虚拟现实(Virtual reality,VR),是一种利用计算机构建出与现实环境十分逼近的虚拟环境,并支持用户与之直接进行自然交互的技术。它最初起源于美国军方需求,在军队训练模拟等方面发挥着重要作用。现如今,虚拟现实系统已扩展到更多的研究和应用领域,有娱乐、军事、航天、设计、生产制造、信息管理、商贸、建筑、医疗保健、危险及恶劣环境下的遥操作、教育和培训、信息可视化和远程通讯等。

虚拟现实是一项综合集成技术,涉及计算机图形学、多媒体、人工智能、人-机交互、传感器等多个领域。它有3个基本特征,即Immersion(沉浸),Interaction(交互)和Imagination(构想)。“沉浸”,又称临场感,是VR技术的核心,指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度;“交互”,指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性),是人机和谐的关键因素;“构想”,强调虚拟现实技术应具有广阔的可想象空间,可以拓展人类的认知范围,它不仅可以再现真实存在的环境,亦可以随意构想客观不存在甚至不可能发生的环境。

虚拟现实技术的基本模型


重复练习、效果反馈和动机维持是虚拟现实的3个关键技术手段,在康复过程中起着十分重要的作用。运动康复训练是长时间的、单调的重复性运动锻炼,通常都需要在康复医生和康复治疗师的指导和监督下进行。康复训练消耗医务人员和患者的大量时间和精力。虚拟现实的引进,一方面能给康复训练带来更好的趣味性,使患者在治疗过程中保持心情愉快,更好地配合医生和治疗师,提高患者对参与康复训练的积极性和康复效果;另一方面,虚拟现实系统能够进行部分训练指导和效果反馈,减轻了康复医生和康复治疗师的负担,把医务人员从耗时耗力康复过程中解放,同时虚拟现实系统可以采集患者训练数据并进行评估,由此医生和治疗师提高工作效率,对更多病人进行指导。虚拟现实技术已逐步发展为运动康复中不可或缺的关键部分之一。 

日本岐阜大学的手部外骨骼康复机器手


往期微文介绍了日本岐阜大学的手部外骨骼康复机器人。该机器人基于VR技术可视化操作指示,经临床医师设定后,患者可独立进行康复训练。同时配有提供双边康复疗法的数据手套,患者可通过戴在健肢手指上的数据手套来自主控制戴在患肢上的外骨骼以驱动患肢手指。


华中科技大学的气动人工肌肉-扭簧驱动的可穿戴手功能康复机器人

 

华中科技大学的研究团队针对改善患者关节活动能力而开展了采用气动肌肉的康复训练辅助器具的研究,并在医院进行了初步实验,具有一定的康复效果。

虽然手功能康复机器人设备有诸多优势,但是也存在一些缺陷,主要有以下3点:

1) 用于测量手指移动参数的设备比较昂贵,严重限制了系统的推广应用,这也是现存设备存在的最大的缺陷,例如日本岐阜大学研发的手部外骨骼康复机器手;

2) 虚拟现实比较枯燥,患者的沉浸感不强,一定程度上影响了康复效果、延长了康复时间,例如华中科技大学研发的手功能康复机器人;

3) 未实时地结合力觉、关节灵活度等信息的反馈,没有准确的康复评价机制,同时对于手部重度僵硬、痉挛患者,穿戴式的康复设备将存在穿戴困难的问题。

手功能康复机器人是医疗机器人的一个重要分支,虚拟现实技术的引入更促进了手功能康复机器人的发展。虽然目前基于VR技术的手功能康复机器人还存在许多不足,但我们相信在不远的将来,手功能康复机器人能够走进千家万户,在日常生活中广泛应用,促进手功能障碍人群的功能恢复,提高他们的生活质量。

 

参考文献

[1]李海丽.手功能康复机器人技术[J].机械设计与研究,2014(30):25-28

[2]张金龙.基于虚拟现实的手指康复系统研究[D].武汉:华中科技大学,2012



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