郭曉輝,王晶,楊揚(yáng),張?chǎng)?徐光華

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安;2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 710049, 西安)

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基于虛擬現(xiàn)實(shí)的下肢主被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)研究

郭曉輝1,2,王晶1,2,楊揚(yáng)1,2,張?chǎng)?,2,徐光華1,2

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安;2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 710049, 西安)

針對(duì)傳統(tǒng)下肢康復(fù)訓(xùn)練中病人參與度低、無(wú)法產(chǎn)生主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意圖等問(wèn)題,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)?；诖竽X鏡像神經(jīng)元和神經(jīng)可塑性理論,利用Matlab和Labview等軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信與反饋處理,結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景建模和動(dòng)畫(huà)腳本編輯的方法,通過(guò)3D視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)等效果作用于患者神經(jīng)中樞,形成信息傳遞的封閉回路,以實(shí)現(xiàn)對(duì)受損神經(jīng)中樞的主被動(dòng)協(xié)同刺激,激發(fā)大腦運(yùn)動(dòng)區(qū)鏡像神經(jīng)元,強(qiáng)化自主運(yùn)動(dòng)意圖。研究結(jié)果表明,該系統(tǒng)能輔助患者完成主被動(dòng)模式下的康復(fù)訓(xùn)練,并在訓(xùn)練中為患者提供深度虛擬環(huán)境的視覺(jué)交互,大大增強(qiáng)了康復(fù)訓(xùn)練中對(duì)受損神經(jīng)中樞的刺激,提高了患者的訓(xùn)練效率和積極主動(dòng)性。該技術(shù)在神經(jīng)中樞損傷的康復(fù)領(lǐng)域有一定的應(yīng)用前景。

下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng);視覺(jué)交互;虛擬現(xiàn)實(shí)

隨著社會(huì)老齡化的加劇,腦卒中發(fā)病率呈上升趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)城鄉(xiāng)居民腦卒中的患病率為每10萬(wàn)人中約400～700例,致死率為每10萬(wàn)人中約130例。以我國(guó)13億人口計(jì),可推算出每年腦卒中病死者超過(guò)150萬(wàn)例,生存者約為600～700萬(wàn)[1-2],其中由腦卒中所引發(fā)的下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙的患者占有很大比例。近些年,康復(fù)機(jī)器人的研究成為國(guó)際社會(huì)研究的新熱點(diǎn)[3],目前下肢康復(fù)訓(xùn)練主要由機(jī)器人通過(guò)被動(dòng)訓(xùn)練幫助患者進(jìn)行步態(tài)運(yùn)動(dòng)練習(xí)。文獻(xiàn)[4]開(kāi)發(fā)了名為L(zhǎng)okomat的步態(tài)訓(xùn)練機(jī)器人,文獻(xiàn)[5-6]研制出一款下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人,文獻(xiàn)[7]開(kāi)發(fā)出一套斜躺輪椅式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人,并輔助以按摩、針灸、物理治療、功能電刺激等治療方法。這些訓(xùn)練治療方法相互獨(dú)立并且單個(gè)治療方法功能單一、枯燥,缺乏個(gè)性化,過(guò)分依賴(lài)醫(yī)護(hù)人員技術(shù)水平,未能很好地滿足神經(jīng)系統(tǒng)康復(fù)的需求。

根據(jù)人體大腦神經(jīng)可塑性理論[8]、鏡像神經(jīng)元理論[9]和持續(xù)被動(dòng)訓(xùn)練理論[10],豐富的訓(xùn)練環(huán)境可以促進(jìn)康復(fù)的進(jìn)程[11-12]。有研究表明,如果能夠在訓(xùn)練過(guò)程中提供多種形式的信息反饋,充分發(fā)揮患者的主觀能動(dòng)性,并根據(jù)患者狀態(tài)給予暗示或建議等,將會(huì)使康復(fù)效果得到很大提高[13-14]。近年來(lái),虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)不斷發(fā)展成熟,為在傳統(tǒng)訓(xùn)練條件下拓展訓(xùn)練環(huán)境、增強(qiáng)和豐富訓(xùn)練過(guò)程中對(duì)神經(jīng)中樞的刺激提供了新的途徑,同時(shí)也為現(xiàn)代康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供了新的思路[15]。簡(jiǎn)言之,虛擬現(xiàn)實(shí)是由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的給人以沉浸感的虛擬環(huán)境,是一種多源信息融合交互的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真[16]。

目前,單一的下肢康復(fù)訓(xùn)練和單一的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境刺激均只能完成對(duì)受損神經(jīng)中樞被動(dòng)或者主動(dòng)的刺激。這種由患者克服系統(tǒng)阻尼帶動(dòng)康復(fù)床運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)訓(xùn)練模式和由下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)帶動(dòng)患者患肢重復(fù)運(yùn)動(dòng)的被動(dòng)訓(xùn)練模式都只是單一方向上的,未能形成信息傳遞的封閉回路以實(shí)現(xiàn)對(duì)受損神經(jīng)中樞的主被動(dòng)協(xié)同刺激。

基于以上的社會(huì)背景和理論思想,本文針對(duì)單自由度下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng),利用3ds Max建模工具和VRP虛擬現(xiàn)實(shí)軟件,在Labview、Matlab環(huán)境下構(gòu)建了一個(gè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的下肢康復(fù)主被動(dòng)人機(jī)交互訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)將下肢康復(fù)步態(tài)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)信息作為控制量,用于虛擬場(chǎng)景動(dòng)畫(huà)的控制,然后通過(guò)虛擬場(chǎng)景動(dòng)畫(huà)將步態(tài)訓(xùn)練的過(guò)程以視覺(jué)的形式反饋給患者,幫助患者以更主動(dòng)、更高效、更輕松和更易于理解的方式進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練。

1 下肢康復(fù)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文以腦卒中下肢偏癱患者為康復(fù)對(duì)象,利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),開(kāi)展虛擬康復(fù)訓(xùn)練技術(shù)研究。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)能滿足以下要求:

(1)康復(fù)訓(xùn)練床滿足基本主、被動(dòng)訓(xùn)練的康復(fù)需求,并且易于功能拓展以實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練參數(shù)的實(shí)時(shí)反饋和控制信號(hào)的輸入;

(2)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能夠營(yíng)造沉浸感和現(xiàn)實(shí)感較高的虛擬場(chǎng)景;

(3)可實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景與康復(fù)床的交互控制,以及場(chǎng)景動(dòng)畫(huà)隨患者協(xié)同運(yùn)動(dòng);

(4)能夠安全、穩(wěn)定和長(zhǎng)期工作,不給患者造成額外心理負(fù)擔(dān);

(5)盡量選用能夠保證技術(shù)要求又節(jié)約成本的設(shè)備和軟件。

2 訓(xùn)練平臺(tái)選擇及控制系統(tǒng)改造

2.1 訓(xùn)練平臺(tái)選擇

依據(jù)主被動(dòng)結(jié)合式的訓(xùn)練模式[17]等研究的實(shí)際需求,選購(gòu)了河南安陽(yáng)翔宇醫(yī)療設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的XYKXZFK-9型臥式下肢反饋訓(xùn)練系統(tǒng),實(shí)物如圖1所示。

圖1 翔宇XYKXZFK-9下肢反饋訓(xùn)練系統(tǒng)

2.2 控制系統(tǒng)改造

研究中使用的下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)為按需求購(gòu)置的整機(jī),沒(méi)有預(yù)留外部數(shù)據(jù)接口。為實(shí)現(xiàn)患者下肢的步態(tài)訓(xùn)練數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)返回,以用于對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的人物進(jìn)行控制,需要對(duì)康復(fù)床的控制系統(tǒng)進(jìn)行改造,本研究中使用Labview來(lái)搭建下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的上位機(jī)控制程序。圖2為下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)上位機(jī)主控制程序的一般流程。

圖2 上位機(jī)主控板控制流程圖

利用串口助手對(duì)機(jī)器人的通信串口進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)串口調(diào)試助手分別接收上位機(jī)主控板向下發(fā)出的控制指令和下位機(jī)控制器向上返回的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

上位機(jī)的控制指令信號(hào)和下位機(jī)的返回信號(hào)的格式相同,均有起始位、中間位和結(jié)束位3部分正序組成。下位機(jī)返回信號(hào)的編碼較為簡(jiǎn)單,一組信號(hào)由14位16進(jìn)制數(shù)構(gòu)成。起始位固定為AA,結(jié)束位固定為ED,中間12位分別表示康復(fù)床步態(tài)訓(xùn)練時(shí)各參數(shù)的狀態(tài)值,例如第5位和第6位分別表示了當(dāng)前左腳和右腳步態(tài)訓(xùn)練的角度。如圖3所示,當(dāng)前左腳訓(xùn)練時(shí)的角度為28°,右腳角度為3°。

圖3 下位機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)編碼結(jié)構(gòu)

基于對(duì)下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)的解碼,利用Labview軟件編寫(xiě)了下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的上位機(jī)控制程序,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的人機(jī)交互界面,如圖4所示。

圖4 基于Labview的康復(fù)床上位機(jī)程序人機(jī)界面

人機(jī)交互操作界面主要包括“啟動(dòng)”、“停止”等功能鍵區(qū),患者活動(dòng)范圍設(shè)置區(qū),運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置區(qū)和狀態(tài)指示及運(yùn)動(dòng)曲線顯示區(qū)。其中,活動(dòng)范圍設(shè)置區(qū)分為2部分,可以針對(duì)不同程度的患者分別設(shè)置左、右腿的訓(xùn)練角度在0°～50°的整數(shù)值之間取值。運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置區(qū)分為3部分:步頻和治療時(shí)間部分可以針對(duì)不同患者的康復(fù)需求設(shè)置不同的步速和康復(fù)訓(xùn)練時(shí)間,真正做到個(gè)性化治療以獲得更好的康復(fù)效果;痙攣靈敏度部分分別設(shè)置左、右腿的靈敏度,在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中起到安全保護(hù)性的作用;間歇時(shí)間和痙攣后的減速值部分可以視每一位患者的具體情況設(shè)置不同的閾值,不僅可以達(dá)到患者舒適性的要求,更能激發(fā)和維持患者康復(fù)治療的積極主動(dòng)的意念,很好地完成運(yùn)動(dòng)神經(jīng)回路的康復(fù)及其重建。

啟動(dòng)程序后,出現(xiàn)歡迎界面并提示相關(guān)操作,開(kāi)啟背景音樂(lè);然后進(jìn)入交互訓(xùn)練部分,人物行走過(guò)程中經(jīng)歷與路人交談(文字與聲音提示)、動(dòng)作轉(zhuǎn)換和過(guò)馬路等動(dòng)作行為;最終到達(dá)護(hù)士模型處,完成在第一個(gè)場(chǎng)景中的訓(xùn)練,在該處系統(tǒng)等待外界控制信號(hào),以判斷是否進(jìn)入下一個(gè)訓(xùn)練場(chǎng)景。下一個(gè)場(chǎng)景為自然公園環(huán)境,閉環(huán)路徑。在路徑的中點(diǎn)行走動(dòng)作轉(zhuǎn)換為單腳原地踏步動(dòng)作,1 min后自動(dòng)變換行走動(dòng)作,直至路徑終點(diǎn)。在場(chǎng)景中有文字信息提示的地方,在顯示文字的同時(shí)輔助以角色音效,并且在整個(gè)虛擬場(chǎng)景漫游過(guò)程中,設(shè)置輕快或舒緩的背景音樂(lè),以增強(qiáng)患者的體驗(yàn)。

為了更好地對(duì)步態(tài)訓(xùn)練的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,以轉(zhuǎn)化為虛擬場(chǎng)景動(dòng)畫(huà)的控制信號(hào),研究中在對(duì)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼顯示后,通過(guò)構(gòu)建TCP/IP(傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議)通信,將數(shù)據(jù)發(fā)送至第三方工具M(jìn)atlab進(jìn)行進(jìn)一步處理。

利用TCP/IP技術(shù)在同一臺(tái)電腦上的不同軟件之間建立通信,Labview作為服務(wù)器,不斷產(chǎn)生和發(fā)送數(shù)據(jù),Matlab作為客戶(hù)端,不斷向上請(qǐng)求接收數(shù)據(jù)。在Labview操作界面的菜單欄“函數(shù)選板→數(shù)據(jù)通信→協(xié)議→TCP”中包含有TCP偵聽(tīng),建立連接,讀、寫(xiě)入數(shù)據(jù),關(guān)閉連接等多個(gè)函數(shù),可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求構(gòu)建符合要求的服務(wù)端程序。通過(guò)循環(huán)結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)不斷地寫(xiě)入TCP(傳輸控制協(xié)議),本程序中設(shè)置100 ms的寫(xiě)入延時(shí)作為步態(tài)訓(xùn)練角度值的二次采樣頻率。程序流程如圖5所示。

圖5 Labview中TCP/IP數(shù)據(jù)通信

3 基于Matlab的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換

利用Matlab軟件強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力,實(shí)時(shí)接收步態(tài)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的同時(shí)完成對(duì)其的轉(zhuǎn)換處理,實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的不斷更新。

3.1 步態(tài)樣本數(shù)據(jù)獲取

要同時(shí)獲取當(dāng)前訓(xùn)練時(shí)下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)左、右步態(tài)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的角度,必須在Labview中對(duì)左、右腳的角度值進(jìn)行編碼,以便于TCP在一次通信過(guò)程中發(fā)送兩個(gè)角度值,同時(shí)Matlab接收并將左、右腳的角度值分別開(kāi)。Labview中角度的編碼格式見(jiàn)圖6。在Labview的TCP/IP通信中,字符串按低位到高位進(jìn)行發(fā)送。因此,C成為角度值字符串的起始位,A為結(jié)束位,B為兩個(gè)角度值字符串的分隔位。

圖6 Labview中左、右腳角度值的編碼

在Matlab中首先利用tcpip()函數(shù)來(lái)建立連接,該連接屬性定為一變量,用read()函數(shù)將變量中的傳輸值讀取出來(lái)。在連接程序構(gòu)建時(shí),使用同一IP地址和端口號(hào)。

通過(guò)循環(huán)不斷讀取TCP/IP,將數(shù)據(jù)解碼后得到的一組完整的左、右腳角度存入樣本矩陣的末尾,樣本矩陣保持向上更新。通過(guò)對(duì)樣本矩陣的計(jì)算處理得到當(dāng)前運(yùn)動(dòng)步速,最后保存步速變量至外部文件,繼續(xù)循環(huán)。數(shù)據(jù)處理流程如圖7所示。

圖7 Matlab中的數(shù)據(jù)處理

3.2 步速計(jì)算

通過(guò)截取步態(tài)樣本矩陣中步態(tài)曲線上最近一個(gè)完整步態(tài)的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算當(dāng)前步速。定義一個(gè)l×3的矩陣A,3列分別為時(shí)間t、左腳角度l和右腳角度r,初始值均為0,其形式為

(1)

式中:i為計(jì)數(shù)變量,i=1,2,…,l-1。

由于采樣時(shí)間為100 ms,且下位機(jī)控制器返回的角度均為整數(shù),故有相同角度連續(xù)出現(xiàn)的情況。需要對(duì)樣本矩陣進(jìn)行去重操作,以便得到無(wú)連續(xù)重復(fù)值的新的步態(tài)樣本矩陣A′,但其長(zhǎng)度m并不固定,去重過(guò)程如下

在計(jì)算過(guò)程中要求矩陣A′的長(zhǎng)度m大于給定值,以保證矩陣長(zhǎng)度足以容納至少一個(gè)步態(tài)長(zhǎng)度,以便后續(xù)處理中能識(shí)別到完整步態(tài)周期,避免步速計(jì)算出錯(cuò)。

如圖8所示,通過(guò)對(duì)新樣本矩陣A′中最近一個(gè)完整步態(tài)周期T的拾取,可得到患者在步態(tài)訓(xùn)練中一只腳行走一步所用的時(shí)間。利用兩只腳的平均步行速度作為患者在康復(fù)訓(xùn)練中的行走速度

v=(vl+vr)/2=(60/Tl+60/Tr)/2

(2)

式中:v為步速,步/min;下角標(biāo)l、r分別表示左、右腳。

通過(guò)以上對(duì)左、右腳角度的轉(zhuǎn)換處理,得到了用于對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景動(dòng)畫(huà)的控制信號(hào)——行走步速。

圖8 樣本矩陣中的步態(tài)曲線

4 虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的建立

研究中將城市生活街區(qū)作為虛擬康復(fù)訓(xùn)練的主要環(huán)境,在建模過(guò)程中涉及的實(shí)物模型主要有房屋、街道、車(chē)輛、行人、綠化和天空等。基于幾何模型的虛擬建模技術(shù)[18],利用3ds Max和VRP兩種軟件進(jìn)行場(chǎng)景的建模。其中3ds Max負(fù)責(zé)單個(gè)虛擬實(shí)體的建模,VRP將各個(gè)實(shí)體集成,創(chuàng)建環(huán)境燈光、相機(jī)等,虛擬場(chǎng)景如圖9所示。

圖9 模型建立的虛擬場(chǎng)景

利用VRP自帶的腳本編輯功能實(shí)現(xiàn)外部信號(hào)的輸入和場(chǎng)景動(dòng)畫(huà)的運(yùn)動(dòng)。在場(chǎng)景中設(shè)計(jì)了路徑跟隨行走、與路人交談等交互動(dòng)作,這些動(dòng)作均以訓(xùn)練步速為控制信號(hào)。將每次循環(huán)計(jì)算得的步速不斷更新至外部程序文本,VRP不斷對(duì)文本進(jìn)行調(diào)用,從而實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景中人物與康復(fù)訓(xùn)練的隨動(dòng)。

5 主被動(dòng)協(xié)同刺激訓(xùn)練方法

本研究通過(guò)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建高度沉浸感的虛擬環(huán)境及良好的互動(dòng)行為事件,實(shí)現(xiàn)患者積極主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意念的激發(fā)和維持,以促進(jìn)患者的康復(fù)進(jìn)程。對(duì)于該主被動(dòng)協(xié)同刺激訓(xùn)練方法的作用過(guò)程分析,應(yīng)區(qū)分為主動(dòng)訓(xùn)練模式和被動(dòng)訓(xùn)練模式兩種實(shí)際訓(xùn)練情況。

在主動(dòng)訓(xùn)練模式下,患者克服系統(tǒng)阻尼,主動(dòng)帶動(dòng)康復(fù)床運(yùn)動(dòng),進(jìn)而使虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng),此時(shí)患肢對(duì)受損神經(jīng)中樞的被動(dòng)刺激可忽略,而虛擬康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的信息傳遞為單向回路,患者根據(jù)視覺(jué)反饋信息調(diào)整自己的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)同訓(xùn)練系統(tǒng)的交互,如圖10a所示。此時(shí)患者主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練意念在康復(fù)進(jìn)程中占主導(dǎo)地位。

在被動(dòng)訓(xùn)練模式下,虛擬現(xiàn)實(shí)能夠激發(fā)患者主動(dòng)參與的意念,同時(shí)下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)患肢的重復(fù)運(yùn)動(dòng)又形成對(duì)神經(jīng)中樞的被動(dòng)刺激,這二者共同作用于患者受損神經(jīng)中樞的康復(fù)過(guò)程?；颊攉@取反饋信息后,可通過(guò)上肢來(lái)調(diào)節(jié)訓(xùn)練速度或者由護(hù)理人員輔助完成,如圖10b所示。

(a)主動(dòng)訓(xùn)練模式

(b)被動(dòng)訓(xùn)練模式 圖10 虛擬康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)對(duì)神經(jīng)通道主被動(dòng)協(xié)同刺激示意圖

6 功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

基于以上的研究,在西京醫(yī)院康復(fù)科搭建了虛擬康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng),其中涉及的主要硬件有下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)、圖形工作站、3D投影儀以及主動(dòng)快門(mén)式3D視覺(jué)支持系統(tǒng)。根據(jù)康復(fù)過(guò)程的實(shí)際需要,搭建的虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。選用健康人為被試者,對(duì)系統(tǒng)主被動(dòng)訓(xùn)練狀態(tài)下的交互控制效果和虛擬現(xiàn)實(shí)表現(xiàn)效果進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估。

隨機(jī)選取數(shù)名被試者,年齡在23～26歲之間。實(shí)驗(yàn)前,先讓被試者戴上3D眼鏡觀察電腦屏幕產(chǎn)生的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。觀察2 min左右,以確定其是否會(huì)對(duì)主動(dòng)式3D效果產(chǎn)生不適的感覺(jué),然后進(jìn)行必要的準(zhǔn)備后,開(kāi)始康復(fù)訓(xùn)練測(cè)試。

(1)在被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中,被試者下肢由康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)步態(tài)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng),以預(yù)設(shè)定步速和角度范圍左、右腳交替運(yùn)動(dòng),被試者的步態(tài)曲線呈近似的三角波,如圖12所示。

圖12 被動(dòng)訓(xùn)練下的步態(tài)曲線

由于在步速計(jì)算中采用最近一步的步速并且系統(tǒng)在計(jì)算處理過(guò)程中產(chǎn)生延時(shí),使得場(chǎng)景中人物動(dòng)畫(huà)相對(duì)于訓(xùn)練過(guò)程有一定的延時(shí)。在被動(dòng)訓(xùn)練時(shí),由于某一個(gè)步速能夠穩(wěn)定維持一段時(shí)間,訓(xùn)練速度切換后的延時(shí)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)消除,具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

從表1可以看出,實(shí)際步速滯后量略大于理論值。這是由于程序運(yùn)行及數(shù)據(jù)顯示保存消耗了部分時(shí)間,使得計(jì)算滯后量偏大。從實(shí)際測(cè)試效果顯示,這并未影響到使用者的總體感受。

表1 被動(dòng)訓(xùn)練下步速切換后的延時(shí)數(shù)據(jù)

由于場(chǎng)景大小和路徑形狀不同,加之被動(dòng)運(yùn)動(dòng)模式下訓(xùn)練步速可變,經(jīng)測(cè)試,被試者在不同的訓(xùn)練步速下分別走完兩個(gè)場(chǎng)景各一次所需的時(shí)間如表2所示。

表2 被動(dòng)模式下不同步速完成一次場(chǎng)景漫游

被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練結(jié)束后,被試者反映被動(dòng)訓(xùn)練狀態(tài)下雙腳完全由下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)帶動(dòng),心態(tài)更放松,訓(xùn)練過(guò)程中注意力可以完全集中于虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景,感受下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)虛擬人物運(yùn)動(dòng)的過(guò)程,但是主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意念不強(qiáng)。虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景比較真實(shí),被試者可以獲得更大的沉浸感和現(xiàn)實(shí)感。

(2)在主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練時(shí),下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)不施加驅(qū)動(dòng)力,而是根據(jù)患者的康復(fù)情況適當(dāng)施加訓(xùn)練阻力,患者自己驅(qū)動(dòng)雙腿運(yùn)動(dòng)。由于該模式下步態(tài)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)本身有一定的空轉(zhuǎn)阻力,被試者很難以固定步速驅(qū)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)運(yùn)動(dòng),其步態(tài)曲線呈現(xiàn)不規(guī)則的三角波形,即使相鄰的兩完整步態(tài)的步速也不盡相同,如圖13所示。

圖13 主動(dòng)訓(xùn)練下的步態(tài)曲線

主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練結(jié)束后,被試者反映自己注意力集中于主動(dòng)運(yùn)動(dòng)對(duì)場(chǎng)景動(dòng)畫(huà)的驅(qū)動(dòng)效果以及任務(wù)模式,有較強(qiáng)的參與積極性和康復(fù)訓(xùn)練主動(dòng)性。

通過(guò)以上分析可知,本文開(kāi)發(fā)的基于虛擬現(xiàn)實(shí)的下肢主被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)能夠滿足預(yù)期的功能效果,具有提高下肢偏癱患者康復(fù)訓(xùn)練效果的可能,基本實(shí)現(xiàn)了本文的研究目標(biāo),將來(lái)需要用下肢偏癱患者進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)性能。

7 結(jié) 論

本文基于神經(jīng)可塑性理論以及現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)康復(fù)的新技術(shù),并針對(duì)所涉及的軟硬件的工作特點(diǎn),開(kāi)發(fā)了主被動(dòng)虛擬康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)。根據(jù)康復(fù)訓(xùn)練床的運(yùn)動(dòng)原理和控制系統(tǒng)特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反饋;根據(jù)不同軟件的特點(diǎn)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要,實(shí)現(xiàn)狀態(tài)數(shù)據(jù)到交互控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換;最后根據(jù)需要完成虛擬場(chǎng)景的設(shè)計(jì)制作,成功搭建虛擬康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)并完成對(duì)其的功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)前運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練主要是對(duì)患者患肢進(jìn)行往復(fù)式被動(dòng)訓(xùn)練,通過(guò)對(duì)患肢到大腦的運(yùn)動(dòng)感知神經(jīng)通道的單向刺激來(lái)促進(jìn)神經(jīng)通路的重塑。這種方式效率較低,缺乏對(duì)患者參與積極性的維持,缺乏對(duì)運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)通路刺激和主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意念激發(fā),未能很好地完成運(yùn)動(dòng)神經(jīng)回路的康復(fù)及其重建。個(gè)別科研機(jī)構(gòu)引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),但還停留在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、色彩單一的二維場(chǎng)景,無(wú)法真正提供患者神經(jīng)中樞康復(fù)所需的豐富環(huán)境和訓(xùn)練積極主動(dòng)性。

本文提出基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主被動(dòng)協(xié)同刺激訓(xùn)練方法,能夠克服當(dāng)前下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)只能完成對(duì)受損神經(jīng)中樞被動(dòng)或者主動(dòng)的刺激,營(yíng)造高度沉浸感和交互性及構(gòu)想性的環(huán)境信息;通過(guò)3D視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)等效果作用于患者神經(jīng)中樞,實(shí)現(xiàn)患者積極主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意念的激發(fā)和維持,以促進(jìn)患者的康復(fù)進(jìn)程;形成信息傳遞的封閉回路,以實(shí)現(xiàn)對(duì)受損神經(jīng)中樞的主被動(dòng)協(xié)同刺激,能夠更好地激發(fā)大腦運(yùn)動(dòng)區(qū)的鏡像神經(jīng)元,強(qiáng)化自主運(yùn)動(dòng)意圖。

該系統(tǒng)可以提供豐富多樣的環(huán)境刺激和增強(qiáng)受試者的主動(dòng)性、積極性,在下肢偏癱患者的康復(fù)治療領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景,有望從生理和心理兩方面為腦卒中等神經(jīng)損傷患者提供幫助,為其康復(fù)進(jìn)程的加快和康復(fù)效果的提升提供一種有效的解決途徑。

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(編輯 杜秀杰)

Active and Passive Training System of Lower Limb Rehabilitation Based on Virtual Reality

GUO Xiaohui1,2,WANG Jing1,2,YANG Yang1,2,ZHANG Xin1,2,XU Guanghua1,2

(1. State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Aiming at the problems such as low participation in the traditional lower limb rehabilitation training and being unable to produce the active movement intention, a lower limb rehabilitation training system based on virtual reality is designed. Following the theories of human brain mirror neurons and neural plasticity, real-time data communication and feedback processing are realized with Matlab and Labview software. Combining with the method for virtual reality modeling and animation script editing and exerting effect on the patient central nervous system through 3D visual and auditory, a closed information transmission loop is constructed to achieve the active and passive synergistic stimulation of the damaged nerve center to stimulate the brain motor area of mirror neurons and to strengthen the independent movement intention. The results show that the system is able to assist patients to complete rehabilitation training of active and passive mode, and provides patients with the depth of the living environment of the virtual visual interaction, which greatly enhance the rehabilitation training for patients with damaged neural stimulation, and improve the training efficiency and positive initiative.

lower limb rehabilitation training system; visual interaction; virtual reality

2015-05-06。

郭曉輝(1987—),男,碩士生;王晶(通信作者),男,副教授,博士生導(dǎo)師。 基金項(xiàng)目:國(guó)家“863計(jì)劃”資助項(xiàng)目(SQ2013GX03D00128);“香江學(xué)者”人才計(jì)劃資助項(xiàng)目(XJ2013045);中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014M552431)。

時(shí)間:2015-11-11

10.7652/xjtuxb201602021

R318.6;TP391

A

0253-987X(2016)02-0124-08

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20151111.1821.016.html