郭曉輝,王晶,楊揚(yáng),張鑫,徐光華

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室, 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)實的下肢主被動康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)研究

郭曉輝1,2,王晶1,2,楊揚(yáng)1,2,張鑫1,2,徐光華1,2

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室, 710049, 西安;2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 710049, 西安)

針對傳統(tǒng)下肢康復(fù)訓(xùn)練中病人參與度低、無法產(chǎn)生主動運(yùn)動意圖等問題,設(shè)計實現(xiàn)了基于虛擬現(xiàn)實的下肢康復(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等軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時通信與反饋處理,結(jié)合虛擬現(xiàn)實場景建模和動畫腳本編輯的方法,通過3D視覺和聽覺等效果作用于患者神經(jīng)中樞,形成信息傳遞的封閉回路,以實現(xiàn)對受損神經(jīng)中樞的主被動協(xié)同刺激,激發(fā)大腦運(yùn)動區(qū)鏡像神經(jīng)元,強(qiáng)化自主運(yùn)動意圖。研究結(jié)果表明,該系統(tǒng)能輔助患者完成主被動模式下的康復(fù)訓(xùn)練,并在訓(xùn)練中為患者提供深度虛擬環(huán)境的視覺交互,大大增強(qiáng)了康復(fù)訓(xùn)練中對受損神經(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);視覺交互;虛擬現(xiàn)實

隨著社會老齡化的加劇,腦卒中發(fā)病率呈上升趨勢。據(jù)統(tǒng)計,我國城鄉(xiāng)居民腦卒中的患病率為每10萬人中約400～700例,致死率為每10萬人中約130例。以我國13億人口計,可推算出每年腦卒中病死者超過150萬例,生存者約為600～700萬[1-2],其中由腦卒中所引發(fā)的下肢運(yùn)動功能障礙的患者占有很大比例。近些年,康復(fù)機(jī)器人的研究成為國際社會研究的新熱點[3],目前下肢康復(fù)訓(xùn)練主要由機(jī)器人通過被動訓(xùn)練幫助患者進(jìn)行步態(tài)運(yùn)動練習(xí)。文獻(xiàn)[4]開發(fā)了名為Lokomat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)練治療方法相互獨立并且單個治療方法功能單一、枯燥,缺乏個性化,過分依賴醫(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)揮患者的主觀能動性,并根據(jù)患者狀態(tài)給予暗示或建議等,將會使康復(fù)效果得到很大提高[13-14]。近年來,虛擬現(xiàn)實(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)練過程中對神經(jīng)中樞的刺激提供了新的途徑,同時也為現(xiàn)代康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供了新的思路[15]。簡言之,虛擬現(xiàn)實是由計算機(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態(tài)視景和實體行為的系統(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)實環(huán)境刺激均只能完成對受損神經(jīng)中樞被動或者主動的刺激。這種由患者克服系統(tǒng)阻尼帶動康復(fù)床運(yùn)動的主動訓(xùn)練模式和由下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)帶動患者患肢重復(fù)運(yùn)動的被動訓(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現(xiàn)對受損神經(jīng)中樞的主被動協(xié)同刺激。

基于以上的社會背景和理論思想,本文針對單自由度下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng),利用3ds Max建模工具和VRP虛擬現(xiàn)實軟件,在Labview、Matlab環(huán)境下構(gòu)建了一個基于虛擬現(xiàn)實的下肢康復(fù)主被動人機(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)動信息作為控制量,用于虛擬場景動畫的控制,然后通過虛擬場景動畫將步態(tài)訓(xùn)練的過程以視覺的形式反饋給患者,幫助患者以更主動、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

本文以腦卒中下肢偏癱患者為康復(fù)對象,利用虛擬現(xiàn)實技術(shù),開展虛擬康復(fù)訓(xùn)練技術(shù)研究。本文設(shè)計的系統(tǒng)應(yīng)能滿足以下要求:

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

(2)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能夠營造沉浸感和現(xiàn)實感較高的虛擬場景;

(3)可實現(xiàn)虛擬場景與康復(fù)床的交互控制,以及場景動畫隨患者協(xié)同運(yùn)動;

(4)能夠安全、穩(wěn)定和長期工作,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)練平臺選擇及控制系統(tǒng)改造

2.1 訓(xùn)練平臺選擇

依據(jù)主被動結(jié)合式的訓(xùn)練模式[17]等研究的實際需求,選購了河南安陽翔宇醫(yī)療設(shè)備有限公司設(shè)計生產(chǎn)的XYKXZFK-9型臥式下肢反饋訓(xùn)練系統(tǒng),實物如圖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)為按需求購置的整機(jī),沒有預(yù)留外部數(shù)據(jù)接口。為實現(xiàn)患者下肢的步態(tài)訓(xùn)練數(shù)據(jù)實時返回,以用于對虛擬現(xiàn)實場景中的人物進(jìn)行控制,需要對康復(fù)床的控制系統(tǒng)進(jìn)行改造,本研究中使用Labview來搭建下肢康復(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

利用串口助手對機(jī)器人的通信串口進(jìn)行測試。通過串口調(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)的控制指令信號和下位機(jī)的返回信號的格式相同,均有起始位、中間位和結(jié)束位3部分正序組成。下位機(jī)返回信號的編碼較為簡單,一組信號由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)練時的角度為28°,右腳角度為3°。

圖3 下位機(jī)返回數(shù)據(jù)編碼結(jié)構(gòu)

基于對下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)的解碼,利用Labview軟件編寫了下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的上位機(jī)控制程序,設(shè)計了相應(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”、“停止”等功能鍵區(qū),患者活動范圍設(shè)置區(qū),運(yùn)動參數(shù)設(shè)置區(qū)和狀態(tài)指示及運(yùn)動曲線顯示區(qū)。其中,活動范圍設(shè)置區(qū)分為2部分,可以針對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)動參數(shù)設(shè)置區(qū)分為3部分:步頻和治療時間部分可以針對不同患者的康復(fù)需求設(shè)置不同的步速和康復(fù)訓(xùn)練時間,真正做到個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)練過程中起到安全保護(hù)性的作用;間歇時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)治療的積極主動的意念,很好地完成運(yùn)動神經(jīng)回路的康復(fù)及其重建。

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

為了更好地對步態(tài)訓(xùn)練的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,以轉(zhuǎn)化為虛擬場景動畫的控制信號,研究中在對反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼顯示后,通過構(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作為客戶端,不斷向上請求接收數(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,建立連接,讀、寫入數(shù)據(jù),關(guān)閉連接等多個函數(shù),可以根據(jù)設(shè)計需求構(gòu)建符合要求的服務(wù)端程序。通過循環(huán)結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)不斷地寫入TCP(傳輸控制協(xié)議),本程序中設(shè)置100 ms的寫入延時作為步態(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的控制信號轉(zhuǎn)換

利用Matlab軟件強(qiáng)大的數(shù)值計算能力,實時接收步態(tài)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的同時完成對其的轉(zhuǎn)換處理,實現(xiàn)控制信號的不斷更新。

3.1 步態(tài)樣本數(shù)據(jù)獲取

要同時獲取當(dāng)前訓(xùn)練時下肢康復(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中對左、右腳的角度值進(jìn)行編碼,以便于TCP在一次通信過程中發(fā)送兩個角度值,同時Matlab接收并將左、右腳的角度值分別開。Labview中角度的編碼格式見圖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。在連接程序構(gòu)建時,使用同一IP地址和端口號。

通過循環(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。通過對樣本矩陣的計算處理得到當(dāng)前運(yùn)動步速,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 步速計算

通過截取步態(tài)樣本矩陣中步態(tài)曲線上最近一個完整步態(tài)的數(shù)據(jù)來計算當(dāng)前步速。定義一個l×3的矩陣A,3列分別為時間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為計數(shù)變量,i=1,2,…,l-1。

由于采樣時間為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。需要對樣本矩陣進(jìn)行去重操作,以便得到無連續(xù)重復(fù)值的新的步態(tài)樣本矩陣A′,但其長度m并不固定,去重過程如下

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

如圖8所示,通過對新樣本矩陣A′中最近一個完整步態(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。

通過以上對左、右腳角度的轉(zhuǎn)換處理,得到了用于對虛擬現(xiàn)實場景動畫的控制信號——行走步速。

圖8 樣本矩陣中的步態(tài)曲線

4 虛擬現(xiàn)實場景的建立

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,在建模過程中涉及的實物模型主要有房屋、街道、車輛、行人、綠化和天空等?；趲缀文Ｐ偷奶摂M建模技術(shù)[18],利用3ds Max和VRP兩種軟件進(jìn)行場景的建模。其中3ds Max負(fù)責(zé)單個虛擬實體的建模,VRP將各個實體集成,創(chuàng)建環(huán)境燈光、相機(jī)等,虛擬場景如圖9所示。

圖9 模型建立的虛擬場景

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

5 主被動協(xié)同刺激訓(xùn)練方法

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

在主動訓(xùn)練模式下,患者克服系統(tǒng)阻尼,主動帶動康復(fù)床運(yùn)動,進(jìn)而使虛擬現(xiàn)實運(yùn)動,此時患肢對受損神經(jīng)中樞的被動刺激可忽略,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)視覺反饋信息調(diào)整自己的運(yùn)動狀態(tài),實現(xiàn)同訓(xùn)練系統(tǒng)的交互,如圖10a所示。此時患者主動康復(fù)訓(xùn)練意念在康復(fù)進(jìn)程中占主導(dǎo)地位。

在被動訓(xùn)練模式下,虛擬現(xiàn)實能夠激發(fā)患者主動參與的意念,同時下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)驅(qū)動患肢的重復(fù)運(yùn)動又形成對神經(jīng)中樞的被動刺激,這二者共同作用于患者受損神經(jīng)中樞的康復(fù)過程。患者獲取反饋信息后,可通過上肢來調(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)主動訓(xùn)練模式

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

6 功能驗證實驗

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投影儀以及主動快門式3D視覺支持系統(tǒng)。根據(jù)康復(fù)過程的實際需要,搭建的虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)驗證實驗

對虛擬現(xiàn)實下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的功能進(jìn)行實驗驗證。選用健康人為被試者,對系統(tǒng)主被動訓(xùn)練狀態(tài)下的交互控制效果和虛擬現(xiàn)實表現(xiàn)效果進(jìn)行測試和評估。

隨機(jī)選取數(shù)名被試者,年齡在23～26歲之間。實驗前,先讓被試者戴上3D眼鏡觀察電腦屏幕產(chǎn)生的虛擬現(xiàn)實場景。觀察2 min左右,以確定其是否會對主動式3D效果產(chǎn)生不適的感覺,然后進(jìn)行必要的準(zhǔn)備后,開始康復(fù)訓(xùn)練測試。

(1)在被動康復(fù)訓(xùn)練過程中,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,以預(yù)設(shè)定步速和角度范圍左、右腳交替運(yùn)動,被試者的步態(tài)曲線呈近似的三角波,如圖12所示。

圖12 被動訓(xùn)練下的步態(tài)曲線

由于在步速計算中采用最近一步的步速并且系統(tǒng)在計算處理過程中產(chǎn)生延時,使得場景中人物動畫相對于訓(xùn)練過程有一定的延時。在被動訓(xùn)練時,由于某一個步速能夠穩(wěn)定維持一段時間,訓(xùn)練速度切換后的延時會在短時間內(nèi)消除,具體數(shù)據(jù)見表1。

從表1可以看出,實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間,使得計算滯后量偏大。從實際測試效果顯示,這并未影響到使用者的總體感受。

表1 被動訓(xùn)練下步速切換后的延時數(shù)據(jù)

由于場景大小和路徑形狀不同,加之被動運(yùn)動模式下訓(xùn)練步速可變,經(jīng)測試,被試者在不同的訓(xùn)練步速下分別走完兩個場景各一次所需的時間如表2所示。

表2 被動模式下不同步速完成一次場景漫游

被動康復(fù)訓(xùn)練結(jié)束后,被試者反映被動訓(xùn)練狀態(tài)下雙腳完全由下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)帶動,心態(tài)更放松,訓(xùn)練過程中注意力可以完全集中于虛擬現(xiàn)實場景,感受下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)驅(qū)動虛擬人物運(yùn)動的過程,但是主動運(yùn)動意念不強(qiáng)。虛擬現(xiàn)實場景比較真實,被試者可以獲得更大的沉浸感和現(xiàn)實感。

(2)在主動康復(fù)訓(xùn)練時,下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)不施加驅(qū)動力,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)動雙腿運(yùn)動。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)動康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)運(yùn)動,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 主動訓(xùn)練下的步態(tài)曲線

主動康復(fù)訓(xùn)練結(jié)束后,被試者反映自己注意力集中于主動運(yùn)動對場景動畫的驅(qū)動效果以及任務(wù)模式,有較強(qiáng)的參與積極性和康復(fù)訓(xùn)練主動性。

通過以上分析可知,本文開發(fā)的基于虛擬現(xiàn)實的下肢主被動康復(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,基本實現(xiàn)了本文的研究目標(biāo),將來需要用下肢偏癱患者進(jìn)一步驗證系統(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)動康復(fù)的新技術(shù),并針對所涉及的軟硬件的工作特點,開發(fā)了主被動虛擬康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)。根據(jù)康復(fù)訓(xùn)練床的運(yùn)動原理和控制系統(tǒng)特點,實現(xiàn)訓(xùn)練狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時反饋;根據(jù)不同軟件的特點和系統(tǒng)設(shè)計的需要,實現(xiàn)狀態(tài)數(shù)據(jù)到交互控制信號的轉(zhuǎn)換;最后根據(jù)需要完成虛擬場景的設(shè)計制作,成功搭建虛擬康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)并完成對其的功能驗證實驗。

當(dāng)前運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練主要是對患者患肢進(jìn)行往復(fù)式被動訓(xùn)練,通過對患肢到大腦的運(yùn)動感知神經(jīng)通道的單向刺激來促進(jìn)神經(jīng)通路的重塑。這種方式效率較低,缺乏對患者參與積極性的維持,缺乏對運(yùn)動控制神經(jīng)通路刺激和主動運(yùn)動意念激發(fā),未能很好地完成運(yùn)動神經(jīng)回路的康復(fù)及其重建。個別科研機(jī)構(gòu)引入虛擬現(xiàn)實技術(shù),但還停留在結(jié)構(gòu)簡單、色彩單一的二維場景,無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)練積極主動性。

本文提出基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的主被動協(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)只能完成對受損神經(jīng)中樞被動或者主動的刺激,營造高度沉浸感和交互性及構(gòu)想性的環(huán)境信息;通過3D視覺和聽覺等效果作用于患者神經(jīng)中樞,實現(xiàn)患者積極主動運(yùn)動意念的激發(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,以實現(xiàn)對受損神經(jīng)中樞的主被動協(xié)同刺激,能夠更好地激發(fā)大腦運(yùn)動區(qū)的鏡像神經(jīng)元,強(qiáng)化自主運(yùn)動意圖。

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。 基金項目:國家“863計劃”資助項目(SQ2013GX03D00128);“香江學(xué)者”人才計劃資助項目(XJ2013045);中國博士后科學(xué)基金資助項目(2014M552431)。

時間: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