虛擬現實技術在康復訓練中的應用和發展

□戴順孝

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

虛擬現實技術在康復訓練中的應用和發展

□戴順孝

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

分析了傳統康復訓練的局限性，闡述了虛擬現實技術應用于康復訓練的優勢。從專利角度總結了國內外虛擬現實技術在康復訓練領域現有的專利申請情況，并指出虛擬現實技術將發揮越來越大的作用。

1 虛擬現實技術用于康復訓練的科學原理

虛擬現實是一門新興的人機交互技術，它借助計算機和傳感技術構建了一個與現實環境相似的虛擬環境，使患者在這一環境中通過語言、手勢等自然方式，安全地進行功能性交互訓練。虛擬現實系統有3個非常顯著的特征，即交互性、沉浸感和構想[1～3]，可以使醫務工作者在虛擬的場景內通過視、聽、觸覺等多種感官，了解和學習各種實際操作。與此同時，虛擬現實技術能提供精確的測評、輔助、監控、訓練等技術，保證運動康復訓練的有效性。

按照運動訓練的內容分類，虛擬現實在運動康復中主要應用于4個方面:平衡和體態康復訓練、行走運動康復訓練、上下肢康復訓練、日常生活行為康復訓練[4～6]。

2 虛擬現實技術用于康復訓練的優勢

傳統的康復訓練需要專業治療師的指導，通常以治療師的手法操作為主，利用一些簡單的輔助器械，使患者恢復一定的運動和協調能力，這種訓練方法有如下缺點。

（1）耗費較多的人力物力，一名專業治療師只能一對一地指導一名患者，無法滿足當前康復人群的需要。

（2）訓練過程比較單調，不容易引起患者的興趣。

（3）治療場地有限，患者需要在特定的地點，如醫院或康復中心進行訓練。

（4）訓練強度和訓練效果不易評估，隨著康復治療的不斷進行，患者的身體狀況發生變化，其承受的活動量強度也在改變，而傳統的康復訓練無法對患者在訓練過程中的具體數據進行記錄和保存，不利于康復訓練計劃的制訂和調整[7～8]。

利用虛擬現實系統進行運動障礙康復訓練，讓患者在虛擬環境中扮演一個角色，成為虛擬環境中的一部分，通過訓練動作與虛擬環境進行交互，虛擬環境及時給予患者反饋，這種訓練方法的優勢如下。

（1）利用計算機和傳感技術生成的具有多種感官刺激的虛擬環境,可以使人產生一種身臨其境的感覺,接受康復訓練的患者能以自然方式與虛擬環境中的對象進行交互。

（2）計算機通過既定程序說明運動要求,或通過虛擬教練演示規范動作,比真人教練更有耐心，也可保持一致性。患者可以根據自己的情況反復觀察模仿練習，降低康復治療過程對治療師及治療場地的依賴程度。

（3）虛擬現實能簡化訓練任務,減小在真實環境中由錯誤操作導致的危險。

（4）虛擬現實可提供多種形式的反饋信息,根據患者狀態給予鼓勵、暗示或建議等,從而使枯燥單調的康復訓練過程更輕松、有趣和容易，激發患者參與治療過程的積極性，使被動治療變為主動治療。

（5）虛擬現實可以建立運動評估系統，實時數據記錄和數據的可視化反饋便于對康復訓練機器人及對應軟件的訓練方式方法進行前后對比與評估，易于進行運動學跟蹤與評價，從而針對患者個人的實際情況制定恰當的康復訓練計劃。

（6）由于虛擬環境與真實世界的高度相似性,在虛擬環境中習得的運動技能能更好地遷移到現實環境中[9～11]。

3 虛擬現實技術用于康復訓練的專利分布現狀

目前，虛擬現實技術在康復訓練領域的應用成為國內外研究的熱點，并已得到廣泛應用，效果也已由相關研究證實。以下筆者從專利角度概述近年來虛擬現實技術在國內外的發展現狀。

3.1 美國專利

早在20世紀90年代，美國便開始利用虛擬現實技術進行康復訓練研究，并在認知康復領域積累了豐富的專利。2010年后，針對不同認知功能障礙（記憶功能紊亂、空間認知障礙、思維障礙等），專利申請逐漸增多，典型的專利權人包括：美國東北大學、Neuro Kinetics公司、加利福尼亞大學、通用電氣公司、Motorika公司、Motek公司等[12-13]。

Motek公司于 1999年申請的專利US6774885B1，公開了包含運動捕捉裝置的虛擬現實系統。運動捕捉系統可以提供精確、可重復的策略，監視病人的訓練情況，將捕獲的運動數據提供給處理器。顯示系統接收到處理器的指令，將虛擬環境顯示給用戶。運動捕捉裝置的虛擬現實系統還實現了數據的存儲和評價。這項專利對后續技術發展影響深遠。Motek公司在該項專利的基礎上對運動捕捉裝置進行了技術改進，于2008年申請了專利US7931604B2，公開了一種實時計算、測量、記錄患者肌肉力量的方法，并進行了可視化顯示。Motek的專利還引起了Motorika公司、加拿大IA實驗室等專利權人的重視，并進行了技術改進。Motorika公司于2008年申請的專利US20080234113A1公開了一種步態訓練方式，患者可以選擇不同的訓練模式以滿足多個部位的康復訓練和效果評估；加拿大IA實驗室于2006年申請的專利US7699755B2公開了一種將視頻游戲用于康復訓練的方法，在訓練設備和患者之間實現人機交互功能。

美國東北大學的研究涉及上下肢康復訓練裝置，2010年申請的專利US8206267B2公開了一種針對踝關節平衡訓練的虛擬現實裝置，至少包含兩個自由度，如俯仰和滾動，在虛擬的環境中幫助患者反復練習，改變壓力中心，改善雙腳的平衡功能。

3.2 歐洲專利

在歐洲，虛擬現實用于康復訓練領域的相關專利申請集中在歐洲專利局，專利權人相對分散。

蘇黎世大學于2009年申請的專利EP2323602A2公開了一種沉浸式虛擬現實系統，通過頭戴式顯示器、數據手套等配件為患者提供身臨其境的虛擬現實輸出，讓患者看到在相對于用戶視角的正確空間位置中出現的身體部分的虛擬表示。這種沉浸式虛擬現實系統可以根據不同尺寸迅速進行調整，在康復訓練中，患者在顯示器中看到自身胳膊和腿的虛擬表示，通過身體傳感器單元來實際控制胳膊和腿，通過繪制功能可以將所跟蹤的運動從身體傳感器單元轉錄到虛擬肢體。在健康主體中，繪制功能是實際肢體運動到直接虛擬肢體運動的簡單一對一轉錄，而在患者中，繪制功能可以是復雜的非線性功能，包括根據傷害類型和治療階段來輔助或約束具體的運動，還可以使用實際肢體的運動來控制不同的虛擬肢體，這在患者已經完全喪失肢體使用、或完全失去具體肢體的情況下非常有用，這一發明于2009年申請了中國同族專利，值得中國企業重點關注。

3.3 亞洲專利

在亞洲，除了中國，日本、韓國等多個國家也涉及康復訓練領域的虛擬現實技術的研究。

日本人FUJITA KINYA于2000年申請的專利JP2001296951A公開了一種偽步行虛擬現實裝置，通過連續測量髖關節角度，得到正弦波形的實時信息并轉化為步行運動，同時在顯示器上顯示運動圖像。

韓國KNU-INDUSTRY公司于2007年申請的專利KR893669B1公開了一種不依賴于用戶視覺感知的虛擬現實裝置，具有一個固定在機器人手臂一段的旋轉關節，另一端的機器人手臂被連接到一個手柄上，由觸覺站產生虛擬空間立體圖像信息。

3.4 中國專利

在中國，虛擬現實在康復訓練領域的相關專利申請始于2008年，時間上晚于國外發達國家，專利權人主要集中在高校和科研院所，如中國科學院、上海交通大學、燕山大學、東南大學、上海理工大學、中國康復研究中心等，尚未形成企業應用的專利申請趨勢。同時，國外企業在這一領域的中國專利申請數量較少，尚未形成專利布局態勢。因此，國內企業在這一領域開展專利布局具有較好的時機。

中國康復研究中心于 2015年申請的專利CN201510278123公開了一種虛擬現實康復訓練系統，用以解決現有康復訓練系統成本高、占用空間大的問題。該系統包括運動捕捉設備、可移動設備及處理設備，通過將運動捕捉設備和虛擬現實技術相結合，以床旁一體設備為載體，實時跟蹤記錄人體關節活動，并通過三維人物模型顯示人體運動過程，通過視覺、聽覺、本體感覺的生物反饋機制促進腦功能重塑，達到改善患者肢體運動功能的目的。整個系統成本較低，占地面積小，移動方便，高度可調，使用方便，可置于患者床旁合理擺放，并可針對康復早期的臥床患者進行康復訓練，降低康復治療過程中對治療師和治療場地的依賴度，適合國內醫院空間受限、醫護人員不足的現狀。此外，這一系統采用分層和漸進的康復訓練方法，以及訓練和游戲相結合的方式，在提高患者訓練興趣的同時保證訓練質量。目前該項專利申請處于實質審查生效階段，尚未獲得授權。

上海交通大學于2012年申請的專利CN201210271756公開了一種中樞神經損傷患者用多功能復合康復系統。該系統集診斷、處方、治療、評定、存儲于一體，能夠實時、準確地評估患者的損傷程度，根據評估給出遞進式復合康復策略。在該系統中，虛擬現實是復合康復療法的一種運用方式，根據事先設定的任務場景，如野外騎行、城市散步、室內搬運、連線游戲等，實時檢測人體運動信息，通過視聽設備，或壓力、觸覺等感覺器官，實時反饋給患者，并指引患者逐步完成設定任務。虛擬現實由系統控制模塊進行統一調度、控制。根據計算模塊得到的人體運動相關信息控制虛擬現實模塊進行對應場景、對應動作、對應任務指示的顯示和提示等。

4 展望

虛擬現實技術是多媒體技術發展的高境界，將虛擬現實技術應用于運動康復醫療領域,可以有效解決傳統康復訓練方法的局限性，且實際應用已有很大進展。與此同時，虛擬現實技術還存在著很多尚未解決的理論問題和尚未克服的技術障礙，治療效果的評估標準也沒有系統地建立,另一方面，相關設備的成本較高、硬件技術發展的制約都影響著虛擬現實技術的發展。隨著虛擬現實技術的不斷進步，以及這一技術在康復訓練領域的不斷推廣和深入，必將帶來一場影響深遠的康復訓練革命，并推動康復訓練技術日益完善。

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The limitations of traditional rehabilitation training were analyzed,and the advantages of virtual reality technology applied to rehabilitation training were described.From the patent angle,gave a summary on the existing patent applications in the field of rehabilitation training with virtual reality technology both at home and abroad,and pointed out that virtual reality technology would play an ever-important role.

虛擬現實；康復訓練；專利；應用；發展

VirtualReality；Rehabilitation Training；Patent；Application；Development

TH122；TP242

A

1672-0555（2016）04-060-04

2016年8月

戴順孝（1985—），女，碩士，工程師，主要從事知識產權研究、專利檢索與分析等工作