虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在康復(fù)訓(xùn)練中的應(yīng)用研究

蔣賢維

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)可以看成是對虛擬想象或真實(shí)世界的模擬，用戶通過接受和響應(yīng)模擬環(huán)境的各種感官刺激，與其進(jìn)行交互產(chǎn)生身臨其境的感覺。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療康復(fù)，無論是肢體類或認(rèn)知類康復(fù)訓(xùn)練，借助于高性能計(jì)算處理技術(shù)，都可以實(shí)現(xiàn)實(shí)物虛化、虛物實(shí)化的有機(jī)結(jié)合和轉(zhuǎn)換，做到科學(xué)控制，合理布局，提升興趣，降低成本。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正受到人們越來越多的關(guān)注，在康復(fù)訓(xùn)練中的應(yīng)用前景也越來越廣闊。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；沉浸感；交互性；康復(fù)訓(xùn)練

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）21-0206-03

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是除了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)之外被稱為21世紀(jì)最具應(yīng)用前景的三大技術(shù)之一，它經(jīng)歷了20世紀(jì)50年代到70年代的準(zhǔn)備階段，80年代的實(shí)際應(yīng)用階段，從90年代以來進(jìn)入全面發(fā)展時期。隨著近年來計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的迅速發(fā)展和軟件系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正被廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、管理、設(shè)計(jì)、教育、娛樂等各個領(lǐng)域，人們對它的廣闊應(yīng)用前景充滿憧憬和期待。特別在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的引入不僅可以節(jié)約成本，降低風(fēng)險(xiǎn)，還能夠提高患者的參與興趣，適合控制運(yùn)動量，科學(xué)合理恢復(fù)并帶來良好的醫(yī)療康復(fù)效果。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR）就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境（Virtual Environment，簡稱VE），用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生等同于親臨真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)[1]。它涵蓋了人工智能、傳感器技術(shù)、接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、實(shí)時計(jì)算技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并且對軟硬件要求較高。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的3個重要特征是沉浸感（Immersion），交互性（Interactivity），想象力（Imagination），如圖1所示[2]。它們分別體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的真實(shí)性，及時和準(zhǔn)確性以及虛擬現(xiàn)實(shí)作品設(shè)計(jì)者的創(chuàng)意和思想。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在康復(fù)訓(xùn)練中的應(yīng)用

目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域主要在娛樂和教育及藝術(shù)方面，其次為軍事與航空方面，醫(yī)學(xué)康復(fù)方面約占比百分之六至百分之七，且保持略微提升趨勢。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)兩者之間的融合和發(fā)展使得虛擬現(xiàn)實(shí)對該領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。從虛擬人體到虛擬操作、虛擬手術(shù)，從虛擬康復(fù)訓(xùn)練到虛擬醫(yī)學(xué)軟件、平臺及教學(xué)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正在發(fā)揮著越來越重要的作用。本文主要討論虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在康復(fù)訓(xùn)練方面的應(yīng)用，為方便表述下文簡稱為“虛擬康復(fù)訓(xùn)練”。

2.1虛擬康復(fù)訓(xùn)練的優(yōu)勢

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在康復(fù)訓(xùn)練中的應(yīng)用一般通過專門設(shè)計(jì)好的虛擬康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)可以為各類神經(jīng)、骨科、老年或兒童康復(fù)等專門開發(fā)設(shè)計(jì)，能使患者以自然方式與具有多種感官刺激的虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互，提供多種形式的反饋信息，使枯燥單調(diào)的運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練過程更輕松、更有趣和更容易。訓(xùn)練過程中，通過摳像技術(shù)患者可以在屏幕上看到自己或以虛擬圖形式出現(xiàn)的人體圖像，根據(jù)屏幕中情景的變化和提示做出各種動作，直到最終完成訓(xùn)練任務(wù)。相較于目前常規(guī)運(yùn)動療法的過于單調(diào)，動作分解過多，患者難以適應(yīng)，虛擬康復(fù)訓(xùn)練的優(yōu)勢在于可以提供有意義的任務(wù)性訓(xùn)練與精確的感覺回饋，同時確保受試者真實(shí)而安全的訓(xùn)練。它通過多種手段，使患者的部分或全部功能最大限度的恢復(fù)，以獲得最大可能的生活自理、勞動和工作等所需的能力。虛擬康復(fù)訓(xùn)練的互動反饋式訓(xùn)練，為職業(yè)治療師提供了新的治療手段；同時它還可以幫助醫(yī)療部門降低勞動成本，設(shè)計(jì)好的某一套系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用和推廣。

2.2虛擬康復(fù)訓(xùn)練分類

虛擬康復(fù)訓(xùn)練應(yīng)用領(lǐng)域主要針對肢體類運(yùn)動訓(xùn)練應(yīng)用和認(rèn)知功能訓(xùn)練應(yīng)用，即生理和心理兩方面的訓(xùn)練，其中以肢體類運(yùn)動訓(xùn)練應(yīng)用為主。

2.2.1肢體類運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練應(yīng)用

傳統(tǒng)的肢體類運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練方法主要包括各種關(guān)節(jié)活動度訓(xùn)練，肌力訓(xùn)練，轉(zhuǎn)移及步行訓(xùn)練和代償技術(shù)以及各種訓(xùn)練方法的組合。這些康復(fù)訓(xùn)練方法均是在專業(yè)治療師的指導(dǎo)下進(jìn)行，以治療師的手法操作為主，利用一些簡單的輔助器械，使患者恢復(fù)一定的運(yùn)動和協(xié)調(diào)能力。但這些方法存在耗費(fèi)人力物力較大、治療過程比較單調(diào)枯燥、治療場地受限、訓(xùn)練強(qiáng)度和訓(xùn)練效果不易評估等明顯的缺點(diǎn)和局限。

為了解決這些問題，我們可以將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到肢體類運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行肢體類運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練，讓患者在虛擬環(huán)境中扮演一個角色，成為虛擬環(huán)境中的一部分，通過訓(xùn)練動作與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，虛擬環(huán)境即時給予患者反饋，達(dá)到人境結(jié)合，沉浸其中。這種新型康復(fù)訓(xùn)練方法很好解決了傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練的大部分弊端，如在專門的肢體類運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練（即主要以身體的腕、膝、肩、肘關(guān)節(jié)等大關(guān)節(jié)為主進(jìn)行的主動康復(fù)訓(xùn)練）中，系統(tǒng)軟件提供多種人工景物，使患者如同置身于游戲或旅游的環(huán)境中，在游戲的原理上嵌入諸多康復(fù)程序，這些康復(fù)程序的游戲動作和作業(yè)治療中的動作一致，以游戲方式替代實(shí)現(xiàn)原有的康復(fù)動作，在訓(xùn)練的過程中，即便出現(xiàn)失誤也不容易對患者的身體造成損傷，特別適用于慢性病治療及生活技能喪失者的康復(fù)。

韌帶拉傷、骨折、手及膝關(guān)節(jié)等處損傷或外科手術(shù)后的康復(fù)和訓(xùn)練都是肢體類康復(fù)訓(xùn)練的典型應(yīng)用，各種虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生。國外臨床試驗(yàn)曾經(jīng)設(shè)計(jì)一款虛擬康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)專門針對腦癱患兒的下肢訓(xùn)練，包括了足球場景、障礙跨越場景、路口場景以及雪中行走場景等若干個虛擬康復(fù)場景。結(jié)果表明，患兒都對虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)平臺表現(xiàn)出了很大興趣，并且收到了良好的康復(fù)效果?；純合Ｍ軌蚶^續(xù)使用虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)系統(tǒng)參與到更多具有互動性的虛擬環(huán)境中以獲得體驗(yàn)和增強(qiáng)。除了虛擬場景的重要性，為了增強(qiáng)患者對虛擬環(huán)境的真實(shí)體驗(yàn)，增加患者的沉浸感，觸覺和力反饋裝置被引入使用。如渥太華大學(xué)使用具有觸覺反饋的數(shù)據(jù)手套進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為患者設(shè)計(jì)了置物架訓(xùn)練、倒茶訓(xùn)練、盛湯訓(xùn)練等不同難度的康復(fù)訓(xùn)練虛擬場景。如在置物架訓(xùn)練中，患者被要求帶著數(shù)據(jù)手套控制虛擬場景中的手來選取不同的虛擬日常生活用品（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]。數(shù)據(jù)手套的觸覺和力反饋來體現(xiàn)了虛擬場景中虛擬物體的重量，通過選擇和控制使康復(fù)訓(xùn)練過程由易到難，循序漸進(jìn)，科學(xué)合理。

此外，還有一類需要經(jīng)過漫長康復(fù)過程的患者，如腦出血、中風(fēng)人群。他們一般容易出現(xiàn)認(rèn)知缺乏，或是影響半邊身體活動的肢體運(yùn)動障礙，并且本體感受有不同程度的退化。傳統(tǒng)的中風(fēng)康復(fù)訓(xùn)練一般是在發(fā)病的急性期即患病后的1個月左右以及亞急性期即患病后的5個月左右進(jìn)行的。可是，在而后漫長的中風(fēng)慢性康復(fù)期里，患者一般不再接受任何治療，這就導(dǎo)致患者可能將在之后的人生中面臨喪失勞動能力甚至是生活自理能力?；谔摂M現(xiàn)實(shí)或是利用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行增強(qiáng)的康復(fù)訓(xùn)練具有可控性，可重復(fù)性及強(qiáng)化等功能，而且具有更好適應(yīng)每個患者個體特征的優(yōu)勢。在開發(fā)的適用于中風(fēng)患者動作訓(xùn)練的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)中，患者可以在配置了傳感器的客戶端完成遠(yuǎn)程康復(fù)訓(xùn)練，模仿指導(dǎo)動作，系統(tǒng)會自動記錄下來自患者手臂和腿部的力量和扭矩，跟蹤器記錄下患者的運(yùn)動軌跡，系統(tǒng)在綜合考慮時間數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)后，會對患者的這一動作做出最終評價，以此來判斷患者的康復(fù)程度。所以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的中風(fēng)康復(fù)訓(xùn)練能夠在時間和空間上解決患者在慢性期長期康復(fù)訓(xùn)練的需求，患者甚至可以足不出戶就在家中完成遠(yuǎn)程的康復(fù)訓(xùn)練。

2.2.2心理及認(rèn)知功能康復(fù)訓(xùn)練

除了肢體類康復(fù)訓(xùn)練，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前還被廣泛用于認(rèn)知障礙的治療，如我們熟知的記憶障礙、注意力障礙、空間認(rèn)知障礙等。國外已經(jīng)通過應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)治療恐高癥、幽閉恐懼癥、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙、精神分裂癥等心理疾病并取得良好的成果。虛擬現(xiàn)實(shí)可以使人沉浸在計(jì)算機(jī)實(shí)時產(chǎn)生的三維環(huán)境中，通過各種游戲反復(fù)訓(xùn)練來維持和提高患者的注意力、協(xié)調(diào)性、記憶、邏輯推理等認(rèn)知功能。認(rèn)知功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)促進(jìn)了認(rèn)知科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)更高層次的結(jié)合，體現(xiàn)了傳統(tǒng)方法無法比擬的優(yōu)勢[4]。

3 關(guān)鍵技術(shù)及案例分析

實(shí)物虛化，虛物實(shí)化和高性能計(jì)算處理技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三個主要方面[5]。

所謂實(shí)物虛化，本質(zhì)是把現(xiàn)實(shí)世界空間映射到多維信息化空間，通過建模、空間跟蹤、定位和感應(yīng)等技術(shù)，達(dá)到逼真虛擬世界的生成并能獲得用戶操作的檢測和反饋。虛物實(shí)化則是讓用戶感受到來自虛擬環(huán)境的真實(shí)信號，使之獲取形同真實(shí)環(huán)境一樣或類似的視聽、力觸覺等感官認(rèn)知，它更多的是一個輸出的問題。圖2所示反映了用戶（訓(xùn)練者）與虛擬環(huán)境之間虛實(shí)對應(yīng)和轉(zhuǎn)換關(guān)系。

此外，虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)中最重要的是高性能的計(jì)算處理技術(shù)，該技術(shù)的水平層次決定了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的效果和質(zhì)量。它主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，圖形圖像的實(shí)時生成和顯示技術(shù)，多聲音合成和空間化技術(shù)，模式識別技術(shù)，數(shù)據(jù)融合及壓縮技術(shù)，分布式與并行計(jì)算技術(shù)，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等等[6]。

我們通過一個“基于虛擬現(xiàn)實(shí)的手腕康復(fù)訓(xùn)練”案例來探討下虛擬現(xiàn)實(shí)在康復(fù)訓(xùn)練中的應(yīng)用及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)代人特別是長期辦公室伏案工作人員最容易出現(xiàn)的兩類職業(yè)病癥，一個是頸椎類勞損，一個是手腕僵硬機(jī)械化。本例的設(shè)計(jì)擬通過特定康復(fù)訓(xùn)練動作映射到虛擬環(huán)境并進(jìn)行交互，多次訓(xùn)練后逐漸恢復(fù)腕關(guān)節(jié)活動度。整體方案如下：1）首先分析正常的手腕關(guān)節(jié)活動度，錄入數(shù)據(jù)作為對照標(biāo)準(zhǔn)，這部分主要涉及數(shù)據(jù)預(yù)處理及數(shù)據(jù)庫技術(shù)；2）借助開發(fā)工具設(shè)計(jì)虛擬康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，構(gòu)造虛擬場景——本例為模擬拍蒼蠅游戲，該場景訓(xùn)練內(nèi)容包含腕關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動和尺、撓屈運(yùn)動，當(dāng)屏幕出現(xiàn)蒼蠅時，需要先進(jìn)行手腕的屈伸運(yùn)動，對應(yīng)將虛擬手移動到目標(biāo)上方，然后進(jìn)行手腕的尺屈運(yùn)動，使拍子敲打目標(biāo)，敲打結(jié)束后，腕關(guān)節(jié)將進(jìn)行撓屈運(yùn)動，抬高拍子再移動至另一只出現(xiàn)的蒼蠅，以此反復(fù)進(jìn)行。在規(guī)定時間內(nèi)命中表示成功，否則蒼蠅飛走消失，拍子的大小決定難度高低。在構(gòu)建虛擬場景部分涵蓋了圖形圖像、聲頻音頻處理及模式識別、數(shù)據(jù)融合等虛擬技術(shù)的大部分關(guān)鍵技術(shù)；3）整個設(shè)計(jì)分解步驟為制作手部模型和拍子模型并實(shí)現(xiàn)連接，制作動物（蒼蠅）模型，導(dǎo)入模型到系統(tǒng)平臺，場景內(nèi)容主要涉及蒼蠅隨機(jī)出現(xiàn)和飛舞，手部骨骼轉(zhuǎn)動以及碰撞檢測三個部分，此外在基本功能基礎(chǔ)上還可以加入操作難度和間隔操作時間控制；4）最后在練習(xí)者完成訓(xùn)練任務(wù)后，虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)對操作結(jié)果進(jìn)行匯總、統(tǒng)計(jì)和評估，并將評估結(jié)果反饋給練習(xí)者，練習(xí)者可以根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)和結(jié)果調(diào)整和修改下次虛擬康復(fù)訓(xùn)練的系統(tǒng)參數(shù)。整個過程如圖3所示。

上述案例只是一個簡單的虛擬康復(fù)系統(tǒng)，實(shí)際隨著虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)迅猛發(fā)展，虛擬場景將變得越來越逼真，越來越復(fù)雜，沉浸感和交互性也越來越好，康復(fù)訓(xùn)練效果都有很大提升。所以在虛擬康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)中，虛擬場景的設(shè)計(jì)往往是研究重點(diǎn)之一，各類不同場景的出現(xiàn)使得即使同一患者使用同樣的康復(fù)輔具，也可以沉浸在不同的情形中完成不同的康復(fù)動作，達(dá)到不同的康復(fù)效果。好的虛擬場景還提高了患者的參與興趣，控制著適合的運(yùn)動量，使康復(fù)過程更輕松更科學(xué)。

4 總結(jié)

本文介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)的概念、特征和發(fā)展，探討了虛擬現(xiàn)實(shí)在康復(fù)訓(xùn)練中的應(yīng)用，特別是在肢體類康復(fù)訓(xùn)練中的應(yīng)用情況，并以虛擬現(xiàn)實(shí)打蒼蠅場景訓(xùn)練手腕康復(fù)為個案實(shí)例分析了虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)，指出虛擬現(xiàn)實(shí)在康復(fù)訓(xùn)練中的優(yōu)勢和意義。未來的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將在已有發(fā)展的基礎(chǔ)上秉承降低成本，提高性能和效果的原則，重點(diǎn)提升動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實(shí)時三維圖形生成和顯示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)交互設(shè)備更新?lián)Q代，向智能化和分布式發(fā)展，不斷取得新的進(jìn)步。

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