基于虛擬現(xiàn)實(shí)的下肢主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)

李文肖 郭冰菁 韓建海 李向攀 毛永飛

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實(shí); 主動(dòng)康復(fù); 下肢康復(fù)訓(xùn)練; 傳感系統(tǒng); 活動(dòng)度; 足底力

中圖分類號(hào)： TN915.5?34; TP274 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）04?0061?04

Lower limb active rehabilitation training system based on virtual reality

LI Wenxiao1， GUO Bingjing1，2， HAN Jianhan1，2，3， LI Xiangpan1，2， MAO Yongfei1

（1. School of Mechatronics Engineering， Henan University of Science & Technology， Luoyang 471003， China;

2. Key Laboratory of Robotics and Intelligent Systems of Henan Province， Luoyang 471003， China;

3. Collaborative Innovation Center for Machinery Equipment Advanced Manufacturing of Henan Province， Luoyang 471003， China）

Abstract： In allusion to problems of the low participation degree and gradually?losing active motion intention of patients in the traditional lower limb rehabilitation training， a lower limb active rehabilitation training system based on virtual reality is designed. In the system， the inertial measurement unit （IMU） is adopted to acquire and calculate the activity degrees of lower limb joints， which are taken as the motion control signals in the virtual scene. The wireless Bluetooth communication mechanism is established to realize the combination of the lower limb motions of patients with their motion function rehabilitation training actions. The plantar force parameters of affected limbs are obtained by using the multi?point plantar force sensing resistor （FSR） embedded in a shoe， so as to recognize the gait phase periods， which are taken as the data basis of the rehabilitation assessment. The veracity of the acquired rehabilitation data， the real?time performance of interactive communication， and the fluency of the rehabilitation scene operation were verified in the experiment.

Keywords： virtual reality; active rehabilitation; lower limb rehabilitation training; sensing system; activity degree; plantar force

隨著社會(huì)老齡化的加劇，由腦卒中等導(dǎo)致的神經(jīng)損傷引起的下肢功能障礙者逐年增加[1]，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量，給社會(huì)和家庭帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。傳統(tǒng)的康復(fù)治療多采用醫(yī)師手工輔助完成，效率低、康復(fù)過程枯燥，已不能滿足患者的需求[2]。

根據(jù)大腦神經(jīng)可塑性理論、鏡像神經(jīng)元理論和運(yùn)動(dòng)康復(fù)理論，豐富的訓(xùn)練環(huán)境可以促進(jìn)康復(fù)的進(jìn)程[3]，也可以有效地提高患者的訓(xùn)練興趣和積極性，從而提高康復(fù)效率。如德國柏林弗朗霍費(fèi)爾研究所研制Haptic Walker機(jī)器人系統(tǒng)和加拿大蒙特利爾McGill 大學(xué)研究的多自由度反饋的下肢訓(xùn)練器;當(dāng)前的下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備多為在醫(yī)療機(jī)構(gòu)中使用，價(jià)格昂貴[4]，同時(shí)也需要醫(yī)護(hù)人員的協(xié)助，缺乏可供患者使用的家庭便攜式智能康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，不利于患者的自主訓(xùn)練。

針對(duì)康復(fù)治療的家庭化與個(gè)性化需求，本文設(shè)計(jì)一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的便攜式下肢主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，此訓(xùn)練系統(tǒng)有效地提高了患者在康復(fù)訓(xùn)練中的沉浸感，增加了患者的興趣和主動(dòng)性。同時(shí)在穿戴設(shè)備中內(nèi)置多種傳感器，對(duì)康復(fù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)、無線傳輸，基于運(yùn)動(dòng)康復(fù)數(shù)據(jù)信息完成康復(fù)評(píng)估，實(shí)時(shí)了解康復(fù)訓(xùn)練效果。

1 ?總體設(shè)計(jì)方案

此康復(fù)系統(tǒng)基于關(guān)節(jié)矯形器構(gòu)建，包括：嵌入式傳感系統(tǒng)、藍(lán)牙無線通信接口及虛擬康復(fù)訓(xùn)練場(chǎng)景設(shè)計(jì)。傳感系統(tǒng)由微控制器（Micro Controller Unit，MCU）、慣性測(cè)量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）和多點(diǎn)足底壓力傳感器（Force Sensing Resistor，F(xiàn)SR）組成，集成嵌入在矯形器中，如圖1所示。

系統(tǒng)采用PC機(jī)作為上位機(jī)，基于Unity 3D軟件平臺(tái)開發(fā)人機(jī)互動(dòng)游戲[5]。為了滿足便攜要求，數(shù)據(jù)通過無線藍(lán)牙模塊從下肢康復(fù)設(shè)備傳輸?shù)絇C機(jī)，電源模塊采用迷你移動(dòng)電源對(duì)系統(tǒng)供電。患者通過穿戴該系統(tǒng)，利用下肢運(yùn)動(dòng)來控制游戲人物的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)。內(nèi)置的康復(fù)評(píng)估系統(tǒng)讓使用者在鍛煉時(shí)能實(shí)時(shí)了解自身步態(tài)參數(shù)的變化，及時(shí)保持或調(diào)整步態(tài)，以達(dá)到最優(yōu)的訓(xùn)練效果。

2 ?虛擬康復(fù)場(chǎng)景的設(shè)計(jì)與分析

為了滿足不同康復(fù)患者的需求，開發(fā)了難度不同的虛擬訓(xùn)練場(chǎng)景，包括地形設(shè)計(jì)、周圍環(huán)境氛圍設(shè)計(jì)、角色控制器以及腳本驅(qū)動(dòng)等。場(chǎng)景一的行走難度等級(jí)低，患者在路面平坦的大自然環(huán)境下進(jìn)行漫游，此場(chǎng)景具有聽覺反饋，如圖2所示。場(chǎng)景二的行走難度等級(jí)高，營造逼真的森林氣氛，在患者前進(jìn)的道路上會(huì)出現(xiàn)山丘、水溝、樹木以及遮擋視線的水草，患者需要避開出現(xiàn)的各種障礙物，場(chǎng)景中伴有鳥叫聲、流水聲、提示音等聽覺反饋，如圖3所示。內(nèi)置評(píng)價(jià)系統(tǒng)根據(jù)游戲完成時(shí)間及各點(diǎn)足底壓力值來評(píng)價(jià)康復(fù)情況。還具有步態(tài)參數(shù)的顯示，使訓(xùn)練者實(shí)時(shí)了解自身的步態(tài)情況，及時(shí)調(diào)節(jié)糾正，做出準(zhǔn)確的康復(fù)動(dòng)作。虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)場(chǎng)景通過姿態(tài)檢測(cè)單元IMU采集患者的下肢姿態(tài)作為反饋參數(shù)，控制游戲。

3 ?穿戴式傳感系統(tǒng)的構(gòu)建

穿戴式傳感系統(tǒng)由MCU，IMU和FSR構(gòu)建，如圖4所示。3個(gè)IMU模塊分別安裝在患者側(cè)方下肢的大腿、小腿和踝關(guān)節(jié)，用于采集下肢運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息[6];4個(gè)足底壓力傳感器嵌入在鞋墊內(nèi)，采集患肢足底與地面的接觸壓力。通過無線藍(lán)牙把以上運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送到虛擬游戲場(chǎng)景中，控制人物運(yùn)動(dòng)。

3.1 ?關(guān)節(jié)角度的采集

人在正常行走時(shí)，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的生理活動(dòng)范圍如表1所示[7]。這是下肢關(guān)節(jié)角度傳感器選型及其虛擬場(chǎng)景規(guī)劃的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。IMU單元選取姿態(tài)傳感器MPU6050和磁力計(jì)HMC5883，數(shù)據(jù)融合后采集下肢的關(guān)節(jié)角度。MPU6050傳感器內(nèi)部集成了3個(gè)單軸的加速度計(jì)和3個(gè)單軸的陀螺儀，測(cè)量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態(tài)[8]。定義傳感器測(cè)得的翻滾角（ROLL）為繞矢狀軸旋轉(zhuǎn);俯仰角（PITCH）為繞額狀軸旋轉(zhuǎn);偏航角（YAW）為繞垂直軸旋轉(zhuǎn)。加速度計(jì)檢測(cè)的是重力方向的加速度信號(hào)，陀螺儀修正ROLL和PITCH姿態(tài)角度。采用磁力計(jì)HMC5883，利用不同方向地球磁力的變化修正偏航角。

3.2 ?IMU測(cè)量誤差分析

因?yàn)镮MU本身存在的固有誤差和安裝誤差，需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定及誤差補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)時(shí)，按照5°的步長(zhǎng)變化，對(duì)比傳感器實(shí)測(cè)角度與標(biāo)準(zhǔn)角度。以髖關(guān)節(jié)為例，髖關(guān)節(jié)屈伸范圍為-120°～65°，對(duì)應(yīng)髖關(guān)節(jié)處穿戴的IMU單元的俯仰角。兩者由于坐標(biāo)系方向定義相反，IMU傳感器的俯仰角應(yīng)測(cè)范圍為-65°～120°，擴(kuò)大傳感器俯仰角標(biāo)定范圍為-90°～180°。按照上述實(shí)驗(yàn)過程，俯仰角的測(cè)量值與實(shí)際值的誤差值區(qū)間分布見圖5。可以看出，俯仰角在工作范圍在[-90°，180°]內(nèi)誤差范圍為（-3°，2°），達(dá)不到康復(fù)訓(xùn)練中關(guān)節(jié)活動(dòng)度的檢測(cè)精度。

3.3 ?誤差補(bǔ)償

為了減小IMU單元的測(cè)量誤差，采用多項(xiàng)式擬合方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定與誤差補(bǔ)償。根據(jù)最小二乘法擬合原理，以測(cè)量值為自變量，以實(shí)際值為因變量進(jìn)行線性擬合。最小二乘法擬合的線性擬合模型為：

[?（x）=a0+a1x] ?（1）

根據(jù)原始數(shù)據(jù)可形成相應(yīng)的擬合矩陣：

[Ga=y] ? （2）

式中：

[a=（a0，a1）T]; [y=i=0myi，i=0mxiyiT]; [G=m+1i=0mxii=0mxii=0mx2i。]

不同區(qū)間，系統(tǒng)誤差大小不同，分布區(qū)間也不相同，因此按照誤差范圍進(jìn)行分段擬合，分為7個(gè)區(qū)間：

[y=0.994 3x+1.288 6， ? x∈[-90°，-70°]0.992 8x-0.152 4， ? x∈（-70°，-5°]1.036 2x-1.476 2， ? x∈（-5°，10°]1.009 1x+1.325， ? ? ?x∈（10°，60°]0.952 1x+3.302， ? ? x∈（60°，90°]0.989 4x+3.081 2， ?x∈（90°，140°]1.015 7x-3.877 9， ?x∈（140°，180°]]

式中：x為擬合處理前角度;y為擬合處理后角度值，可以直接用于姿態(tài)計(jì)算。俯仰角擬合后的角度誤差圖見圖6。俯仰角擬合后的角度誤差控制在-1°～1°之內(nèi)。

4 ?足底壓力數(shù)據(jù)的采集

足底壓力的大小和分布能夠有效地反映人體步態(tài)的變化[9]，從而可獲取人體的某些生理或病理信息。選用Interlink Electronics公司的薄膜式壓力傳感器，采用超薄柔性材料制作，適合平面采集。根據(jù)偏癱患者足底壓力的分布特點(diǎn)，4個(gè)傳感器分布在腳底的腳跟后側(cè)、腳跟內(nèi)側(cè)、腳中部、第五跖骨[10]，如圖7所示。

5 ?數(shù)據(jù)無線傳輸設(shè)計(jì)

穿戴式傳感系統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)較多，如果為有線傳輸方式，患者穿戴后的運(yùn)動(dòng)不便，因此采用無線藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。選用SPP?CA藍(lán)牙模塊，且具有串行接口，方便實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的串行通信連接。上下位機(jī)通信使用串口發(fā)送Serial.println（ ）腳本，腳本中定義了波特率與通信協(xié)議。下位機(jī)需要發(fā)送關(guān)節(jié)角度、足底壓力數(shù)據(jù)，制定的通信協(xié)議中，數(shù)據(jù)格式如表2所示。

數(shù)據(jù)發(fā)送的開頭使用“！”字符，數(shù)據(jù)間用“#”分開。上位機(jī)使用C#編寫的串口通信函數(shù)實(shí)現(xiàn)接收，在檢測(cè)到開頭標(biāo)志位“！”后，將數(shù)據(jù)使用“#”符號(hào)分割成4個(gè)字節(jié)，使用Read（buf，0，1）進(jìn)行4次逐字節(jié)的讀取，之后再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實(shí)測(cè)值，以數(shù)組形式對(duì)壓力及角度變量保存。

6 ?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

所研發(fā)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)還未做臨床研究，因此以健康人為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。以康復(fù)游戲運(yùn)行時(shí)患者髖關(guān)節(jié)俯仰角的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)為例，髖關(guān)節(jié)屈伸角度設(shè)定范圍為0°～100°。從圖8可知，IMU獲得的實(shí)測(cè)運(yùn)動(dòng)角度與設(shè)定的活動(dòng)范圍相對(duì)應(yīng)，誤差值為-1°～1°，驗(yàn)證了誤差補(bǔ)償方法的有效性，并確定了運(yùn)動(dòng)的步態(tài)周期約為1.2 s。虛擬康復(fù)場(chǎng)景中也能夠準(zhǔn)確地提示患者的運(yùn)動(dòng)，游戲運(yùn)動(dòng)過程連續(xù)流暢和虛擬場(chǎng)景匹配性高。實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)者的注意力集中于虛擬場(chǎng)景及任務(wù)模式上面，有效地增加了康復(fù)興趣和訓(xùn)練的主動(dòng)性，驗(yàn)證了康復(fù)訓(xùn)練虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)的有效性。

在測(cè)試髖關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍同時(shí)，檢測(cè)該受試者的足底壓力。由圖9可以看出支撐相時(shí)間約占58%，擺動(dòng)相約占42%，4個(gè)足底壓力傳感器的測(cè)試值與人腳行走時(shí)的著力點(diǎn)分布對(duì)應(yīng)，正確地體現(xiàn)出了正常人的步態(tài)[11]，步態(tài)周期約為1.2 s，與圖8中觀察到的步態(tài)周期及康復(fù)游戲中的步態(tài)周期值一致。

通過對(duì)穿戴式傳感系統(tǒng)的實(shí)測(cè)，驗(yàn)證了康復(fù)數(shù)據(jù)采集的精度及對(duì)人體康復(fù)過程中步態(tài)參數(shù)檢測(cè)的有效性。為進(jìn)一步臨床康復(fù)治療中對(duì)步態(tài)分析提供了支持，利用獲取的步態(tài)曲線及足底壓力曲線分析患者的步態(tài)周期、步態(tài)相的切換、關(guān)節(jié)活動(dòng)度、行走中的足蹬力等，有效地對(duì)患者康復(fù)進(jìn)行評(píng)估。

7 ?結(jié) ?論

本文構(gòu)建穿戴式傳感系統(tǒng)和基于虛擬現(xiàn)實(shí)的主動(dòng)康復(fù)系統(tǒng)。利用MCU，IMU和FSR傳感器采集下肢障礙患者的姿態(tài)信息，并把其發(fā)送到PC機(jī)的虛擬場(chǎng)景中，與虛擬康復(fù)場(chǎng)景匹配。利用多項(xiàng)式擬合方法對(duì)傳感器誤差進(jìn)行補(bǔ)償，提高了檢測(cè)精度。通過關(guān)節(jié)活動(dòng)度和足底壓力的實(shí)時(shí)檢測(cè)，為步態(tài)分析提供了有效的康復(fù)數(shù)據(jù)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)康復(fù)效果的評(píng)估。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供的實(shí)時(shí)一致反饋對(duì)患者產(chǎn)生了良好的激勵(lì)作用，使患者的注意力更加集中，增加患者的主動(dòng)性與積極性。

注：本文通訊作者為郭冰菁。

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