虚拟现实技术在康复训练中的应用和发展

□戴顺孝

上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070

虚拟现实技术在康复训练中的应用和发展

□戴顺孝

上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070

分析了传统康复训练的局限性，阐述了虚拟现实技术应用于康复训练的优势。从专利角度总结了国内外虚拟现实技术在康复训练领域现有的专利申请情况，并指出虚拟现实技术将发挥越来越大的作用。

1 虚拟现实技术用于康复训练的科学原理

虚拟现实是一门新兴的人机交互技术，它借助计算机和传感技术构建了一个与现实环境相似的虚拟环境，使患者在这一环境中通过语言、手势等自然方式，安全地进行功能性交互训练。虚拟现实系统有3个非常显著的特征，即交互性、沉浸感和构想[1～3]，可以使医务工作者在虚拟的场景内通过视、听、触觉等多种感官，了解和学习各种实际操作。与此同时，虚拟现实技术能提供精确的测评、辅助、监控、训练等技术，保证运动康复训练的有效性。

按照运动训练的内容分类，虚拟现实在运动康复中主要应用于4个方面:平衡和体态康复训练、行走运动康复训练、上下肢康复训练、日常生活行为康复训练[4～6]。

2 虚拟现实技术用于康复训练的优势

传统的康复训练需要专业治疗师的指导，通常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，这种训练方法有如下缺点。

（1）耗费较多的人力物力，一名专业治疗师只能一对一地指导一名患者，无法满足当前康复人群的需要。

（2）训练过程比较单调，不容易引起患者的兴趣。

（3）治疗场地有限，患者需要在特定的地点，如医院或康复中心进行训练。

（4）训练强度和训练效果不易评估，随着康复治疗的不断进行，患者的身体状况发生变化，其承受的活动量强度也在改变，而传统的康复训练无法对患者在训练过程中的具体数据进行记录和保存，不利于康复训练计划的制订和调整[7～8]。

利用虚拟现实系统进行运动障碍康复训练，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，虚拟环境及时给予患者反馈，这种训练方法的优势如下。

（1）利用计算机和传感技术生成的具有多种感官刺激的虚拟环境,可以使人产生一种身临其境的感觉,接受康复训练的患者能以自然方式与虚拟环境中的对象进行交互。

（2）计算机通过既定程序说明运动要求,或通过虚拟教练演示规范动作,比真人教练更有耐心，也可保持一致性。患者可以根据自己的情况反复观察模仿练习，降低康复治疗过程对治疗师及治疗场地的依赖程度。

（3）虚拟现实能简化训练任务,减小在真实环境中由错误操作导致的危险。

（4）虚拟现实可提供多种形式的反馈信息,根据患者状态给予鼓励、暗示或建议等,从而使枯燥单调的康复训练过程更轻松、有趣和容易，激发患者参与治疗过程的积极性，使被动治疗变为主动治疗。

（5）虚拟现实可以建立运动评估系统，实时数据记录和数据的可视化反馈便于对康复训练机器人及对应软件的训练方式方法进行前后对比与评估，易于进行运动学跟踪与评价，从而针对患者个人的实际情况制定恰当的康复训练计划。

（6）由于虚拟环境与真实世界的高度相似性,在虚拟环境中习得的运动技能能更好地迁移到现实环境中[9～11]。

3 虚拟现实技术用于康复训练的专利分布现状

目前，虚拟现实技术在康复训练领域的应用成为国内外研究的热点，并已得到广泛应用，效果也已由相关研究证实。以下笔者从专利角度概述近年来虚拟现实技术在国内外的发展现状。

3.1 美国专利

早在20世纪90年代，美国便开始利用虚拟现实技术进行康复训练研究，并在认知康复领域积累了丰富的专利。2010年后，针对不同认知功能障碍（记忆功能紊乱、空间认知障碍、思维障碍等），专利申请逐渐增多，典型的专利权人包括：美国东北大学、Neuro Kinetics公司、加利福尼亚大学、通用电气公司、Motorika公司、Motek公司等[12-13]。

Motek公司于 1999年申请的专利US6774885B1，公开了包含运动捕捉装置的虚拟现实系统。运动捕捉系统可以提供精确、可重复的策略，监视病人的训练情况，将捕获的运动数据提供给处理器。显示系统接收到处理器的指令，将虚拟环境显示给用户。运动捕捉装置的虚拟现实系统还实现了数据的存储和评价。这项专利对后续技术发展影响深远。Motek公司在该项专利的基础上对运动捕捉装置进行了技术改进，于2008年申请了专利US7931604B2，公开了一种实时计算、测量、记录患者肌肉力量的方法，并进行了可视化显示。Motek的专利还引起了Motorika公司、加拿大IA实验室等专利权人的重视，并进行了技术改进。Motorika公司于2008年申请的专利US20080234113A1公开了一种步态训练方式，患者可以选择不同的训练模式以满足多个部位的康复训练和效果评估；加拿大IA实验室于2006年申请的专利US7699755B2公开了一种将视频游戏用于康复训练的方法，在训练设备和患者之间实现人机交互功能。

美国东北大学的研究涉及上下肢康复训练装置，2010年申请的专利US8206267B2公开了一种针对踝关节平衡训练的虚拟现实装置，至少包含两个自由度，如俯仰和滚动，在虚拟的环境中帮助患者反复练习，改变压力中心，改善双脚的平衡功能。

3.2 欧洲专利

在欧洲，虚拟现实用于康复训练领域的相关专利申请集中在欧洲专利局，专利权人相对分散。

苏黎世大学于2009年申请的专利EP2323602A2公开了一种沉浸式虚拟现实系统，通过头戴式显示器、数据手套等配件为患者提供身临其境的虚拟现实输出，让患者看到在相对于用户视角的正确空间位置中出现的身体部分的虚拟表示。这种沉浸式虚拟现实系统可以根据不同尺寸迅速进行调整，在康复训练中，患者在显示器中看到自身胳膊和腿的虚拟表示，通过身体传感器单元来实际控制胳膊和腿，通过绘制功能可以将所跟踪的运动从身体传感器单元转录到虚拟肢体。在健康主体中，绘制功能是实际肢体运动到直接虚拟肢体运动的简单一对一转录，而在患者中，绘制功能可以是复杂的非线性功能，包括根据伤害类型和治疗阶段来辅助或约束具体的运动，还可以使用实际肢体的运动来控制不同的虚拟肢体，这在患者已经完全丧失肢体使用、或完全失去具体肢体的情况下非常有用，这一发明于2009年申请了中国同族专利，值得中国企业重点关注。

3.3 亚洲专利

在亚洲，除了中国，日本、韩国等多个国家也涉及康复训练领域的虚拟现实技术的研究。

日本人FUJITA KINYA于2000年申请的专利JP2001296951A公开了一种伪步行虚拟现实装置，通过连续测量髋关节角度，得到正弦波形的实时信息并转化为步行运动，同时在显示器上显示运动图像。

韩国KNU-INDUSTRY公司于2007年申请的专利KR893669B1公开了一种不依赖于用户视觉感知的虚拟现实装置，具有一个固定在机器人手臂一段的旋转关节，另一端的机器人手臂被连接到一个手柄上，由触觉站产生虚拟空间立体图像信息。

3.4 中国专利

在中国，虚拟现实在康复训练领域的相关专利申请始于2008年，时间上晚于国外发达国家，专利权人主要集中在高校和科研院所，如中国科学院、上海交通大学、燕山大学、东南大学、上海理工大学、中国康复研究中心等，尚未形成企业应用的专利申请趋势。同时，国外企业在这一领域的中国专利申请数量较少，尚未形成专利布局态势。因此，国内企业在这一领域开展专利布局具有较好的时机。

中国康复研究中心于 2015年申请的专利CN201510278123公开了一种虚拟现实康复训练系统，用以解决现有康复训练系统成本高、占用空间大的问题。该系统包括运动捕捉设备、可移动设备及处理设备，通过将运动捕捉设备和虚拟现实技术相结合，以床旁一体设备为载体，实时跟踪记录人体关节活动，并通过三维人物模型显示人体运动过程，通过视觉、听觉、本体感觉的生物反馈机制促进脑功能重塑，达到改善患者肢体运动功能的目的。整个系统成本较低，占地面积小，移动方便，高度可调，使用方便，可置于患者床旁合理摆放，并可针对康复早期的卧床患者进行康复训练，降低康复治疗过程中对治疗师和治疗场地的依赖度，适合国内医院空间受限、医护人员不足的现状。此外，这一系统采用分层和渐进的康复训练方法，以及训练和游戏相结合的方式，在提高患者训练兴趣的同时保证训练质量。目前该项专利申请处于实质审查生效阶段，尚未获得授权。

上海交通大学于2012年申请的专利CN201210271756公开了一种中枢神经损伤患者用多功能复合康复系统。该系统集诊断、处方、治疗、评定、存储于一体，能够实时、准确地评估患者的损伤程度，根据评估给出递进式复合康复策略。在该系统中，虚拟现实是复合康复疗法的一种运用方式，根据事先设定的任务场景，如野外骑行、城市散步、室内搬运、连线游戏等，实时检测人体运动信息，通过视听设备，或压力、触觉等感觉器官，实时反馈给患者，并指引患者逐步完成设定任务。虚拟现实由系统控制模块进行统一调度、控制。根据计算模块得到的人体运动相关信息控制虚拟现实模块进行对应场景、对应动作、对应任务指示的显示和提示等。

4 展望

虚拟现实技术是多媒体技术发展的高境界，将虚拟现实技术应用于运动康复医疗领域,可以有效解决传统康复训练方法的局限性，且实际应用已有很大进展。与此同时，虚拟现实技术还存在着很多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍，治疗效果的评估标准也没有系统地建立,另一方面，相关设备的成本较高、硬件技术发展的制约都影响着虚拟现实技术的发展。随着虚拟现实技术的不断进步，以及这一技术在康复训练领域的不断推广和深入，必将带来一场影响深远的康复训练革命，并推动康复训练技术日益完善。

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The limitations of traditional rehabilitation training were analyzed,and the advantages of virtual reality technology applied to rehabilitation training were described.From the patent angle,gave a summary on the existing patent applications in the field of rehabilitation training with virtual reality technology both at home and abroad,and pointed out that virtual reality technology would play an ever-important role.

虚拟现实；康复训练；专利；应用；发展

VirtualReality；Rehabilitation Training；Patent；Application；Development

TH122；TP242

A

1672-0555（2016）04-060-04

2016年8月

戴顺孝（1985—），女，硕士，工程师，主要从事知识产权研究、专利检索与分析等工作