基于个性化治疗方案的康复训练虚拟环境设计

所属栏目:高级职称晋升论文 发布日期:2018-11-24 14:11:17 论文作者:佚名
许伟豪 胡兆勇 何汉武 王俊华摘要:针对脑卒中患者在康复训练时存在的问题,文章提出了基于个性化治疗方案的康复训练虚拟环境设计的研究。为了适应不同康复需求的患者,采用虚拟现实技术设计了多种基于驾驶体验的训练游戏。根据患者的康复情况,康复训练医

许伟豪 胡兆勇 何汉武 王俊华

摘要:针对脑卒中患者在康复训练时存在的问题,文章提出了基于个性化治疗方案的康复训练虚拟环境设计的研究。为了适应不同康复需求的患者,采用虚拟现实技术设计了多种基于驾驶体验的训练游戏。根据患者的康复情况,康复训练医师可以为患者制定治疗方案。根据康复训练医师制定好的治疗方案,虚拟环境自动生成以训练动作为导向的金币路径。

关键词:康复训练;虚拟驾驶;虚拟现实;个性化治疗方案;虚拟环境设计 文献标识码:A

中图分类号:R496 文章编号:1009-2374(2017)08-0014-04 DOI:10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.08.007

随着国内人口急剧的增长、社会老龄化的加剧,脑卒中发病率呈上升的趋势。患者因脑卒中而引起的偏瘫症状对患者和家庭带来了巨大的影响,给我国经济发展带来了沉重的负担。很多研究表明,患者在康复训练过程中如果能接受多种形式的信息反馈,将极大地提高患者的训练兴趣和康复信心,有趣、轻松和愉快的虚拟康复训练环境从心理上鼓励患者,让患者更主动地参与康复训练,从而更有效地提高康复效果。国内外的研究者们将虚拟现实技术应用于脑卒中的康复训练领域,并取得很好的康复效果,因此本研究设计了基于虚拟驾驶体验的康复训练虚拟环境,允许康复治疗师根据患者的康复阶段对训练模式进行个性化选择,对训练动作进行个性化设置,将使训练能够有针对性、有科学性、有计划性地开展。

1 康复训练的需求分析与设计

脑重塑理论和运动再学习理论是康复医学原理中的两大理论,为康复提供了重要的理论依据。上肢的康复训练是康复治疗过程中的重要组成部分,本文的上肢康复训练主要是针对上肢肩、肘关节进行的康复训练。根据脑的重塑理论和运动再学习理论,多次反复的动作训练,让患者充分体验每一个简单动作到每一组复杂动作的正常运动感觉和所需力度,从而促进多肌群的协调运动。不断强化动作训练,使中枢神经系统重新组织产生新的神经传递路线,从而逐步实现人体功能恢复,最终使患者能恢复正常的肩、肘关节活动能力。

很多脑卒中患者都失去了基本的生活自理能力,为了让患者恢复基本的生活自理能力,本文针对上肢具有一定运动能力的脑卒中患者,设计一套上肢康复训练系统。针对具有一定运动能力的脑卒中患者的上肢功能障碍特点,康复训练的虚拟环境应该具备以下两个要求:(1)针对肩、肘关节活动训练,设置多种训练任务,有针对性地对患者上肢不同关节进行康复训练;(2)允许康复治疗师根据病人的具体情况对病人治疗方案进行个性化设置,不同的治疗方案对应不同的康复训练虚拟场景,以适应不同康复阶段的患者,让上肢康复训练过程更科学、更精确地进行。

根据上述的康复医学理论及需求分析,训练方案就是患者通过操作上肢康复训练装置,进行有趣的虚拟驾驶游戏,完成相关的训练任务,使上肢在多个模式的虚拟驾驶游戏中训练上肢肩前屈、后伸、外展、内收、肘屈的功能,从而促进偏瘫侧上肢功能的恢复。主要需要完成的训练动作如图1所示,a、b、c、d分别是左旋动作、右旋动作、上抬动作和下压动作。

针对上述的上肢肩、肘关节康复训练需求,本研究主要设计了3种训练任务。本研究的训练机构采用由项目组自主研发的上肢康复训练驾驶座椅。训练机构主要有两个自由度的旋转运动,分别是手柄在水平面的旋转运动、训练桌面在垂直方向上的旋转运动,患者通过操作训练机构,可以让患者的肩关节和肘关节得到相应的运动。在虚拟训练任务中,通过得分金币来引导患者操作训练机构使虚拟驾驶工具沿着设置好的金币路径拾取金币,从而使患者完成手臂肩前屈、后伸、外展、内收和肘屈动作。三种训练任务设计如下:(1)汽车駕驶训练任务。限制康复训练机构的上下抬运动,通过操作训练机器上的类方向盘手柄机构,结合虚拟汽车驾驶训练任务,患者上肢做水平面上的旋转动作,主要训练患者的肩关节前屈、后伸、外展和内收活动能力,辅助训练肘关节活动;(2)飞行驾驶训练任务。限制康复训练机器的方向盘手柄机构的旋转运动,通过控制训练机器上下抬运动,结合飞行驾驶训练任务,患者上肢完成垂直面上的旋转动作,主要训练患者肘关节屈曲活动能力,辅助训练肩关节活动;(3)综合驾驶训练任务。开放训练手柄在水平面和垂直面上两个自由度的旋转运动,结合虚拟飞行驾驶训练任务,综合训练患者的肩、肘关节活动能力。

根据患者具体的康复阶段,康复训练师为患者制定个性化的治疗方案,可以让康复训练更有针对性、更科学地进行。训练手柄的旋转角度越大,患者训练过程中的肩肘关节活动范围就越大。调节好训练动作时间,将会影响患者训练过程中的动作速度。控制好训练动作次数,将会影响患者训练过程中的运动量。因此,控制手柄的旋转幅度、旋转时间和旋转次数,将会影响患者的肩肘训练动作,如表1所示。分析动作影响因素,动作旋转角度θ、动作时间t、动作次数N,根据动作的影响因素,设计上肢左旋、右旋、上抬和下压动作。治疗师为患者设计训练动作集确定治疗方案,通过调整动作集相关的参数,训练场景中的金币会根据动作集生成新的坐标位置,金币的排布会形成以动作为导向的路径,患者控制虚拟驾驶工具沿着金币路径进行碰撞金币操作,便完成相应的训练动作。

2 虚拟训练场景设计

2.1 场景环境因素分析

本研究结合康复训练的需求,为了提高患者的康复训练兴趣,采用了虚拟驾驶的方式来对患者进行康复训练,极大地丰富了训练任务。虚拟训练场景包括训练患者上肢水平位左右旋转的汽车驾驶场景、训练患者上肢垂直位上抬下压的飞行驾驶场景和综合训练的飞行驾驶场景,同时采用碰撞虚拟金币的形式来得分,通过分析碰撞金币的得分情况来评估训练效果。因此,虚拟训练场景包含了比较多驾驶环境的因素,如道路、汽车、飞机等,为了减少患者的心理负担、营造一个轻松的训练环境,场景增加了很多树木、花草、天空等环境因素,同时配上轻松的音乐和环境声音,从而丰富了训练场景的信息反馈。为了更完善训练场景,考虑到训练患者大部分都是老年患者,结合训练任务,虚拟环境增加了操作提示UI和声音提示,根据训练得分情况会有相应的声音激励,提高患者的康复信心。因此训练场景的环境因素比较多,从场景模型的动静状态可以将虚拟场景环境因素分为动态元素和静态元素。虚拟环境因素分类如图2所示。

2.2 动态配置以训练动作为导向的虚拟环境

本研究主要采用碰撞金币的方式来引导患者操作训练设备进行相应的肩肘关节康复训练,因此,可以动态配置的动态环境元素主要是得分金币、UI提示、声音提示。其中虚拟驾驶工具和金币路径是直接影响患者训练动作的环境元素。因此本研究重点研究控制虚拟驾驶工具运动和基于治疗方案动态配置以动作为导向的金币路径的方法。

为了简化虚拟驾驶工具的运动控制,将训练手柄的左右旋转操作和上抬下压的旋转操作映射为汽车或者飞机的直线运动。以汽车驾驶为例,汽车的左右运动偏移位移公式和速度控制公式为:

式中:Xmax是汽车能达到的最大偏移位移;Xi是汽车的当前偏移位移;θmax是操作手柄能达到的最大旋转角度;θi是操作手柄的当前旋转角度,当θi>0时表示右旋动作,否则左旋动作;Vmax是汽车能达到的最大速度;Vi是汽车的当前速度;γmax是操作脚踏板能达到的最大旋转角度;γi是操作脚踏板的当前旋转角度,取值范围是(0≤γi≤γmax)。

金币路径要以训练动作为导向进行排列,当患者完成所有的金币碰撞,即完成康复训练师给患者制定的训练动作要求。治疗方案中的训练动作有上肢的左旋动作、右旋动作、上抬动作和下压动作,其中动作的要求可以用动作旋转角度θ、动作时间t、动作次数N来描述。以汽车驾驶模式为例,该模式主要是通过手柄的水平面上的旋转操作来训练患者的肩关节前屈、后伸、外展和内收活动能力,因此金币应分布于汽车前方的左右两边。为了让金币的排列更好地描述訓练动作,我们定义患者操作手柄完成一次左旋/右旋并且将手柄复位为一次左旋动作/右旋动作,定义患者操作手柄完成一次上抬/下压并且将手柄复位为一次上抬动作/下压动作。汽车驾驶模式中,左旋动作单元的金币排布和右旋动作单元的金币排布如图3所示,其中图a是左旋动作金币排列,图b是右旋动作金币排列。

式中:Xmax是金币的最大偏移位移;XL和XR是金币的当前偏移位移;θmax是操作手柄能达到的最大旋转角度;θL和θR是当前设置的动作旋转角度;Vmax是虚拟驾驶工具能达到的最大速度;TL和TR是患者完成一次动作单元所需要的时间;YL是患者完成一次动作单元时碰撞的两个金币之间的距离。

为了增加康复训练过程的趣味性,左旋动作和右旋动作的金币排序应该要有随机性,而不是简单的左右旋动作金币的反复出现。治疗方案中的动作参数有左旋动作次数NL和右旋动作次数NR,可以使用C#程序语言中的Random类的对象产生随机数,通过判断随机数的奇偶性来确定动作类型,从而生成动作序列,比如动作序列ML,MR,MR,ML,MR…)表示先进行左旋训练,接着右旋训练,然后继续右旋训练,再左旋训练,直到左旋动作完成NL次,右旋动作完成NR次。如图4是生成动作序列的算法设计流程图:

根据动作单元中的金币排列的相关公式和生成的动作序列,可以给场景中的各个金币确定位置坐标,从而生成以训练动作为导向的金币路径。飞行驾驶与综合驾驶康复训练的金币路径设计原理跟汽车驾驶训练的一样,最后汽车驾驶康复训练金币路径示意图如图5

所示:

3 虚拟场景运行实例

通过基于个性化治疗方案的康复训练虚拟环境设计的研究,使用C#语言编程,结合unity3d引擎虚拟训练场景开发和winform程序设计最终完成了三种训练模式的虚拟环境设计。其中包括训练动作参数设置的训练任务选择界面、汽车驾驶训练模式、飞行驾驶训练模式如图6、图7、图8所示:

4 结语

本文分析了康复训练的需求,结合具有两个旋转自由度的上肢康复训练机构,进行了基于个性化治疗方案动态配置康复训练虚拟环境的研究,并开发出一套康复训练系统。系统的虚拟环境有三种训练模式,医师可以根据患者的具体情况,设置动作参数,确定以上肢训练动作为导向的治疗方案。训练动作的个性化设置可以适应不同康复需求的患者,多模式的训练游戏还有丰富的视觉和听觉信息反馈,以提高患者的训练兴趣,促进患者主动训练。

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基金项目:广东省产学研项目资助(编号:2013B090500035);广东省科技计划项目(编号:2013B010102010);国家青年基金项目(编号:61300106)。

作者简介:许伟豪(1991-),男,广东清远人,广东工业大学机电工程学院硕士研究生,研究方向:虚拟现实及可视化。

(责任编辑:黄银芳)

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