基于虚拟现实技术的上肢康复训练系统发展现状

翟艺，徐秀林

基于虚拟现实技术的上肢康复训练系统发展现状

翟艺，徐秀林

本文对基于虚拟现实技术的上肢功能康复训练系统的国内外现状进行概述，重点介绍几款发展相对比较成熟的康复系统，针对软件设计部分做出主要说明，分析虚拟场景、虚拟物体及网络远程在上肢康复中的应用，并对虚拟训练技术在康复应用中的问题做出总结，对其发展前景做出展望。

虚拟现实；上肢康复训练系统；手指功能；综述

[本文著录格式]翟艺，徐秀林.基于虚拟现实技术的上肢康复训练系统发展现状[J].中国康复理论与实践,2014,20(10): 908-910.

上肢是人体最复杂的运动器官之一，特别是手在正常运动情况下，接受大量来自神经系统的支配信号，完成众多精细复杂的运动[1]。近年来，随着心脑血管系列并发症发病率的不断升高，脑卒中已成为导致上肢功能受损的一个重要原因[2]。脑卒中患者上肢功能障碍临床主要表现为肩肘关节、掌指关节和指间关节伸展困难，手部屈曲挛缩，握持、对掌、侧捏、对指等精细运动功能丧失[3]。目前，康复疗法除了传统的依靠康复理疗师对患者进行手把手的训练外，还有一些借助康复机器人进行辅助训练。两种情况下患者都只是简单地被动参与，整个训练过程枯燥乏味。

虚拟现实(virtual reality,VR)技术，又称灵镜技术，最早产生于20世纪60年代。Sutherland首次提出包括交互图形显示、力反馈装置以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想[4]。虚拟现实就是利用计算机搭建的虚拟环境，部分或全部取代现实生活中的真实环境，利用传感及运动跟踪技术实现用户与虚拟世界的自然交互[5]。合理的虚拟环境的设置及各种形式的信息反馈，可以将繁琐无味的机械性康复训练变得生动形象、趣味盎然。在康复训练中，虚拟训练允许患者对自身的情况进行客观评估，以得到良好的康复效果[6]；并且，患者在虚拟世界中学得的训练技能也可以更好地转化到现实生活中。从第一个功能齐全的头盔显示器系统的出现至今，虚拟现实技术得到了前所未有的发展。在医学领域中应用主要包括虚拟人体、虚拟外科手术的模拟、远程医疗[7]等。

虚拟现实技术在康复中的应用最初集中在对人体肩肘关节的康复训练，随着数据手套[8]及其他手部传感设备的发展，基于虚拟现实的手功能康复训练系统也取得很大发展。临床实验表明，提高康复训练的趣味性，将传统疗法和虚拟现实技术有机地结合在一起，可极大地提高康复训练效果[9]。

1 基于虚拟现实的上肢康复训练系统的研究现状

1.1 国外现状

美国的康复事业一直走在世界前列。在上肢康复训练装置中应用最多的是麻省理工手(Massachusetts Institute of Technology—Manus,MIT-MANUS)[10]。该系统已有十多年的临床应用。在此基础上有学者对其融入虚拟游戏训练[11]，但并没有将此技术产业化。斯坦福大学研发的系列上肢康复机器人系统[12]，分别实现了从单关节两个自由度到多自由度、从平面到三维空间的运动，利用虚拟现实技术制作简单虚拟游戏、搭建远程康复平台。此系统初步实现了虚拟现实技术在康复中的应用，但没有做深入的研究。

罗格斯大学开发了一套名为Rutgers ArmⅡ的康复训练系统[13]，主要用来控制人体腕关节掌屈、背伸及掌指关节的屈、伸。该系统由红外线视觉跟踪模块、重力模块和基于个人电脑(PC机)的虚拟现实游戏模块组成，通过采集跟踪模块的运动数据实现与虚拟环境的交互，进行虚拟游戏的训练。游戏的设置分别对患者手眼的协调能力、手臂的运动速度、手掌的握力与控制力、手臂的耐力和肩关节的运动范围进行训练。重力模块则可以在虚拟环境中给患者以真实的触觉反馈，增加患者感觉的真实性，增强患者的沉浸感，使得训练更加丰富有趣。此系统经多名脑卒中后期患者的测试，并由治疗师对患者康复状况进行评估[14]，证明了系统的有效性。

新泽西理工大学的Adamovich等设计出一种针对手指功能训练的基于虚拟现实的三维康复训练系统[15-16]，利用自设计的数据手套(haptic master)实现患者和虚拟环境的交互。利用C++编程构建三维虚拟环境，根据不同虚拟任务的模拟分别对患者不同的部位进行康复训练，患者通过数据手套控制虚拟环境中虚拟物体的运动。其中物体抓放可以对肩部、肘部的运动速度和精确度进行分析；摆放茶具则可以对人手的运动范围和精确度进行训练；而在接球游戏中，患者可以通过与计算机竞赛的方式挑战功能运动的协调性。该系统可以在线调控以适应不同患者的训练情况；同时，康复医师还可以同时对多个患者进行远程指导训练。此训练系统增强了患者训练的主动性，提高了患者的积极性，对手功能的训练提供很大帮助，但该系统虚拟任务难度较大，适应于病情较轻的偏瘫患者，而偏瘫程度较高的患者则很难完成训练。

美国芝加哥康复中心Connelly等设计了一种与虚拟现实相结合的气动数据手套(PneuGlove)[17]，以头盔显示器作为显示装置，呈现出立体3D的效果。患者通过数据手套控制虚拟手在规定的时间内抓住并释放在虚拟环境中随机出现的物体，从而实现对患者掌腕关节与掌指关节屈伸运动的训练。利用此系统对两组脑卒中患者做为期6周的对比训练分析，Fugl-Meyer评估表明，虚拟现实技术的应用可以明显提高患者的康复效果。该系统虚拟环境的设计视野比较开阔，但模式比较单一，且无法为患者设置个性化训练。

美国研发的Omini VR商业化康复训练系统[18]，通过3D相机和数据接口将患者的肢体移动信息传递给计算机，并利用图像处理技术，对患者的运动行为进行解析。系统设计了多种虚拟三维训练场景，通过将患者的虚拟形体模拟到特定的环境中，可以使患者在训练的同时忘记训练本身的难度。但该系统并未开发被动训练的模式，患者在疲劳状态下或肢体障碍比较严重的状况下很难完成训练。

其他国家如日本、瑞士、加拿大等也对人体上肢康复做了大量研究。日本岐阜大学的Ueki等研制了基于虚拟现实的多自由度手功能康复训练机器人系统[19]。它共有18个自由度，包括拇指、其他四指、腕关节以及上臂。为提高康复训练效率，该康复系统建立了基于虚拟现实技术的可视化人机交互模式，并根据临床医生的需求设计4种针对性的训练(猜拳游戏、抓捏水果、浇注运动、按球弹琴)，且均采用类似的交互方式。每种训练都综合声音指导、得分反应、状态监控、数据记录等，可以根据患者的训练程度给患者一定的指导和鼓励，提高训练的趣味性和有效性。同时，患者可以使用双边康复数据手套，通过健康手指的运动控制驱动患指，实现实时交互的位置和力觉信息。系统设计了多个虚拟场景以适应不同患者的爱好和兴趣，但整个系统庞大繁杂，造价较高，便携性差，且无法根据患者的康复情况设置训练的难易程度。

日本香川大学研发的自主手指康复训练系统[20]，由两个触觉交互设备(Sensable Phantom Omni,PHANTOM Omni)、一个惯性传感器(Motion Tracker-x,MTx)和计算机组成。PHANTOM Omni、MTx通过神经机械偶合与虚拟环境实现交互。利用MTx可以精确得到手部运动的方向，而PHANTOM Omni则用来读取患者双手的运动位置并且对患者手中的笔施加一定的压力。该系统设计了虚拟力学模型，使得施加力的大小和方向可以随着患者手运动的方向位置的变化而变化。患者通过操纵手中的笔来控制虚拟物体的方向和位置，从而实现对掌指关节及指间关节的康复训练。另外，患者还可以由自己健康的手帮助患侧手进行训练。该设备简便易携，适合家庭训练，具有一定的康复效果，但PHANTOM Omni和MTx sensor的价格较贵，且虚拟场景设计单一，训练模式无法自由设置。

加拿大渥太华大学研发具有触觉反馈数据手套(Cyber-Force)的康复训练系统[21]。该系统的数据手套具有触摸物体的触觉反馈装置，能增强患者对虚拟环境的真实体验，并根据患者的康复程度设计不同难度的虚拟训练环境。①置物架训练：患者调节患侧手控制虚拟手把不同形状的杯子、碗等摆放到双层置物架上。②倒茶训练：患者操控数据手套将茶壶中的水准确倒入水杯中，也可以举起茶杯离开茶托。③盛汤与食物训练：两种训练方式比较类似，把碗中的流食或是不同形状的固体食物盛入勺中。每种训练模式都可以根据患者的具体情况设置难易等级，并经后期临床分析验证[22]，从而证实了系统训练的有效性。但该系统的力反馈数据手套价格昂贵，且无对虚拟场景与物体的渲染，使得整个模拟训练环境过于简单枯燥。

以色列迈拓医疗生产研发的全身运动反馈训练系统包括手指及腕关节训练器(HandTutor)、肘及肩关节训练器(ArmTutor)、膝及髋关节训练器(LegTutor)、全身多关节训练器(3D-Tutor)及康复评估训练软件。利用传感和蓝牙技术将患者上肢运动数据传输至软件端。该系统实现了患者对虚拟训练场景的控制，还能对患者的康复程度进行评估，包括对各关节的运动速度、运动范围进行主、被动对比分析[23]。且系统中的虚拟环境既有平面运动数据的采集，又有三维空间运动的呈现，患者还可以根据自己的康复情况做针对性的训练。多个虚拟训练场景的设计，每种训练都可根据患者需求设定游戏等级，患者可以对自己多次训练结果进行对比，且患者仅可以看到自己的训练状态，做到保护其他患者的隐私。但该系统的被动模式训练的动力是由治疗师人为提供的，无自动控制系统。

1.2 国内现状

国内基于虚拟现实技术的手功能训练系统尚处于初步发展阶段，多数还处于实验室研发状态。如东南大学研发的基于运动想象脑电信号的上肢康复机器人系统[24]，包括基于肢体运动的三维动画和基于虚拟现实的康复训练场景等，主要针对肩、肘、腕关节的康复训练。通过采集在三维动画中的运动想象脑电信号与虚拟训练场景进行信息交换，实现对偏瘫患者的上肢康复训练。利用三维动画对患者运动想象的刺激，提高患者康复训练的积极性；虚拟现实技术对患者康复效果的实时视频及语音反馈，给患者极大的鼓励和信心。但脑电信号采集有一定困难，且缺少针对患者手指功能的特定训练。

中国科学院深圳先进技术研究院开发了一套虚拟现实手部康复训练系统[25]，系统由5DT Data Glove 14 Ultra数据手套、人机交互软件和虚拟环境三部分组成，通过数据手套与人机交互界面实现手势信号分类及实时手势识别(如食指伸展、弯曲、对指、球状抓握等)，虚拟环境的搭建采用Flash游戏。手势识别模块要求患者根据图片提示的手势做出相对应的手势，由系统判断患者成功与否；虚拟游戏模块采用了网络分享“雷霆战机”的Flash游戏，通过MFC(Microsoft Foundation Class)和Flash间的通讯能使患者通过手势进行Flash游戏控制。该系统的训练没有实现三维运动的效果，游戏设置比较简单。

而由北京奥诺康医疗科技有限公司[26]研发的Anokan-VR系统[27]，目前已投放市场。该系统包括六大功能模块：坐姿训练、站姿平衡训练、上肢综合训练、步态行走训练、评估系统和患者数据库。采用3D动作捕捉仪来获取肢体移动信息，通过抠像技术，使患者可在屏幕上看到自己或以虚拟形式出现在设定的虚拟场景中。患者根据屏幕中情景的变化和提示完成各种动作，从而增强训练的趣味性。

国内的研发还不成熟，临床应用的经验相对缺乏，虚拟环境的设计存在很多不足，主要体现在以下方面：①虚拟模式比较单一；②虚拟场景三维效果不佳；③缺乏触觉反馈，真实感不强。

2 总结与展望

基于目前的研究状况，人体上肢康复训练虽然实现了娱乐式的交互训练过程，但虚拟现实技术在康复领域中的应用还存在很多不足：①目前尚缺少统一的康复训练体系，缺乏完整的规范化康复策略；②缺乏针对手指中细小关节的训练；③虚拟场景的三维效果不佳，搭建的虚拟元素比较单薄，患者的沉浸感不强；④与虚拟现实技术本身的发展相距甚远。

由脑卒中造成的上肢功能减退甚至丧失，严重影响患者的生活质量。同时，这些功能障碍又是药物无法治愈的，只能通过康复疗法使其逐渐恢复。而虚拟现实技术本身具有的交互、沉浸和想象的三大特征，可以为患者提供与真实生活相关的虚拟环境，使患者主动参与到训练中来，从枯燥乏味的机械性训练中解脱出来，同时在训练的过程中还可以接受视觉和听觉等信息反馈，使整个训练变得趣味十足。因此，基于虚拟现实技术的康复训练方法是今后康复医疗发展的重要方向之一。

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Status and Development of Upper Limb Rehabilitation Training System Based on Virtual Reality Technology(review)

ZHAI Yi,XU Xiu-Lin.School of Medical Instrument and Food Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China

The paper overviewed the research progress of the upper limb rehabilitation training system based on virtual reality technology,introduced some kinds of rehabilitation system,especially the software design,and the application of virtual scene,virtual object and network remote in the upper limb rehabilitation,and summarized the problem of applications of virtual reality in the rehabilitation and put forward the prospects about it.

virtual reality;upper limb rehabilitation training system;finger function;review

10.3969/j.issn.1006-9771.2014.10.003

R743.3;TP319

A

1006-9771(2014)10-0908-03

2014-06-11

2014-07-18)

上海理工大学医疗器械与食品学院，上海市200093。作者简介：翟艺(1989-)，女，汉族，河南夏邑县人，硕士研究生，主要研究方向：精密医疗器械(医疗软件)。通讯作者：徐秀林，女，教授。E-mail:xxlin100@163.com。