張 冬 蕊， 耿 艷 娟，徐 禮 勝，張 秀 峰， 李 光 林 （中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 深圳 518055）（東北大學(xué)中荷生物醫(yī)學(xué)與信息工程學(xué)院 沈陽 110004）（國家康復(fù)輔具研究中心 北京 100176）

摘 要 將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可有效克服傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練方法的局限性，實現(xiàn)安全、舒適和主動的康復(fù)訓(xùn)練。本文設(shè)計并實現(xiàn)了一套虛擬現(xiàn)實手部康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，系統(tǒng)由交互設(shè)備、人機交互軟件和虛擬環(huán)境三部分組成。交互設(shè)備采用wiseglove數(shù)據(jù)手套，而人機交互軟件運用 Visual Studio 2012 作為開發(fā)工具，基于 MFC 編寫，實現(xiàn)了用戶管理、數(shù)據(jù)采集、手勢信號分類、實時手勢識別測試等功能。構(gòu)建的虛擬場景使用 Flash 游戲，通過 MFC 和 Flash 游戲之間通訊使用者能使用手勢信號實現(xiàn)游戲操控。本文的實驗結(jié)果表明：虛擬現(xiàn)實手部康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)能夠指導(dǎo)使用者進(jìn)行有效的手部康復(fù)訓(xùn)練，F(xiàn)lash 康復(fù)訓(xùn)練游戲能有效提高使用者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的積極性和主動性。
關(guān)鍵詞 康復(fù)訓(xùn)練；數(shù)據(jù)手套；虛擬現(xiàn)實；偏癱
Keywords rehabilitation training; data glove; virtual reality; hemiplegia
基金項目：國家科學(xué)基金面上項目(51275101)。
1 引 言
腦卒中(Stroke)是腦中風(fēng)的學(xué)名，它是一種發(fā)病率高、致殘率高、死亡率高的常見難治性疾病，嚴(yán)重威脅著人們的生命安全[1]。我國是世界上腦卒中發(fā)病率較高的地區(qū)。近些年來，雖然隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，我國中風(fēng)幸存者數(shù)量增多，但當(dāng)中仍然約有 75% 患有不同程度的運動功能障礙，尤其是手部的運動功能障礙，嚴(yán)重致殘率高達(dá) 10%[2]。手是大腦功能的延伸，在大量神經(jīng)的支配下，手能完成很多精細(xì)活動與工作，所以手不僅是人重要的勞動器官，還是重要的感覺器官，有著精細(xì)的敏感度[3]。偏癱患者的手部運動功能障礙大大降低了患者的生存質(zhì)量，加重了患者及其家庭的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)和精神負(fù)擔(dān)[2]。
研究表明，運動康復(fù)訓(xùn)練可促進(jìn)偏癱患者自發(fā)性神經(jīng)功能恢復(fù)，有助于偏癱患者恢復(fù)中樞神經(jīng)對肢體運動的支配與控制，還可以防止肌肉“廢用性”萎縮，有助于偏癱患者的肢體運動功能恢復(fù)[4]。因此，物理療法成為臨床中最常用的運動功能康復(fù)訓(xùn)練方法之一。目前，臨床康復(fù)訓(xùn)練一般是按照神經(jīng)發(fā)育的規(guī)律，先從肩關(guān)節(jié)開始，逐漸過渡到肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)和手指功能訓(xùn)練，等肩、肘、腕關(guān)節(jié)功能恢復(fù)后再進(jìn)行手功能訓(xùn)練往往已經(jīng)錯過最佳康復(fù)治療時間，往往使得腦卒中患者偏癱側(cè)的手部運動功能恢復(fù)進(jìn)程緩慢、恢復(fù)效果有限。
根據(jù)大腦皮層可塑性理論，大腦皮層區(qū)的可塑性變化即腦功能重塑，在很大程度上是運動康復(fù)訓(xùn)練的結(jié)果。研究表明，偏癱患者的手部功能的康復(fù)訓(xùn)練應(yīng)該在積極的環(huán)境下進(jìn)行，被動或者不積極的訓(xùn)練，對患者腦功能重塑和手部運動功能的康復(fù)效果很不明顯。所以，偏癱患者在積極的環(huán)境下進(jìn)行正確的手部康復(fù)訓(xùn)練，能加快患者腦功能重塑和手部運動功能恢復(fù)，收到良好的康復(fù)效果[3]。目前國內(nèi)對偏癱患者進(jìn)行的運動功能康復(fù)訓(xùn)練仍然是在治療師的指導(dǎo)下、輔助以訓(xùn)練器械對偏癱患者進(jìn)行一些被動或者輔助的運動訓(xùn)練[5]。這些康復(fù)訓(xùn)練方法有十分明顯的缺點：(1)浪費人力物力，一名康復(fù)治療師無法同時指導(dǎo)多名偏癱患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練；(2)康復(fù)訓(xùn)練比較機械而且枯燥，偏癱患者很少能積極主動參與康復(fù)訓(xùn)練，治療效果不甚理想；(3)偏癱患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的強度和效果不易得到反饋評估。在偏癱患者的運動康復(fù)訓(xùn)練利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是讓患者沉浸在虛擬的環(huán)境中，成為虛擬環(huán)境中的一部分，使用訓(xùn)練的動作和虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，同時虛擬環(huán)境給予偏癱患者實時的視覺反饋，提高偏癱患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的積極性和主動性。本文利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)為偏癱患者進(jìn)行手部運動功能訓(xùn)練設(shè)計合適的手部康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，使患者在訓(xùn)練過程中能沉浸在虛擬環(huán)境中，進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的積極性得到提高，被動治療也變?yōu)橹鲃又委?。虛擬現(xiàn)實技術(shù)同時為患者提了供訓(xùn)練計劃和效果評估。在虛擬現(xiàn)實手部康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)中，交互設(shè)備采用 5DT Data Glove 14 Ultra 數(shù)據(jù)手套，使用 Visual Studio 2012，基于 MFC 編程實現(xiàn)了人機交互軟件，能完成用戶管理、數(shù)據(jù)采集、手勢信號分類、實時手勢分類測試等功能，虛擬環(huán)境的建立采用了 Flash 游戲，通過 MFC 和 Flash 間的通訊使病人能通過手勢進(jìn)行 Flash 游戲控制。虛擬現(xiàn)實手部康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)能夠指導(dǎo)使用者進(jìn)行有效地手部康復(fù)訓(xùn)練，F(xiàn)lash 虛擬現(xiàn)實游戲應(yīng)用于手部康復(fù)訓(xùn)練中變被動訓(xùn)練為主動訓(xùn)練，提高病人進(jìn)行訓(xùn)練的積極性
系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)和原則從系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)來考慮，虛擬現(xiàn)實手部康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)主要由三個部分組成：人機交互設(shè)備、人機交互軟件和虛擬現(xiàn)實環(huán)境。而從患者的實際需求來考慮，由于虛擬現(xiàn)實手部康復(fù)訓(xùn)練的使用者是有手部功能障礙的偏癱患者，他們比常人更加虛弱、更容易受到損傷，所以應(yīng)更多考慮到病人的需求，應(yīng)從安全性、舒適性、主動性三個方面考慮進(jìn)行設(shè)計。下面將詳細(xì)闡述三個系統(tǒng)設(shè)計的原則。

安全性

偏癱患者在使用康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練時能保證安全是康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計是首先要考慮的問題。人機交互設(shè)備使用 5DT Data Glove 14 Ultra，使用時不會對患者造成傷害。另外，系統(tǒng)中包含的手部訓(xùn)練任務(wù)也應(yīng)保證患者在進(jìn)行訓(xùn)練時不會受到傷害。

舒適性

偏癱患者在使用康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練的過程中能否感到放松、舒適，是康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)在設(shè)計時需要重點考慮的問題。例如，穿戴的數(shù)據(jù)手套要舒適，避免給患者帶來過度緊繃或笨重感；人機交互軟件的界面設(shè)計美觀、操作簡單，不會給患者帶來視覺疲勞或操作不便等。

主動性

如何激發(fā)患者主動進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練、提高進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的積極性，是系統(tǒng)設(shè)計的重要內(nèi)容。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)能有效提高患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的主動性和積極性。將虛擬現(xiàn)實集成到康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)中，使患者在虛擬游戲中接受康復(fù)訓(xùn)練運動，如在“虛擬”的世界中完成任務(wù)的同時體會來自真實世界的反饋，變機械枯燥的運動為主動積極的游戲，使偏癱患者享受康復(fù)訓(xùn)練，從而達(dá)到理想的康復(fù)效果。
WISEGLOVE數(shù)據(jù)手套為 12 位 A/D 采樣，最大采樣頻率可達(dá) 120 Hz，具有的主要優(yōu)點有：(1)數(shù)據(jù)手套的制作材質(zhì)為彈性纖維，使用者穿戴舒適，同時彈性大，適用于尺寸大小不同的手；(2)數(shù)據(jù)手套采用的光纖傳感器信號精確敏銳，獲得的數(shù)據(jù)噪聲少，減少了額外濾波對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；(3)提供給用戶的軟件開發(fā)包中包含了接口函數(shù)，用戶能直接訪問數(shù)據(jù)手套采集實時數(shù)據(jù)，極大方便了用戶進(jìn)行二次開發(fā)；(4)數(shù)據(jù)手套的數(shù)據(jù)流遵循 RS-232 協(xié)議，使用 USB 連接方式，方便了應(yīng)用程序開發(fā)。

手勢識別實時測試要求使用者根據(jù)任務(wù)圖片顯示的手勢任務(wù)做出相應(yīng)手勢，每 0.3 秒系統(tǒng)會做一次判斷，判斷使用者是否正確完成任務(wù)圖片顯示的手勢，每個任務(wù)完成的標(biāo)準(zhǔn)是 5 秒內(nèi)至少正確完成 8 次。系統(tǒng)實時的手勢任務(wù)設(shè)計是每 8 個任務(wù)為一組測試，每組中 8 個手勢任務(wù)均以隨機順序出現(xiàn)，整個測試有 15 組，共計 120 個手勢任務(wù)。以上內(nèi)容來自網(wǎng)絡(luò)，如果有疑問請聯(lián)系原作者。