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

    近年來(lái)，我國(guó)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(jì)，在中國(guó)腦卒中發(fā)病率達(dá)120/10萬(wàn)，顱腦損傷發(fā)病率達(dá) 783.3/10萬(wàn)，脊髓損傷發(fā)病率達(dá)20/100萬(wàn)，其中大約80%的幸存者遺留肢體運(yùn)動(dòng)功能障礙。運(yùn)動(dòng)功能障礙對(duì)患者及患者家庭的生活和工作質(zhì)量造成嚴(yán)重影響，同時(shí)對(duì)患者的整個(gè)家庭造成很大的經(jīng)濟(jì)壓力。所以要對(duì)患病的人進(jìn)行及時(shí)有效地康復(fù)治療，盡快恢復(fù)其運(yùn)動(dòng)功能，減小病癥帶來(lái)的影響。作為納斯達(dá)克上市企業(yè)“微美全息US.WIMI”旗下研究機(jī)構(gòu)“微美全息科學(xué)院”的科學(xué)家們認(rèn)為，作為治療下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙的主要療法，運(yùn)動(dòng)功能療法通過(guò)對(duì)患肢進(jìn)行反復(fù)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，達(dá)到防治肌肉萎縮、增加關(guān)節(jié)活動(dòng)度、增強(qiáng)肌力促進(jìn)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(diǎn)，對(duì)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(jiǎn)單的輔具對(duì)患者進(jìn)行連續(xù)被動(dòng)訓(xùn)練，或者簡(jiǎn)單的輔助訓(xùn)練，反復(fù)引導(dǎo)患者下肢運(yùn)動(dòng)，刺激大腦皮層相關(guān)下肢運(yùn)動(dòng)功能區(qū)域的恢復(fù)，直到 患者可以獨(dú)立完成正�；蛘呲呌谡�常的動(dòng)作。這種傳統(tǒng)一對(duì)一的運(yùn)動(dòng)康復(fù)療法存在著諸多的不足和局限性：（1）醫(yī)師勞動(dòng)強(qiáng)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(jìn)一步展開(kāi)。（3）康復(fù)醫(yī)師無(wú)法直接得到客觀的訓(xùn)練效果，主觀的評(píng)價(jià)不能全方面反映患者的訓(xùn)練情況。針對(duì)上述的情況，結(jié)合下肢康復(fù)機(jī)器人與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的訓(xùn)練系統(tǒng)既可以減輕康復(fù)醫(yī)師的勞動(dòng)強(qiáng)度， 又能增強(qiáng)患者訓(xùn)練過(guò)程中的趣味性。把虛擬現(xiàn)實(shí)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(kāi)發(fā)人員通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)等手段可以開(kāi)發(fā)出各種各樣的虛擬場(chǎng)景來(lái)配合患者進(jìn)行訓(xùn)練。

    虛擬場(chǎng)景有以下特點(diǎn)：真實(shí)感極強(qiáng)的場(chǎng)景和視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等信息的反饋，很容易讓 患者沉浸在設(shè)計(jì)的場(chǎng)景中進(jìn)行訓(xùn)練。除了具有很高的沉浸性，虛擬場(chǎng)景還可以和患者進(jìn)行人機(jī)交互，患者把自己的主觀意愿融進(jìn)到虛擬場(chǎng)景中，極大的增強(qiáng)了患者積極參與訓(xùn)練的信心。 綜上所述，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到下肢康復(fù)機(jī)器人可以解決傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)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(shí)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(yùn)動(dòng)能力的重要條件 ，但簡(jiǎn)單的重復(fù)訓(xùn)練會(huì)使患者產(chǎn)生消極情緒，不利于進(jìn)一步訓(xùn)練。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)刺激神經(jīng)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)可以使患者的運(yùn)動(dòng)功能得到恢復(fù)。正是基于上述理論，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到康復(fù)訓(xùn)練可以達(dá)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(jī)器人引入虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)技術(shù)建立的虛擬場(chǎng)景具有友好交互的優(yōu)勢(shì)患者與系統(tǒng)可以進(jìn)行交互，避免因操作不當(dāng)、運(yùn)動(dòng)尺度過(guò)大等意外事故的發(fā)生。并且還可以在虛擬場(chǎng)景中設(shè)定機(jī)械腿運(yùn)動(dòng)角度、速度等相關(guān)參數(shù)，來(lái)貼合患者的康復(fù)心理，達(dá)到患者在訓(xùn)練過(guò)程中保持樂(lè)觀心態(tài)的目的。

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

    把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到下肢康復(fù)訓(xùn)練中要考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是什么；運(yùn)動(dòng)康復(fù)過(guò)程的基本要求是什么；最后是針對(duì)下肢康復(fù)的醫(yī)學(xué)康復(fù)手段有哪些。將以上三個(gè)方面的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)，對(duì)現(xiàn)有的下肢康復(fù)手段和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，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(yùn)動(dòng)對(duì)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(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)康復(fù)起到一定的效果。神經(jīng)系統(tǒng)主要是依靠視覺(jué)感知或身體感知來(lái)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(gè)康復(fù)過(guò)程。因此，重復(fù)、反饋和熱情三方面對(duì)患者的成功康復(fù)是缺一不可的。虛擬現(xiàn)實(shí)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?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)涉及的科學(xué)原理包括重復(fù)、反饋、激勵(lì)等特點(diǎn)。

    虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種輔助手段在治療下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙患者的過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)自身的技術(shù)特點(diǎn)和現(xiàn)有的下肢康復(fù)訓(xùn)練方法，來(lái)闡述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到下肢康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中的重要作用。

    (1)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)療法。下肢康復(fù)機(jī)器人被動(dòng)訓(xùn)練可以實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)動(dòng)作：髖、膝、踝單關(guān)節(jié)被動(dòng)訓(xùn)練，腳掌末端直線軌跡被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，腳掌末端圓周軌跡被動(dòng)訓(xùn)練。在這些運(yùn)動(dòng)當(dāng)中，康復(fù)醫(yī)療師根據(jù)患者下肢運(yùn)動(dòng)的困難程度選擇合適的場(chǎng)景，并在場(chǎng)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(shí)沉浸在康復(fù)醫(yī)師選定的虛擬場(chǎng)景中，達(dá)到其在接受康復(fù)治療時(shí)保持愉快的心情的目的。通過(guò)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)療法可以提高患者主動(dòng)參與治療的主觀能動(dòng)性。

    (2)生物信息反饋療法。下肢康復(fù)機(jī)器人中的傳感器系統(tǒng)可以把患者下肢的運(yùn)動(dòng)軌跡和關(guān)節(jié)力矩等數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)反饋給機(jī)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(chǎng)景中，虛擬場(chǎng)景系統(tǒng)會(huì)用這些信息控制虛擬場(chǎng)景角色的關(guān)節(jié)角度或飛船的位置移動(dòng)。這樣就可以把患者康復(fù)訓(xùn)練的數(shù)據(jù)通過(guò)虛擬場(chǎng)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(chǎng)景的信息了解自己的訓(xùn)練和康復(fù)情況。

    (3)促進(jìn)神經(jīng)發(fā)育的療法。在訓(xùn)練過(guò)程中，治療醫(yī)師可以通過(guò)主動(dòng)訓(xùn)練方案選取相應(yīng)的虛擬場(chǎng)景對(duì)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。在這樣的虛擬場(chǎng)景中，接受治療的患者可以與自己在場(chǎng)景中的角色(虛擬人或飛船)和場(chǎng)景中的其他元素進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。通過(guò)視覺(jué)或者聽(tīng)覺(jué)的反饋，患者可以了解實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)信息，通過(guò)刺激患者對(duì)感官信號(hào)的靈敏度，加強(qiáng)患者對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)控制能力。

    二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

    德國(guó)柏林弗朗霍費(fèi)爾研究所研制出了Haptic Walker機(jī)器人系統(tǒng)（如圖1所示），該系統(tǒng)融入了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以此技術(shù)為基礎(chǔ)將步行康復(fù)訓(xùn)練與實(shí)際場(chǎng)景結(jié)合，提高患者訓(xùn)練的興趣和積極性�；颊哒玖⒂跈C(jī)器人的活動(dòng)踏板上，對(duì)平底、上下樓等多種訓(xùn)練場(chǎng)景進(jìn)行模擬，上方的減重支架對(duì)患者進(jìn)行減重。

    圖 1 Haptic Walker 步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人

    瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)研制了一款名為L(zhǎng)OKOMAT的步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人（如圖2所示）。LOKOMAT康復(fù)系統(tǒng)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入其中，為患者提供視覺(jué)反饋，進(jìn)而提高患者訓(xùn)練時(shí)的積極性。LOKOMAT 由四部分組成，分別為減重機(jī)構(gòu)、 外骨骼機(jī)器人、電動(dòng)跑臺(tái)和控制系統(tǒng)。LOKOMAT 擁有各種傳感器用來(lái)檢測(cè)各關(guān)節(jié)角度、電機(jī)輸出力矩和人機(jī)之間的相互作用力等。

    圖 2 LOKOMAT 康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)

    東京大學(xué)開(kāi)發(fā)出四項(xiàng)研究成果：①類似 CAVE 系統(tǒng)（如圖3所示），即使用3個(gè)攝像機(jī)拍攝圖像并投影到3個(gè)屏幕上；②用HMD（Head Mounted Displays頭盔顯示器）在建筑群當(dāng)中進(jìn)行漫游，頭部安裝了3個(gè)用于測(cè)量自由度的傳感器，腳下踏板上有安裝兩個(gè)測(cè)量傳感器用于向前后運(yùn)動(dòng)和向左右轉(zhuǎn)彎地測(cè)量；③人體測(cè)量和模型的隨動(dòng)。由人身上的傳感器，得到人體姿勢(shì)，計(jì)算機(jī)中顯示的虛擬人體就可以隨著真著實(shí)人體運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)；④飛行仿真器。人坐在六自由度的振動(dòng)座椅上，通過(guò)座椅振動(dòng)來(lái)模擬真實(shí)座艙，并且飛行中場(chǎng)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(dòng)虛擬環(huán)境（CAVE）

    法國(guó)TechViz公司設(shè)計(jì)研發(fā)了一種完整的虛擬可視化的操作應(yīng)用平臺(tái)，通過(guò)這個(gè)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)協(xié)作式的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。虛擬現(xiàn)實(shí)在制造業(yè)產(chǎn)品研發(fā)的領(lǐng)域中TechViz平臺(tái)是一個(gè)革命性的進(jìn)展，在傳統(tǒng)型的設(shè)計(jì)研發(fā)與總裝裝配之間開(kāi)發(fā)出一條新的空間。圖4為汽車設(shè)計(jì)師們運(yùn)用TechViz 平臺(tái)設(shè)計(jì)汽車。

    圖4虛擬車間模型

    虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究雖然在我國(guó)起步比較晚，但近些年已取得了非常大的進(jìn)步。 國(guó)家把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)列入了重點(diǎn)研究項(xiàng)目，國(guó)內(nèi)的一些重點(diǎn)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(jì)了一套虛擬場(chǎng)景，此場(chǎng)景配合踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人幫助病人踝關(guān)節(jié)進(jìn)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(dòng)康復(fù)策略，設(shè)計(jì)人員開(kāi)發(fā)出了兩個(gè)游戲虛擬場(chǎng)景，包括飛機(jī)飛行的場(chǎng)景與賽車行駛的場(chǎng)景。康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程當(dāng)中，患者通過(guò)踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)而控制虛擬場(chǎng)景中飛機(jī)飛行的軌跡與賽車行駛的路線。

    圖5汽車虛擬場(chǎng)景

    三、未來(lái)的發(fā)展方向

    從國(guó)內(nèi)外的虛擬現(xiàn)實(shí)科研成果當(dāng)中，我們可以看出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的本質(zhì)是構(gòu)造一個(gè)擬人化的交互的“世界”，在此“世界”中參與人可以即時(shí)移動(dòng)和探究其中的對(duì)象元素。

    沉浸感是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)追求的最高理想目標(biāo)，也是最難以實(shí)現(xiàn)的。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究是遵循“高效率、低成本”準(zhǔn)則，未來(lái)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)為兩個(gè)方面。 第一個(gè)是朝桌面虛擬現(xiàn)實(shí)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(chǎng)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(shí)技術(shù)也會(huì) 實(shí)現(xiàn)。在第二個(gè)方面是朝著高性能沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)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(duì)士兵模擬訓(xùn)練等，因?yàn)橛兄�一些特殊要求，需要高度沉浸性的虛擬場(chǎng)景來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(jué)探索科技未知，以人類愿景為驅(qū)動(dòng)力，開(kāi)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(jué)探索科技未知, 吸引、集聚、整合全球相關(guān)資源和優(yōu)勢(shì)力量，推進(jìn)以科技創(chuàng)新為核心的全面創(chuàng)新，開(kāi)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(jì)劃在以下范疇拓展對(duì)未來(lái)世界的科學(xué)研究：

    一、全息計(jì)算科學(xué)：腦機(jī)全息計(jì)算、量子全息計(jì)算、光電全息計(jì)算、中微子全息計(jì)算、生物全息計(jì)算、磁浮全息計(jì)算

    二、全息通信科學(xué)：腦機(jī)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(jī)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(jī)全息云、量子全息云、光電全息云