王子梅，徐秀林，安美君

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

腦卒中是導(dǎo)致人類殘疾的主要原因，也是世界上導(dǎo)致死亡的第2大原因[1]。根據(jù)衛(wèi)生技術(shù)評(píng)估，大約有90%腦卒中患者的幸存者為殘疾，其中很大一部分患者在下肢運(yùn)動(dòng)方面有障礙,給其生活帶來(lái)了巨大的困擾[2]?；颊邆鹘y(tǒng)的治療方式是采用人工的按摩、拔火罐、針灸等結(jié)合一些下肢訓(xùn)練機(jī)器進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，訓(xùn)練過程重復(fù)性高、單調(diào)無(wú)趣，使得患者訓(xùn)練積極性不高，訓(xùn)練效果差[3]。

虛擬場(chǎng)景需要虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持，虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)技術(shù)也稱靈境技術(shù)，出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代[4]。該技術(shù)具有多感知性、存在性、交互性和自主性4個(gè)特點(diǎn)，將其應(yīng)用于下肢康復(fù)訓(xùn)練彌補(bǔ)了傳統(tǒng)康復(fù)治療的缺陷，是目前康復(fù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[5]。結(jié)合虛擬場(chǎng)景的康復(fù)過程中，在生理上給患者提供一種真實(shí)自然的康復(fù)訓(xùn)練環(huán)境，可以使得患者投入到虛擬的環(huán)境中，有種身臨其境的感覺；在心理上增加患者訓(xùn)練的趣味性，提高康復(fù)訓(xùn)練的積極性[6-7]。

2016年Shen等[8]結(jié)合虛擬場(chǎng)景，開發(fā)了一種康復(fù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，提高患者的訓(xùn)練興趣。2014年Zhang等[9]研制了一種基于步態(tài)的下肢康復(fù)機(jī)器人，該機(jī)器人結(jié)合了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)了自由步態(tài)行走的虛擬場(chǎng)景，讓患者有種身臨其境的感覺。2013年Taherifar等[10]針對(duì)于脊髓損傷和中風(fēng)患者，研制了一種新型的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，通過傳感器的數(shù)據(jù)控制虛擬場(chǎng)景中人物的行走速度，讓虛擬環(huán)境與現(xiàn)實(shí)環(huán)境有了很好的結(jié)合，患者訓(xùn)練更有代入感。雖然設(shè)計(jì)了兩個(gè)不同的虛擬場(chǎng)景，但沒有訓(xùn)練時(shí)間的設(shè)置，不利于患者制定訓(xùn)練計(jì)劃。目前，市面上已經(jīng)有許多種類的下肢康復(fù)機(jī)，這些下肢康復(fù)機(jī)器有些雖然結(jié)合了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，但虛擬場(chǎng)景設(shè)置較為單一，沒有挑戰(zhàn)性，患者的參與度較低；缺乏鼓勵(lì)機(jī)制，導(dǎo)致患者訓(xùn)練的主動(dòng)性不高；沒有訓(xùn)練時(shí)間設(shè)置，不利于患者訓(xùn)練計(jì)劃的制定。

本文針對(duì)有一定下肢運(yùn)動(dòng)能力的患者，開發(fā)了一種基于虛擬場(chǎng)景的坐姿下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，可將常規(guī)的訓(xùn)練轉(zhuǎn)化為虛擬現(xiàn)實(shí)的趣味游戲訓(xùn)練，以提高患者下肢的康復(fù)效果。該系統(tǒng)通過獲取患者進(jìn)行主動(dòng)下肢康復(fù)的足底壓力數(shù)據(jù)，控制虛擬環(huán)境中的虛擬元素，當(dāng)達(dá)到一定位置和壓力達(dá)到一定閾值時(shí)，訓(xùn)練得分就會(huì)增加并得到語(yǔ)音鼓勵(lì)，不僅訓(xùn)練了患者的注意力，而且增加患者的參與度、挑戰(zhàn)性和自信心。同時(shí)，醫(yī)生可以根據(jù)患者的實(shí)際情況，對(duì)患者的康復(fù)訓(xùn)練時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，方便了醫(yī)生對(duì)病人康復(fù)計(jì)劃的制定。訓(xùn)練結(jié)束后，對(duì)訓(xùn)練過程中患者左右腳的平均壓力和最大壓力進(jìn)行顯示，該參數(shù)是醫(yī)生對(duì)患者下肢康復(fù)評(píng)估的一個(gè)重要指標(biāo)。

1 系統(tǒng)的構(gòu)成

本系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊和虛擬現(xiàn)實(shí)軟件兩部分組成。數(shù)據(jù)采集模塊利用傳感器采集壓力數(shù)據(jù)，處理后傳至上位機(jī)，對(duì)虛擬場(chǎng)景中的虛擬元素進(jìn)行控制；虛擬現(xiàn)實(shí)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬環(huán)境的搭建，完成與患者的交互。系統(tǒng)原理示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理示意Fig.1 System principle diagram

2 系統(tǒng)的硬件

2.1 傳感器

本系統(tǒng)的力傳感裝置選用的是安徽博通電子科技公司生產(chǎn)的TH4805-Ⅱ踏板力傳感器，如圖2所示。將4個(gè)傳感器分別安裝在雙側(cè)下肢功能訓(xùn)練腳踏板的腳掌和腳跟位置，能夠精確實(shí)時(shí)的檢測(cè)足底腳掌和腳跟的壓力數(shù)據(jù)。

圖2 TH4805-Ⅱ 踏板力傳感器Fig.2 TH4805-Ⅱ pedal force sensor

2.2 數(shù)據(jù)采集卡

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集使用的是研華PCI-1710/U數(shù)據(jù)采集卡，是一款PCI總線多功能數(shù)據(jù)采集卡，如圖3所示。PCI-1710/U包含12-bit A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、16路數(shù)字量輸入、16路數(shù)字量輸出和計(jì)數(shù)器/定時(shí)器5種最重要的測(cè)量和控制功能。本系統(tǒng)采用差分式模擬信號(hào)連接，兩個(gè)增益可編程的輸入通道分別與兩根信號(hào)線連接，降低了系統(tǒng)誤差。為了進(jìn)一步消除共模干擾電壓影響，系統(tǒng)測(cè)量的是兩個(gè)輸入端的電壓差。

圖3 研華PCI-1710/U數(shù)據(jù)采集卡Fig.3 Yanhua PCI-1710/U data acquisition card

3 系統(tǒng)的軟件

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程Fig.4 The flow chart of data acquisition system

3.2 虛擬場(chǎng)景的搭建

本系統(tǒng)的虛擬場(chǎng)景模塊是在Visual Studio 2010的MFC和DirectX SDK 9.29開發(fā)環(huán)境下，基于DirectX 11應(yīng)用程序接口和VC++編程語(yǔ)言[13]完成。虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建主要基于DirectX 11中Direct3D圖形程序接口進(jìn)行圖片的顯示和3D模型的建立，并且可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，對(duì)虛擬元素進(jìn)行控制。虛擬場(chǎng)景的搭建流程如圖5所示。

為了提高3D籃球模型的表面質(zhì)量,采用二十面體來(lái)實(shí)現(xiàn),首先確定二十面體12個(gè)頂點(diǎn)的位置坐標(biāo)，創(chuàng)建頂點(diǎn)數(shù)組position[12] (a=0.525 731f,b=0.850 651f)，如圖6所示。

二十面體由20個(gè)全等的等邊三角形構(gòu)成，每個(gè)三角形有3個(gè)頂點(diǎn)，二十面體共需要60個(gè)頂點(diǎn)。為了節(jié)約系統(tǒng)資源并提高效率,采用頂點(diǎn)緩存和索引緩存結(jié)合的方法繪制圖形，因此,只需要12個(gè)頂點(diǎn)緩存。根據(jù)索引數(shù)組中的索引值提取對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)的位置坐標(biāo),每3個(gè)數(shù)字構(gòu)成一個(gè)三角形。取二十面體的每個(gè)面三條邊的中點(diǎn)，將每個(gè)三角形平分為4個(gè)等邊三角形，取細(xì)分后的頂點(diǎn)映射到球體，該過程重復(fù)5次，后進(jìn)行歸一化處理生成單位球體。

圖5 虛擬場(chǎng)景的搭建流程Fig.5 The flow chart of virtual scene construction

圖6 頂點(diǎn)數(shù)組Fig.6 Vertex array

虛擬場(chǎng)景是用長(zhǎng)方體內(nèi)部的6個(gè)面構(gòu)成的室內(nèi)籃球館背景。場(chǎng)景中繪制的籃球、背景、籃筐和得分板，公用一個(gè)頂點(diǎn)和索引緩存區(qū)。使用對(duì)應(yīng)的虛擬元素在頂點(diǎn)緩存區(qū)的起始位置、索引緩存區(qū)的起始位置和索引總數(shù)，確定該物體的位置。最后，用處理好的紋理圖片一一映射到對(duì)應(yīng)的位置，實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景的搭建。

設(shè)定以第一人稱的視角進(jìn)行投籃，所以虛擬場(chǎng)景中的攝像機(jī)是模擬患者的眼睛。其中，攝像機(jī)的視點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)于人眼的位置，攝像機(jī)的觀察點(diǎn)對(duì)應(yīng)于人眼視覺目標(biāo)點(diǎn)。以左手坐標(biāo)系建立坐標(biāo)，若是人眼處于(0,0,0)的位置，在人眼前方某一點(diǎn)的位置作為籃球的所在位置，投籃時(shí)求得位置變換都是相對(duì)于人眼的,如圖7所示。

圖7 虛擬場(chǎng)景Fig.7 Virtual scene

虛擬場(chǎng)景中的籃球投射出后時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡為一條拋物線，如圖8所示。圖中，A、B兩點(diǎn)分別是投籃前籃球的位置和籃筐的位置，則籃球在z軸方向上的速度vz的計(jì)算公式為

由上式可得

式中:vy為y方向的速度;Z為籃球與籃筐z軸方向的距離;h為籃筐離地板的距離;H為最高點(diǎn)離地板的距離;a為籃球豎直向下時(shí)的加速度;t1為籃球投射出后運(yùn)動(dòng)至距離地板最高點(diǎn)位置所用的時(shí)間;t2為籃球從距離地板最高點(diǎn)位置運(yùn)動(dòng)至籃筐所用的時(shí)間;t為籃球投射出后運(yùn)動(dòng)至籃筐所用的時(shí)間.所以，籃球沿著z軸方向的運(yùn)動(dòng)位移為

籃球沿著y軸方向的運(yùn)動(dòng)位移為

圖8 籃球的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.8 Trajectory of the basketball

3.3 人機(jī)交互

虛擬場(chǎng)景中設(shè)置了難度和時(shí)間兩個(gè)功能，程序運(yùn)行界面如圖9所示，醫(yī)生可以根據(jù)患者的自身情況，安排訓(xùn)練難度和時(shí)間。開始游戲時(shí)，使用SetTime()定時(shí)器獲取設(shè)置的時(shí)間變量m_GameTime的值,進(jìn)入倒計(jì)時(shí)；程序獲取難度變量m_GameLevel的值，難度值越大，籃球與籃筐的距離就越遠(yuǎn)，籃球投入籃筐的難度就越大。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到數(shù)組m_lfFinalData[4]中4個(gè)足底壓力值，控制虛擬環(huán)境中籃球的移動(dòng)方向、移動(dòng)速度和投籃動(dòng)作，壓力值的大小與籃球移動(dòng)的速度成正比，同時(shí)投籃的視角亦隨之變化?；@球與籃筐的碰撞采用AABB碰撞檢測(cè)技術(shù)[14]，投籃成功后得分板分?jǐn)?shù)增加更新，并使用PlaySound()函數(shù)播放鼓勵(lì)語(yǔ)音，增加患者訓(xùn)練的動(dòng)力，激勵(lì)患者繼續(xù)進(jìn)行訓(xùn)練。訓(xùn)練結(jié)束后，分別計(jì)算出訓(xùn)練過程中4個(gè)足底壓力值的最大壓力值和平均壓力值，程序運(yùn)行界面如圖10所示。

圖9 訓(xùn)練難度和時(shí)間設(shè)置模塊Fig.9 Training difficulty and time setting module

足底壓力變化的計(jì)算公式為：

最大壓力Fmax=Max(Fi)

式中，F(xiàn)i為壓力值，i=0,1,2,…,n-1(i為整數(shù)，n為采樣次數(shù))。

圖10 評(píng)估模塊Fig.10 Evaluation module

4 系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)

取一個(gè)10 kg和兩個(gè)20 kg的砝碼，分別對(duì)左右腳踏板進(jìn)行測(cè)試。由于本文是基于坐姿的下肢康復(fù)訓(xùn)練儀器的，足底壓力低于40 kg,所以，分別以10、20、30、40 kg為基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，把相應(yīng)質(zhì)量的砝碼分別放置在左、右腳踏板腳掌和腳跟的位置，采集時(shí)間設(shè)置為1 min，將采集到的壓力與實(shí)際壓力值進(jìn)行比較。經(jīng)過1周后，在同樣的測(cè)試條件下重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，與1周前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS數(shù)據(jù)分析軟件，計(jì)算兩組足底壓力測(cè)試的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(ICC值)，判斷系統(tǒng)的可靠性，見表1、2。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)采集的壓力值和實(shí)際壓力值基本一致，表明該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的采集足底腳掌和腳跟的壓力值。測(cè)試結(jié)果顯示，由表1、2可見，數(shù)據(jù)組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(ICC值)均大于0.9，說明該系統(tǒng)有很好的可靠性。

5 結(jié) 論

1)該系統(tǒng)主要針對(duì)患者進(jìn)行下肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了下肢康復(fù)訓(xùn)練與虛擬場(chǎng)景的交互，系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)說明該系統(tǒng)有很好的可靠性。

表1 砝碼為10、20 kg時(shí)壓力值對(duì)應(yīng)表Table 1 The weights corresponding to the values of pressure at 10 kg and 20 kg

表2 砝碼為30、40 kg時(shí)壓力值對(duì)應(yīng)表Table 2 The weights corresponding to the values of pressure at 30 kg and 40 kg

2)該系統(tǒng)硬件使用的傳感器精度高、運(yùn)行穩(wěn)定，可以準(zhǔn)確的采集數(shù)據(jù)，患者可以通過下肢的運(yùn)動(dòng)控制虛擬場(chǎng)景中的虛擬元素。軟件系統(tǒng)在虛擬場(chǎng)景中增加了背景音樂和音效，使患者更好的融入到虛擬場(chǎng)景中并且對(duì)完成任務(wù)的患者進(jìn)行鼓勵(lì)。醫(yī)生可以根據(jù)評(píng)估模塊中患者訓(xùn)練的數(shù)據(jù)，設(shè)置虛擬場(chǎng)景中的訓(xùn)練難度和時(shí)間，更加有利于患者的下肢康復(fù)。

3)但是，該系統(tǒng)僅僅適用于單個(gè)病人在一個(gè)虛擬環(huán)境中進(jìn)行下肢的康復(fù)訓(xùn)練，只能單獨(dú)的進(jìn)行訓(xùn)練，不能在虛擬的環(huán)境中和其他患者進(jìn)行交流，缺乏互動(dòng)性。在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可以嘗試采用分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)[15]，實(shí)現(xiàn)異地的多名患者參與到同一虛擬環(huán)境中，共同完成同一任務(wù)訓(xùn)練，這樣可以使醫(yī)生獲得在同一訓(xùn)練治療方式下，不同患者獲得的療效情況，這將有待于進(jìn)一步開發(fā)研究。

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