基于個性化治療方案的康復訓練虛擬環境設計

許偉豪　胡兆勇　何漢武　王俊華

摘要：針對腦卒中患者在康復訓練時存在的問題，文章提出了基于個性化治療方案的康復訓練虛擬環境設計的研究。為了適應不同康復需求的患者，采用虛擬現實技術設計了多種基于駕駛體驗的訓練游戲。根據患者的康復情況，康復訓練醫師可以為患者制定治療方案。根據康復訓練醫師制定好的治療方案，虛擬環境自動生成以訓練動作為導向的金幣路徑。

關鍵詞：康復訓練；虛擬駕駛；虛擬現實；個性化治療方案；虛擬環境設計 文獻標識碼：A

中圖分類號：R496 文章編號：1009-2374（2017）08-0014-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.08.007

隨著國內人口急劇的增長、社會老齡化的加劇，腦卒中發病率呈上升的趨勢。患者因腦卒中而引起的偏癱癥狀對患者和家庭帶來了巨大的影響，給我國經濟發展帶來了沉重的負擔。很多研究表明，患者在康復訓練過程中如果能接受多種形式的信息反饋，將極大地提高患者的訓練興趣和康復信心，有趣、輕松和愉快的虛擬康復訓練環境從心理上鼓勵患者，讓患者更主動地參與康復訓練，從而更有效地提高康復效果。國內外的研究者們將虛擬現實技術應用于腦卒中的康復訓練領域，并取得很好的康復效果，因此本研究設計了基于虛擬駕駛體驗的康復訓練虛擬環境，允許康復治療師根據患者的康復階段對訓練模式進行個性化選擇，對訓練動作進行個性化設置，將使訓練能夠有針對性、有科學性、有計劃性地開展。

1 康復訓練的需求分析與設計

腦重塑理論和運動再學習理論是康復醫學原理中的兩大理論，為康復提供了重要的理論依據。上肢的康復訓練是康復治療過程中的重要組成部分，本文的上肢康復訓練主要是針對上肢肩、肘關節進行的康復訓練。根據腦的重塑理論和運動再學習理論，多次反復的動作訓練，讓患者充分體驗每一個簡單動作到每一組復雜動作的正常運動感覺和所需力度，從而促進多肌群的協調運動。不斷強化動作訓練，使中樞神經系統重新組織產生新的神經傳遞路線，從而逐步實現人體功能恢復，最終使患者能恢復正常的肩、肘關節活動能力。

很多腦卒中患者都失去了基本的生活自理能力，為了讓患者恢復基本的生活自理能力，本文針對上肢具有一定運動能力的腦卒中患者，設計一套上肢康復訓練系統。針對具有一定運動能力的腦卒中患者的上肢功能障礙特點，康復訓練的虛擬環境應該具備以下兩個要求：（1）針對肩、肘關節活動訓練，設置多種訓練任務，有針對性地對患者上肢不同關節進行康復訓練；（2）允許康復治療師根據病人的具體情況對病人治療方案進行個性化設置，不同的治療方案對應不同的康復訓練虛擬場景，以適應不同康復階段的患者，讓上肢康復訓練過程更科學、更精確地進行。

根據上述的康復醫學理論及需求分析，訓練方案就是患者通過操作上肢康復訓練裝置，進行有趣的虛擬駕駛游戲，完成相關的訓練任務，使上肢在多個模式的虛擬駕駛游戲中訓練上肢肩前屈、后伸、外展、內收、肘屈的功能，從而促進偏癱側上肢功能的恢復。主要需要完成的訓練動作如圖1所示，a、b、c、d分別是左旋動作、右旋動作、上抬動作和下壓動作。

針對上述的上肢肩、肘關節康復訓練需求，本研究主要設計了3種訓練任務。本研究的訓練機構采用由項目組自主研發的上肢康復訓練駕駛座椅。訓練機構主要有兩個自由度的旋轉運動，分別是手柄在水平面的旋轉運動、訓練桌面在垂直方向上的旋轉運動，患者通過操作訓練機構，可以讓患者的肩關節和肘關節得到相應的運動。在虛擬訓練任務中，通過得分金幣來引導患者操作訓練機構使虛擬駕駛工具沿著設置好的金幣路徑拾取金幣，從而使患者完成手臂肩前屈、后伸、外展、內收和肘屈動作。三種訓練任務設計如下：（1）汽車駕駛訓練任務。限制康復訓練機構的上下抬運動，通過操作訓練機器上的類方向盤手柄機構，結合虛擬汽車駕駛訓練任務，患者上肢做水平面上的旋轉動作，主要訓練患者的肩關節前屈、后伸、外展和內收活動能力，輔助訓練肘關節活動；（2）飛行駕駛訓練任務。限制康復訓練機器的方向盤手柄機構的旋轉運動，通過控制訓練機器上下抬運動，結合飛行駕駛訓練任務，患者上肢完成垂直面上的旋轉動作，主要訓練患者肘關節屈曲活動能力，輔助訓練肩關節活動；（3）綜合駕駛訓練任務。開放訓練手柄在水平面和垂直面上兩個自由度的旋轉運動，結合虛擬飛行駕駛訓練任務，綜合訓練患者的肩、肘關節活動能力。

根據患者具體的康復階段，康復訓練師為患者制定個性化的治療方案，可以讓康復訓練更有針對性、更科學地進行。訓練手柄的旋轉角度越大，患者訓練過程中的肩肘關節活動范圍就越大。調節好訓練動作時間，將會影響患者訓練過程中的動作速度。控制好訓練動作次數，將會影響患者訓練過程中的運動量。因此，控制手柄的旋轉幅度、旋轉時間和旋轉次數，將會影響患者的肩肘訓練動作，如表1所示。分析動作影響因素，動作旋轉角度θ、動作時間t、動作次數N，根據動作的影響因素，設計上肢左旋、右旋、上抬和下壓動作。治療師為患者設計訓練動作集確定治療方案，通過調整動作集相關的參數，訓練場景中的金幣會根據動作集生成新的坐標位置，金幣的排布會形成以動作為導向的路徑，患者控制虛擬駕駛工具沿著金幣路徑進行碰撞金幣操作，便完成相應的訓練動作。

2 虛擬訓練場景設計

2.1 場景環境因素分析

本研究結合康復訓練的需求，為了提高患者的康復訓練興趣，采用了虛擬駕駛的方式來對患者進行康復訓練，極大地豐富了訓練任務。虛擬訓練場景包括訓練患者上肢水平位左右旋轉的汽車駕駛場景、訓練患者上肢垂直位上抬下壓的飛行駕駛場景和綜合訓練的飛行駕駛場景，同時采用碰撞虛擬金幣的形式來得分，通過分析碰撞金幣的得分情況來評估訓練效果。因此，虛擬訓練場景包含了比較多駕駛環境的因素，如道路、汽車、飛機等，為了減少患者的心理負擔、營造一個輕松的訓練環境，場景增加了很多樹木、花草、天空等環境因素，同時配上輕松的音樂和環境聲音，從而豐富了訓練場景的信息反饋。為了更完善訓練場景，考慮到訓練患者大部分都是老年患者，結合訓練任務，虛擬環境增加了操作提示UI和聲音提示，根據訓練得分情況會有相應的聲音激勵，提高患者的康復信心。因此訓練場景的環境因素比較多，從場景模型的動靜狀態可以將虛擬場景環境因素分為動態元素和靜態元素。虛擬環境因素分類如圖2所示。

2.2 動態配置以訓練動作為導向的虛擬環境

本研究主要采用碰撞金幣的方式來引導患者操作訓練設備進行相應的肩肘關節康復訓練，因此，可以動態配置的動態環境元素主要是得分金幣、UI提示、聲音提示。其中虛擬駕駛工具和金幣路徑是直接影響患者訓練動作的環境元素。因此本研究重點研究控制虛擬駕駛工具運動和基于治療方案動態配置以動作為導向的金幣路徑的方法。

為了簡化虛擬駕駛工具的運動控制，將訓練手柄的左右旋轉操作和上抬下壓的旋轉操作映射為汽車或者飛機的直線運動。以汽車駕駛為例，汽車的左右運動偏移位移公式和速度控制公式為：

式中：Xmax是汽車能達到的最大偏移位移；Xi是汽車的當前偏移位移；θmax是操作手柄能達到的最大旋轉角度；θi是操作手柄的當前旋轉角度，當θi>0時表示右旋動作，否則左旋動作；Vmax是汽車能達到的最大速度；Vi是汽車的當前速度；γmax是操作腳踏板能達到的最大旋轉角度；γi是操作腳踏板的當前旋轉角度，取值范圍是（0≤γi≤γmax）。

金幣路徑要以訓練動作為導向進行排列，當患者完成所有的金幣碰撞，即完成康復訓練師給患者制定的訓練動作要求。治療方案中的訓練動作有上肢的左旋動作、右旋動作、上抬動作和下壓動作，其中動作的要求可以用動作旋轉角度θ、動作時間t、動作次數N來描述。以汽車駕駛模式為例，該模式主要是通過手柄的水平面上的旋轉操作來訓練患者的肩關節前屈、后伸、外展和內收活動能力，因此金幣應分布于汽車前方的左右兩邊。為了讓金幣的排列更好地描述訓練動作，我們定義患者操作手柄完成一次左旋/右旋并且將手柄復位為一次左旋動作/右旋動作，定義患者操作手柄完成一次上抬/下壓并且將手柄復位為一次上抬動作/下壓動作。汽車駕駛模式中，左旋動作單元的金幣排布和右旋動作單元的金幣排布如圖3所示，其中圖a是左旋動作金幣排列，圖b是右旋動作金幣排列。

式中：Xmax是金幣的最大偏移位移；XL和XR是金幣的當前偏移位移；θmax是操作手柄能達到的最大旋轉角度；θL和θR是當前設置的動作旋轉角度；Vmax是虛擬駕駛工具能達到的最大速度；TL和TR是患者完成一次動作單元所需要的時間；YL是患者完成一次動作單元時碰撞的兩個金幣之間的距離。

為了增加康復訓練過程的趣味性，左旋動作和右旋動作的金幣排序應該要有隨機性，而不是簡單的左右旋動作金幣的反復出現。治療方案中的動作參數有左旋動作次數NL和右旋動作次數NR，可以使用C#程序語言中的Random類的對象產生隨機數，通過判斷隨機數的奇偶性來確定動作類型，從而生成動作序列，比如動作序列ML，MR，MR，ML，MR…）表示先進行左旋訓練，接著右旋訓練，然后繼續右旋訓練，再左旋訓練，直到左旋動作完成NL次，右旋動作完成NR次。如圖4是生成動作序列的算法設計流程圖：

根據動作單元中的金幣排列的相關公式和生成的動作序列，可以給場景中的各個金幣確定位置坐標，從而生成以訓練動作為導向的金幣路徑。飛行駕駛與綜合駕駛康復訓練的金幣路徑設計原理跟汽車駕駛訓練的一樣，最后汽車駕駛康復訓練金幣路徑示意圖如圖5

所示：

3 虛擬場景運行實例

通過基于個性化治療方案的康復訓練虛擬環境設計的研究，使用C#語言編程，結合unity3d引擎虛擬訓練場景開發和winform程序設計最終完成了三種訓練模式的虛擬環境設計。其中包括訓練動作參數設置的訓練任務選擇界面、汽車駕駛訓練模式、飛行駕駛訓練模式如圖6、圖7、圖8所示：

4 結語

本文分析了康復訓練的需求，結合具有兩個旋轉自由度的上肢康復訓練機構，進行了基于個性化治療方案動態配置康復訓練虛擬環境的研究，并開發出一套康復訓練系統。系統的虛擬環境有三種訓練模式，醫師可以根據患者的具體情況，設置動作參數，確定以上肢訓練動作為導向的治療方案。訓練動作的個性化設置可以適應不同康復需求的患者，多模式的訓練游戲還有豐富的視覺和聽覺信息反饋，以提高患者的訓練興趣，促進患者主動訓練。

參考文獻

[1] 趙軍，張通，李冰潔，等.強制性運動治療腦損傷后

上肢運動功能障礙的療效觀察[J].中華物理醫學與康

復雜志，2006，28（11）.

[2] 周柳，王萸華，劉強，等.虛擬現實技術在運動康復

巾的應用[J].中國組織工程研究與臨床康復，2007，

11（5）.

[3] Riener R，Wellner M，Nef T，et al.A View on

VR-Enhanced Rehabilitation Robotics[J].International

Workshop on Virtual Rehabilitation，2006.

[4] 龔文青，諸強.虛擬現實技術用于運動障礙康復的研

究[J].生物醫學工程學進展，2009，30（4）.

[5] Straker LM，Campbell AC，Jensen Rational LM，

et al.Rational design and methods for a randomized

and controlled trial of the impact of virtual reality games

on motor competence，physical activity，and mental

health in children with developmental coordination

disorder[J].BMC Public Health，2011，11.

[6] 吳毅，劉罡.神經系統可塑性的理論研究與實踐[J].

中華物理醫學與康復雜志，2007，29（4）.

[7] 胡永善.運動療法在腦血管疾病康復中的應用[J].中

國康復醫學雜志，2007，22（12）.

[8] 陳朝陽，王克忠.組織行為學[M].上海：上海財經

大學出版社，2001.

基金項目：廣東省產學研項目資助（編號：2013B090500035）；廣東省科技計劃項目（編號：2013B010102010）；國家青年基金項目（編號：61300106）。

作者簡介：許偉豪（1991-），男，廣東清遠人，廣東工業大學機電工程學院碩士研究生，研究方向：虛擬現實及可視化。

（責任編輯：黃銀芳）