基于虛擬場景的踝關(guān)節(jié)訓(xùn)練軟件系統(tǒng)開發(fā)

王子梅 徐秀林 安美君

摘 要：開發(fā)一種基于虛擬場景的踝關(guān)節(jié)訓(xùn)練軟件系統(tǒng)，利用踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器械，使患者在虛擬環(huán)境中進(jìn)行踝關(guān)節(jié)主動康復(fù)訓(xùn)練，并能對患者進(jìn)行康復(fù)評估。該系統(tǒng)由下位機(jī)硬件和上位機(jī)軟件構(gòu)成。硬件系統(tǒng)基于STM32F103ZET6單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)，MPU6050傳感器采集踝關(guān)節(jié)活動度，通過藍(lán)牙傳至上位機(jī)。軟件系統(tǒng)包括患者信息模塊、虛擬場景訓(xùn)練模塊和人機(jī)交互模塊。采用ADO數(shù)據(jù)接口訪問SQL Server數(shù)據(jù)庫對患者的信息進(jìn)行管理。虛擬場景訓(xùn)練模塊在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++編程語言開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)魔方的虛擬場景構(gòu)建。使用MFC中的編輯框，實(shí)時顯示踝關(guān)節(jié)運(yùn)動角度。系統(tǒng)挑選15名健康正常人為踝關(guān)節(jié)角度測試的受試者，對系統(tǒng)進(jìn)行可靠性測試。結(jié)果顯示， 其組內(nèi)相關(guān)系數(shù)大于0.85，說明系統(tǒng)具有良好的可靠性。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；踝關(guān)節(jié)；康復(fù)訓(xùn)練；康復(fù)評估

DOI：10.11907/rjdk.172769

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）005-0098-04

Abstract：An ankle training software system based on virtual scene was developed to facilitate patients to do active rehabilitation training and make rehabilitation assessment of the ankle in the use of rehabilitation training instrument.The system was composed of lower computer hardware and upper computer software.The hardware system was developed by STM32F103ZET6 microcontroller， with MPU6050 sensors collecting ankle mobility and bluetooth transferring data to the host computer.The software system included patient information module， virtual scene training module and human-computer interaction module.Server database was accessed from ADO interface to manage the patients′ information.The virtual scene training module was developed under the Visual Studio 2010 MFC and DirectX SDK 9.29. Based on the DirectX 11 application program interface and VC++ programming language， it realized the virtual scene construction of the Rubik′s cube.The angle of ankle movement in real time was displayed in the edit box of MFC. The reliability of the system was tested. The results showed that the correlation coefficient was greater than 0.85 and proved that the system had a high reliability.

Key Words：virtual reality； ankle joint； rehabilitation training； rehabilitation evaluation

0 引言

踝關(guān)節(jié)損傷是一種常見的骨關(guān)節(jié)損傷，其發(fā)生率在下肢損傷中居第二位，及時有效地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練是恢復(fù)踝關(guān)節(jié)功能的關(guān)鍵[1-2]。目前，踝關(guān)節(jié)康復(fù)設(shè)備逐漸取代了傳統(tǒng)的人工療法，具有省時、省力的優(yōu)點(diǎn)，能加快患者康復(fù)進(jìn)程。但是，絕大多數(shù)康復(fù)設(shè)備只有一些簡單的運(yùn)動模式，長期進(jìn)行單調(diào)重復(fù)的機(jī)械運(yùn)動，患者感到枯燥無味，不利于患者康復(fù)[3]。

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域，是目前臨床上提高康復(fù)治療效果的有效方法。該技術(shù)通過計算機(jī)模擬出一種虛擬環(huán)境，通過傳感裝置將人的感官與虛擬元素相關(guān)聯(lián)，對虛擬元素進(jìn)行操作，以達(dá)到人機(jī)交互的目的[4-5]。

美國羅格斯大學(xué)設(shè)計開發(fā)了一種踝關(guān)節(jié)康復(fù)設(shè)備，該設(shè)備結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，讓患者在虛擬環(huán)境中進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練[6]。The Rutgers Ankle已經(jīng)被應(yīng)用于臨床試驗(yàn)，給患者帶來有效的康復(fù)訓(xùn)練效果 [7-9]。但是，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要配置獨(dú)立的壓縮機(jī)、價格昂貴的驅(qū)動組件和傳感設(shè)備。在進(jìn)行虛擬康復(fù)訓(xùn)練過程中，缺乏鼓勵機(jī)制和時間設(shè)置，不利于康復(fù)計劃的制定。

本研究開發(fā)一種基于踝關(guān)節(jié)主動訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件由STM32F103ZET6單片機(jī)、MPU6050傳感器和無線藍(lán)牙模塊組成，實(shí)現(xiàn)對踝關(guān)節(jié)運(yùn)動角度的數(shù)據(jù)采集、處理和無線傳輸至上位機(jī)。系統(tǒng)軟件包括患者信息模塊、虛擬場景訓(xùn)練模塊和人機(jī)交互模塊對患者的信息進(jìn)行管理、踝關(guān)節(jié)虛擬魔方訓(xùn)練和康復(fù)評估。通過背景音樂和音效，讓患者在訓(xùn)練過程中心情放松；設(shè)置有訓(xùn)練難度和訓(xùn)練時間參數(shù)，訓(xùn)練過程中采用任務(wù)制和得分制，使患者更好地沉浸在虛擬訓(xùn)練場景中，以增強(qiáng)患者訓(xùn)練的參與度。

1 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集裝置由傳感器MPU6050、單片機(jī)STM32F103ZET6、藍(lán)牙模塊HC-05組成，數(shù)據(jù)采集流程框如圖1所示。

MPU6050傳感器與單片機(jī)STM32F103ZET6統(tǒng)一使用5.0V供電電壓，單片機(jī)通過I2C接口對傳感器加速計和陀螺儀中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，傳輸頻率可以達(dá)到400kHz。I2C為兩線接口，MPU6050傳感器中的數(shù)據(jù)線SDA根據(jù)時鐘線SCL的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[10]。ADO引腳接地，傳感器的設(shè)備地址確定為0xD0。為了消除加速度計瞬時快速變化的信號和抑制陀螺儀積分的漂移，對兩者輸出的角度數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波融合處理[11-12]。HC-05藍(lán)牙模塊把處理后的角度數(shù)據(jù)通過無線的方式傳輸至上位機(jī)，其接口電平為5.0V，選擇從模式狀態(tài)，藍(lán)牙模塊的發(fā)送引腳TXD和接收引腳RXD分別連接單片機(jī)URXD0接收引腳和UTXD0發(fā)送引腳，SET引腳懸空。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件由患者信息模塊和人機(jī)交互模塊構(gòu)成。通過虛擬的魔方場景實(shí)現(xiàn)了患者踝關(guān)節(jié)主動趾屈與背屈運(yùn)動的康復(fù)訓(xùn)練。患者信息模塊實(shí)現(xiàn)了對患者的信息管理，并能對數(shù)據(jù)進(jìn)行增加、刪除、修改和查詢等。人機(jī)交互模塊通過顯示和記錄患者在自主康復(fù)訓(xùn)練過程中，趾屈與背屈運(yùn)動的活動度及最大角度，對患者進(jìn)行踝關(guān)節(jié)康復(fù)評估。

2.1 患者信息管理模塊

患者信息管理模塊使用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫建立患者信息數(shù)據(jù)庫，包括患者編號、姓名、性別、年齡等基本信息。采用ADO技術(shù)訪問數(shù)據(jù)庫，使用SQL語句對患者數(shù)據(jù)庫的信息進(jìn)行新建、查詢和修改等操作，具有訪問快捷、靈活性高、占用內(nèi)存少等特點(diǎn)[13]。

該模塊訪問數(shù)據(jù)的接口封裝成CPatientSet類，使用_ConnectionPtr型的指針變量建立與數(shù)據(jù)庫“patient”的連接；_RecortsetPtr型的指針變量打開“patient”數(shù)據(jù)庫的表“dbo.patientinfo”，顯示出表中的患者信息，完成對數(shù)據(jù)庫的訪問。

信息管理模塊是由當(dāng)前患者信息、列表視圖等組成。使用SQL語句編輯OnBtnAll（）、OnBtnModify（）、OnBtnLookUp（）、OnBtnDelete（）、OnBtnNew（）、OnBtnKeep（）等函數(shù)分別對dbo.patientinfo表中的病患信息進(jìn)行顯示、查找、修改、刪除、新建和保存等操作。

2.2 魔方虛擬場景設(shè)計

本系統(tǒng)虛擬場景開發(fā)的硬件環(huán)境為中央處理器酷睿i3以上、顯卡GTX650及以上、內(nèi)存4GB及以上、硬盤150GB以上；軟件環(huán)境開發(fā)平臺為Visual Studio 2010和DirectX SDK 9.29，基于DirectX 11應(yīng)用程序接口、VC++編程語言和高級著色器語言（High Level Shader Language，HLSL）。

將3個正六面體的魔方作為主要虛擬元素，用踝關(guān)節(jié)的趾屈和背屈運(yùn)動控制魔方的旋轉(zhuǎn)，趾屈運(yùn)動控制魔方向屏幕內(nèi)旋轉(zhuǎn)，背屈運(yùn)動控制魔方向屏幕外旋轉(zhuǎn)，直至3個魔方旋轉(zhuǎn)至相同位置處即可得分。利用DirectX11中Direct3D圖形程序接口的Cube Mapping（立方體映射）實(shí)現(xiàn)天空盒效果。用HLSL編寫渲染文件Shader.fx，將紋理映射到場景中對應(yīng)的位置，文件中包含頂點(diǎn)著色器VSMain（）函數(shù)、像素著色器PSMain（）函數(shù)和采樣器。渲染文件采用SM5.0版本的著色器，實(shí)現(xiàn)將頂點(diǎn)位置輸入VSMain（）函數(shù)，經(jīng)過世界變換、觀察變換和投影變換，輸出新的位置和顏色信息傳遞給PSMain（）函數(shù)，輸出對應(yīng)的像素值。采樣器中選用線性過濾技術(shù)進(jìn)行紋理過濾，采用箝位（clamp）尋址模式對超出[0，1]區(qū)間的紋理坐標(biāo)進(jìn)行處理。

構(gòu)建的虛擬場景如圖2所示，3個魔方和四位數(shù)分?jǐn)?shù)板的繪制，使用笛卡爾左手坐標(biāo)系，圖元類型為三角形，采用頂點(diǎn)緩存的方法。頂點(diǎn)數(shù)組中共有42個頂點(diǎn)緩存，一個魔方需要36個頂點(diǎn)緩存，一個數(shù)字需要6個頂點(diǎn)緩存。每個頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)都包含位置和紋理兩個坐標(biāo)信息，根據(jù)頂點(diǎn)的位置坐標(biāo)在虛擬場景中繪制出對應(yīng)的圖形，實(shí)現(xiàn)中間魔方和分?jǐn)?shù)板中個位數(shù)的繪制。分別對魔方和個位數(shù)的世界矩陣進(jìn)行X軸上的平移變換，繪制出另外兩個魔方和分?jǐn)?shù)板中其它三位數(shù)，相鄰兩個魔方的位置在X軸上相距3.5個單位，得分板上相鄰位數(shù)的數(shù)字在X軸上相距0.3個單位，完成虛擬場景的構(gòu)建。

2.3 人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)

人機(jī)交互界面如圖3所示，采用MFC靜態(tài)分割窗口技術(shù)[14]，重寫OnCreateClient函數(shù)將窗口分割為兩個視圖，分別為人機(jī)交互視圖和虛擬場景視圖。人機(jī)交互視圖包括訓(xùn)練的設(shè)置模塊和人機(jī)交互模塊。在康復(fù)訓(xùn)練過程中，人機(jī)交互模塊實(shí)時顯示患者踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動角度范圍以及趾屈和背屈的最大角度。虛擬場景中魔方旋轉(zhuǎn)是由患者踝關(guān)節(jié)運(yùn)動控制的，當(dāng)腳踝進(jìn)行趾屈（背屈）運(yùn)動時，對應(yīng)的魔方向屏幕內(nèi)（外）旋轉(zhuǎn)，當(dāng)3個魔方的點(diǎn)數(shù)和位置一致時，完成訓(xùn)練任務(wù)得分，并進(jìn)行語音鼓勵。根據(jù)文獻(xiàn)報道的踝關(guān)節(jié)客觀檢查評分表[15]，將患者趾屈和背屈運(yùn)動角度范圍進(jìn)行劃分，不同的角度范圍對應(yīng)魔方不同的旋轉(zhuǎn)角度，如表1所示。

在傳感器處于水平位置時，計算采集400次傳感器輸出的平均值作為零點(diǎn)校正值進(jìn)行零點(diǎn)校正。加速度在X、Y、Z軸的零點(diǎn)偏移值分別為-0.003、 0.002、-0.001；角速度在X、Y、Z軸的零點(diǎn)偏移值分別為1.878、-1.261 5、-0.648。將采集的數(shù)據(jù)減去零點(diǎn)校正值，再進(jìn)行濾波和融合處理，最后獲得正確的踝關(guān)節(jié)角度值。

當(dāng)患者開始訓(xùn)練時，系統(tǒng)設(shè)置通信端口為COM3，波特率為9 600bps、數(shù)據(jù)位為8位、1位停止位、無奇偶校驗(yàn)位，開啟讀寫線程。上位機(jī)處理后得到踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動角度數(shù)據(jù)，在人機(jī)交互模塊中，計算顯示出踝關(guān)節(jié)趾屈與背屈運(yùn)動的最大角度及活動度。踝關(guān)節(jié)角度的計算公式為：

3 可靠性實(shí)驗(yàn)

利用本系統(tǒng)對15名年齡為24±3歲的健康正常人作踝關(guān)節(jié)角度測試。踝關(guān)節(jié)趾屈的測試角度分別為10°、20°、40°；踝關(guān)節(jié)背屈的測試角度分別為5°、15°。在測試過程中，讀取人機(jī)交互模塊趾屈和背屈的角度數(shù)據(jù)，與臨床使用的關(guān)節(jié)活動度量角器的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。

測試時，保持測量環(huán)境安靜舒適、寬敞明亮，避免閑雜人員干擾。受試者心情愉悅、全身處于放松狀態(tài)，為坐立位，屈膝90°，足與小腿呈90°。用標(biāo)準(zhǔn)量角器對各角度進(jìn)行標(biāo)定，將硬件裝置固定在腳背處，踝關(guān)節(jié)進(jìn)行趾屈和背屈運(yùn)動，獲得相應(yīng)的各角度數(shù)值。一周后，在同樣的測試環(huán)境下，重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將兩次測試結(jié)果進(jìn)行分析比較，判斷系統(tǒng)的可靠性。

將踝關(guān)節(jié)兩種狀態(tài)下的兩組測量數(shù)據(jù)輸入SPSS數(shù)據(jù)分析軟件，進(jìn)行兩次測試數(shù)據(jù)的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)分析，如表2所示。測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)測試的踝關(guān)節(jié)趾屈與背屈運(yùn)動角度的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（ICC值）均大于0.85，表明系統(tǒng)具有良好的可靠性。

4 結(jié)語

該虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要用于患者踝關(guān)節(jié)康復(fù)運(yùn)動訓(xùn)練，要求患者的踝關(guān)節(jié)有一定運(yùn)動能力，能夠通過自己的意識控制虛擬場景中的虛擬元素。系統(tǒng)使用的傳感器、主控芯片和藍(lán)牙設(shè)備，可以準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)，并且通過藍(lán)牙通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線傳輸。虛擬訓(xùn)練過程中添加了背景音樂和音效，使患者在放松舒適的環(huán)境下進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練并且對完成任務(wù)的患者給予鼓勵和積分；人機(jī)交互模塊為患者踝關(guān)節(jié)的康復(fù)評估提供參考數(shù)據(jù)。但該系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)訓(xùn)練只對踝關(guān)節(jié)的趾屈與背屈運(yùn)動的相關(guān)運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行了研究，還可進(jìn)一步對踝關(guān)節(jié)的內(nèi)翻、外翻等活動的虛擬場景和人機(jī)交互模塊進(jìn)行研究，以獲取更多踝關(guān)節(jié)運(yùn)動參數(shù)，使患者得到較為全面的踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練、使醫(yī)生獲取更多康復(fù)評估數(shù)據(jù)。這些均有待于進(jìn)一步研究。

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（責(zé)任編輯：江 艷）