虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

1虛擬現(xiàn)實(shí)在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用杭州市第一人民醫(yī)院南京醫(yī)科大學(xué)附屬杭州醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科劉元標(biāo)23主要內(nèi)容虛擬現(xiàn)實(shí)概念虛擬現(xiàn)實(shí)的特征與構(gòu)成虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用領(lǐng)域VR應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)學(xué)的理論根底及優(yōu)勢(shì)VR技術(shù)在康復(fù)醫(yī)學(xué)中應(yīng)用的文獻(xiàn)復(fù)習(xí)4虛擬現(xiàn)實(shí)5虛擬現(xiàn)實(shí)概念虛擬現(xiàn)實(shí)是一種以沉浸性、交互性和設(shè)想性為根本特征的高端人機(jī)接口，包括通過視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺等多種感覺通道的實(shí)時(shí)模擬和實(shí)時(shí)交叉。6虛擬現(xiàn)實(shí)的根本特征—3I浸入性或沉浸〔Immersion〕：用戶感到被虛擬世界包圍，就好似完全融入其中一樣視覺浸入：使用者可以親身體驗(yàn)虛擬環(huán)境真實(shí)直觀的視圖觸覺浸入：允許使用者接觸并感覺虛擬物體聽覺浸入：模擬人耳感受聲音方式，提供真實(shí)聲音嗅覺浸入、味覺浸入：剛剛開始或尚未開始研究交互性〔Interactive〕：用戶能通過自然的動(dòng)作與虛擬世界的物體進(jìn)行交互作用設(shè)想性〔Imagination〕：在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，幫助人們獲取知識(shí)和形成新的概念7虛擬現(xiàn)實(shí)的開展….1929年，EdwinLink設(shè)計(jì)了第一臺(tái)使乘坐者具有飛機(jī)中飛行感覺的乘坐器1962年，MotonHeilig創(chuàng)造了SensoramaSimulator〔全傳感仿真器〕作為第一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)視頻設(shè)備獲美國專利8虛擬現(xiàn)實(shí)的開展….1962年，MotonHeilig創(chuàng)造了頭盔顯示器〔head-mounteddisplays，HMD〕1966年，IvanSutherland在用戶眼睛前綁上了兩個(gè)CRT顯示器虛擬世界、虛擬現(xiàn)實(shí)軟件、計(jì)算機(jī)、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大局部輸入設(shè)備輸出設(shè)備虛擬現(xiàn)實(shí)軟件虛擬世界計(jì)算機(jī)VR的根本組成10VR的根本組成11圖像顯示設(shè)備是用于產(chǎn)生立體視覺效果的關(guān)鍵外設(shè)，目前常見的產(chǎn)品包括光閥眼鏡、三維投影儀和頭盔顯示器等。其中高檔的頭盔顯示器〔HMD〕在屏蔽現(xiàn)實(shí)世界的同時(shí)，提供高分辨率、大視場(chǎng)角的虛擬場(chǎng)景，并帶有立體聲耳機(jī)，可以使人產(chǎn)生強(qiáng)烈的浸沒感。VR的根本組成-輸出設(shè)備12個(gè)人圖形顯示設(shè)備即為單個(gè)用戶輸出虛擬場(chǎng)景；分為頭盔顯示器、手持式顯示器、地面支撐的顯示設(shè)備等高檔的頭盔顯示器〔HMD〕在屏蔽現(xiàn)實(shí)世界的同時(shí)，提供高分辨率、大視場(chǎng)角的虛擬場(chǎng)景，并帶有立體聲耳機(jī)，可以使人產(chǎn)生強(qiáng)烈的浸沒感。VR的根本組成-輸出設(shè)備13數(shù)據(jù)手套

虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的主要交互設(shè)備，它作為一只虛擬的手或控件用于3DVR場(chǎng)景的模擬交互，可進(jìn)行物體抓取、移動(dòng)、裝配、操縱、控制，有有線和無線、左手和右手之分，可用于WTK、Vega等3DVR或視景仿真軟件環(huán)境中。VR的根本組成-輸入設(shè)備14三維空間交互球

虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的另一重要的交互設(shè)備，用于六個(gè)自由度VR場(chǎng)景的模擬交互，可從不同的角度和方位對(duì)三維物體觀察、瀏覽、操縱；也可作為3DMouse來使用；并可與數(shù)據(jù)手套或立體眼鏡結(jié)合使用，作為跟蹤定位器。也可單獨(dú)用于CAD/CAM，(Pro/E、UG)。

VR的根本組成-輸入設(shè)備15力反響裝置力反響器是VR研究中的一種重要的設(shè)備，該設(shè)備能使參與者實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境中除視覺、聽覺之外的第三感覺——觸覺和力感，進(jìn)一步增強(qiáng)虛擬環(huán)境的交互性，從而真正體會(huì)到虛擬世界中的交互真實(shí)感，該設(shè)備廣泛應(yīng)用于虛擬醫(yī)療、虛擬裝配等諸多領(lǐng)域。VR的根本組成-輸入設(shè)備16運(yùn)動(dòng)跟蹤器

三維空間跟蹤定位器是VR系統(tǒng)中用于空間跟蹤定位的裝置，一般與其他VR設(shè)備結(jié)合使用，如：數(shù)據(jù)頭盔、立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套等，使參與者在空間上能夠自由移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，不局限于固定的空間位置，操作更加靈活、自如、隨意。產(chǎn)品有六個(gè)自由度和三個(gè)自由之度。VR的根本組成-其他關(guān)鍵外設(shè)17三維模型數(shù)字化儀

又稱三維掃描儀或三維數(shù)字化儀，是一種先進(jìn)的三維模型建立設(shè)備，該設(shè)備利用CCD成像、激光掃描等手段實(shí)現(xiàn)物體模型的取樣，同時(shí)通過配套的矢量華軟件對(duì)三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)數(shù)字模型的控制。特別適合于建立一些不規(guī)那么三維物體模型的工作中，如人體器官和骨骼模型的建立、出土的三千年前文物三維數(shù)字模型的建立等等，在醫(yī)療、動(dòng)植物研究、文物保護(hù)等VR應(yīng)用領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。VR的根本組成-其他關(guān)鍵外設(shè)18虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域軍事領(lǐng)域教育、藝術(shù)及娛樂城市規(guī)劃、旅游工業(yè)醫(yī)療……19虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域-軍事領(lǐng)域單兵仿真器指揮員訓(xùn)練VESUB仿真器基于VR的近程海軍炮兵訓(xùn)練單元教練機(jī)和虛擬座艙分布式戰(zhàn)斗訓(xùn)練20虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域-教育等領(lǐng)域在教育中使用VR技術(shù)基于探索的學(xué)習(xí)通過構(gòu)建虛擬世界來學(xué)習(xí)VR與藝術(shù)虛擬文化遺產(chǎn)VR在娛樂行業(yè)中的應(yīng)用PC視頻游戲基于特定場(chǎng)所的娛樂21虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域-醫(yī)療虛擬解剖VisibleHuman傷員鑒別分類和診斷應(yīng)對(duì)生物恐怖主義的緊急醫(yī)療前列腺觸診內(nèi)窺鏡檢查外科手術(shù)靜脈注射開放性手術(shù)微創(chuàng)手術(shù)康復(fù)骨科康復(fù)神經(jīng)康復(fù)心理及認(rèn)知康復(fù)22虛擬解剖23前列腺觸診24VR用于康復(fù)治療的理論根底…康復(fù)治療的目的：旨在通過各種手段，使患者機(jī)體的局部或者全部功能得到最大限度的恢復(fù)，以到達(dá)最大可能的生活自理、勞動(dòng)、工作和學(xué)習(xí)能力。中樞神經(jīng)系統(tǒng)可塑性：即中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)和/或功能上的重組能力，通過康復(fù)治療，可促進(jìn)旁路循環(huán)，充分發(fā)揮中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能的重組，促進(jìn)大腦皮質(zhì)的可塑性開展，促進(jìn)喪失的功能重新恢復(fù)并重建正常的運(yùn)動(dòng)模式(繆鴻石,康復(fù)醫(yī)學(xué)理論與實(shí)踐)。25VR用于康復(fù)治療的理論根底…重復(fù)、反響和動(dòng)機(jī)原那么研究說明：高強(qiáng)度、任務(wù)導(dǎo)向的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和重復(fù)訓(xùn)練是促進(jìn)神經(jīng)功能重組的重要條件和影響功能性運(yùn)動(dòng)技巧恢復(fù)的根底〔RizzoA，2004；BrooksBM，2002〕。26VR用于康復(fù)治療的理論根底…傳統(tǒng)康復(fù)治療的局限性：消耗人力物力較大，一對(duì)一治療模式；治療過程比較單調(diào)，不容易引起患者的興趣；訓(xùn)練強(qiáng)度和訓(xùn)練效果不易進(jìn)行量化評(píng)估，訓(xùn)練場(chǎng)所和日常生活場(chǎng)所的差異不利于患者訓(xùn)練的功能在日常生活活動(dòng)中表達(dá)，從而影響治療效果；治療場(chǎng)地有限，患者需要在特定的地點(diǎn)如醫(yī)院或康復(fù)中心進(jìn)行訓(xùn)練。27VR用于康復(fù)治療的理論根底…虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：提供了重復(fù)練習(xí)、成績反響和維持動(dòng)機(jī)的技術(shù)手段反響模式：訓(xùn)練過程中的實(shí)時(shí)反響、一組練習(xí)后的成績反響；增加趣味性，以維持患者的主觀積極性；減輕治療師工作強(qiáng)度；提供遠(yuǎn)程治療的可能性。28VR用于康復(fù)治療的實(shí)驗(yàn)依據(jù)…(YouSH,etal.2005)29VR在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用認(rèn)知康復(fù)心理康復(fù)平衡功能功能障礙步態(tài)異常上肢和手功能30VR在認(rèn)知康復(fù)中的應(yīng)用空間認(rèn)知障礙注意障礙記憶障礙思維障礙生活技能的認(rèn)知康復(fù)31VR在認(rèn)知康復(fù)中的應(yīng)用-空間認(rèn)知障礙通過計(jì)算機(jī)構(gòu)造三維虛擬建筑物等空間物體能促進(jìn)有行為障礙兒童的空間能力〔Nigel，1999〕;由城市街道構(gòu)成的VR場(chǎng)景，使12位55~75歲得單側(cè)空間無視患者的8人和同齡健康人一樣自由走動(dòng)且順利過街(Weiss,2003)32VR在認(rèn)知康復(fù)中的應(yīng)用-注意障礙由于VR系統(tǒng)具有沉浸、交互和想象的特點(diǎn),受試者在接受長時(shí)間治療訓(xùn)練時(shí),容易保持注意力集中,因而效果也較其他方法好(Rizzo,2001)沉浸式VR有明顯的注意增強(qiáng)作用，對(duì)青少年注意障礙治療有顯著效果(ChoBH,2002)VR系統(tǒng)能提高注意力缺陷伴多動(dòng)癥患者的學(xué)習(xí)能力(CostaRM,2002)33VR在認(rèn)知康復(fù)中的應(yīng)用-生活技能認(rèn)知為疾病造成的日常生活技能缺失的患者提供平安、熟悉的訓(xùn)練方案(GourlayD,2000;LeeJH,2003)VR可用于腦損傷后認(rèn)知功能的評(píng)估(LeeJH,2003;ZhangL,2003)34VR在心理康復(fù)中的應(yīng)用心理康復(fù)是對(duì)強(qiáng)迫癥、飲食紊亂癥、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙以及恐懼癥進(jìn)行的治療(North,2002)恐懼癥的傳統(tǒng)治療方法是暴露療法，即用一定可誘發(fā)恐懼癥的刺激物來刺激病人，到達(dá)使病人對(duì)其不再敏感的目的VR用于恐懼癥治療具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)保護(hù)隱私保證平安35VR在心理康復(fù)中的應(yīng)用-實(shí)例45位受試者VRE組WL組SE組4次控制焦慮技巧訓(xùn)練買票、上機(jī)想象飛行4次VR訓(xùn)練36VR在神經(jīng)康復(fù)中的應(yīng)用認(rèn)知康復(fù)心理康復(fù)平衡功能功能障礙步態(tài)異常上肢和手功能37VR與平衡_Study1KizonyR,200738VR與平衡_Study1KizonyR,200739VR與平衡_Study1KizonyR,200740VR與平衡_Study2KimJH,202124SubjectsVRGroupCPTGroupCPT+VRCPTBerg平衡量表，BalancePerformanceMonitor(BPM)；Spatiotemporaldata41VR與平衡_Study2KimJH,202142VR與步態(tài)_Study1Kim,202124位中風(fēng)患者隨機(jī)分為傳統(tǒng)治療組，治療組〔傳統(tǒng)治療+VR〕；傳統(tǒng)治療：每周4次，每次40分鐘的常規(guī)康復(fù)治療，共4周；VR訓(xùn)練：每次CPT治療結(jié)束后在給予30minVR訓(xùn)練〔平衡控制、體重轉(zhuǎn)移以及邁步練習(xí)〕；評(píng)估：GAIRite-步行的時(shí)空數(shù)據(jù)43VR與步態(tài)_Study1Kim,202144VR與步態(tài)_Study2MirelmanA,2021實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：單盲、隨機(jī)對(duì)照研究研究對(duì)象：18位〔15Men〕具有局部抗重力踝背區(qū)、并且能獨(dú)立行走50英尺而仍有明顯步態(tài)異常的中風(fēng)患者。45VR與步態(tài)_Study2MirelmanA,2021測(cè)試時(shí)間：治療前、4周治療后、治療結(jié)束后3個(gè)月；觀察指標(biāo)：7米平地步行速度；6-分鐘步行試驗(yàn)；PatientActivityMonitor〔計(jì)步器〕；下肢Fugl-Meyer評(píng)分；Berg平衡量表46VR與步態(tài)_Study2MirelmanA,2021步行速度47VR與步態(tài)_Study2MirelmanA,20216MWT步行距離48VR與步態(tài)_Study2MirelmanA,2021治療前治療后RoboticVRRoboticRoboticVRRobotic距離1.2±0.540.80±0.332.8±1.740.73±0.44每日步數(shù)1344±431176±391921±671102±42平均速度0.53±0.110.61±0.240.63±0.130.63±0.22步長0.37±0.050.39±0.120.38±0.070.40±0.1最高速度0.93±0.270.96±0.31.09±0.310.92±0.28PAM觀察指標(biāo)49VR與步態(tài)_小結(jié)VR訓(xùn)練可以根據(jù)患者訓(xùn)練過程中的實(shí)時(shí)反響及時(shí)調(diào)整訓(xùn)練時(shí)間、強(qiáng)度從而制定更具個(gè)性化的訓(xùn)練方案?；赩R的步態(tài)訓(xùn)練有助于提高中風(fēng)患者的步行速度、步頻、自信心、上下樓梯能力以及步行距離。經(jīng)過VR訓(xùn)練，患者社區(qū)內(nèi)步行時(shí)的步行速度、步頻以及自信心也有相應(yīng)的增加。VR與下肢步行機(jī)器人結(jié)合使用能進(jìn)一步提升訓(xùn)練效果。50VR與手、上肢功能遺留上肢功能障礙的中風(fēng)患者比例高達(dá)55~75%〔Lucca,2021〕；基于VR的訓(xùn)練由于其交互性和娛樂性，在保證一定治療實(shí)踐的前提下，有望用于改善中風(fēng)患者的上肢功能〔Holden,2007〕；51VR與手、上肢功能Lucca,202152VR與手、上肢功能Crosbie,202153VR與手、上肢功能54VR與手、上肢功能VR技術(shù)可以建立一個(gè)交互、鼓勵(lì)的訓(xùn)練環(huán)境，而且訓(xùn)練強(qiáng)度和內(nèi)容可以根據(jù)實(shí)時(shí)反響得到及時(shí)調(diào)整從而保證個(gè)性化訓(xùn)練方案的實(shí)現(xiàn)；通過VR訓(xùn)練，患者手指的力量、關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍、分指運(yùn)動(dòng)能力以及運(yùn)動(dòng)速度都可以得到明顯改善；55總結(jié)-VR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以提供多種治療場(chǎng)