基于虛擬現(xiàn)實的網(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)實是一種新興的并且迅速發(fā)展的技術(shù)，它的主要特點是：利用計算機和傳感技術(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)實技術(shù)的上肢康復(fù)醫(yī)療機器人 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)行兩個自由度的運行訓(xùn)練[1]。
本文針對實驗室現(xiàn)有的一種上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)了虛擬現(xiàn)實的輔助康復(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)練機器人系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖康復(fù)訓(xùn)練機器人系統(tǒng)主要可分為上位機遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和下位機系統(tǒng)。 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖 1所示。
1.2 康復(fù)機器人機構(gòu)設(shè)計
康復(fù)機器人機構(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)練牽引機械臂的托盤上。
1.3康復(fù)機器人系統(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)實技術(shù)的輔助訓(xùn)練客戶端，康復(fù)機器人控制系統(tǒng)（下位機） ,醫(yī)生端監(jiān)控計算機（上位機），和網(wǎng)絡(luò)通訊部分。其中康復(fù)機器人控制系統(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)練模式運行時，安裝在康復(fù)訓(xùn)練牽引機械臂的力和位置傳感器將采集的病人運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,同時監(jiān)控軟件繪制出力度信號和位置信號的實時曲線，并訪問后臺病案數(shù)據(jù)庫，實時記錄訓(xùn)練各項狀態(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，并通過上位機設(shè)置康復(fù)訓(xùn)練參數(shù)，發(fā)送控制指令給下位機，下位機根據(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，從而控制康復(fù)訓(xùn)練牽引機械臂的運動。主動模式和阻抗模式運行時，虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練客戶端軟件和上位機遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件同時通過局域網(wǎng)連接至下位機 ARM嵌入式康復(fù)機器人主控模塊，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)送給上位機監(jiān)控程序和虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練程序。虛擬現(xiàn)實輔助訓(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交互策略實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實輔助康復(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械臂的水平運動，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，立即與下位機服務(wù)器連接，并開始接收下位機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)，完成接收下位機傳送的位置信號數(shù)據(jù)，通過公式（1）
shippositon=(long)(-w*855/180) （1）
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