上肢康復訓練機器人訓練與康復評估系統設計

孫夢真+喻洪流+符方發

摘要摘要：傳統康復治療需要康復醫師與患者一對一訓練，這種方式耗費大量人力資源，效率低、成本高。隨著機器人、物聯網、人機交互等技術的發展與成熟，智能康復訓練機器人應運而生。在VC++集成環境下，結合MFC、MYSQL數據庫和虛擬現實技術，設計了一個集用戶信息管理、康復評估、康復訓練及生成康復報告等功能模塊為一體的可視化康復評估和訓練系統，用圖形界面操作上肢康復機器人，提高康復訓練的效率并維持患者訓練積極性、趣味性。

關鍵詞關鍵詞：人機交互；康復評估；虛擬現實

DOIDOI：10.11907/rjdk.171048

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）005008303

0引言

腦卒中具有高發病率、高死亡率和高致殘率，偏癱是腦卒中患者最常見的后遺癥，僅有小部分人可以通過治療恢復原狀，行之有效的方法是在病情穩定48小時后，根據功能障礙和康復評價情況，實施康復治療方案[1]。而在日常生活中上肢幫助人們完成近60%～70%的功能，包括抓握/移動物體、使用工具等，由此對上肢功能的恢復極為重要。

臨床上ROM評估多為人工測量，借助通用量角器、方盤量角器、電子量角器等測量工具，0°位是開始位，對于大多數運動，解剖位即為開始位。由于上肢康復機器人自身機械結構特性，加上以往的量表評估方法和機器人訓練參數之間的對應關系，目前還沒有可信的公認的結論可供參考，因此本系統針對上肢康復機器人設計了一套機器適用的ROM評估方法，以便配合康復訓練獲取更好的康復效果。

虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術就是利用物聯網技術，搭建逼真的三維視、聽、觸一體化的虛擬環境，用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬世界自然交互，從而產生身臨其境般的感受和體驗[2]。在康復訓練中，先對患者的自身情況進行客觀康復評估，根據評估結果制定相應強度的康復計劃，虛擬訓練治療方法的互動性與沉浸感可以很好地激勵患者，國內外已有研究證實虛擬現實技術能夠改善腦卒中患者偏癱上肢的運動功能[34]。此外，與傳統康復訓練相比較，虛擬現實游戲具有更高的安全性、舒適性和運動準確性，例如虛擬廚房操作避免了真實廚房操作時發生意外、被物體碰傷及被開水燙傷等危險[5] 。

1總體設計方案

根據需求分析，本系統總體分為康復評估、康復訓練、生成康復報告3個部分，系統模塊結構如圖1所示。

康復醫師登錄后，顯示其名下的患者信息，如果非其名下的患者也可通過搜索獲取信息（同一醫院），同時包括患者基本信息的添加、刪除、修改操作。首次使用設備的患者需要進行康復評估，康復評估由關節活動度（ROM）評估，主動肌力評估和認知功能評估3個模塊組成，康復治療師根據評估結果為患者制定相應的康復計劃，康復游戲按照功能可分為ROM功能恢復訓練、認知功能恢復訓練、ADL恢復訓練，實現整個手臂、肩、肘、腕的多部位康復訓練。此外針對肌力較弱的患者，本系統設計了助力模式和被動訓練模式。生成康復報告模塊對患者的康復評估和康復訓練結果進行分析總結并以圖表形式呈現，同時通過歷史記錄查詢可直觀顯示階段性康復結果。

本系統選用上海理工大學與上海電氣中央研究院合作研發的一款多自由度中央驅動式上肢康復機器人作為實驗樣機，該機器人擁有獨立的機械傳動系統和底層電氣控制系統，可以完成肩關節外展/內收、肩關節屈曲/伸展、肘關節屈曲/伸展、前臂旋前/旋后、腕部橈偏/尺偏、腕部旋前/旋后6個機械自由度的康復訓練，能夠實時檢測患者患肢的肌力和運動范圍，實現被動、助力、主動等康復訓練模式。

2系統數據通信設計

2.1客戶端與上肢康復機器人的串口通信

本系統通過Modbus通信協議實現客戶端與上肢康復訓練機器人之間的通信，通過串口RS485轉USB實現Modbus 協議的串行鏈路通信。Modbus幀格式由地址、功能碼、數據段、校驗碼組成，數據段內容根據主-從或從-主關系可包括寄存器起始地址、寄存器數數據位等。

本系統中主機向從機發送的請求幀格式（主—從）如圖2所示。從機得到請求后向主機發送的響應幀格式（從—主）如圖3所示。

客戶端的編碼實現，首先設置波特率、數據位、奇偶校驗打開串口，客戶端作為Modbus的主站需要處理的事件有：發送請求幀、等待應答、處理應答、處理差錯和等待轉換延遲，對應程序中的實現需要對命令進行數據組包和發送，對接收的命令進行數據解包。以讀指令組包為例：

下位機收到讀指令將返回一條數據包，接收到數據解包后為原始編碼器值，通過進一步解析轉換得到所需要的值，即上肢康復機器人各關節角度值、扭矩值、電機電流值等。客戶端在收到下位機返回的數據時會再次發送讀指令，實現數據的實時傳輸。本系統在自定義的Analysis類中實現數據的解包和轉換。

2.2客戶端與虛擬現實游戲的數據通信

客戶端通過基于（TCP）面向連接的套接字（Socket）方式與游戲進程進行數據通信，Socket是支持TCP/IP協議的網絡通信的基本操作單元，包含連接使用的協議、本地主機的IP地址、本地進程的協議端口、遠地主機的IP地址和遠地進程的協議端口的信息。代碼實現將Socket的創建、綁定、監聽、連接、接收、讀寫、關閉等流程封裝在自定義的ServerSocketHandler類中，便于調用和功能實現。

本系統中客戶端和游戲是兩個不同的進程，客戶端作為Socket server，游戲作為Socket client，通過自定義的通信協議進行數據通信，實現數據傳輸的并發服務，使用的數據幀的基本格式為如圖4所示。

當客戶端調用游戲時開啟Socket Server，游戲打開自動連接服務器進行數據傳輸通信。代碼實現將數據傳輸的操作封裝在自定義的GamePackageAnalyzer類中，包含指令的解析、組包和發送數據內容的設置。

3康復評估模塊設計

不同于臨床診斷，功能檢查和評估對康復治療的影響是貫穿始終的，根據功能評估制定合理的康復治療方案，針對患者功能障礙的變化情況進行調整和修訂，再治療，才能實現功能最大限度恢復，幫助患者提高日常生活能力。本系統從3個角度對患者進行全方位的評估，分別是關節活動度評估、主動肌力評估和認知評估。

認知功能篩查系統錄入了簡易精神狀態檢查量表（MMSE），MMSE因其簡易快速、可操作性強和易被患者接受等突出特點在臨床得到廣泛應用，我國目前臨床使用率最高達82.1%[7]。

關節活動度評估包括主動關節活動度（AROM）評估和被動關節活動度（PROM）評估，AROM可由患者自主完成，PROM必須由治療師幫助完成，評估結束之后會生成報告通過柱狀圖顯示各關節活動度數值，通過量化的指標，方便訓練者進行前后對比，評估康復效果。由評估得到的關節活動度范圍將作為康復訓練游戲的極限范圍，這樣對于活動能力較差的患者不會造成心理落差。ROM評估結果如圖5所示。

主動肌力評估在評估前分別測得機器空載自重、訓練側上肢自重、矢狀面肩肘關節屈伸時的主動肌力，以此確定患者自主訓練的肌力大小，對于肌力較弱的患者，在后面的康復治療計劃中可以選擇助力模式，適當增加輔助，以便充分發揮患者殘存的功能，增加患者對于康復治療的信心。

4虛擬現實游戲訓練模塊設計

康復訓練游戲結合虛擬現實技術，實現視覺、聽覺、觸覺結合，為患者設計了不同難度等級的康復訓練虛擬場景。根據患者的肌力和關節活動度評估結果分為單關節單自由度、單關節多自由度、多關節多自由度康復訓練。根據治療目標可分為ADL和生活質量的康復訓練、認知和情緒障礙的康復訓練、運動機能平衡障礙的康復訓練，在滿足患者感官的同時能夠增強訓練配合度和興趣度激勵患者持續訓練。虛擬訓練游戲設計分類如表1所示。

將虛擬現實游戲引入上肢功能康復訓練[89]的重要一點是要為患者提供生動有趣的虛擬現實游戲項目。經過在上海市第一康復醫院臨床實踐調研，患者以老年人為主，不宜劇烈運動，以免造成二次損傷，此外游戲的設計要考慮到老年人的心智和對游戲場景的接受程度。患者感興趣的虛擬現實游戲通常具有如下特點：一是內容，游戲場景要完整豐富，使患者覺得生動有趣；二是任務明確，獎懲得當。本系統針對以上患者需求設計幾款游戲場景，每款游戲對應Level1-level5不同任務量和場景復雜度。

圖6為患者指定的康復訓練計劃，圖7為接水果游戲圖，測試人員穿戴外骨骼上肢康復機器人，水平移動手臂即可實現籃子左右移動。

5結語

隨著虛擬現實技術、傳感器技術、機器人技術的發展，通過康復機器人輔助訓練以其高效率、高安全性將成為臨床應用的一大趨勢。本系統是為上肢康復機器人設計一個軟件系統，結合虛擬現實技術通過趣味性的訓練增加患者治療的積極性，將評估和康復訓練結果實時保存，并自動生成量化訓練報告，方便前后對比，不僅提高了康復醫師的工作效率，也為患者提供了一個更高效的康復治療模式。

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責任編輯（責任編輯：孫娟）