虚拟现实技术在康复工程应用前景初探
(6)用于娱乐:由于虚拟现实所产生的一个包括视觉、听觉、触觉、动觉、嗅觉以至味觉的多感觉环境,很容易使操作者产生一种身临其境的感觉,这对于游戏来说是十分合适的。
(7)用于通讯与协同工作:虚拟现实技术与高速网络及分布式计算机相结合,将给使用者提供一个公共的工作空间,可供通讯、会议及协同工作,这将极大地提高工作效率,节省工作开支。
(8)用于康复治疗:这是我们在本文中提出的一个新的应用方向。
2 虚拟现实技术在康复工程中的应用前景
对于康复患者的训练来说,运动量是否合适,运动是否平稳,运动方式是否符合一般的生活习惯,是决定康复训练是否成功的关键。
使训练过程充满乐趣,可以应用虚拟现实技术,使训练能达到预定的效果,这种器械必须能实现康复训练过程中所需要的四种运动方式,即被动运动、主动-辅助运动、主动运动和抵抗运动。我们认为VR技术在康复工程中能应用在以下几个方面,如下表所示:
应用
下面以上肢康复训练和下肢康复训练为例说明虚拟现实技术在康复工程中的应用。
2.1 虚拟现实技术在上肢康复训练中的应用前景
根据VR技术能使用户象在真实环境中一样操纵虚拟环境中的对象(或物体)这一作用,虚拟现实技术可以用于上肢和手的训练。在进行上肢和手的训练时,需要很多如圆锥体、泡沫塑料分指板、大球状把的插桩和把手粗细不同的木图案模等物体。这些物体都可以通过虚拟环境生成虚拟物体来实现,患者可通过对所生成的虚拟物体的抓握或使用来进行手指精细动作的训练,虚拟物体的形状和大小,可根据患者的手的大小和恢复情况来定。这样需要的训练物体可根据康复情况发生变化,软硬程度也可调整,还可随时对患者的训练情况进行科学评价,且不需要平时储存很多训练物品,又省去专人管理。
2.2 虚拟现实技术在下肢康复训练中的应用前景
虚拟现实技术也可用于下肢的训练,如“虚拟跑步器”和“虚拟健身车”等。下面以“虚拟健身车”为例说明虚拟现实训练器的大致结构组成,如图3所示。
由图3可以看出,整个训练系统由以下几部分组成:
框图
(1)主体:这部分由操纵装置、阻力加载系统和运动系统组成。操纵装置是为使用者能操纵虚拟环境而设置的,为了让使用者在虚拟环境中漫游,操纵装置应能产生上下左右的运动控制信号。阻力加载系统和运动系统是实现康复训练四种运动方式的基础。康复训练器操纵器的设计也是一个比较重要的部分,要能感受使用者所施加的力度和幅度 。幅度大则产生的操纵信号强,否则就弱。而且,操纵装置的设计也应该考虑操纵的方便和舒适。
(2)处理器系统:这部分由微处理器、图像发生器、声音发生器、图像显示器和声音播放器组成。这部分是实现虚拟现实技术的核心部分,它将由各种传感器获得的运动控制信号、速度信号加以分析处理,分析操纵者在虚拟环境中的位置及观察角度,并根据已建立的虚拟环境的模型来快速产生图形,最终由图像发生器产生相应的图像,由声音发生器产生各种音响,为使用者创造一个和谐的训练环境。
(3)信号分析处理系统:这部分由阻力模拟器和传感器及其处理电路组成。阻力模拟器根据微处理器产生的“虚拟健身车”行驶过程中的不同路况信号,发生阻力信号,控制阻力加载系统产生模拟阻力;传感器包括操纵器中的各种传感设备、速度传感器以及各处生理参数测量传感器,这些传感器可以感知操作者的控制信号、速度信号和各种生理信号,并由处理电路处理各种传感器产生的信号,传递给微处理器使用。
控制系统的作用是接收各传感器和操纵装置的信号,将其整形、放大、转换成图像生成器所能接受的信号,用于控制图像的产生。另外一个作用是将图像发生器产生的路况阻力信号转化成模拟信号,与其它信号合成后控制阻力模拟器。图4表示了一种正在研制的下肢虚拟现实康复训练器。
练器
1-支架;2-后轴;3-后轴承座;4-座椅;5-操作手柄;6-显示器;
7-前轴;8-前轴承座;9-阻力模拟器;10-摆架;11-转向机构
对于一般的患者来说,在他恢复的过程中,随着身体情况的变化,在训练过程中所承受的负荷也有所变化。在开始训练时由于患者体力极差,不能进行主动运动的情况下,为了防止机体功能的退化,可以采用器械主动牵引,患者被动运动的方式。而在以后的训练过程中,这种阻力要随着训练的深入而加大。阻力模拟系统是实现康复训练过程中四种运动方式的关键部分。