蔣賢維

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)可以看成是對(duì)虛擬想象或真實(shí)世界的模擬，用戶通過(guò)接受和響應(yīng)模擬環(huán)境的各種感官刺激，與其進(jìn)行交互產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療康復(fù)，無(wú)論是肢體類或認(rèn)知類康復(fù)訓(xùn)練，借助于高性能計(jì)算處理技術(shù)，都可以實(shí)現(xiàn)實(shí)物虛化、虛物實(shí)化的有機(jī)結(jié)合和轉(zhuǎn)換，做到科學(xué)控制，合理布局，提升興趣，降低成本。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，在康復(fù)訓(xùn)練中的應(yīng)用前景也越來(lái)越廣闊。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；沉浸感；交互性；康復(fù)訓(xùn)練

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）21-0206-03

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是除了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)之外被稱為21世紀(jì)最具應(yīng)用前景的三大技術(shù)之一，它經(jīng)歷了20世紀(jì)50年代到70年代的準(zhǔn)備階段，80年代的實(shí)際應(yīng)用階段，從90年代以來(lái)進(jìn)入全面發(fā)展時(shí)期。隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的迅速發(fā)展和軟件系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正被廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、管理、設(shè)計(jì)、教育、娛樂(lè)等各個(gè)領(lǐng)域，人們對(duì)它的廣闊應(yīng)用前景充滿憧憬和期待。特別在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的引入不僅可以節(jié)約成本，降低風(fēng)險(xiǎn)，還能夠提高患者的參與興趣，適合控制運(yùn)動(dòng)量，科學(xué)合理恢復(fù)并帶來(lái)良好的醫(yī)療康復(fù)效果。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽(tīng)、觸覺(jué)一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境（Virtual Environment，簡(jiǎn)稱VE），用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生等同于親臨真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)[1]。它涵蓋了人工智能、傳感器技術(shù)、接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并且對(duì)軟硬件要求較高。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的3個(gè)重要特征是沉浸感（Immersion），交互性（Interactivity），想象力（Imagination），如圖1所示[2]。它們分別體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的真實(shí)性，及時(shí)和準(zhǔn)確性以及虛擬現(xiàn)實(shí)作品設(shè)計(jì)者的創(chuàng)意和思想。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在康復(fù)訓(xùn)練中的應(yīng)用

目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域主要在娛樂(lè)和教育及藝術(shù)方面，其次為軍事與航空方面，醫(yī)學(xué)康復(fù)方面約占比百分之六至百分之七，且保持略微提升趨勢(shì)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)兩者之間的融合和發(fā)展使得虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)該領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。從虛擬人體到虛擬操作、虛擬手術(shù)，從虛擬康復(fù)訓(xùn)練到虛擬醫(yī)學(xué)軟件、平臺(tái)及教學(xué)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正在發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。本文主要討論虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在康復(fù)訓(xùn)練方面的應(yīng)用，為方便表述下文簡(jiǎn)稱為“虛擬康復(fù)訓(xùn)練”。

2.1虛擬康復(fù)訓(xùn)練的優(yōu)勢(shì)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在康復(fù)訓(xùn)練中的應(yīng)用一般通過(guò)專門設(shè)計(jì)好的虛擬康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)可以為各類神經(jīng)、骨科、老年或兒童康復(fù)等專門開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，能使患者以自然方式與具有多種感官刺激的虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互，提供多種形式的反饋信息，使枯燥單調(diào)的運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程更輕松、更有趣和更容易。訓(xùn)練過(guò)程中，通過(guò)摳像技術(shù)患者可以在屏幕上看到自己或以虛擬圖形式出現(xiàn)的人體圖像，根據(jù)屏幕中情景的變化和提示做出各種動(dòng)作，直到最終完成訓(xùn)練任務(wù)。相較于目前常規(guī)運(yùn)動(dòng)療法的過(guò)于單調(diào)，動(dòng)作分解過(guò)多，患者難以適應(yīng)，虛擬康復(fù)訓(xùn)練的優(yōu)勢(shì)在于可以提供有意義的任務(wù)性訓(xùn)練與精確的感覺(jué)回饋，同時(shí)確保受試者真實(shí)而安全的訓(xùn)練。它通過(guò)多種手段，使患者的部分或全部功能最大限度的恢復(fù)，以獲得最大可能的生活自理、勞動(dòng)和工作等所需的能力。虛擬康復(fù)訓(xùn)練的互動(dòng)反饋式訓(xùn)練，為職業(yè)治療師提供了新的治療手段；同時(shí)它還可以幫助醫(yī)療部門降低勞動(dòng)成本，設(shè)計(jì)好的某一套系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用和推廣。

2.2虛擬康復(fù)訓(xùn)練分類

虛擬康復(fù)訓(xùn)練應(yīng)用領(lǐng)域主要針對(duì)肢體類運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練應(yīng)用和認(rèn)知功能訓(xùn)練應(yīng)用，即生理和心理兩方面的訓(xùn)練，其中以肢體類運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練應(yīng)用為主。

2.2.1肢體類運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練應(yīng)用

傳統(tǒng)的肢體類運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練方法主要包括各種關(guān)節(jié)活動(dòng)度訓(xùn)練，肌力訓(xùn)練，轉(zhuǎn)移及步行訓(xùn)練和代償技術(shù)以及各種訓(xùn)練方法的組合。這些康復(fù)訓(xùn)練方法均是在專業(yè)治療師的指導(dǎo)下進(jìn)行，以治療師的手法操作為主，利用一些簡(jiǎn)單的輔助器械，使患者恢復(fù)一定的運(yùn)動(dòng)和協(xié)調(diào)能力。但這些方法存在耗費(fèi)人力物力較大、治療過(guò)程比較單調(diào)枯燥、治療場(chǎng)地受限、訓(xùn)練強(qiáng)度和訓(xùn)練效果不易評(píng)估等明顯的缺點(diǎn)和局限。

為了解決這些問(wèn)題，我們可以將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到肢體類運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行肢體類運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，讓患者在虛擬環(huán)境中扮演一個(gè)角色，成為虛擬環(huán)境中的一部分，通過(guò)訓(xùn)練動(dòng)作與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，虛擬環(huán)境即時(shí)給予患者反饋，達(dá)到人境結(jié)合，沉浸其中。這種新型康復(fù)訓(xùn)練方法很好解決了傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練的大部分弊端，如在專門的肢體類運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練（即主要以身體的腕、膝、肩、肘關(guān)節(jié)等大關(guān)節(jié)為主進(jìn)行的主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練）中，系統(tǒng)軟件提供多種人工景物，使患者如同置身于游戲或旅游的環(huán)境中，在游戲的原理上嵌入諸多康復(fù)程序，這些康復(fù)程序的游戲動(dòng)作和作業(yè)治療中的動(dòng)作一致，以游戲方式替代實(shí)現(xiàn)原有的康復(fù)動(dòng)作，在訓(xùn)練的過(guò)程中，即便出現(xiàn)失誤也不容易對(duì)患者的身體造成損傷，特別適用于慢性病治療及生活技能喪失者的康復(fù)。

韌帶拉傷、骨折、手及膝關(guān)節(jié)等處損傷或外科手術(shù)后的康復(fù)和訓(xùn)練都是肢體類康復(fù)訓(xùn)練的典型應(yīng)用，各種虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生。國(guó)外臨床試驗(yàn)曾經(jīng)設(shè)計(jì)一款虛擬康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)專門針對(duì)腦癱患兒的下肢訓(xùn)練，包括了足球場(chǎng)景、障礙跨越場(chǎng)景、路口場(chǎng)景以及雪中行走場(chǎng)景等若干個(gè)虛擬康復(fù)場(chǎng)景。結(jié)果表明，患兒都對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)平臺(tái)表現(xiàn)出了很大興趣，并且收到了良好的康復(fù)效果?；純合Ｍ軌蚶^續(xù)使用虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)系統(tǒng)參與到更多具有互動(dòng)性的虛擬環(huán)境中以獲得體驗(yàn)和增強(qiáng)。除了虛擬場(chǎng)景的重要性，為了增強(qiáng)患者對(duì)虛擬環(huán)境的真實(shí)體驗(yàn)，增加患者的沉浸感，觸覺(jué)和力反饋裝置被引入使用。如渥太華大學(xué)使用具有觸覺(jué)反饋的數(shù)據(jù)手套進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為患者設(shè)計(jì)了置物架訓(xùn)練、倒茶訓(xùn)練、盛湯訓(xùn)練等不同難度的康復(fù)訓(xùn)練虛擬場(chǎng)景。如在置物架訓(xùn)練中，患者被要求帶著數(shù)據(jù)手套控制虛擬場(chǎng)景中的手來(lái)選取不同的虛擬日常生活用品（例如大小不同的碗碟、杯子等），并把物品放置到置物架指定位置[3]。數(shù)據(jù)手套的觸覺(jué)和力反饋來(lái)體現(xiàn)了虛擬場(chǎng)景中虛擬物體的重量，通過(guò)選擇和控制使康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程由易到難，循序漸進(jìn)，科學(xué)合理。

此外，還有一類需要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)康復(fù)過(guò)程的患者，如腦出血、中風(fēng)人群。他們一般容易出現(xiàn)認(rèn)知缺乏，或是影響半邊身體活動(dòng)的肢體運(yùn)動(dòng)障礙，并且本體感受有不同程度的退化。傳統(tǒng)的中風(fēng)康復(fù)訓(xùn)練一般是在發(fā)病的急性期即患病后的1個(gè)月左右以及亞急性期即患病后的5個(gè)月左右進(jìn)行的。可是，在而后漫長(zhǎng)的中風(fēng)慢性康復(fù)期里，患者一般不再接受任何治療，這就導(dǎo)致患者可能將在之后的人生中面臨喪失勞動(dòng)能力甚至是生活自理能力?；谔摂M現(xiàn)實(shí)或是利用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行增強(qiáng)的康復(fù)訓(xùn)練具有可控性，可重復(fù)性及強(qiáng)化等功能，而且具有更好適應(yīng)每個(gè)患者個(gè)體特征的優(yōu)勢(shì)。在開(kāi)發(fā)的適用于中風(fēng)患者動(dòng)作訓(xùn)練的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)中，患者可以在配置了傳感器的客戶端完成遠(yuǎn)程康復(fù)訓(xùn)練，模仿指導(dǎo)動(dòng)作，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄下來(lái)自患者手臂和腿部的力量和扭矩，跟蹤器記錄下患者的運(yùn)動(dòng)軌跡，系統(tǒng)在綜合考慮時(shí)間數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)后，會(huì)對(duì)患者的這一動(dòng)作做出最終評(píng)價(jià)，以此來(lái)判斷患者的康復(fù)程度。所以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的中風(fēng)康復(fù)訓(xùn)練能夠在時(shí)間和空間上解決患者在慢性期長(zhǎng)期康復(fù)訓(xùn)練的需求，患者甚至可以足不出戶就在家中完成遠(yuǎn)程的康復(fù)訓(xùn)練。

2.2.2心理及認(rèn)知功能康復(fù)訓(xùn)練

除了肢體類康復(fù)訓(xùn)練，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前還被廣泛用于認(rèn)知障礙的治療，如我們熟知的記憶障礙、注意力障礙、空間認(rèn)知障礙等。國(guó)外已經(jīng)通過(guò)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)治療恐高癥、幽閉恐懼癥、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙、精神分裂癥等心理疾病并取得良好的成果。虛擬現(xiàn)實(shí)可以使人沉浸在計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)產(chǎn)生的三維環(huán)境中，通過(guò)各種游戲反復(fù)訓(xùn)練來(lái)維持和提高患者的注意力、協(xié)調(diào)性、記憶、邏輯推理等認(rèn)知功能。認(rèn)知功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)促進(jìn)了認(rèn)知科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)更高層次的結(jié)合，體現(xiàn)了傳統(tǒng)方法無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)[4]。

3 關(guān)鍵技術(shù)及案例分析

實(shí)物虛化，虛物實(shí)化和高性能計(jì)算處理技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三個(gè)主要方面[5]。

所謂實(shí)物虛化，本質(zhì)是把現(xiàn)實(shí)世界空間映射到多維信息化空間，通過(guò)建模、空間跟蹤、定位和感應(yīng)等技術(shù)，達(dá)到逼真虛擬世界的生成并能獲得用戶操作的檢測(cè)和反饋。虛物實(shí)化則是讓用戶感受到來(lái)自虛擬環(huán)境的真實(shí)信號(hào)，使之獲取形同真實(shí)環(huán)境一樣或類似的視聽(tīng)、力觸覺(jué)等感官認(rèn)知，它更多的是一個(gè)輸出的問(wèn)題。圖2所示反映了用戶（訓(xùn)練者）與虛擬環(huán)境之間虛實(shí)對(duì)應(yīng)和轉(zhuǎn)換關(guān)系。

此外，虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)中最重要的是高性能的計(jì)算處理技術(shù)，該技術(shù)的水平層次決定了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的效果和質(zhì)量。它主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，圖形圖像的實(shí)時(shí)生成和顯示技術(shù)，多聲音合成和空間化技術(shù)，模式識(shí)別技術(shù)，數(shù)據(jù)融合及壓縮技術(shù)，分布式與并行計(jì)算技術(shù)，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等等[6]。

我們通過(guò)一個(gè)“基于虛擬現(xiàn)實(shí)的手腕康復(fù)訓(xùn)練”案例來(lái)探討下虛擬現(xiàn)實(shí)在康復(fù)訓(xùn)練中的應(yīng)用及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)代人特別是長(zhǎng)期辦公室伏案工作人員最容易出現(xiàn)的兩類職業(yè)病癥，一個(gè)是頸椎類勞損，一個(gè)是手腕僵硬機(jī)械化。本例的設(shè)計(jì)擬通過(guò)特定康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作映射到虛擬環(huán)境并進(jìn)行交互，多次訓(xùn)練后逐漸恢復(fù)腕關(guān)節(jié)活動(dòng)度。整體方案如下：1）首先分析正常的手腕關(guān)節(jié)活動(dòng)度，錄入數(shù)據(jù)作為對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)，這部分主要涉及數(shù)據(jù)預(yù)處理及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)；2）借助開(kāi)發(fā)工具設(shè)計(jì)虛擬康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，構(gòu)造虛擬場(chǎng)景——本例為模擬拍蒼蠅游戲，該場(chǎng)景訓(xùn)練內(nèi)容包含腕關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)和尺、撓屈運(yùn)動(dòng)，當(dāng)屏幕出現(xiàn)蒼蠅時(shí)，需要先進(jìn)行手腕的屈伸運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)將虛擬手移動(dòng)到目標(biāo)上方，然后進(jìn)行手腕的尺屈運(yùn)動(dòng)，使拍子敲打目標(biāo)，敲打結(jié)束后，腕關(guān)節(jié)將進(jìn)行撓屈運(yùn)動(dòng)，抬高拍子再移動(dòng)至另一只出現(xiàn)的蒼蠅，以此反復(fù)進(jìn)行。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)命中表示成功，否則蒼蠅飛走消失，拍子的大小決定難度高低。在構(gòu)建虛擬場(chǎng)景部分涵蓋了圖形圖像、聲頻音頻處理及模式識(shí)別、數(shù)據(jù)融合等虛擬技術(shù)的大部分關(guān)鍵技術(shù)；3）整個(gè)設(shè)計(jì)分解步驟為制作手部模型和拍子模型并實(shí)現(xiàn)連接，制作動(dòng)物（蒼蠅）模型，導(dǎo)入模型到系統(tǒng)平臺(tái)，場(chǎng)景內(nèi)容主要涉及蒼蠅隨機(jī)出現(xiàn)和飛舞，手部骨骼轉(zhuǎn)動(dòng)以及碰撞檢測(cè)三個(gè)部分，此外在基本功能基礎(chǔ)上還可以加入操作難度和間隔操作時(shí)間控制；4）最后在練習(xí)者完成訓(xùn)練任務(wù)后，虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)對(duì)操作結(jié)果進(jìn)行匯總、統(tǒng)計(jì)和評(píng)估，并將評(píng)估結(jié)果反饋給練習(xí)者，練習(xí)者可以根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)和結(jié)果調(diào)整和修改下次虛擬康復(fù)訓(xùn)練的系統(tǒng)參數(shù)。整個(gè)過(guò)程如圖3所示。

上述案例只是一個(gè)簡(jiǎn)單的虛擬康復(fù)系統(tǒng)，實(shí)際隨著虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)迅猛發(fā)展，虛擬場(chǎng)景將變得越來(lái)越逼真，越來(lái)越復(fù)雜，沉浸感和交互性也越來(lái)越好，康復(fù)訓(xùn)練效果都有很大提升。所以在虛擬康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)中，虛擬場(chǎng)景的設(shè)計(jì)往往是研究重點(diǎn)之一，各類不同場(chǎng)景的出現(xiàn)使得即使同一患者使用同樣的康復(fù)輔具，也可以沉浸在不同的情形中完成不同的康復(fù)動(dòng)作，達(dá)到不同的康復(fù)效果。好的虛擬場(chǎng)景還提高了患者的參與興趣，控制著適合的運(yùn)動(dòng)量，使康復(fù)過(guò)程更輕松更科學(xué)。

4 總結(jié)

本文介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)的概念、特征和發(fā)展，探討了虛擬現(xiàn)實(shí)在康復(fù)訓(xùn)練中的應(yīng)用，特別是在肢體類康復(fù)訓(xùn)練中的應(yīng)用情況，并以虛擬現(xiàn)實(shí)打蒼蠅場(chǎng)景訓(xùn)練手腕康復(fù)為個(gè)案實(shí)例分析了虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)，指出虛擬現(xiàn)實(shí)在康復(fù)訓(xùn)練中的優(yōu)勢(shì)和意義。未來(lái)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將在已有發(fā)展的基礎(chǔ)上秉承降低成本，提高性能和效果的原則，重點(diǎn)提升動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實(shí)時(shí)三維圖形生成和顯示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)交互設(shè)備更新?lián)Q代，向智能化和分布式發(fā)展，不斷取得新的進(jìn)步。

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