微美全息科學(xué)院：虛擬現(xiàn)實技術(shù)在康復(fù)機器人中的應(yīng)用

    近年來，我國老齡化人口比例增加，加上自然災(zāi)害頻發(fā)，導(dǎo)致肢體功能障礙的患者數(shù)量逐年增加。根據(jù)流行病學(xué)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(zhì)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(fù)治療，盡快恢復(fù)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(gòu)“微美全息科學(xué)院”的科學(xué)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(fù)的運動訓(xùn)練，達到防治肌肉萎縮、增加關(guān)節(jié)活動度、增強肌力促進下肢功能恢復(fù)的目的。肢體功能恢復(fù)至今仍是康復(fù)治療的首要任務(wù)，也是醫(yī)學(xué)界康復(fù)研究的重要內(nèi)容。以下是微美全息科學(xué)院的科學(xué)與技術(shù)的融合性觀點，對虛擬技術(shù)在康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用具有前沿性指導(dǎo)意義。

    背景介紹：

    臨床上，康復(fù)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(xùn)練，或者簡單的輔助訓(xùn)練，反復(fù)引導(dǎo)患者下肢運動，刺激大腦皮層相關(guān)下肢運動功能區(qū)域的恢復(fù)，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(fù)療法存在著諸多的不足和局限性：（1）醫(yī)師勞動強度大，導(dǎo)致康復(fù)效率降低；（2）單一重復(fù)的訓(xùn)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(xùn)練的進一步展開。（3）康復(fù)醫(yī)師無法直接得到客觀的訓(xùn)練效果，主觀的評價不能全方面反映患者的訓(xùn)練情況。針對上述的情況，結(jié)合下肢康復(fù)機器人與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的訓(xùn)練系統(tǒng)既可以減輕康復(fù)醫(yī)師的勞動強度， 又能增強患者訓(xùn)練過程中的趣味性。把虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入到康復(fù)治療還是康復(fù)醫(yī)學(xué)的大膽嘗試，根據(jù)患者的訓(xùn)練需要，開發(fā)人員通過計算機技術(shù)和傳感器技術(shù)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(xùn)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(shè)計的場景中進行訓(xùn)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(xùn)練的信心。 綜上所述，虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到下肢康復(fù)機器人可以解決傳統(tǒng)運動治療的諸多不足，為康復(fù)訓(xùn)練提供了一種新穎有效的訓(xùn)練方法。

    計算機技術(shù)的快速發(fā)展促使許多新技術(shù)的誕生，虛擬現(xiàn)實技術(shù)就是其中之一。重復(fù)訓(xùn)練是康復(fù)訓(xùn)練中最基本有效的訓(xùn)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(fù)訓(xùn)練會使患者產(chǎn)生消極情緒，不利于進一步訓(xùn)練。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)刺激神經(jīng)運動皮質(zhì)區(qū)可以使患者的運動功能得到恢復(fù)。正是基于上述理論，虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到康復(fù)訓(xùn)練可以達到重復(fù)訓(xùn)練、正確反饋和激發(fā)訓(xùn)練積極性等康復(fù)訓(xùn)練要求，使患者更輕松愉悅地參與訓(xùn)練。

    康復(fù)機器人引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以解決傳統(tǒng)康復(fù)療法的不足提高康復(fù)效果。虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(shè)定機械腿運動角度、速度等相關(guān)參數(shù)，來貼合患者的康復(fù)心理，達到患者在訓(xùn)練過程中保持樂觀心態(tài)的目的。

    一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)與康復(fù)技術(shù)的結(jié)合

    把虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到下肢康復(fù)訓(xùn)練中要考慮以下幾個方面的問題：虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢是什么；運動康復(fù)過程的基本要求是什么；最后是針對下肢康復(fù)的醫(yī)學(xué)康復(fù)手段有哪些。將以上三個方面的問題進行總結(jié)，對現(xiàn)有的下肢康復(fù)手段和虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合起來，就可以提出更加合理、更加有效的下肢康復(fù)訓(xùn)練手段。

    現(xiàn)在的科學(xué)研究已經(jīng)得出這樣的結(jié)論：重復(fù)的康復(fù)訓(xùn)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(fù)的康復(fù)訓(xùn)練卻不會產(chǎn)生運動康復(fù)。重復(fù)的康復(fù)訓(xùn)練必須完成一系列特定的任務(wù)才能對運動康復(fù)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(xùn)練結(jié)果的反饋。為了得到反復(fù)的康復(fù)訓(xùn)練，患者必須要具有足夠的熱情配合整個康復(fù)過程。因此，重復(fù)、反饋和熱情三方面對患者的成功康復(fù)是缺一不可的。虛擬現(xiàn)實技術(shù)之所以可以應(yīng)用到下肢康復(fù)訓(xùn)練中也正是因為虛擬現(xiàn)實技術(shù)涉及的科學(xué)原理包括重復(fù)、反饋、激勵等特點。

    虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(jié)合虛擬現(xiàn)實自身的技術(shù)特點和現(xiàn)有的下肢康復(fù)訓(xùn)練方法，來闡述虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到下肢康復(fù)訓(xùn)練過程中的重要作用。

    (1)運動學(xué)習療法。下肢康復(fù)機器人被動訓(xùn)練可以實現(xiàn)以下幾個動作：髖、膝、踝單關(guān)節(jié)被動訓(xùn)練，腳掌末端直線軌跡被動運動，腳掌末端圓周軌跡被動訓(xùn)練。在這些運動當中，康復(fù)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(yīng)的訓(xùn)練難度，這樣，患者就可以在接受康復(fù)治療的同時沉浸在康復(fù)醫(yī)師選定的虛擬場景中，達到其在接受康復(fù)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(xué)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(fù)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(guān)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(fù)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(guān)節(jié)角度或飛船的位置移動。這樣就可以把患者康復(fù)訓(xùn)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(xùn)練和康復(fù)情況。

    (3)促進神經(jīng)發(fā)育的療法。在訓(xùn)練過程中，治療醫(yī)師可以通過主動訓(xùn)練方案選取相應(yīng)的虛擬場景對患者進行康復(fù)訓(xùn)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(diào)控制能力。

    二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)國內(nèi)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(shù)，以此技術(shù)為基礎(chǔ)將步行康復(fù)訓(xùn)練與實際場景結(jié)合，提高患者訓(xùn)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(xùn)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(fù)訓(xùn)練機器人

    瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)研制了一款名為LOKOMAT的步行康復(fù)訓(xùn)練機器人（如圖2所示）。LOKOMAT康復(fù)系統(tǒng)將虛擬現(xiàn)實技術(shù)融入其中，為患者提供視覺反饋，進而提高患者訓(xùn)練時的積極性。LOKOMAT 由四部分組成，分別為減重機構(gòu)、 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(guān)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(fù)機器人系統(tǒng)

    東京大學(xué)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(zhuǎn)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(shè)計研發(fā)了一種完整的虛擬可視化的操作應(yīng)用平臺，通過這個平臺可以實現(xiàn)協(xié)作式的設(shè)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(lǐng)域中TechViz平臺是一個革命性的進展，在傳統(tǒng)型的設(shè)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(shè)計師們運用TechViz 平臺設(shè)計汽車。

    圖4虛擬車間模型

    虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(shù)列入了重點研究項目，國內(nèi)的一些重點院校也已積極地投入到了這一領(lǐng)域的研究中。

    河北工業(yè)大學(xué)設(shè)計了一套虛擬場景，此場景配合踝關(guān)節(jié)康復(fù)機器人幫助病人踝關(guān)節(jié)進行康復(fù)訓(xùn)練（如圖 5所示）。依據(jù)不同的康復(fù)程度，再結(jié)合上主動康復(fù)策略，設(shè)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�(fù)訓(xùn)練過程當中，患者通過踝關(guān)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(nèi)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(shù)的本質(zhì)是構(gòu)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(shù)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(shù)的研究是遵循“高效率、低成本”準則，未來的虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(xùn)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(shù)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(xùn)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(xué)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(qū)動力，開展基礎(chǔ)科學(xué)和創(chuàng)新性技術(shù)研究。全息科學(xué)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(guān)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(chǔ)科學(xué)和創(chuàng)新性技術(shù)研究。微美全息科學(xué)院計劃在以下范疇拓展對未來世界的科學(xué)研究：

    一、全息計算科學(xué)：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(xué)：腦機全息通信、量子全息通信、暗物質(zhì)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(xué)：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(xué)：腦機全息云、量子全息云、光電全息云