙重需求。在設計之初，該APP2.0版本利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫（卡片庫）進行運行，在不斷完善后升級到3.0版本，屆時可通過將計算機生成的虛擬信息與真實世界巧妙融合，利用攝像頭捕捉患者的實時動作，結合其身體數(shù)據(jù)以及預設的康復目標，為患者量身定制個性化的康復訓練計劃。同時，虛擬教練還可以在APP端為患者示范正確的運動姿勢、動作要領，并實時監(jiān)測患者的鍛煉動作，及時糾正錯誤姿勢，提供個性化的指導意見，就如同擁有一位專屬的康復專家在家中陪伴訓練一樣。這種個性化的訓練指導方式，不僅考慮到了不同患者的個體差異，而且通過虛擬信息融合等手段，極大地增強了患者居家運動康復訓練的針對性和有效性。3、基于AR技術的社區(qū)居家運動康復訓練APP的設計方案“愈享生活”——社區(qū)居家運動康復+AR融合訓練APP的研發(fā)項目是國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，旨在利用AR技術的優(yōu)勢，通過虛擬與現(xiàn)實結合的方式，為用戶打造一個可隨時開展康復訓練的平臺，并提供個性化、高效的康復訓練計劃。?3.1、平臺架構本APP2.0版本主要由四部分組成。（1）前端用戶交互界面。①界面元素排布規(guī)劃合理依據(jù)功能的重要性與使用頻率，對各功能模塊進行分區(qū)布局，例如將“AR康復訓練模塊”“社區(qū)互動模塊”“數(shù)據(jù)記錄與分析模塊”等主要功能以清晰明了的方式呈現(xiàn)，使用戶能夠迅速定位到所需功能入口，避免出現(xiàn)因元素混亂而導致的操作困擾。②交互流程的設計簡明扼要從用戶打開APP開始，每一步的操作引導都簡潔易懂，盡可能減少不必要的步驟與確認過程。比如，在用戶注冊環(huán)節(jié)，只需引導其填寫必要的用戶名/郵箱/手機號、密碼及驗證碼，并閱讀同意用戶協(xié)議等核心信息，避免過多的填寫項。③視覺感受方面契合大眾審美設計風格簡潔大方，色彩搭配舒適。圖標與按鈕的設計直觀形象，讓用戶一眼就能明白其代表的功能含義，同時也要保證文字描述清晰準確，避免產生歧義。④確保界面在不同的設備以及屏幕上都良好顯示無論是在手機的小屏幕，還是平板電腦等大屏幕設備上，界面元素都能根據(jù)屏幕尺寸自動調整大小、位置與間距，保持整體的美觀性與可讀性，提升視覺舒適度，從而全方位提升用戶的交互體驗。（2）后端數(shù)據(jù)處理與分析中心。在本2.0版本研發(fā)中，數(shù)據(jù)收集方面，借助佩戴在中老年慢性病伴有輕、中肢體功能障礙且需要長期進行運動康復訓練的人群以及康復師身上的傳感器來實現(xiàn)。這些傳感器能夠實時捕捉用戶運動時的各種數(shù)據(jù)，如關節(jié)的角度變化、肌肉的發(fā)力情況以及肢體的活動軌跡等，同時也能收集康復師在指導過程中的相關建議與評價數(shù)據(jù)。收集到的數(shù)據(jù)會源源不斷地傳輸至后端系統(tǒng)，成為后續(xù)分析的基礎素材。而對于收集到的原始數(shù)據(jù)，最初還需要半人工進行一系列的清洗、轉換和整合操作，來去除其中的異常值、重復數(shù)據(jù)以及因傳感器誤差等原因產生的錯誤信息，確保數(shù)據(jù)的準確性與可靠性，并對經過清洗與轉換的數(shù)據(jù)進行半人工整合，按照用戶、時間、訓練項目等維度進行分類整理，使其條理清晰。不過，在今后不斷完善的3.0以上版本中，就可以運用統(tǒng)計分析、機器學習等先進方法對整合后的數(shù)據(jù)進行深入挖掘，并基于深入分析的結果，生成不同年齡段用戶的數(shù)據(jù)模型，以直觀的圖表、可視化報告等形式展示數(shù)據(jù)分析成果。用戶可以清晰地看到自己的訓練成效，比如隨著時間推移，關節(jié)活動度的提升曲線、肌力增強的百分比變化等，康復師也能依據(jù)這些數(shù)據(jù)模型為用戶制訂更為精準的個性化康復訓練計劃，進一步優(yōu)化康復訓練過程。（3）用戶數(shù)據(jù)庫。用戶數(shù)據(jù)庫作為存儲用戶相關信息的核心模塊，其涵蓋了個人基本信息、健康狀況記錄、訓練歷史數(shù)據(jù)等多方面內容。在設計時，做到既簡潔、清晰、一致、安全，又能提供給數(shù)據(jù)處理者進行商業(yè)化使用。為避免數(shù)據(jù)的冗余存儲，只保留關鍵且必要的信息，確保數(shù)據(jù)庫的結構和數(shù)據(jù)關系易于理解與維護，任何有權限操作數(shù)據(jù)庫的人員（如開發(fā)人員、運維人員、康復師等）都能迅速明白各個數(shù)據(jù)所代表的含義以及它們之間的關聯(lián)關系。同時，由于用戶數(shù)據(jù)庫涉及大量敏感的個人健康信息，必須采取嚴格的安全措施進行保護。在遵守相關法律法規(guī)的前提下，對數(shù)據(jù)進行加密儲存，嚴格設置訪問權限控制，只有經過授權的合法角色（如特定的康復師、后臺管理員等）才能根據(jù)其業(yè)務需求訪問相應的數(shù)據(jù)，從而全方位確保用戶數(shù)據(jù)的安全與隱私。（4）實體動作卡片。本2.0版本的APP使用實體動作卡片來輔助用戶開展康復訓練。實體動作卡片的基本構成包括標題、圖像、摘要、AR識別功能。針對中老年慢性病伴有輕、中肢體功能障礙，需要長期進行運動康復訓練的人群，卡片的文字需具有直觀性和易讀性，使用大字號和簡短有效的描述確?；颊吣苎杆倮斫饪ㄆ系男畔?，減少認知負擔。同時，卡片要兼具強大的功能，通過鮮明的對比色標注不同的卡片適用癥，減少因使用錯誤而造成的負面后果。針對不同的疾病，要有針對性的訓練動作，卡片上可以添加簡短有效的描述，避免患者因不了解而造成的認知誤區(qū)?？ㄆ淖畲筇攸c——AR識別功能，更是實現(xiàn)了虛擬與現(xiàn)實結合的便捷康復訓練體驗。通過添加高對比度、鮮明色彩、清晰邊緣的圖片便于識別掃描，當用戶使用APP掃描卡片時，就能借助AR技術將預先制作好的對應的康復訓練視頻精準地展示出來。視頻中會有虛擬教練進行動作示范以及語音講解，引導患者在社區(qū)居家環(huán)境中正確開展康復訓練，仿佛將專業(yè)的康復指導搬到了家中，極大地提升了康復訓練的便利性與效果。3.2、功能模塊主要功能分區(qū)包括用戶注冊與信息管理模塊、AR康復訓練模塊、社區(qū)互動模塊、數(shù)據(jù)記錄與分析模塊。用戶注冊與信息管理模塊需要考慮到四個方面。第一部分是用戶注冊，需要用戶填寫用戶名/郵箱/手機號、密碼、驗證碼，以及閱讀并同意用戶協(xié)議。第二部分是用戶信息管理，包括個人信息編輯（如昵稱、頭像、性別等）、安全設置（修改密碼、綁定/解綁第三方賬號）、隱私設置（公開/隱藏個人信息選項）、數(shù)據(jù)查詢與下載（如用戶行為記錄）。第三部分是驗證與安全，用戶需要進行實名認證，同時對賬號異常進行監(jiān)控與保護。第四部分為數(shù)據(jù)保護，在遵守相關法律法規(guī)的前提下，對APP收集的數(shù)據(jù)進行加密儲存、訪問權限控制。AR康復訓練模塊分為康復計劃制定模塊和康復訓練模塊。軟件可以根據(jù)用戶輸入的個人信息、癥狀及預期表現(xiàn)，提供多種訓練方式，如關節(jié)活動訓練、肌力訓練、平衡協(xié)調訓練等。用戶根據(jù)系統(tǒng)生成的訓練動作，挑選恰當?shù)目ㄆ呙杩ㄆ蟾鶕?jù)AR提示進行訓練。社區(qū)互動模塊主要為用戶社交模塊。用戶可以通過文字、圖片、視頻等方式把自己的康復成果分享到社區(qū)，也可以通過社區(qū)看到其他人的訓練成果。由此，可以通過社區(qū)找到志同道合的訓練伙伴，可以通過大家的反饋對APP進行優(yōu)化。數(shù)據(jù)記錄與分析模塊是應用設計的核心模塊之一。軟件對收集的數(shù)據(jù)進行預處理，使用分析工具對數(shù)據(jù)進行深入發(fā)掘。通過分析可得出數(shù)據(jù)的平均值、時間趨勢和周期性變化，發(fā)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)性，應用算法預測和分類，應用圖表進行展示，并提供交互式數(shù)據(jù)可視化工具，允許用戶自定義視圖和過濾條件。3.3、關鍵技術實現(xiàn)本APP所使用的關鍵技術包括AR技術、傳感器與檢測技術和人工智能算法。AR技術是利用ARKit（iOS）、ARCord（Android）等主流AR開發(fā)平臺，實現(xiàn)虛擬場景的融合。傳感器作為信息獲取的重要手段，與通信技術和計算機技術共同構成信息技術的三大支柱。傳感器與檢測技術是通過傳感器收集用戶運動數(shù)據(jù)，并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，實時監(jiān)控用戶動作和身體情況。人工智能算法運用機器學習、深度學習等算法數(shù)據(jù)，生成個性化訓練計劃，提供實時指導與反饋。4、AR技術在中老年慢性病與輕、中肢體功能障礙患者干預康復中的應用價值4.1、與康復醫(yī)療相結合，促進患者病情恢復通過結合3D模型和實時圖像，AR技術可以將虛擬元素與現(xiàn)實世界進行疊加，從而創(chuàng)造出既真實又個性化的康復訓練環(huán)境。例如，居家環(huán)境康復訓練區(qū)，設有客廳、臥室、廚房、餐廳、衛(wèi)生間等場景，完全按照居家生活設施進行設計。這樣的環(huán)境能幫助患者在康復期間學會家庭環(huán)境中的各種生活動作，適應家庭環(huán)境，了解居家生活注意事項，以及必要輔具的使用方法，減少居家生活中可能帶來的二次傷害。4.2、借助AR技術提高參與率對于中老年慢性病和肢體功能障礙患者來說，長期的康復訓練可能會讓他們感到枯燥乏味，甚至產生抵觸情緒。而AR技術則可以通過游戲化的方式，將康復訓練融入有趣的游戲中，從而激發(fā)患者的參與熱情和積極性，提高他們的康復意愿和治療效率。4.3、利用AR技術提供遠程指導醫(yī)生可以通過AR設備遠程監(jiān)測患者的康復訓練情況，及時發(fā)現(xiàn)問題并給予指導，從而確?？祻陀柧毜捻樌M行