□戴順孝

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在康復(fù)訓(xùn)練中的應(yīng)用和發(fā)展

□戴順孝

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

分析了傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練的局限性，闡述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于康復(fù)訓(xùn)練的優(yōu)勢(shì)。從專(zhuān)利角度總結(jié)了國(guó)內(nèi)外虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在康復(fù)訓(xùn)練領(lǐng)域現(xiàn)有的專(zhuān)利申請(qǐng)情況，并指出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于康復(fù)訓(xùn)練的科學(xué)原理

虛擬現(xiàn)實(shí)是一門(mén)新興的人機(jī)交互技術(shù)，它借助計(jì)算機(jī)和傳感技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)與現(xiàn)實(shí)環(huán)境相似的虛擬環(huán)境，使患者在這一環(huán)境中通過(guò)語(yǔ)言、手勢(shì)等自然方式，安全地進(jìn)行功能性交互訓(xùn)練。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有3個(gè)非常顯著的特征，即交互性、沉浸感和構(gòu)想[1～3]，可以使醫(yī)務(wù)工作者在虛擬的場(chǎng)景內(nèi)通過(guò)視、聽(tīng)、觸覺(jué)等多種感官，了解和學(xué)習(xí)各種實(shí)際操作。與此同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能提供精確的測(cè)評(píng)、輔助、監(jiān)控、訓(xùn)練等技術(shù)，保證運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的有效性。

按照運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的內(nèi)容分類(lèi)，虛擬現(xiàn)實(shí)在運(yùn)動(dòng)康復(fù)中主要應(yīng)用于4個(gè)方面:平衡和體態(tài)康復(fù)訓(xùn)練、行走運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練、上下肢康復(fù)訓(xùn)練、日常生活行為康復(fù)訓(xùn)練[4～6]。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于康復(fù)訓(xùn)練的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練需要專(zhuān)業(yè)治療師的指導(dǎo)，通常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，這種訓(xùn)練方法有如下缺點(diǎn)。

（1）耗費(fèi)較多的人力物力，一名專(zhuān)業(yè)治療師只能一對(duì)一地指導(dǎo)一名患者，無(wú)法滿足當(dāng)前康復(fù)人群的需要。

（2）訓(xùn)練過(guò)程比較單調(diào)，不容易引起患者的興趣。

（3）治療場(chǎng)地有限，患者需要在特定的地點(diǎn)，如醫(yī)院或康復(fù)中心進(jìn)行訓(xùn)練。

（4）訓(xùn)練強(qiáng)度和訓(xùn)練效果不易評(píng)估，隨著康復(fù)治療的不斷進(jìn)行，患者的身體狀況發(fā)生變化，其承受的活動(dòng)量強(qiáng)度也在改變，而傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練無(wú)法對(duì)患者在訓(xùn)練過(guò)程中的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和保存，不利于康復(fù)訓(xùn)練計(jì)劃的制訂和調(diào)整[7～8]。

利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)障礙康復(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)境及時(shí)給予患者反饋，這種訓(xùn)練方法的優(yōu)勢(shì)如下。

（1）利用計(jì)算機(jī)和傳感技術(shù)生成的具有多種感官刺激的虛擬環(huán)境,可以使人產(chǎn)生一種身臨其境的感覺(jué),接受康復(fù)訓(xùn)練的患者能以自然方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互。

（2）計(jì)算機(jī)通過(guò)既定程序說(shuō)明運(yùn)動(dòng)要求,或通過(guò)虛擬教練演示規(guī)范動(dòng)作,比真人教練更有耐心，也可保持一致性。患者可以根據(jù)自己的情況反復(fù)觀察模仿練習(xí)，降低康復(fù)治療過(guò)程對(duì)治療師及治療場(chǎng)地的依賴程度。

（3）虛擬現(xiàn)實(shí)能簡(jiǎn)化訓(xùn)練任務(wù),減小在真實(shí)環(huán)境中由錯(cuò)誤操作導(dǎo)致的危險(xiǎn)。

（4）虛擬現(xiàn)實(shí)可提供多種形式的反饋信息,根據(jù)患者狀態(tài)給予鼓勵(lì)、暗示或建議等,從而使枯燥單調(diào)的康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程更輕松、有趣和容易，激發(fā)患者參與治療過(guò)程的積極性，使被動(dòng)治療變?yōu)橹鲃?dòng)治療。

（5）虛擬現(xiàn)實(shí)可以建立運(yùn)動(dòng)評(píng)估系統(tǒng)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)的可視化反饋便于對(duì)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人及對(duì)應(yīng)軟件的訓(xùn)練方式方法進(jìn)行前后對(duì)比與評(píng)估，易于進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)跟蹤與評(píng)價(jià)，從而針對(duì)患者個(gè)人的實(shí)際情況制定恰當(dāng)?shù)目祻?fù)訓(xùn)練計(jì)劃。

（6）由于虛擬環(huán)境與真實(shí)世界的高度相似性,在虛擬環(huán)境中習(xí)得的運(yùn)動(dòng)技能能更好地遷移到現(xiàn)實(shí)環(huán)境中[9～11]。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于康復(fù)訓(xùn)練的專(zhuān)利分布現(xiàn)狀

目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在康復(fù)訓(xùn)練領(lǐng)域的應(yīng)用成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，并已得到廣泛應(yīng)用，效果也已由相關(guān)研究證實(shí)。以下筆者從專(zhuān)利角度概述近年來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀。

3.1 美國(guó)專(zhuān)利

早在20世紀(jì)90年代，美國(guó)便開(kāi)始利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練研究，并在認(rèn)知康復(fù)領(lǐng)域積累了豐富的專(zhuān)利。2010年后，針對(duì)不同認(rèn)知功能障礙（記憶功能紊亂、空間認(rèn)知障礙、思維障礙等），專(zhuān)利申請(qǐng)逐漸增多，典型的專(zhuān)利權(quán)人包括：美國(guó)東北大學(xué)、Neuro Kinetics公司、加利福尼亞大學(xué)、通用電氣公司、Motorika公司、Motek公司等[12-13]。

Motek公司于 1999年申請(qǐng)的專(zhuān)利US6774885B1，公開(kāi)了包含運(yùn)動(dòng)捕捉裝置的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)可以提供精確、可重復(fù)的策略，監(jiān)視病人的訓(xùn)練情況，將捕獲的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)提供給處理器。顯示系統(tǒng)接收到處理器的指令，將虛擬環(huán)境顯示給用戶。運(yùn)動(dòng)捕捉裝置的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和評(píng)價(jià)。這項(xiàng)專(zhuān)利對(duì)后續(xù)技術(shù)發(fā)展影響深遠(yuǎn)。Motek公司在該項(xiàng)專(zhuān)利的基礎(chǔ)上對(duì)運(yùn)動(dòng)捕捉裝置進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，于2008年申請(qǐng)了專(zhuān)利US7931604B2，公開(kāi)了一種實(shí)時(shí)計(jì)算、測(cè)量、記錄患者肌肉力量的方法，并進(jìn)行了可視化顯示。Motek的專(zhuān)利還引起了Motorika公司、加拿大IA實(shí)驗(yàn)室等專(zhuān)利權(quán)人的重視，并進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)。Motorika公司于2008年申請(qǐng)的專(zhuān)利US20080234113A1公開(kāi)了一種步態(tài)訓(xùn)練方式，患者可以選擇不同的訓(xùn)練模式以滿足多個(gè)部位的康復(fù)訓(xùn)練和效果評(píng)估；加拿大IA實(shí)驗(yàn)室于2006年申請(qǐng)的專(zhuān)利US7699755B2公開(kāi)了一種將視頻游戲用于康復(fù)訓(xùn)練的方法，在訓(xùn)練設(shè)備和患者之間實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

美國(guó)東北大學(xué)的研究涉及上下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置，2010年申請(qǐng)的專(zhuān)利US8206267B2公開(kāi)了一種針對(duì)踝關(guān)節(jié)平衡訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實(shí)裝置，至少包含兩個(gè)自由度，如俯仰和滾動(dòng)，在虛擬的環(huán)境中幫助患者反復(fù)練習(xí)，改變壓力中心，改善雙腳的平衡功能。

3.2 歐洲專(zhuān)利

在歐洲，虛擬現(xiàn)實(shí)用于康復(fù)訓(xùn)練領(lǐng)域的相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)集中在歐洲專(zhuān)利局，專(zhuān)利權(quán)人相對(duì)分散。

蘇黎世大學(xué)于2009年申請(qǐng)的專(zhuān)利EP2323602A2公開(kāi)了一種沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，通過(guò)頭戴式顯示器、數(shù)據(jù)手套等配件為患者提供身臨其境的虛擬現(xiàn)實(shí)輸出，讓患者看到在相對(duì)于用戶視角的正確空間位置中出現(xiàn)的身體部分的虛擬表示。這種沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以根據(jù)不同尺寸迅速進(jìn)行調(diào)整，在康復(fù)訓(xùn)練中，患者在顯示器中看到自身胳膊和腿的虛擬表示，通過(guò)身體傳感器單元來(lái)實(shí)際控制胳膊和腿，通過(guò)繪制功能可以將所跟蹤的運(yùn)動(dòng)從身體傳感器單元轉(zhuǎn)錄到虛擬肢體。在健康主體中，繪制功能是實(shí)際肢體運(yùn)動(dòng)到直接虛擬肢體運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)單一對(duì)一轉(zhuǎn)錄，而在患者中，繪制功能可以是復(fù)雜的非線性功能，包括根據(jù)傷害類(lèi)型和治療階段來(lái)輔助或約束具體的運(yùn)動(dòng)，還可以使用實(shí)際肢體的運(yùn)動(dòng)來(lái)控制不同的虛擬肢體，這在患者已經(jīng)完全喪失肢體使用、或完全失去具體肢體的情況下非常有用，這一發(fā)明于2009年申請(qǐng)了中國(guó)同族專(zhuān)利，值得中國(guó)企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注。

3.3 亞洲專(zhuān)利

在亞洲，除了中國(guó)，日本、韓國(guó)等多個(gè)國(guó)家也涉及康復(fù)訓(xùn)練領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究。

日本人FUJITA KINYA于2000年申請(qǐng)的專(zhuān)利JP2001296951A公開(kāi)了一種偽步行虛擬現(xiàn)實(shí)裝置，通過(guò)連續(xù)測(cè)量髖關(guān)節(jié)角度，得到正弦波形的實(shí)時(shí)信息并轉(zhuǎn)化為步行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在顯示器上顯示運(yùn)動(dòng)圖像。

韓國(guó)KNU-INDUSTRY公司于2007年申請(qǐng)的專(zhuān)利KR893669B1公開(kāi)了一種不依賴于用戶視覺(jué)感知的虛擬現(xiàn)實(shí)裝置，具有一個(gè)固定在機(jī)器人手臂一段的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，另一端的機(jī)器人手臂被連接到一個(gè)手柄上，由觸覺(jué)站產(chǎn)生虛擬空間立體圖像信息。

3.4 中國(guó)專(zhuān)利

在中國(guó)，虛擬現(xiàn)實(shí)在康復(fù)訓(xùn)練領(lǐng)域的相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)始于2008年，時(shí)間上晚于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，專(zhuān)利權(quán)人主要集中在高校和科研院所，如中國(guó)科學(xué)院、上海交通大學(xué)、燕山大學(xué)、東南大學(xué)、上海理工大學(xué)、中國(guó)康復(fù)研究中心等，尚未形成企業(yè)應(yīng)用的專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)。同時(shí)，國(guó)外企業(yè)在這一領(lǐng)域的中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量較少，尚未形成專(zhuān)利布局態(tài)勢(shì)。因此，國(guó)內(nèi)企業(yè)在這一領(lǐng)域開(kāi)展專(zhuān)利布局具有較好的時(shí)機(jī)。

中國(guó)康復(fù)研究中心于 2015年申請(qǐng)的專(zhuān)利CN201510278123公開(kāi)了一種虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，用以解決現(xiàn)有康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)成本高、占用空間大的問(wèn)題。該系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備、可移動(dòng)設(shè)備及處理設(shè)備，通過(guò)將運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，以床旁一體設(shè)備為載體，實(shí)時(shí)跟蹤記錄人體關(guān)節(jié)活動(dòng)，并通過(guò)三維人物模型顯示人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程，通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、本體感覺(jué)的生物反饋機(jī)制促進(jìn)腦功能重塑，達(dá)到改善患者肢體運(yùn)動(dòng)功能的目的。整個(gè)系統(tǒng)成本較低，占地面積小，移動(dòng)方便，高度可調(diào)，使用方便，可置于患者床旁合理擺放，并可針對(duì)康復(fù)早期的臥床患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，降低康復(fù)治療過(guò)程中對(duì)治療師和治療場(chǎng)地的依賴度，適合國(guó)內(nèi)醫(yī)院空間受限、醫(yī)護(hù)人員不足的現(xiàn)狀。此外，這一系統(tǒng)采用分層和漸進(jìn)的康復(fù)訓(xùn)練方法，以及訓(xùn)練和游戲相結(jié)合的方式，在提高患者訓(xùn)練興趣的同時(shí)保證訓(xùn)練質(zhì)量。目前該項(xiàng)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)幱趯?shí)質(zhì)審查生效階段，尚未獲得授權(quán)。

上海交通大學(xué)于2012年申請(qǐng)的專(zhuān)利CN201210271756公開(kāi)了一種中樞神經(jīng)損傷患者用多功能復(fù)合康復(fù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)集診斷、處方、治療、評(píng)定、存儲(chǔ)于一體，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地評(píng)估患者的損傷程度，根據(jù)評(píng)估給出遞進(jìn)式復(fù)合康復(fù)策略。在該系統(tǒng)中，虛擬現(xiàn)實(shí)是復(fù)合康復(fù)療法的一種運(yùn)用方式，根據(jù)事先設(shè)定的任務(wù)場(chǎng)景，如野外騎行、城市散步、室內(nèi)搬運(yùn)、連線游戲等，實(shí)時(shí)檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)信息，通過(guò)視聽(tīng)設(shè)備，或壓力、觸覺(jué)等感覺(jué)器官，實(shí)時(shí)反饋給患者，并指引患者逐步完成設(shè)定任務(wù)。虛擬現(xiàn)實(shí)由系統(tǒng)控制模塊進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度、控制。根據(jù)計(jì)算模塊得到的人體運(yùn)動(dòng)相關(guān)信息控制虛擬現(xiàn)實(shí)模塊進(jìn)行對(duì)應(yīng)場(chǎng)景、對(duì)應(yīng)動(dòng)作、對(duì)應(yīng)任務(wù)指示的顯示和提示等。

4 展望

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是多媒體技術(shù)發(fā)展的高境界，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域,可以有效解決傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練方法的局限性，且實(shí)際應(yīng)用已有很大進(jìn)展。與此同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還存在著很多尚未解決的理論問(wèn)題和尚未克服的技術(shù)障礙，治療效果的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)也沒(méi)有系統(tǒng)地建立,另一方面，相關(guān)設(shè)備的成本較高、硬件技術(shù)發(fā)展的制約都影響著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及這一技術(shù)在康復(fù)訓(xùn)練領(lǐng)域的不斷推廣和深入，必將帶來(lái)一場(chǎng)影響深遠(yuǎn)的康復(fù)訓(xùn)練革命，并推動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練技術(shù)日益完善。

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The limitations of traditional rehabilitation training were analyzed,and the advantages of virtual reality technology applied to rehabilitation training were described.From the patent angle,gave a summary on the existing patent applications in the field of rehabilitation training with virtual reality technology both at home and abroad,and pointed out that virtual reality technology would play an ever-important role.

虛擬現(xiàn)實(shí)；康復(fù)訓(xùn)練；專(zhuān)利；應(yīng)用；發(fā)展

VirtualReality；Rehabilitation Training；Patent；Application；Development

TH122；TP242

A

1672-0555（2016）04-060-04

2016年8月

戴順孝（1985—），女，碩士，工程師，主要從事知識(shí)產(chǎn)權(quán)研究、專(zhuān)利檢索與分析等工作