張 冬 蕊， 耿 艷 娟，徐 禮 勝，張 秀 峰， 李 光 林 （中國科學院深圳先進技術研究院 深圳 518055）（東北大學中荷生物醫學與信息工程學院 沈陽 110004）（國家康復輔具研究中心 北京 100176）

摘 要 將虛擬現實技術應用到康復醫學領域，可有效克服傳統康復訓練方法的局限性，實現安全、舒適和主動的康復訓練。本文設計并實現了一套虛擬現實手部康復訓練系統，系統由交互設備、人機交互軟件和虛擬環境三部分組成。交互設備采用wiseglove數據手套，而人機交互軟件運用 Visual Studio 2012 作為開發工具，基于 MFC 編寫，實現了用戶管理、數據采集、手勢信號分類、實時手勢識別測試等功能。構建的虛擬場景使用 Flash 游戲，通過 MFC 和 Flash 游戲之間通訊使用者能使用手勢信號實現游戲操控。本文的實驗結果表明：虛擬現實手部康復訓練系統能夠指導使用者進行有效的手部康復訓練，Flash 康復訓練游戲能有效提高使用者進行康復訓練的積極性和主動性。
關鍵詞 康復訓練；數據手套；虛擬現實；偏癱
Keywords rehabilitation training; data glove; virtual reality; hemiplegia
基金項目：國家科學基金面上項目(51275101)。
1 引 言
腦卒中(Stroke)是腦中風的學名，它是一種發病率高、致殘率高、死亡率高的常見難治性疾病，嚴重威脅著人們的生命安全[1]。我國是世界上腦卒中發病率較高的地區。近些年來，雖然隨著醫療技術的發展與進步，我國中風幸存者數量增多，但當中仍然約有 75% 患有不同程度的運動功能障礙，尤其是手部的運動功能障礙，嚴重致殘率高達 10%[2]。手是大腦功能的延伸，在大量神經的支配下，手能完成很多精細活動與工作，所以手不僅是人重要的勞動器官，還是重要的感覺器官，有著精細的敏感度[3]。偏癱患者的手部運動功能障礙大大降低了患者的生存質量，加重了患者及其家庭的經濟負擔和精神負擔[2]。
研究表明，運動康復訓練可促進偏癱患者自發性神經功能恢復，有助于偏癱患者恢復中樞神經對肢體運動的支配與控制，還可以防止肌肉“廢用性”萎縮，有助于偏癱患者的肢體運動功能恢復[4]。因此，物理療法成為臨床中最常用的運動功能康復訓練方法之一。目前，臨床康復訓練一般是按照神經發育的規律，先從肩關節開始，逐漸過渡到肘關節、腕關節和手指功能訓練，等肩、肘、腕關節功能恢復后再進行手功能訓練往往已經錯過最佳康復治療時間，往往使得腦卒中患者偏癱側的手部運動功能恢復進程緩慢、恢復效果有限。
根據大腦皮層可塑性理論，大腦皮層區的可塑性變化即腦功能重塑，在很大程度上是運動康復訓練的結果。研究表明，偏癱患者的手部功能的康復訓練應該在積極的環境下進行，被動或者不積極的訓練，對患者腦功能重塑和手部運動功能的康復效果很不明顯。所以，偏癱患者在積極的環境下進行正確的手部康復訓練，能加快患者腦功能重塑和手部運動功能恢復，收到良好的康復效果[3]。目前國內對偏癱患者進行的運動功能康復訓練仍然是在治療師的指導下、輔助以訓練器械對偏癱患者進行一些被動或者輔助的運動訓練[5]。這些康復訓練方法有十分明顯的缺點：(1)浪費人力物力，一名康復治療師無法同時指導多名偏癱患者進行康復訓練；(2)康復訓練比較機械而且枯燥，偏癱患者很少能積極主動參與康復訓練，治療效果不甚理想；(3)偏癱患者進行康復訓練的強度和效果不易得到反饋評估。在偏癱患者的運動康復訓練利用虛擬現實技術，是讓患者沉浸在虛擬的環境中，成為虛擬環境中的一部分，使用訓練的動作和虛擬環境進行交互，同時虛擬環境給予偏癱患者實時的視覺反饋，提高偏癱患者進行康復訓練的積極性和主動性。本文利用虛擬現實技術為偏癱患者進行手部運動功能訓練設計合適的手部康復訓練系統，使患者在訓練過程中能沉浸在虛擬環境中，進行康復訓練的積極性得到提高，被動治療也變為主動治療。虛擬現實技術同時為患者提了供訓練計劃和效果評估。在虛擬現實手部康復訓練系統中，交互設備采用 5DT Data Glove 14 Ultra 數據手套，使用 Visual Studio 2012，基于 MFC 編程實現了人機交互軟件，能完成用戶管理、數據采集、手勢信號分類、實時手勢分類測試等功能，虛擬環境的建立采用了 Flash 游戲，通過 MFC 和 Flash 間的通訊使病人能通過手勢進行 Flash 游戲控制。虛擬現實手部康復訓練系統能夠指導使用者進行有效地手部康復訓練，Flash 虛擬現實游戲應用于手部康復訓練中變被動訓練為主動訓練，提高病人進行訓練的積極性
系統的設計目標和原則從系統應實現的結構來考慮，虛擬現實手部康復訓練系統主要由三個部分組成：人機交互設備、人機交互軟件和虛擬現實環境。而從患者的實際需求來考慮，由于虛擬現實手部康復訓練的使用者是有手部功能障礙的偏癱患者，他們比常人更加虛弱、更容易受到損傷，所以應更多考慮到病人的需求，應從安全性、舒適性、主動性三個方面考慮進行設計。下面將詳細闡述三個系統設計的原則。

安全性

偏癱患者在使用康復訓練系統進行訓練時能保證安全是康復訓練系統設計是首先要考慮的問題。人機交互設備使用 5DT Data Glove 14 Ultra，使用時不會對患者造成傷害。另外，系統中包含的手部訓練任務也應保證患者在進行訓練時不會受到傷害。

舒適性

偏癱患者在使用康復訓練系統進行訓練的過程中能否感到放松、舒適，是康復訓練系統在設計時需要重點考慮的問題。例如，穿戴的數據手套要舒適，避免給患者帶來過度緊繃或笨重感；人機交互軟件的界面設計美觀、操作簡單，不會給患者帶來視覺疲勞或操作不便等。

主動性

如何激發患者主動進行康復訓練、提高進行康復訓練的積極性，是系統設計的重要內容。利用虛擬現實技術能有效提高患者進行康復訓練的主動性和積極性。將虛擬現實集成到康復訓練系統中，使患者在虛擬游戲中接受康復訓練運動，如在“虛擬”的世界中完成任務的同時體會來自真實世界的反饋，變機械枯燥的運動為主動積極的游戲，使偏癱患者享受康復訓練，從而達到理想的康復效果。
WISEGLOVE數據手套為 12 位 A/D 采樣，最大采樣頻率可達 120 Hz，具有的主要優點有：(1)數據手套的制作材質為彈性纖維，使用者穿戴舒適，同時彈性大，適用于尺寸大小不同的手；(2)數據手套采用的光纖傳感器信號精確敏銳，獲得的數據噪聲少，減少了額外濾波對數據進行預處理；(3)提供給用戶的軟件開發包中包含了接口函數，用戶能直接訪問數據手套采集實時數據，極大方便了用戶進行二次開發；(4)數據手套的數據流遵循 RS-232 協議，使用 USB 連接方式，方便了應用程序開發。

手勢識別實時測試要求使用者根據任務圖片顯示的手勢任務做出相應手勢，每 0.3 秒系統會做一次判斷，判斷使用者是否正確完成任務圖片顯示的手勢，每個任務完成的標準是 5 秒內至少正確完成 8 次。系統實時的手勢任務設計是每 8 個任務為一組測試，每組中 8 個手勢任務均以隨機順序出現，整個測試有 15 組，共計 120 個手勢任務。以上內容來自網絡，如果有疑問請聯系原作者。