基于個(gè)性化治療方案的康復(fù)訓(xùn)練虛擬環(huán)境設(shè)計(jì)

許偉豪　胡兆勇　何漢武　王俊華

摘要：針對腦卒中患者在康復(fù)訓(xùn)練時(shí)存在的問題，文章提出了基于個(gè)性化治療方案的康復(fù)訓(xùn)練虛擬環(huán)境設(shè)計(jì)的研究。為了適應(yīng)不同康復(fù)需求的患者，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)了多種基于駕駛體驗(yàn)的訓(xùn)練游戲。根據(jù)患者的康復(fù)情況，康復(fù)訓(xùn)練醫(yī)師可以為患者制定治療方案。根據(jù)康復(fù)訓(xùn)練醫(yī)師制定好的治療方案，虛擬環(huán)境自動(dòng)生成以訓(xùn)練動(dòng)作為導(dǎo)向的金幣路徑。

關(guān)鍵詞：康復(fù)訓(xùn)練；虛擬駕駛；虛擬現(xiàn)實(shí)；個(gè)性化治療方案；虛擬環(huán)境設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

隨著國內(nèi)人口急劇的增長、社會(huì)老齡化的加劇，腦卒中發(fā)病率呈上升的趨勢?；颊咭蚰X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(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。很多研究表明，患者在康復(fù)訓(xùn)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(xùn)練興趣和康復(fù)信心，有趣、輕松和愉快的虛擬康復(fù)訓(xùn)練環(huán)境從心理上鼓勵(lì)患者，讓患者更主動(dòng)地參與康復(fù)訓(xùn)練，從而更有效地提高康復(fù)效果。國內(nèi)外的研究者們將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于腦卒中的康復(fù)訓(xùn)練領(lǐng)域，并取得很好的康復(fù)效果，因此本研究設(shè)計(jì)了基于虛擬駕駛體驗(yàn)的康復(fù)訓(xùn)練虛擬環(huán)境，允許康復(fù)治療師根據(jù)患者的康復(fù)階段對訓(xùn)練模式進(jìn)行個(gè)性化選擇，對訓(xùn)練動(dòng)作進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置，將使訓(xùn)練能夠有針對性、有科學(xué)性、有計(jì)劃性地開展。

1 康復(fù)訓(xùn)練的需求分析與設(shè)計(jì)

腦重塑理論和運(yùn)動(dòng)再學(xué)習(xí)理論是康復(fù)醫(yī)學(xué)原理中的兩大理論，為康復(fù)提供了重要的理論依據(jù)。上肢的康復(fù)訓(xùn)練是康復(fù)治療過程中的重要組成部分，本文的上肢康復(fù)訓(xùn)練主要是針對上肢肩、肘關(guān)節(jié)進(jìn)行的康復(fù)訓(xùn)練。根據(jù)腦的重塑理論和運(yùn)動(dòng)再學(xué)習(xí)理論，多次反復(fù)的動(dòng)作訓(xùn)練，讓患者充分體驗(yàn)每一個(gè)簡單動(dòng)作到每一組復(fù)雜動(dòng)作的正常運(yùn)動(dòng)感覺和所需力度，從而促進(jìn)多肌群的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。不斷強(qiáng)化動(dòng)作訓(xùn)練，使中樞神經(jīng)系統(tǒng)重新組織產(chǎn)生新的神經(jīng)傳遞路線，從而逐步實(shí)現(xiàn)人體功能恢復(fù)，最終使患者能恢復(fù)正常的肩、肘關(guān)節(jié)活動(dòng)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(fù)基本的生活自理能力，本文針對上肢具有一定運(yùn)動(dòng)能力的腦卒中患者，設(shè)計(jì)一套上肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)。針對具有一定運(yùn)動(dòng)能力的腦卒中患者的上肢功能障礙特點(diǎn)，康復(fù)訓(xùn)練的虛擬環(huán)境應(yīng)該具備以下兩個(gè)要求：（1）針對肩、肘關(guān)節(jié)活動(dòng)訓(xùn)練，設(shè)置多種訓(xùn)練任務(wù)，有針對性地對患者上肢不同關(guān)節(jié)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練；（2）允許康復(fù)治療師根據(jù)病人的具體情況對病人治療方案進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置，不同的治療方案對應(yīng)不同的康復(fù)訓(xùn)練虛擬場景，以適應(yīng)不同康復(fù)階段的患者，讓上肢康復(fù)訓(xùn)練過程更科學(xué)、更精確地進(jìn)行。

根據(jù)上述的康復(fù)醫(yī)學(xué)理論及需求分析，訓(xùn)練方案就是患者通過操作上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置，進(jìn)行有趣的虛擬駕駛游戲，完成相關(guān)的訓(xùn)練任務(wù)，使上肢在多個(gè)模式的虛擬駕駛游戲中訓(xùn)練上肢肩前屈、后伸、外展、內(nèi)收、肘屈的功能，從而促進(jìn)偏癱側(cè)上肢功能的恢復(fù)。主要需要完成的訓(xùn)練動(dòng)作如圖1所示，a、b、c、d分別是左旋動(dòng)作、右旋動(dòng)作、上抬動(dòng)作和下壓動(dòng)作。

針對上述的上肢肩、肘關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練需求，本研究主要設(shè)計(jì)了3種訓(xùn)練任務(wù)。本研究的訓(xùn)練機(jī)構(gòu)采用由項(xiàng)目組自主研發(fā)的上肢康復(fù)訓(xùn)練駕駛座椅。訓(xùn)練機(jī)構(gòu)主要有兩個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，分別是手柄在水平面的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、訓(xùn)練桌面在垂直方向上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，患者通過操作訓(xùn)練機(jī)構(gòu)，可以讓患者的肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)得到相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。在虛擬訓(xùn)練任務(wù)中，通過得分金幣來引導(dǎo)患者操作訓(xùn)練機(jī)構(gòu)使虛擬駕駛工具沿著設(shè)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(nèi)收和肘屈動(dòng)作。三種訓(xùn)練任務(wù)設(shè)計(jì)如下：（1）汽車駕駛訓(xùn)練任務(wù)。限制康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的上下抬運(yùn)動(dòng)，通過操作訓(xùn)練機(jī)器上的類方向盤手柄機(jī)構(gòu)，結(jié)合虛擬汽車駕駛訓(xùn)練任務(wù)，患者上肢做水平面上的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，主要訓(xùn)練患者的肩關(guān)節(jié)前屈、后伸、外展和內(nèi)收活動(dòng)能力，輔助訓(xùn)練肘關(guān)節(jié)活動(dòng)；（2）飛行駕駛訓(xùn)練任務(wù)。限制康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器的方向盤手柄機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過控制訓(xùn)練機(jī)器上下抬運(yùn)動(dòng)，結(jié)合飛行駕駛訓(xùn)練任務(wù)，患者上肢完成垂直面上的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，主要訓(xùn)練患者肘關(guān)節(jié)屈曲活動(dòng)能力，輔助訓(xùn)練肩關(guān)節(jié)活動(dòng)；（3）綜合駕駛訓(xùn)練任務(wù)。開放訓(xùn)練手柄在水平面和垂直面上兩個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，結(jié)合虛擬飛行駕駛訓(xùn)練任務(wù)，綜合訓(xùn)練患者的肩、肘關(guān)節(jié)活動(dòng)能力。

根據(jù)患者具體的康復(fù)階段，康復(fù)訓(xùn)練師為患者制定個(gè)性化的治療方案，可以讓康復(fù)訓(xùn)練更有針對性、更科學(xué)地進(jìn)行。訓(xùn)練手柄的旋轉(zhuǎn)角度越大，患者訓(xùn)練過程中的肩肘關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍就越大。調(diào)節(jié)好訓(xùn)練動(dòng)作時(shí)間，將會(huì)影響患者訓(xùn)練過程中的動(dòng)作速度。控制好訓(xùn)練動(dòng)作次數(shù)，將會(huì)影響患者訓(xùn)練過程中的運(yùn)動(dòng)量。因此，控制手柄的旋轉(zhuǎn)幅度、旋轉(zhuǎn)時(shí)間和旋轉(zhuǎn)次數(shù)，將會(huì)影響患者的肩肘訓(xùn)練動(dòng)作，如表1所示。分析動(dòng)作影響因素，動(dòng)作旋轉(zhuǎn)角度θ、動(dòng)作時(shí)間t、動(dòng)作次數(shù)N，根據(jù)動(dòng)作的影響因素，設(shè)計(jì)上肢左旋、右旋、上抬和下壓動(dòng)作。治療師為患者設(shè)計(jì)訓(xùn)練動(dòng)作集確定治療方案，通過調(diào)整動(dòng)作集相關(guān)的參數(shù)，訓(xùn)練場景中的金幣會(huì)根據(jù)動(dòng)作集生成新的坐標(biāo)位置，金幣的排布會(huì)形成以動(dòng)作為導(dǎo)向的路徑，患者控制虛擬駕駛工具沿著金幣路徑進(jìn)行碰撞金幣操作，便完成相應(yīng)的訓(xùn)練動(dòng)作。

2 虛擬訓(xùn)練場景設(shè)計(jì)

2.1 場景環(huán)境因素分析

本研究結(jié)合康復(fù)訓(xùn)練的需求，為了提高患者的康復(fù)訓(xùn)練興趣，采用了虛擬駕駛的方式來對患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，極大地豐富了訓(xùn)練任務(wù)。虛擬訓(xùn)練場景包括訓(xùn)練患者上肢水平位左右旋轉(zhuǎn)的汽車駕駛場景、訓(xùn)練患者上肢垂直位上抬下壓的飛行駕駛場景和綜合訓(xùn)練的飛行駕駛場景，同時(shí)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(xùn)練效果。因此，虛擬訓(xùn)練場景包含了比較多駕駛環(huán)境的因素，如道路、汽車、飛機(jī)等，為了減少患者的心理負(fù)擔(dān)、營造一個(gè)輕松的訓(xùn)練環(huán)境，場景增加了很多樹木、花草、天空等環(huán)境因素，同時(shí)配上輕松的音樂和環(huán)境聲音，從而豐富了訓(xùn)練場景的信息反饋。為了更完善訓(xùn)練場景，考慮到訓(xùn)練患者大部分都是老年患者，結(jié)合訓(xùn)練任務(wù)，虛擬環(huán)境增加了操作提示UI和聲音提示，根據(jù)訓(xùn)練得分情況會(huì)有相應(yīng)的聲音激勵(lì)，提高患者的康復(fù)信心。因此訓(xùn)練場景的環(huán)境因素比較多，從場景模型的動(dòng)靜狀態(tài)可以將虛擬場景環(huán)境因素分為動(dòng)態(tài)元素和靜態(tài)元素。虛擬環(huán)境因素分類如圖2所示。

2.2 動(dòng)態(tài)配置以訓(xùn)練動(dòng)作為導(dǎo)向的虛擬環(huán)境

本研究主要采用碰撞金幣的方式來引導(dǎo)患者操作訓(xùn)練設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的肩肘關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練，因此，可以動(dòng)態(tài)配置的動(dòng)態(tài)環(huán)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(xùn)練動(dòng)作的環(huán)境元素。因此本研究重點(diǎn)研究控制虛擬駕駛工具運(yùn)動(dòng)和基于治療方案動(dòng)態(tài)配置以動(dòng)作為導(dǎo)向的金幣路徑的方法。

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

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

金幣路徑要以訓(xùn)練動(dòng)作為導(dǎo)向進(jìn)行排列，當(dāng)患者完成所有的金幣碰撞，即完成康復(fù)訓(xùn)練師給患者制定的訓(xùn)練動(dòng)作要求。治療方案中的訓(xùn)練動(dòng)作有上肢的左旋動(dòng)作、右旋動(dòng)作、上抬動(dòng)作和下壓動(dòng)作，其中動(dòng)作的要求可以用動(dòng)作旋轉(zhuǎn)角度θ、動(dòng)作時(shí)間t、動(dòng)作次數(shù)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(zhuǎn)操作來訓(xùn)練患者的肩關(guān)節(jié)前屈、后伸、外展和內(nèi)收活動(dòng)能力，因此金幣應(yīng)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(xùn)練動(dòng)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(fù)位為一次左旋動(dòng)作/右旋動(dòng)作，定義患者操作手柄完成一次上抬/下壓并且將手柄復(fù)位為一次上抬動(dòng)作/下壓動(dòng)作。汽車駕駛模式中，左旋動(dòng)作單元的金幣排布和右旋動(dòng)作單元的金幣排布如圖3所示，其中圖a是左旋動(dòng)作金幣排列，圖b是右旋動(dòng)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(dāng)前偏移位移；θmax是操作手柄能達(dá)到的最大旋轉(zhuǎn)角度；θL和θR是當(dāng)前設(shè)置的動(dòng)作旋轉(zhuǎn)角度；Vmax是虛擬駕駛工具能達(dá)到的最大速度；TL和TR是患者完成一次動(dòng)作單元所需要的時(shí)間；YL是患者完成一次動(dòng)作單元時(shí)碰撞的兩個(gè)金幣之間的距離。

為了增加康復(fù)訓(xùn)練過程的趣味性，左旋動(dòng)作和右旋動(dòng)作的金幣排序應(yīng)該要有隨機(jī)性，而不是簡單的左右旋動(dòng)作金幣的反復(fù)出現(xiàn)。治療方案中的動(dòng)作參數(shù)有左旋動(dòng)作次數(shù)NL和右旋動(dòng)作次數(shù)NR，可以使用C#程序語言中的Random類的對象產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，通過判斷隨機(jī)數(shù)的奇偶性來確定動(dòng)作類型，從而生成動(dòng)作序列，比如動(dòng)作序列ML，MR，MR，ML，MR…）表示先進(jìn)行左旋訓(xùn)練，接著右旋訓(xùn)練，然后繼續(xù)右旋訓(xùn)練，再左旋訓(xùn)練，直到左旋動(dòng)作完成NL次，右旋動(dòng)作完成NR次。如圖4是生成動(dòng)作序列的算法設(shè)計(jì)流程圖：

根據(jù)動(dòng)作單元中的金幣排列的相關(guān)公式和生成的動(dòng)作序列，可以給場景中的各個(gè)金幣確定位置坐標(biāo)，從而生成以訓(xùn)練動(dòng)作為導(dǎo)向的金幣路徑。飛行駕駛與綜合駕駛康復(fù)訓(xùn)練的金幣路徑設(shè)計(jì)原理跟汽車駕駛訓(xùn)練的一樣，最后汽車駕駛康復(fù)訓(xùn)練金幣路徑示意圖如圖5

所示：

3 虛擬場景運(yùn)行實(shí)例

通過基于個(gè)性化治療方案的康復(fù)訓(xùn)練虛擬環(huán)境設(shè)計(jì)的研究，使用C#語言編程，結(jié)合unity3d引擎虛擬訓(xùn)練場景開發(fā)和winform程序設(shè)計(jì)最終完成了三種訓(xùn)練模式的虛擬環(huán)境設(shè)計(jì)。其中包括訓(xùn)練動(dòng)作參數(shù)設(shè)置的訓(xùn)練任務(wù)選擇界面、汽車駕駛訓(xùn)練模式、飛行駕駛訓(xùn)練模式如圖6、圖7、圖8所示：

4 結(jié)語

本文分析了康復(fù)訓(xùn)練的需求，結(jié)合具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)，進(jìn)行了基于個(gè)性化治療方案動(dòng)態(tài)配置康復(fù)訓(xùn)練虛擬環(huán)境的研究，并開發(fā)出一套康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)。系統(tǒng)的虛擬環(huán)境有三種訓(xùn)練模式，醫(yī)師可以根據(jù)患者的具體情況，設(shè)置動(dòng)作參數(shù)，確定以上肢訓(xùn)練動(dòng)作為導(dǎo)向的治療方案。訓(xùn)練動(dòng)作的個(gè)性化設(shè)置可以適應(yīng)不同康復(fù)需求的患者，多模式的訓(xùn)練游戲還有豐富的視覺和聽覺信息反饋，以提高患者的訓(xùn)練興趣，促進(jìn)患者主動(dòng)訓(xùn)練。

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作者簡介：許偉豪（1991-），男，廣東清遠(yuǎn)人，廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)及可視化。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）