運動反饋虛擬現(xiàn)實四肢康復(fù)系統(tǒng)訓(xùn)練模塊設(shè)計

王俊華，吳珺

1.廣東省第二中醫(yī)院，廣東廣州市510095；2.廣州博愛醫(yī)院，廣東廣州市521006

隨著人口老齡化進程加快，以及生產(chǎn)安全事故、交通事故等致殘因素的影響，腦卒中、腦外傷發(fā)生率居高不下[1-3]。肢體運動功能障礙是腦卒中和腦外傷后的常見癥狀，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量和日常生活能力，并給家庭和社會帶來沉重負擔(dān)[4-5]。

目前國內(nèi)外研發(fā)的肢體康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，一般分為助動康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備和主動康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，前者為機器帶動，如上肢機器人、機器手、步行訓(xùn)練機器人等，通常價格昂貴，且為被動訓(xùn)練，適合肌力0～Ⅱ級的患者；后者多為家具式上肢康復(fù)設(shè)備，如磨砂板、手搖輪等，治療師與患者一對一訓(xùn)練，訓(xùn)練過程枯燥，治療師人力成本高，訓(xùn)練效率也低[6-7]。瑞士Hocoma公司的上肢康復(fù)設(shè)備ArmeoPower及其他單上肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)屬于后者，技術(shù)有進步，但在適用范圍、精準(zhǔn)康復(fù)、虛擬現(xiàn)實、運動反饋及四肢協(xié)調(diào)訓(xùn)練等方面都存在一些問題[8-10]。

本研究設(shè)計一種以上肢康復(fù)訓(xùn)練為主、雙下肢配合訓(xùn)練為輔的四肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)有完善的虛擬現(xiàn)實運動反饋技術(shù)和多種精準(zhǔn)康復(fù)訓(xùn)練方案。

1 總體架構(gòu)

該系統(tǒng)由上肢訓(xùn)練平臺、下肢操作裝置、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、智能評估系統(tǒng)、座椅裝置和設(shè)備底座組成(圖 1)。

圖1 運動反饋虛擬現(xiàn)實四肢訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 上肢訓(xùn)練平臺

上肢訓(xùn)練平臺是四肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的核心構(gòu)件，主要由上肢操作裝置和支撐架組成。上肢操作裝置通過垂直擺動關(guān)節(jié)與支撐架連接，并通過支撐架與設(shè)備底座連接。

上肢操作裝置包括水平旋轉(zhuǎn)運動裝置和鎖定結(jié)構(gòu)(電磁剎車)、垂直擺動運動裝置和鎖定結(jié)構(gòu)，以及在該2個運動裝置上的角度傳感器(圖2、圖3)。

水平旋轉(zhuǎn)運動裝置的旋轉(zhuǎn)軸和鎖定結(jié)構(gòu)在上肢操作裝置的腔體內(nèi)，表面呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)盤和成對設(shè)置操作手柄(圖1)；水平旋轉(zhuǎn)運動繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，最大角度±105°；水平旋轉(zhuǎn)運動通過電磁剎車實施鎖定結(jié)構(gòu)，通過磁滯控制器實現(xiàn)阻尼功能，阻尼0～0.3 N?m可調(diào)。

垂直擺動運動矢狀面繞垂直擺動軸，實現(xiàn)整個上肢操作裝置的上下擺動，擺動角度-38°～+15°；鎖定結(jié)構(gòu)是滑動桿和旋鈕，無阻尼功能。

通過操作兩個鎖定結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)上肢操作裝置的3種工作方式，即水平旋轉(zhuǎn)運動、垂直擺動運動和立體綜合運動。

圖2 上肢操作裝置結(jié)構(gòu)示意圖A

圖3 上肢操作裝置結(jié)構(gòu)示意圖B

患者使用時，一般按以下順序操作。①選擇單或雙手柄：上肢癱瘓重者選擇雙手柄操作，由健側(cè)上肢帶動患側(cè)上肢運動；癱瘓輕者選擇患側(cè)單手柄操作，患側(cè)上肢自主運動；更輕者，除選擇單手柄操作外，還可通過磁滯控制器實現(xiàn)阻尼功能，患側(cè)上肢負重水平旋轉(zhuǎn)運動。②選擇水平旋轉(zhuǎn)運動：通過鎖定垂直擺動運動裝置的鎖定結(jié)構(gòu)，同時放開水平旋轉(zhuǎn)運動裝置的鎖定結(jié)構(gòu)，操作手柄完成水平旋轉(zhuǎn)運動；因有平面支撐上肢，該運動容易完成，故適用上肢癱瘓較重者。③選擇垂直擺動運動：通過鎖定水平旋轉(zhuǎn)運動裝置的鎖定結(jié)構(gòu)，同時放開垂直擺動運動裝置的鎖定結(jié)構(gòu)，操作手柄完成垂直擺動運動；因該項運動有一定負重，故適用上肢癱瘓稍輕者。④選擇立體綜合運動：同時放開水平旋轉(zhuǎn)運動、垂直擺動運動裝置鎖定結(jié)構(gòu)，操作手柄完成立體綜合運動；這項運動難度稍大，需要患者上肢有一定功能，故適用上肢癱瘓輕者。推薦的康復(fù)訓(xùn)練方案見表1。

雙手柄設(shè)計，幫助患者實現(xiàn)健側(cè)上肢帶動患側(cè)上肢運動，增大該設(shè)備使用范圍，一側(cè)上肢肌力0級也可使用。

表1 分級康復(fù)訓(xùn)練方案

1.2 下肢操作裝置

下肢操作裝置包括腳踏板、轉(zhuǎn)動軸、軸承座和角度傳感器，兩腳踏板與轉(zhuǎn)動軸固定連接。腳踏板旋轉(zhuǎn)運動是矢狀面運動，繞其轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，其最大轉(zhuǎn)動范圍為0°～35°。

使用時選擇單或雙腳踏操作。下肢癱瘓重者，選擇雙腳踏操作，健側(cè)下肢帶動患側(cè)下肢腳踝運動；癱瘓輕者選擇患側(cè)單腳踏操作。

通過雙腳踏結(jié)構(gòu)設(shè)計，幫助患者完成下肢踝關(guān)節(jié)矢狀面的屈伸運動，糾正偏癱患者常見的足下垂。更重要的是，通過傳感器和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，雙腳踏運動可以協(xié)調(diào)配合上肢康復(fù)訓(xùn)練。

1.3 底座和座椅

底座用于固定該設(shè)備，一端為顯示屏支架，一端為固定椅座的滑道，中間固定上肢訓(xùn)練平臺的支撐架和下肢操作裝置(圖1)。

座椅由椅底座、支撐桿、訓(xùn)練椅本體組成。座椅可以前后移動，高度通過氣壓或電動調(diào)節(jié)，方向可以旋轉(zhuǎn)?？梢詽M足不同身高患者的需求，并方便癱瘓患者上下。

2 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練系統(tǒng)包括顯示模塊、訓(xùn)練方案模塊與傳感器模塊。

顯示模塊由3塊顯示屏左右連為一體，通過融合技術(shù)作為一個環(huán)形寬大屏幕使用。

圖4 康復(fù)訓(xùn)練界面

虛擬訓(xùn)練方案模塊利用三維圖像生成技術(shù)[11]，構(gòu)建虛擬訓(xùn)練的場景。根據(jù)康復(fù)訓(xùn)練需要，設(shè)計虛擬運動目標(biāo)、虛擬道路或路線、虛擬障礙目標(biāo)等。

傳感器模塊采用PAL58系列13位絕對式單轉(zhuǎn)型光電編碼器(長春三峰光電儀器制造有限公司)，多用于旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)量不超過360°的角度測量，并可直接讀取所對應(yīng)的角度值[12-14]。

患者通過操作手柄、腳踏，實現(xiàn)四肢協(xié)調(diào)運動；利用角度傳感器采集四肢訓(xùn)練的角度信號，實現(xiàn)人機交互。具體訓(xùn)練方式為患者與虛擬運動目標(biāo)和場景的互動，如操縱虛擬運動目標(biāo)，沿著虛擬的道路或路線，碰撞或躲避障礙目標(biāo)，實施四肢功能導(dǎo)向性訓(xùn)練。讓患者置身于環(huán)形寬大屏幕前，增強虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練的視覺效果，提高沉浸感[15]。另外，通過智能算法，實時監(jiān)測患者訓(xùn)練表現(xiàn)，并給予即時運動反饋。

3 精準(zhǔn)康復(fù)訓(xùn)練方案

該系統(tǒng)的訓(xùn)練方案基于患者肢體功能狀態(tài)情況而設(shè)計，由硬件和軟件組成。

康復(fù)訓(xùn)練硬件[16]見表1，提供2種操作方式(單、雙手柄選擇)和3種康復(fù)運動方式(平面選擇、垂直擺動、立體綜合)，共6種康復(fù)訓(xùn)練模式。訓(xùn)練界面如圖4。

確定操作方式、訓(xùn)練模式后，對應(yīng)出現(xiàn)虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練模塊；每個模塊中，又根據(jù)虛擬運動目標(biāo)的速度、道路或路線的彎曲度、障礙目標(biāo)數(shù)量或排放位置，分為容易、中等、較難3個級別。

綜合6種訓(xùn)練方案和3種難易級別，設(shè)備可以為癱瘓患者提供18種康復(fù)訓(xùn)練方案，滿足上肢不同癱瘓程度患者實現(xiàn)肢體精準(zhǔn)康復(fù)訓(xùn)練的需求。

4 討論

只有10%左右上肢和手癱瘓患者能恢復(fù)到具有實用功能的水平，而日常生活中60%～70%的功能動作需要上肢幫助完成，對患者進行上肢功能康復(fù)訓(xùn)練顯得尤為重要[17]。另外，偏癱患者還存在足下垂、四肢運動不協(xié)調(diào)等諸多問題。探索改善癱瘓患者上肢功能障礙和足下垂、四肢運動不協(xié)調(diào)的康復(fù)技術(shù)和設(shè)備，一直是康復(fù)工作者努力研發(fā)的方向。

腦卒中患者的康復(fù)應(yīng)從最簡單的運動開始，首先誘導(dǎo)是肩關(guān)節(jié)內(nèi)收，直到患者手有運動后，再開始其他運動功能訓(xùn)練[18]。另外，偏癱患者僅進行單側(cè)訓(xùn)練是不夠的，還需要訓(xùn)練對側(cè)，尤其應(yīng)該進行雙手協(xié)同訓(xùn)練[19-20]。雙側(cè)對稱性動作讓健側(cè)和患側(cè)同時參與活動，可經(jīng)胼胝體連接激活患側(cè)腦主要動作區(qū)和輔助動作區(qū)，最終左右大腦同時激活，促進兩側(cè)肢體間協(xié)調(diào)能力提高，幫助患側(cè)手達成自主活動的目的[21-22]；腦損傷后，損傷側(cè)半球?qū)?cè)半球的抑制作用減弱，而健側(cè)半球?qū)p傷側(cè)半球的抑制增強，雙上肢同時訓(xùn)練可以使半球之間的抑制正?；痆23-24]。

我們在四肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計中，考慮到盡快“啟動”肢體運動和盡早達到運動功能恢復(fù)，創(chuàng)新性設(shè)計雙手柄、雙腳踏，使雙側(cè)肢體同時訓(xùn)練；提供的虛擬現(xiàn)實運動訓(xùn)練模塊屬于功能導(dǎo)向性訓(xùn)練方案。在虛擬現(xiàn)實方面，我們提供具有較高沉浸感和互動性的技術(shù)：三屏合一的寬大視角環(huán)境；具有沉侵感的3D虛擬現(xiàn)實運動反饋訓(xùn)練場景。我們還提供多達18種康復(fù)訓(xùn)練方案，實施精準(zhǔn)康復(fù)訓(xùn)練。該四肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)已經(jīng)獲得國家發(fā)明專利[25]，并申請國際專利[26]。

四肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)將現(xiàn)有的單上肢訓(xùn)練模式進展到四肢協(xié)調(diào)康復(fù)訓(xùn)練模式，并在虛擬現(xiàn)實、運動反饋、精準(zhǔn)康復(fù)方面做了有益創(chuàng)新。但本系統(tǒng)只針對上肢肩肘和下肢踝關(guān)節(jié)，未涵蓋手和腿的功能訓(xùn)練。本設(shè)備在臨床上初步使用，顯示有較好的康復(fù)效果。下一步將增加手和腿部的訓(xùn)練功能，并進一步驗證其臨床康復(fù)效果。