微美全息科學院：虛擬現(xiàn)實技術在康復機器人中的應用

    近年來，我國老齡化人口比例增加，加上自然災害頻發(fā)，導致肢體功能障礙的患者數(shù)量逐年增加。根據(jù)流行病學數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在中國腦卒中發(fā)病率達120/10萬，顱腦損傷發(fā)病率達 783.3/10萬，脊髓損傷發(fā)病率達20/100萬，其中大約80%的幸存者遺留肢體運動功能障礙。運動功能障礙對患者及患者家庭的生活和工作質量造成嚴重影響，同時對患者的整個家庭造成很大的經(jīng)濟壓力。所以要對患病的人進行及時有效地康復治療，盡快恢復其運動功能，減小病癥帶來的影響。作為納斯達克上市企業(yè)“微美全息US.WIMI”旗下研究機構“微美全息科學院”的科學家們認為，作為治療下肢運動功能障礙的主要療法，運動功能療法通過對患肢進行反復的運動訓練，達到防治肌肉萎縮、增加關節(jié)活動度、增強肌力促進下肢功能恢復的目的。肢體功能恢復至今仍是康復治療的首要任務，也是醫(yī)學界康復研究的重要內容。以下是微美全息科學院的科學與技術的融合性觀點，對虛擬技術在康復領域的應用具有前沿性指導意義。

    背景介紹：

    臨床上，康復醫(yī)師大多是徒手或者借助簡單的輔具對患者進行連續(xù)被動訓練，或者簡單的輔助訓練，反復引導患者下肢運動，刺激大腦皮層相關下肢運動功能區(qū)域的恢復，直到 患者可以獨立完成正�；蛘呲呌谡�常的動作。這種傳統(tǒng)一對一的運動康復療法存在著諸多的不足和局限性：（1）醫(yī)師勞動強度大，導致康復效率降低；（2）單一重復的訓練方法使病人產(chǎn)生消極的情緒，患者消極的治療情緒不利于訓練的進一步展開。（3）康復醫(yī)師無法直接得到客觀的訓練效果，主觀的評價不能全方面反映患者的訓練情況。針對上述的情況，結合下肢康復機器人與虛擬現(xiàn)實技術的訓練系統(tǒng)既可以減輕康復醫(yī)師的勞動強度， 又能增強患者訓練過程中的趣味性。把虛擬現(xiàn)實技術引入到康復治療還是康復醫(yī)學的大膽嘗試，根據(jù)患者的訓練需要，開發(fā)人員通過計算機技術和傳感器技術等手段可以開發(fā)出各種各樣的虛擬場景來配合患者進行訓練。

    虛擬場景有以下特點：真實感極強的場景和視覺、聽覺、觸覺等信息的反饋，很容易讓 患者沉浸在設計的場景中進行訓練。除了具有很高的沉浸性，虛擬場景還可以和患者進行人機交互，患者把自己的主觀意愿融進到虛擬場景中，極大的增強了患者積極參與訓練的信心。 綜上所述，虛擬現(xiàn)實技術應用到下肢康復機器人可以解決傳統(tǒng)運動治療的諸多不足，為康復訓練提供了一種新穎有效的訓練方法。

    計算機技術的快速發(fā)展促使許多新技術的誕生，虛擬現(xiàn)實技術就是其中之一。重復訓練是康復訓練中最基本有效的訓練方法，它是讓患者重新獲得運動能力的重要條件 ，但簡單的重復訓練會使患者產(chǎn)生消極情緒，不利于進一步訓練。相關研究發(fā)現(xiàn)刺激神經(jīng)運動皮質區(qū)可以使患者的運動功能得到恢復。正是基于上述理論，虛擬現(xiàn)實技術應用到康復訓練可以達到重復訓練、正確反饋和激發(fā)訓練積極性等康復訓練要求，使患者更輕松愉悅地參與訓練。

    康復機器人引入虛擬現(xiàn)實技術可以解決傳統(tǒng)康復療法的不足提高康復效果。虛擬現(xiàn)實技術建立的虛擬場景具有友好交互的優(yōu)勢患者與系統(tǒng)可以進行交互，避免因操作不當、運動尺度過大等意外事故的發(fā)生。并且還可以在虛擬場景中設定機械腿運動角度、速度等相關參數(shù)，來貼合患者的康復心理，達到患者在訓練過程中保持樂觀心態(tài)的目的。

    一、虛擬現(xiàn)實技術與康復技術的結合

    把虛擬現(xiàn)實技術應用到下肢康復訓練中要考慮以下幾個方面的問題：虛擬現(xiàn)實技術的優(yōu)勢是什么；運動康復過程的基本要求是什么；最后是針對下肢康復的醫(yī)學康復手段有哪些。將以上三個方面的問題進行總結，對現(xiàn)有的下肢康復手段和虛擬現(xiàn)實技術結合起來，就可以提出更加合理、更加有效的下肢康復訓練手段。

    現(xiàn)在的科學研究已經(jīng)得出這樣的結論：重復的康復訓練運動對大腦皮層的鍛煉作用起著非常重要的作用，但重復的康復訓練卻不會產(chǎn)生運動康復。重復的康復訓練必須完成一系列特定的任務才能對運動康復起到一定的效果。神經(jīng)系統(tǒng)主要是依靠視覺感知或身體感知來獲取訓練結果的反饋。為了得到反復的康復訓練，患者必須要具有足夠的熱情配合整個康復過程。因此，重復、反饋和熱情三方面對患者的成功康復是缺一不可的。虛擬現(xiàn)實技術之所以可以應用到下肢康復訓練中也正是因為虛擬現(xiàn)實技術涉及的科學原理包括重復、反饋、激勵等特點。

    虛擬現(xiàn)實技術作為一種輔助手段在治療下肢運動功能障礙患者的過程中發(fā)揮著重要的作用。結合虛擬現(xiàn)實自身的技術特點和現(xiàn)有的下肢康復訓練方法，來闡述虛擬現(xiàn)實技術應用到下肢康復訓練過程中的重要作用。

    (1)運動學習療法。下肢康復機器人被動訓練可以實現(xiàn)以下幾個動作：髖、膝、踝單關節(jié)被動訓練，腳掌末端直線軌跡被動運動，腳掌末端圓周軌跡被動訓練。在這些運動當中，康復醫(yī)療師根據(jù)患者下肢運動的困難程度選擇合適的場景，并在場景中選定相應的訓練難度，這樣，患者就可以在接受康復治療的同時沉浸在康復醫(yī)師選定的虛擬場景中，達到其在接受康復治療時保持愉快的心情的目的。通過基于虛擬現(xiàn)實的運動學習療法可以提高患者主動參與治療的主觀能動性。

    (2)生物信息反饋療法。下肢康復機器人中的傳感器系統(tǒng)可以把患者下肢的運動軌跡和關節(jié)力矩等數(shù)據(jù)信息實時反饋給機器人控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)把這些信息傳遞到康復系統(tǒng)的虛擬場景中，虛擬場景系統(tǒng)會用這些信息控制虛擬場景角色的關節(jié)角度或飛船的位置移動。這樣就可以把患者康復訓練的數(shù)據(jù)通過虛擬場景的圖像或者聲音的方式傳遞給患者，患者可以直接從虛擬場景的信息了解自己的訓練和康復情況。

    (3)促進神經(jīng)發(fā)育的療法。在訓練過程中，治療醫(yī)師可以通過主動訓練方案選取相應的虛擬場景對患者進行康復訓練。在這樣的虛擬場景中，接受治療的患者可以與自己在場景中的角色(虛擬人或飛船)和場景中的其他元素進行實時交互。通過視覺或者聽覺的反饋，患者可以了解實時運動信息，通過刺激患者對感官信號的靈敏度，加強患者對下肢運動的協(xié)調控制能力。

    二、虛擬現(xiàn)實技術國內外研究現(xiàn)狀

    德國柏林弗朗霍費爾研究所研制出了Haptic Walker機器人系統(tǒng)（如圖1所示），該系統(tǒng)融入了虛擬現(xiàn)實技術，以此技術為基礎將步行康復訓練與實際場景結合，提高患者訓練的興趣和積極性�；颊哒玖⒂跈C器人的活動踏板上，對平底、上下樓等多種訓練場景進行模擬，上方的減重支架對患者進行減重。

    圖 1 Haptic Walker 步行康復訓練機器人

    瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學研制了一款名為LOKOMAT的步行康復訓練機器人（如圖2所示）。LOKOMAT康復系統(tǒng)將虛擬現(xiàn)實技術融入其中，為患者提供視覺反饋，進而提高患者訓練時的積極性。LOKOMAT 由四部分組成，分別為減重機構、 外骨骼機器人、電動跑臺和控制系統(tǒng)。LOKOMAT 擁有各種傳感器用來檢測各關節(jié)角度、電機輸出力矩和人機之間的相互作用力等。

    圖 2 LOKOMAT 康復機器人系統(tǒng)

    東京大學開發(fā)出四項研究成果：①類似 CAVE 系統(tǒng)（如圖3所示），即使用3個攝像機拍攝圖像并投影到3個屏幕上；②用HMD（Head Mounted Displays頭盔顯示器）在建筑群當中進行漫游，頭部安裝了3個用于測量自由度的傳感器，腳下踏板上有安裝兩個測量傳感器用于向前后運動和向左右轉彎地測量；③人體測量和模型的隨動。由人身上的傳感器，得到人體姿勢，計算機中顯示的虛擬人體就可以隨著真著實人體運動而運動；④飛行仿真器。人坐在六自由度的振動座椅上，通過座椅振動來模擬真實座艙，并且飛行中場景的變化顯示在背投式大屏幕上，它環(huán)繞于仿真器的四周。

    圖3洞穴式自動虛擬環(huán)境（CAVE）

    法國TechViz公司設計研發(fā)了一種完整的虛擬可視化的操作應用平臺，通過這個平臺可以實現(xiàn)協(xié)作式的設計開發(fā)產(chǎn)品。虛擬現(xiàn)實在制造業(yè)產(chǎn)品研發(fā)的領域中TechViz平臺是一個革命性的進展，在傳統(tǒng)型的設計研發(fā)與總裝裝配之間開發(fā)出一條新的空間。圖4為汽車設計師們運用TechViz 平臺設計汽車。

    圖4虛擬車間模型

    虛擬現(xiàn)實技術的研究雖然在我國起步比較晚，但近些年已取得了非常大的進步。 國家把虛擬現(xiàn)實技術列入了重點研究項目，國內的一些重點院校也已積極地投入到了這一領域的研究中。

    河北工業(yè)大學設計了一套虛擬場景，此場景配合踝關節(jié)康復機器人幫助病人踝關節(jié)進行康復訓練（如圖 5所示）。依據(jù)不同的康復程度，再結合上主動康復策略，設計人員開發(fā)出了兩個游戲虛擬場景，包括飛機飛行的場景與賽車行駛的場景�？祻陀柧氝^程當中，患者通過踝關節(jié)的運動進而控制虛擬場景中飛機飛行的軌跡與賽車行駛的路線。

    圖5汽車虛擬場景

    三、未來的發(fā)展方向

    從國內外的虛擬現(xiàn)實科研成果當中，我們可以看出虛擬現(xiàn)實技術的本質是構造一個擬人化的交互的“世界”，在此“世界”中參與人可以即時移動和探究其中的對象元素。

    沉浸感是虛擬現(xiàn)實技術追求的最高理想目標，也是最難以實現(xiàn)的。虛擬現(xiàn)實技術的研究是遵循“高效率、低成本”準則，未來的虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展趨勢為兩個方面。 第一個是朝桌面虛擬現(xiàn)實方向發(fā)展。如現(xiàn)在比較流行的商業(yè)介紹、公司培訓和3D游戲場景制作等。伴隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，基于 Internet 桌面虛擬現(xiàn)實技術也會 實現(xiàn)。在第二個方面是朝著高性能沉浸式虛擬現(xiàn)實發(fā)展。主要用于科技和精度要求高 的如航天飛行器模擬、航空環(huán)境模擬仿真、軍隊士兵模擬訓練等，因為有著一些特殊要求，需要高度沉浸性的虛擬場景來進行實驗仿真。

    微美全息科學院成立于2020年8月，致力于全息AI視覺探索科技未知，以人類愿景為驅動力，開展基礎科學和創(chuàng)新性技術研究。全息科學創(chuàng)新中心致力于全息AI視覺探索科技未知, 吸引、集聚、整合全球相關資源和優(yōu)勢力量，推進以科技創(chuàng)新為核心的全面創(chuàng)新，開展基礎科學和創(chuàng)新性技術研究。微美全息科學院計劃在以下范疇拓展對未來世界的科學研究：

    一、全息計算科學：腦機全息計算、量子全息計算、光電全息計算、中微子全息計算、生物全息計算、磁浮全息計算

    二、全息通信科學：腦機全息通信、量子全息通信、暗物質全息通信、真空全息通信、光電全息通信、磁浮全息通信

    三、微集成科學：腦機微集成、中微子微集成、生物微集成、光電微集成、量子微集成、磁浮微集成

    四、全息云科學：腦機全息云、量子全息云、光電全息云