虚拟现实技术在康复训练中的应用研究

蒋贤维

摘要：虚拟现实可以看成是对虚拟想象或真实世界的模拟，用户通过接受和响应模拟环境的各种感官刺激，与其进行交互产生身临其境的感觉。虚拟现实技术应用于医疗康复，无论是肢体类或认知类康复训练，借助于高性能计算处理技术，都可以实现实物虚化、虚物实化的有机结合和转换，做到科学控制，合理布局，提升兴趣，降低成本。虚拟现实技术正受到人们越来越多的关注，在康复训练中的应用前景也越来越广阔。

关键词：虚拟现实；沉浸感；交互性；康复训练

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）21-0206-03

虚拟现实技术是除了计算机网络技术、多媒体技术之外被称为21世纪最具应用前景的三大技术之一，它经历了20世纪50年代到70年代的准备阶段，80年代的实际应用阶段，从90年代以来进入全面发展时期。随着近年来计算机硬件技术的迅速发展和软件系统的不断改进，虚拟现实技术正被广泛应用于军事、医疗、管理、设计、教育、娱乐等各个领域，人们对它的广阔应用前景充满憧憬和期待。特别在医疗康复领域，虚拟现实技术的引入不仅可以节约成本，降低风险，还能够提高患者的参与兴趣，适合控制运动量，科学合理恢复并带来良好的医疗康复效果。

1 虚拟现实概述

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境（Virtual Environment，简称VE），用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生等同于亲临真实环境的感受和体验[1]。它涵盖了人工智能、传感器技术、接口技术、多媒体技术、计算机图形学、实时计算技术等多项关键技术，并且对软硬件要求较高。虚拟现实系统的3个重要特征是沉浸感（Immersion），交互性（Interactivity），想象力（Imagination），如图1所示[2]。它们分别体现了虚拟现实系统的真实性，及时和准确性以及虚拟现实作品设计者的创意和思想。

2 虚拟现实技术在康复训练中的应用

目前虚拟现实技术的应用领域主要在娱乐和教育及艺术方面，其次为军事与航空方面，医学康复方面约占比百分之六至百分之七，且保持略微提升趋势。虚拟现实技术和现代医学两者之间的融合和发展使得虚拟现实对该领域产生重大影响。从虚拟人体到虚拟操作、虚拟手术，从虚拟康复训练到虚拟医学软件、平台及教学，虚拟现实技术正在发挥着越来越重要的作用。本文主要讨论虚拟现实技术在康复训练方面的应用，为方便表述下文简称为“虚拟康复训练”。

2.1虚拟康复训练的优势

虚拟现实技术在康复训练中的应用一般通过专门设计好的虚拟康复训练系统来实现。该系统可以为各类神经、骨科、老年或儿童康复等专门开发设计，能使患者以自然方式与具有多种感官刺激的虚拟环境中的对象进行交互，提供多种形式的反馈信息，使枯燥单调的运动康复训练过程更轻松、更有趣和更容易。训练过程中，通过抠像技术患者可以在屏幕上看到自己或以虚拟图形式出现的人体图像，根据屏幕中情景的变化和提示做出各种动作，直到最终完成训练任务。相较于目前常规运动疗法的过于单调，动作分解过多，患者难以适应，虚拟康复训练的优势在于可以提供有意义的任务性训练与精确的感觉回馈，同时确保受试者真实而安全的训练。它通过多种手段，使患者的部分或全部功能最大限度的恢复，以获得最大可能的生活自理、劳动和工作等所需的能力。虚拟康复训练的互动反馈式训练，为职业治疗师提供了新的治疗手段；同时它还可以帮助医疗部门降低劳动成本，设计好的某一套系统可以广泛应用和推广。

2.2虚拟康复训练分类

虚拟康复训练应用领域主要针对肢体类运动训练应用和认知功能训练应用，即生理和心理两方面的训练，其中以肢体类运动训练应用为主。

2.2.1肢体类运动康复训练应用

传统的肢体类运动康复训练方法主要包括各种关节活动度训练，肌力训练，转移及步行训练和代偿技术以及各种训练方法的组合。这些康复训练方法均是在专业治疗师的指导下进行，以治疗师的手法操作为主，利用一些简单的辅助器械，使患者恢复一定的运动和协调能力。但这些方法存在耗费人力物力较大、治疗过程比较单调枯燥、治疗场地受限、训练强度和训练效果不易评估等明显的缺点和局限。

为了解决这些问题，我们可以将虚拟现实技术应用到肢体类运动康复训练中，利用虚拟现实系统进行肢体类运动康复训练，让患者在虚拟环境中扮演一个角色，成为虚拟环境中的一部分，通过训练动作与虚拟环境进行交互，虚拟环境即时给予患者反馈，达到人境结合，沉浸其中。这种新型康复训练方法很好解决了传统康复训练的大部分弊端，如在专门的肢体类运动康复训练（即主要以身体的腕、膝、肩、肘关节等大关节为主进行的主动康复训练）中，系统软件提供多种人工景物，使患者如同置身于游戏或旅游的环境中，在游戏的原理上嵌入诸多康复程序，这些康复程序的游戏动作和作业治疗中的动作一致，以游戏方式替代实现原有的康复动作，在训练的过程中，即便出现失误也不容易对患者的身体造成损伤，特别适用于慢性病治疗及生活技能丧失者的康复。

韧带拉伤、骨折、手及膝关节等处损伤或外科手术后的康复和训练都是肢体类康复训练的典型应用，各种虚拟现实康复训练系统也应运而生。国外临床试验曾经设计一款虚拟康复训练系统专门针对脑瘫患儿的下肢训练，包括了足球场景、障碍跨越场景、路口场景以及雪中行走场景等若干个虚拟康复场景。结果表明，患儿都对虚拟现实康复平台表现出了很大兴趣，并且收到了良好的康复效果。患儿希望能够继续使用虚拟现实康复系统参与到更多具有互动性的虚拟环境中以获得体验和增强。除了虚拟场景的重要性，为了增强患者对虚拟环境的真实体验，增加患者的沉浸感，触觉和力反馈装置被引入使用。如渥太华大学使用具有触觉反馈的数据手套进行实验，为患者设计了置物架训练、倒茶训练、盛汤训练等不同难度的康复训练虚拟场景。如在置物架训练中，患者被要求带着数据手套控制虚拟场景中的手来选取不同的虚拟日常生活用品（例如大小不同的碗碟、杯子等），并把物品放置到置物架指定位置[3]。数据手套的触觉和力反馈来体现了虚拟场景中虚拟物体的重量，通过选择和控制使康复训练过程由易到难，循序渐进，科学合理。

此外，还有一类需要经过漫长康复过程的患者，如脑出血、中风人群。他们一般容易出现认知缺乏，或是影响半边身体活动的肢体运动障碍，并且本体感受有不同程度的退化。传统的中风康复训练一般是在发病的急性期即患病后的1个月左右以及亚急性期即患病后的5个月左右进行的。可是，在而后漫长的中风慢性康复期里，患者一般不再接受任何治疗，这就导致患者可能将在之后的人生中面临丧失劳动能力甚至是生活自理能力。基于虚拟现实或是利用虚拟现实进行增强的康复训练具有可控性，可重复性及强化等功能，而且具有更好适应每个患者个体特征的优势。在开发的适用于中风患者动作训练的康复训练系统中，患者可以在配置了传感器的客户端完成远程康复训练，模仿指导动作，系统会自动记录下来自患者手臂和腿部的力量和扭矩，跟踪器记录下患者的运动轨迹，系统在综合考虑时间数据和空间数据后，会对患者的这一动作做出最终评价，以此来判断患者的康复程度。所以利用虚拟现实技术的中风康复训练能够在时间和空间上解决患者在慢性期长期康复训练的需求，患者甚至可以足不出户就在家中完成远程的康复训练。

2.2.2心理及认知功能康复训练

除了肢体类康复训练，虚拟现实技术目前还被广泛用于认知障碍的治疗，如我们熟知的记忆障碍、注意力障碍、空间认知障碍等。国外已经通过应用虚拟现实技术治疗恐高症、幽闭恐惧症、创伤后应激障碍、精神分裂症等心理疾病并取得良好的成果。虚拟现实可以使人沉浸在计算机实时产生的三维环境中，通过各种游戏反复训练来维持和提高患者的注意力、协调性、记忆、逻辑推理等认知功能。认知功能康复训练系统促进了认知科学和计算机技术更高层次的结合，体现了传统方法无法比拟的优势[4]。

3 关键技术及案例分析

实物虚化，虚物实化和高性能计算处理技术是虚拟现实技术的三个主要方面[5]。

所谓实物虚化，本质是把现实世界空间映射到多维信息化空间，通过建模、空间跟踪、定位和感应等技术，达到逼真虚拟世界的生成并能获得用户操作的检测和反馈。虚物实化则是让用户感受到来自虚拟环境的真实信号，使之获取形同真实环境一样或类似的视听、力触觉等感官认知，它更多的是一个输出的问题。图2所示反映了用户（训练者）与虚拟环境之间虚实对应和转换关系。

此外，虚拟现实关键技术中最重要的是高性能的计算处理技术，该技术的水平层次决定了虚拟现实技术实现的效果和质量。它主要包括数据预处理、数据转换技术，图形图像的实时生成和显示技术，多声音合成和空间化技术，模式识别技术，数据融合及压缩技术，分布式与并行计算技术，远程网络技术等等[6]。

我们通过一个“基于虚拟现实的手腕康复训练”案例来探讨下虚拟现实在康复训练中的应用及相关关键技术。现代人特别是长期办公室伏案工作人员最容易出现的两类职业病症，一个是颈椎类劳损，一个是手腕僵硬机械化。本例的设计拟通过特定康复训练动作映射到虚拟环境并进行交互，多次训练后逐渐恢复腕关节活动度。整体方案如下：1）首先分析正常的手腕关节活动度，录入数据作为对照标准，这部分主要涉及数据预处理及数据库技术；2）借助开发工具设计虚拟康复训练系统，构造虚拟场景——本例为模拟拍苍蝇游戏，该场景训练内容包含腕关节的屈伸运动和尺、挠屈运动，当屏幕出现苍蝇时，需要先进行手腕的屈伸运动，对应将虚拟手移动到目标上方，然后进行手腕的尺屈运动，使拍子敲打目标，敲打结束后，腕关节将进行挠屈运动，抬高拍子再移动至另一只出现的苍蝇，以此反复进行。在规定时间内命中表示成功，否则苍蝇飞走消失，拍子的大小决定难度高低。在构建虚拟场景部分涵盖了图形图像、声频音频处理及模式识别、数据融合等虚拟技术的大部分关键技术；3）整个设计分解步骤为制作手部模型和拍子模型并实现连接，制作动物（苍蝇）模型，导入模型到系统平台，场景内容主要涉及苍蝇随机出现和飞舞，手部骨骼转动以及碰撞检测三个部分，此外在基本功能基础上还可以加入操作难度和间隔操作时间控制；4）最后在练习者完成训练任务后，虚拟训练系统对操作结果进行汇总、统计和评估，并将评估结果反馈给练习者，练习者可以根据相关数据和结果调整和修改下次虚拟康复训练的系统参数。整个过程如图3所示。

上述案例只是一个简单的虚拟康复系统，实际随着虚拟现实相关的各项关键技术迅猛发展，虚拟场景将变得越来越逼真，越来越复杂，沉浸感和交互性也越来越好，康复训练效果都有很大提升。所以在虚拟康复训练系统中，虚拟场景的设计往往是研究重点之一，各类不同场景的出现使得即使同一患者使用同样的康复辅具，也可以沉浸在不同的情形中完成不同的康复动作，达到不同的康复效果。好的虚拟场景还提高了患者的参与兴趣，控制着适合的运动量，使康复过程更轻松更科学。

4 总结

本文介绍了虚拟现实的概念、特征和发展，探讨了虚拟现实在康复训练中的应用，特别是在肢体类康复训练中的应用情况，并以虚拟现实打苍蝇场景训练手腕康复为个案实例分析了虚拟现实的关键技术，指出虚拟现实在康复训练中的优势和意义。未来的虚拟现实技术将在已有发展的基础上秉承降低成本，提高性能和效果的原则，重点提升动态环境建模技术、实时三维图形生成和显示技术，实现交互设备更新换代，向智能化和分布式发展，不断取得新的进步。

参考文献：

[1] 薛庆文，辛允东. 虚拟现实VRML程序设计与实例[M]. 北京： 清华大学出版社，2012.

[2] 陈怀友，张天驰，张菁. 虚拟现实技术[M]. 北京：清华大学出版社，2012.

[3] 龚文青，诸强. 虚拟现实技术应用于运动障碍康复的研究[J]. 生物医学工程学进展，2009（5）.

[4] 林平光，叶宁国，阎丽. 虚拟现实技术应用于认知康复领域的国际研究综述[J].医疗保健器具，2007（6）.

[5] 安维华. 虚拟现实技术及其应用[M]. 北京：清华大学出版社， 2014.

[6] 买桂英. 基于vrml的e-learning平台的设计与实现[D]. 西安： 西北大学，2009.

[7] 钟玉琢. 多媒体计算机与虚拟现实技术[M]. 北京：清华大学出版社.2009：175.