康复治疗技术 虚拟现实(VR)的应用

虚拟现实的英文为Virtual Reality,简写为“VR”(译作灵境、幻真),这名词是由美国VPL公司创建人拉尼尔(Jaron Lanier)在20世纪80年代初提出的,也称灵境技术或人工环境。“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此,虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境, 人可以通过使用各种特殊装置将自已“投射”到这个环境中,并操作、控制环境,实现特殊的目的,即人是这种环境的主宰。

VR是一项综合集成技术,涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域,它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉,使人作为参与者通过适当装置,自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时,电脑可以立即进行复杂的运算,将精确的3D世界影像传回产生临场感。概括地说,虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式,与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比,虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。虚拟现实在医学(虚拟、虚拟外科手术和远程外科手术、医学图像学、康复医疗、虚拟实验室)等均有广泛应用。

VR系统是一种由计算机局部或全部生成的虚拟感觉环境,给参与者产生各种感官信息。三维立体显示是一项必不可少的关键设备,它是系统向用户输出反馈信息的主要手段。VR系统可由如下各部分构成:1.高性能计算机系统、计算机图像的特征采样与图形交互作用技术。2.虚拟环境生成器。智能虚拟环境(IVE)是VR、人工智能及人工生命技术的有机结合。3.计算机网络。4.三维视景图像生成及立体显示系统。5.立体音响生成与扬声系统。它是虚拟环境信息中的个重要组成部分。6.力反馈触觉系统。参与者在虚拟环境中产生沉浸感的重要因素之一是用户在用手或身体操纵虚拟物体时,能感受到虚拟物体与虚拟物体之间的作用力与反作用力,从而产生出触觉和力觉的感知。7.的姿势、头、眼、手位置的跟踪测量系统。运动跟踪作为人与虚拟环境之间信息交互的一个重要因素,是近年来VR技术发展的一个重要领域。8.人机接口界面及的通信方式,这些技术目前主要集中反映在头盔显示器和数据手套这两类交互设备中。9. 软件支撑环境,需建立并开发出虚拟世界数据库在底层支撑软件及三维造型软件的支撑下,建立起VR系统的开发工具软件:在输入输出传感器等硬件支撑下,建立起人机交互图形的界面。

(1)上肢康复训练机器人虚拟环境建模技术 为了改变脑卒中康复训练中单纯依靠治疗师手把手训练的状况,研究者们将机器人技术应用于脑卒中康复领域,如MIT-MANUS、MIME、ARM-Guide、ARMin和Thera Drive等。研究表明,如果能够在训练过程中提供多种形式的信息反馈,充分发挥患者的主观能动性,并根据患者状态给予患者暗示或建议等,将会使康复效果得到很大提高。因此研究者们设计了基于虚拟现实的康复训练系统,以激发患者进行康复训练的兴趣和动力。国内关于康复机器人的研究最近几年才刚刚起步,对于这种治疗方式的探讨还有待于继续深入。

(2)虚拟现实在踝关节康复系统中的应用 为了改善踝关节康复治疗的条件,提高患者关节运动功能障碍的康复治疗质量,河北工业大学机器人及自动化研究所提出一套基于虚拟现实技术的踝关节康复医疗实施方案。在康复系统中构建了虚拟环境平台,为患者设计虚拟的康复训练场景和医疗作业任务,使患者借助于虚拟环境产生种临场感,提高患者投入康复医疗的积极性。

(3)虚拟现实在手臂外骨骼康复系统中的应用 由于现有康复器械的局限性,导致患者在康复治疗中运动形式单调枯燥,使患者很容易产生厌烦情绪,且无法将运动治疗(或作业疗法)、心理治疗及功能测评有机地贯穿起来。河北工业大学机器人及自动化研究所提出将虚拟现实技术应用于手臂外骨骼康复医疗系统中,开发出集康复训练、心理治疗和病案数据库管理为一体的自动康复医疗器械。

(1)反馈-激励 可视化虚拟治疗计划可向患者提供持续而迅速的反馈,这些反馈创造并且增强了患者的治疗积极性。最佳的计划应该是为实时训练活动提供快速和积极的反馈,并为长期的治疗效果提供清晰的图像,患者可以自己感觉到病情在长期治疗中得到的改善,从而有助于患着设定合适的治疗目标并体验治疗过程。虚拟现实技术提供了重复练习、成绩反馈和维持动机3个关键要素的技术手段。虚拟现实用于康复训练的优势在于能为接受康复训练的患者提供两种反馈,包括每次练习结果的实时反馈和一组练习后的成绩反馈,可以提高患者对结果的知晓感。患者能在虚拟环境中学会运动技能,并且能将习得的运动技能迁移到现实世界的线)注意力集中 患者可以完全将注意力放在可视化虚拟的任务上,而无需对运动进行苛刻的要求。可视化虚拟康复通常按照日常生活中的经历和考验设定一些双重或多重功能性任务,如防摔倒计划,而与纯粹注重于孤立的肌肉技巧的治疗性运动完全相反。在训练中,患者试图达到治疗性运动目标,并开发支持该目标的运动策略。早期的证据证明双重任务环境能够真正改善治疗结果。

(3)促进生活技能转化 可视化虚拟康复可以有效增强治疗计划产生的动态感受外界刺激的暗示,尤其在计算机创造的意外情况发生时会更加有效。研究表明,在运动期间提供的非预测考验,能对日常生活环境中所需要技能产生有效的转化。

1)运动障碍康复:平衡和协调能力训练、行走训练(帕金森患者)、上下肢训练(脑卒中偏瘫患者–手臂外骨骼治疗、踝关节运动控制)

1)患有严重高血压或心肺等功能障碍者,严重的关节疼痛,视力、听力有严重障碍者慎用或不用此治疗。

4)患者遵医嘱进行运动方案或接受感觉刺激,期间患者需要集中全部注意力如有不适,如恶心、心跳加速、疼痛加剧等情况及时告诉治疗师处理。

1、跑步机 程序员在跑步机前设计了一个大屏幕,投影仪模拟虚构了一个虑拟环境。跑步机可以安装在壮丽的自然奇观中,或著名的城市中,当然也可以安置在当地的居委会,患者会感到自己好像在户外行走一样。其特点包括:

(1)视觉影响 大型投影屏幕会立即吸引进行锻炼的训练者和患者的注意力。对于他们来说,屏幕变成了他们的世界,而且这种处于康复室内的环境比起专业电影创造的户外场是要安全得多。

(2)不同路径 虚拟跑步机包含有很多不同形式的路径。既可以步行走过著名的城市,也可走过村庄、森林和公园。走完每个完整的路径大约需要50分钟,但患者每次都可以根据自己的兴趣选择不同的步行路段,因为路径可以在不同的地点开始。

(3)当地漫游 设备还可以展现当地的影像,使人们能够在他们熟悉的家乡散步。例如,患者可以围绕着疗养院散步,也可以在市中心行行走,甚至可以在当地的一个公园或旅游景点里散步。

(4)适应体能跑步机可以根据使用者体能进行调节,设定不同的行走速度和使用时间。对于需要精神护理的患者,可以令其每天走过相同的路程,以便他们逐渐熟悉路线。相关设备操作简单,使用方便。治疗人员可以专注于患者的训练。

此类设备的作用原理是以游戏吸引患者的注意力,这些游戏一般具有画面精美、引人入胜的特点,游戏装置通常配备有直观的触屏界面。游戏软件可以安装在设备的小屏幕上,也可以安装在可移动屏幕上,这样就可以将游戏屏幕由一个训练点转移到另一个训练点。软件多包含基础练习、生物反馈练习、客观结果检测、患者跟踪数据库和视频分析模块。

该虚拟治疗系统主要用于脑卒中、膝关节或髋关节术后。患者可以使用该系统作为物理治疗方案的部分。

1)基本操作操作简单,利用手腕控制鼠标各按钮即可,不需要移动手臂,而且还有专供患者使用的遥控器。

2)菜单结构主菜单可显示6种运动,选择任意一种训练即可。训练难度分为4级,选择一个难度开始游戏。

1)训练启动步骤 ①正确定位患者:每项训练都要求患者站立在一个特定的位置。患者需移动,直到屏幕上的人物位于彩色矩形内。②选择训练项目:通过一个屏 幕,选择训练项目,然后患者尝试所选的运动。治疗师可使用此屏幕向患者解释相应的训练。以倒计时方式开始这项训练。③解决问题:如要暂停训练,按鼠标左键。若要中途结束训练,按鼠标右键。若在游戏过程中,按“播放”按钮,可打开一个小相机屏幕。通过视图,可以帮助消除一些故障。④结果显示:训练结束,会得出一评分概述。如果安装了打印机,可以从得分界面打印患者的表现。

2)使用详细菜单 详细菜单界面的意义是根据患者的需要调整其所需训练的具体设置。以便开始更适合患者的游戏。

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