基于虛擬現(xiàn)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)化上肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)
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現(xiàn)階段，在國內(nèi)的康復(fù)治療中，針對患者功能訓(xùn)練的治療仍舊以治療師的手法操作為主，或輔助一些簡單的訓(xùn)練器械，且訓(xùn)練過程單調(diào)無趣，患者容易產(chǎn)生厭煩情緒。治療師不容易即時了解病人的訓(xùn)練程度和效果 [1][2]。研究表明，如果能夠在訓(xùn)練過程中提供多種形式的信息反饋，充分發(fā)揮患者的主觀能動性，將會使康復(fù)訓(xùn)練效果得到很大提高。虛擬現(xiàn)實(shí)是一種新興的并且迅速發(fā)展的技術(shù)，它的主要特點(diǎn)是：利用計算機(jī)和傳感技術(shù)生成一個具有多種感官刺激的虛擬境界，這種虛擬境界可以使人產(chǎn)生一種身臨其境的感覺；人能以自然的方式與虛擬境界中的對象進(jìn)行交互[3]。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域，可以有效的解決現(xiàn)有的康復(fù)醫(yī)療方法的局限性[4]。
康復(fù)機(jī)器人技術(shù)在歐美等國家己經(jīng)得到了科研工作者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的普遍重視 ,也取得了一些有價值的成果. 06年 Tobias Nef等人研制了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的上肢康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人 ARMIn[5]。Rutgers大學(xué)和 Stanford醫(yī)學(xué)院在基于虛擬環(huán)境的遠(yuǎn)程康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)方面做了大量的工作[6]。清華大學(xué)研制了一種上肢康復(fù)設(shè)備 UECM，可以在平面內(nèi)進(jìn)行兩個自由度的運(yùn)行訓(xùn)練[1]。
本文針對實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的一種上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)了虛擬現(xiàn)實(shí)的輔助康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，以激發(fā)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的興趣和動力，達(dá)到提高康復(fù)訓(xùn)練效果的目的。
1．系統(tǒng)總體概況
1.1 康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)主要可分為上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)。 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖 1所示。
1.2 康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計
康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)部分主要有座椅部分、支撐部分、牽引部分組成，如圖 2所示。訓(xùn)練時，病人坐在椅子上，通過懸吊線和肘關(guān)節(jié)支撐套將病人的手臂吊起，病人的手被固定在康復(fù)訓(xùn)練牽引機(jī)械臂的托盤上。
1.3康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)工作原理
該康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)由 4部分組成：基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的輔助訓(xùn)練客戶端，康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)（下位機(jī)） ,醫(yī)生端監(jiān)控計算機(jī)（上位機(jī)），和網(wǎng)絡(luò)通訊部分。其中康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)由 ARM主控模塊、測量控制電路、鍵盤及 LCD顯示電路、存儲器件等主要部分組成。被動訓(xùn)練模式運(yùn)行時，安裝在康復(fù)訓(xùn)練牽引機(jī)械臂的力和位置傳感器將采集的病人運(yùn)動的力和位置信號經(jīng)過信號處理后送給 ARM主控模塊，主控模塊經(jīng)過預(yù)處理后再通過下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)模塊把力和位置信息通過局域網(wǎng)傳送給醫(yī)生端監(jiān)控主機(jī),同時監(jiān)控軟件繪制出力度信號和位置信號的實(shí)時曲線，并訪問后臺病案數(shù)據(jù)庫，實(shí)時記錄訓(xùn)練各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)。醫(yī)生根據(jù)反饋的信息判斷病人的康復(fù)情況，并通過上位機(jī)設(shè)置康復(fù)訓(xùn)練參數(shù)，發(fā)送控制指令給下位機(jī)，下位機(jī)根據(jù)醫(yī)生設(shè)置的參數(shù)，采用相應(yīng)的控制算法，發(fā)送控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路放大后驅(qū)動電機(jī)，從而控制康復(fù)訓(xùn)練牽引機(jī)械臂的運(yùn)動。主動模式和阻抗模式運(yùn)行時，虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練客戶端軟件和上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件同時通過局域網(wǎng)連接至下位機(jī) ARM嵌入式康復(fù)機(jī)器人主控模塊，主控模塊把采集到的力度和位置信號經(jīng)過預(yù)處理后，同時發(fā)送給上位機(jī)監(jiān)控程序和虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練程序。虛擬現(xiàn)實(shí)輔助訓(xùn)練軟件利用接收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過相應(yīng)算法轉(zhuǎn)化為虛擬場景中物體的坐標(biāo)，同時配合設(shè)置好的虛擬場景和人機(jī)交互策略實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)輔助康復(fù)訓(xùn)練過程。本文分別使用 windows GDI 和 OpenGL＋3dmax 設(shè)計了兩套虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)訓(xùn)練程序，分別配合主動訓(xùn)練模式和阻抗訓(xùn)練模式。
2、虛擬現(xiàn)實(shí)輔助康復(fù)訓(xùn)練客戶端軟件開發(fā)
康復(fù)病人由于肢體肌肉處于廢退狀態(tài)，很容易對鍛煉感到厭煩，這對于病人的康復(fù)進(jìn)程是很不利的。為此本文利用 Windows GDI，OpenGL＋3Dmax設(shè)計了兩個具有良好交互性的游戲程序作為患者輔助康復(fù)訓(xùn)練平臺，使患者在游戲過程中不知不覺的完成鍛煉，變原來的消極鍛煉為積極主動的參與鍛煉。
2.1配合阻抗訓(xùn)練模式的虛擬現(xiàn)實(shí)輔助訓(xùn)練軟件設(shè)計
2.1.1 阻抗訓(xùn)練模式介紹
該訓(xùn)練模式適用于即將康復(fù)的患者，這類患者的患肢已經(jīng)逐步恢復(fù)運(yùn)動能力，這時就可以根據(jù)患者的康復(fù)情況，在康復(fù)鍛煉過程中通過機(jī)器人給患者的患肢作用一定大小的阻尼力，使患者完成動作的時候克服阻力，從而增強(qiáng)肌肉的力量，逐步恢復(fù)到正常狀態(tài)。
2.1.2 程序設(shè)計
該軟件采用 VC＋＋6.0創(chuàng)建的基于單文檔的 MFC應(yīng)用程序。游戲開始后病人通過控制機(jī)械臂的水平運(yùn)動，控制虛擬場景中水平擋板的移動反彈小球，擊打上畫面上方的矩形磚塊。如圖 3所示。程序開始運(yùn)行后，通過 GDI繪制出彈球游戲的基本場景，小球和水平移動擋板，完成游戲參數(shù)的基本初始化工作。在創(chuàng)建框架窗體的同時使用 CAsyncSocket類的 MySocket派生類，初始化訓(xùn)練客戶端套接字，封裝了網(wǎng)絡(luò)通信消息響應(yīng)函數(shù)。并重載了其中的 OnReceive(), OnAccept(),OnConnect()，OnClose()等消息響應(yīng)函數(shù),這些函數(shù)分別映射 CMyView類中相應(yīng)的處理函數(shù)。完成套接字初始化后，立即與下位機(jī)服務(wù)器連接，并開始接收下位機(jī)傳送的位置和力度數(shù)據(jù)。當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到達(dá)時，程序映射調(diào)用 CMyView類中的 OnReceive()函數(shù)，完成接收下位機(jī)傳送的位置信號數(shù)據(jù)，通過公式（1）
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