（机械电子工程专业论文）基于openscenegraph的上肢康复虚拟环境系统研究与设计.pdf

捅要 摘要 随着中国老龄化进程加快，心脑血管疾病发病率持续增加，偏瘫患者将越来 越多。上肢运动的恢复对患者的日常生活能力影响大，同时也是康复治疗中较难 解决的问题之一。本文主要研究了上肢运动康复虚拟环境系统的技术要求、主要 功能和具体实现。由于我国的特殊国情，基于虚拟现实技术的康复系统研究尚处 于起步阶段，因此，本课题的研究有重要的应用价值。 虚拟现实技术是一种结合了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、传感技 术、人机接口技术以及计算机仿真技术的新兴技术领域。其正被许多专家学者探 索应用于医学领域，而在康复医疗方面，其交互性、沉浸性、构想性的特征使其 具有巨大的应用潜力。 本文在广泛搜集脑卒中康复虚拟现实资料的基础上，对脑卒中后遗症的康复 现状和虚拟现实技术的应用现状进行了深入分析，指出了将虚拟现实技术应用于 偏瘫康复的可能性，并结合脑卒中后运动功能障碍的康复理论，提出了将目前的 几种康复手段与虚拟现实技术结合起来，并分析了具体的系统方案以及系统技术 路线。 在对桌面虚拟现实平台进行研究的前提下，本文分别讨论了虚拟场景建模方 法和虚拟现实软件开发系统的主要技术，针对该讨论选用了主要技术平台，并对 选用的目标平台使用过程中的几个重要技术问题进行了分析，包括基于o s g 的视 景显示技术应用，用于实现上肢康复的虚拟人的几何建模与运动控制技术。对 o s g 的场景图技术、o s g 的体系结构和o s g 程序的运行流程进行了详细分析， 对虚拟人的几何建模和运动控制方法进行了介绍，使用c r e a t o r 建模软件完成了了 虚拟人的几何建模，利用d h 方法进行了上肢的运动学分析。 再次，本文分析了基于虚拟现实技术的上肢康复系统软件的开发环境，设计 了关键模块。对患者信息管理模块的主要功能进行了分析，利用数据库开发技术 设计了患者康复治疗与评定数据库，并基于a c c e s s 数据库对该模块进行了开发， 并完成了在微软基础类库( m f c ) 下进行的o p e n s c e n e g r a p h 应用程序开发。 关键字上肢康复；虚拟现实；o p e n s c c n c g r a p h v a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ea g i n gp r o c e s so fp e o p l e ，t h ei n c i d e n c eo fc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e c o n t i n u e st oi n c r e a s e ，h e m i p l e g i ep a t i e n t sb e c o m em o r ea n dm o r e t h er e c o v e r yo f u p p e rl i m bm o v e m e n ti np a t i e n t sh a v eg r e a ti m p a c to na c t i v i t i e so fd a i l yl i v i n g ，a n d t h er e h a b i l i t a t i o no ft h ep r o b l e m si sd i f f i c u l tt os o l v e t h ep a p e rs t u d i e st h eu p p e r e x t r e m i t yr e h a b i l i t a t i o nr o b o tw i t hv i r t u a le n v i r o n m e n ts y s t e m ，i n c l u d et h et e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s ，t h em a i nf u n c t i o na n dr e a l i z a t i o n , a sc h i n a ss p e c i a lc o n d i t i o n s ，b a s e d o nv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yi nr e h a b i l i t a t i o nr o b o t i c sr e s e a r c hi ss t i l li ni t si n f a n c y , t h e r e f o r e ，t h es u b j e c th a si m p o r t a n ta p p l i c a t i o nv a l u e v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yi sac o m b i n a t i o no fc o m p u t e rg r a p h i c s , m u l t i m e d i a , a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，s e n s o rt e c h n o l o g y , h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c et e c h n o l o g y , a n d c o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y i ti su s e db ym a n ye x p e r t sa n ds c h o l a r st oe x p l o r et h e m e d i c a lf i e l d ，a n di nt h er e h a b i l i t a t i o no fh e a l t hc a r e ，i t si n t e r a c t i v e ，i m m e r s i v e ，t h e c o n c e p to f t h ec h a r a c t e r i s t i c sh a v eg r e a tp o t e n t i a l b a s e do nt h es t u d yo fv i r t u a lr e a l i t ya n ds t r o k er e h a b i l i t a t i o n , t h ep a p e rd o e s d e p t ha n a l y s i so f t h ec u r r e n ts i t u a t i o no fv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g ya n dr e h a b i l i t a t i o no f s t r o k e ，p o i n t so u tt h e r o b o ta n dv i r t u a l r e a l i t yt e c h n o l o g ym a yb eu s e di nt h e r e h a b i l i t a t i o no fh e m i p l e g i a , c o m b i n e d 、i t i lm o t o r d y s f u n c t i o n a f t e rs t r o k e r e h a b i l i t a t i o nt h e o r y , p u tf o r w a r dam e a n so fr e h a b i l i t a t i o no fs e v e r a le x i s t i n ga n d v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yt oc o m b i n ea n da n a l y z et h es p e c i f i cs y s t e ms o l u t i o n sa n d s y s t e mt e c h n o l o g yr o u t e o nt h ep r e m i s er e s e a r c ho fd e s k t o pv i r t u a lr e a l i t yp l a t f o r m ，t h ep a p e rd i s c u s s e s t h es y s t e mu s i n gt h em a i nt e c h n o l o g yp l a t f o r m ，a n ds e l e c t st h et a r g e tp l a t f o r m 、) r i t l l s e v e r a li m p o r t a n tt e c h n i c a lp r o b l e m sa n a l y z e d ，i n c l u d i n gv i s u a ld i s p l a yi s s u eb a s e do n o p e n s c e n e g r a p ha p p l i c a t i o na n dg e o m e t r i cm o d e l i n ga n dm o t i o nc o n t r o lf o rt h e r e a l i z a t i o no ft h ev i r t u a lh u m a nu p p e rl i m b 。a n dt h e nu s e so p e n s c e n e g r a p h c o m p l e t i n ga v i r t u a lh u m a nu p p e rl i m bm o t i o nc o n t r o ld e v e l o p m e n t a n dt h e n ，t h ep a p e r a n a l y z e st h es o f t w a r ed e v e l o p m e n ta n dk e ym o d u l ed e s i g no f v 山东大学硕七学位论文 u p p e rl i m bb a s e d o nv i r t u a l r e a l i t yr e h a b i l i t a t i o ns y s t e m p a t i e n ti n f o r m a t i o n m a n a g e m e n tm o d u l e o ft h em a i nf u n c t i o n sw e r ea n a l y z e d ，u s i n go fd a t a b a s e d e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yt od e s i g na n de v a l u a t i o nt h er e h a b i l i t a t i o nt r e a t m e n ti n p a t i e n t s ，c o m p l e t i n ga c c e s sd a t a b a s e ，a n df i n i s h e st h ed e v e l o p m e n to ft h em o d u l e si n t h em i c r o s o f tf o u n d a t i o n c l a s s ( m f c ) a p p l i c a t i o nu n d e rt h eo p e n s c e n e g r a p h k e y w o r d su p p e rl i m br e h a b i l i t a t i o n ；v i r t u a lr e m i t y ；o p e n s c e n e g r a p h v l l l 第1 章绪论 1 1 研究背景分析 第1 章绪论 脑卒中( s t r o k e ) 是一种突然起病的脑血液循环障碍性疾病，又叫脑血管意 外，是指存在脑血管疾病的病人，因各种诱发因素引起脑内动脉狭窄，闭塞或破 裂，而造成急性脑血液循环障碍，临床上表现为一过性或永久性脑功能障碍的症 状和体征。脑卒中严重危害人类健康和生命安全，存在着明显的高发病率、高致 残率和高死亡率特点【i 】。根据有关数据统计，仅我国每年发生脑中风的病人就达 到2 0 0 万，目前已有的中风病人7 0 0 万，其中4 5 0 万病人有不同程度的丧失劳动 力、生活不能自理等问题。 随着综合抢救技术和重症监护技术的提高，脑卒中患者死亡率已经显著下降。 与此同时，致残率随之提高，达到8 0 以上。其中一半是重度致残者，患者的生 活质量受到了严重的影响。偏瘫是脑卒中患者患病后最常见的功能障碍，其不但 给患者带来了痛苦，同时也给家庭和社会带来了沉重的负担。每年用于偏瘫患者 治疗康复的住院费、护工费、医药费以及其他各项相关的社会福利事业开支数目 巨大。 随着中国老龄化进程加快，心脑血管疾病发病率持续增加，偏瘫患者将越来 越多。由于上肢运动的恢复对患者的日常生活影响比较大，同时也是康复治疗中 较难解决的问题之一，因此上肢康复已经成为现代康复医疗工程研究的热点。 据世界卫生组织( w o r l dh e a l t ho r g a n i z a t i o n ，w h o ) 资料，康复医疗【2 】能 够促进脑卒中患者受损功能的恢复，提高生活质量。在国外发达国家，一些脑中 卒患者经过正规的康复训练后，生活能力得到明显提高，其中工作年龄段的患者 中很多都能够恢复工作，从而减少了家庭和社会承担的费用。我国于2 0 0 1 年启动 了急性脑血管康复方面的相关课题攻关，对于改善脑卒中患者的各项功能障碍， 提高生活质量，减少社会的各项支出有很大帮助。 然而，传统的康复手段主要是康复训练师对患者进行一对一、手把手的训练， 或者只是利用简单的康复器械进行训练。该方法存在着很多问题。首先，人工训 山东大学硕十学位论文 练或者简单器械训练强度不高，很难深刻影响中枢神经系统可塑性，这导致训练 效果不甚理想；其次，由于主观性很强，很难对康复治疗方案的治疗效果进行客 观评估，对进一步的深入研究偏瘫神经康复规律不利；再次，由于需要进行康复 训练的病人较多，这种人工训练往往难以满足数量和质量上的要求，这也导致了 部分患者放弃康复训练，采取在家自我锻炼的方式，但往往难以取得较好的效果。 针对传统的康复训练的各种问题，世界各国都积极地研究进行康复训练的新 理论、新方法、新手段。其中，虚拟现实技术【3 】能够改善传统人工康复手段的效 果。 虚拟现实技术是一种结合了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、传感技 术、人机接口技术以及计算机仿真技术的新兴技术领域。虚拟现实技术正被许多 专家学者探索应用于医学领域【4 】，而在康复医疗方面，其交互性、沉浸性、构想 性的特征使其具有巨大的应用潜力。肢体康复目前的康复过程过于单调、乏燥， 患者很难产生兴趣，因此康复效果不理想。另外一个方面，偏瘫患者在身体患有 障碍的同时，也会存在着巨大的心理上的障碍。单纯的康复手段虽然能够很好的 解决生理障碍，但对心理障碍的解决却显得捉襟见肘。将虚拟现实技术应用于康 复工程，可以使虚拟环境与治疗相结合，使患者置身于虚拟环境之中，增加治疗 过程中的乐趣，提高患者乐观情绪；可以利用生理治疗与心理引导相结合的方式， 通过声音、语言、文字等的沉浸对患者进行多样化的心理提示和诱导，充分调动 患者的精神作用，从而达到强化生理治疗的作用。因此将虚拟现实技术应用于康 复领域，能充分调动患者的主观能动性，是一种极有前景的技术形式。 1 2 国内外研究发展现状 1 2 1 国外研究发展现状 h o l d e n 等【5 1 最早成功的运用虚拟现实技术对脑卒中患者上肢进行康复运动训 练。为此，他们开发了一套基于虚拟现实技术的康复系统，通过对虚拟老师动作 的学习，患者能够有意识的习得上肢的各种肢体运动。 如图1 1 所示，该系统由台式计算机、电磁运动跟踪装置和虚拟现实软件系 2 第1 章绪论 统构成。虚拟软件具有大约2 0 个虚拟的训练场景，每个场景包含多种难度水平， 治疗师可以针对患者的自身情况选择相应的场景和任务难度级别。首先，虚拟现 实软件利用运动跟踪设备采集j 下常人执行一定活动的动作，将采集动作的预定义 轨迹作为“虚拟老师”的动作。然后，系统将这些动作提供给患者观察并进行模 仿练习。在训练中，电磁运动跟踪设备记录患者的动作，并将其与“虚拟老师 的动作相对比，找到轨迹差异，并将这些差异以语言或者线索匹配的方式反馈给 患者。h o l d e n 等进行了多项研究，表明“虚拟老师”对患者进行指导训练，能够 极大地提高康复速度。 图卜1h o l d e n 研究的上肢康复训练怕 t o m a zk o r i t n i k 等【6 】将虚拟现实技术运用到了下肢的运动康复中。他们把虚拟 现实技术作为一种下肢训练的视觉反馈手段，并开发了相应的软硬件系统来进行 实验研究。 如图1 2 所示，该系统由虚拟镜、运动采集设备和相应的系统软件构成。受 试者站在虚拟镜前面，能够从镜中看到两个三维的虚拟人物，其中一个实体的虚 拟人代表的是受试者本人，其动作将通过运动采集设备与受试者保持一致；另一 个半透明的代表的是“虚拟导师”。这两个虚拟人是重叠在一起的，“虚拟导师” 的下肢运动将受到系统程序的控制，受试者需要跟随“虚拟导师”的指导进行下 肢运动。由于受试者及其“虚拟导师“的形象在虚拟镜中显示出来，受试者可以 山东人学硕士学位论文 方便的看到自己的动作与“虚拟导师”的动作之间的差异，并据此来调整自己的 动作。t o m a zk o r i t n i k 等通过一系列实验验证该种方法能够作为一种下肢康复训 练的手段，并且提供了良好的可适应性以及方便性。 图卜2t o m a z 研究的下肢康复训练哺1 h v a nd em e e n t 等人7 1 开发了一个基于s t e w a r t 运动平台的重症病人早期康复 训练系统，该系统使用了虚拟现实技术。 4 图卜3m e e n t 研究开发的重症病人康复训练 第l 苹绪论 如图1 3 所示，该系统由一个s t e w a r t 并联机构构成的运动座椅和一套能够展 示虚拟环境的计算机系统组成。受试者坐在运动座椅上，眼看屏幕，将会嚣身于 虚拟环境之中。这时，运动座椅将会产生六个自由度的运动，同时虚拟环境中的 视点也会随着运动座椅的变化产生相应的变化。h v a nd em e e n t 等的研究表明， 该系统在工作过程中，受试者将会产生一定的肌电信号。研究还表明，在有虚拟 环境沉浸的试验中，受试者将会产生更活跃的肌电信号。该研究表明，虚拟现实 沉浸对运动康复起到一定作用。 1 2 2 国内研究发晨现状 国内对基于虚拟现实的上肢康复研究并不多，主要集中于清华大学、东南大 学、哈尔滨工程大学和河北工业大学等。 清华大学的黄靖远提出了虚拟康复工程的概念，并研制了以自行车骑行方式 训练和恢复下肢运动功能的虚拟健身车系统【引。 图卜4 黄靖远等提出的虚拟健身车系统阳1 如图1 4 所示，该虚拟康复健身车【9 】由机械部分、控制部分与虚拟现实部分 山东大学硕士学位论文 组成，机械系统与控制系统能够实现多种运动方式的切换以及智能控制的阻力模 拟；虚拟现实部分能够提高患者的训练兴趣，实现心理治疗的目的。其中虚拟现 实部分功能较为单一，主要是“配以优美的音乐盒突现，增加训练的乐趣”，并 没有建立复杂的三维场景形成虚拟环境。 东南大学李会军1 0 】等研制了一种同时具有视觉反馈和力觉反馈的单自由度 上肢康复训练机器人系统。 图卜5 李会军等提出的上肢康复训练机器人系统n 们 如图1 5 所示，该机器人能够做绕定点的圆弧运动，在虚拟环境中映射为直 线，同时并不改变实际运动与虚拟路径的长度。患者在操作机器人的时候，虚拟 环境中的小球也会跟随发生变化，用户通过视觉反馈来实现对小球的控制，从而 达到锻炼手臂的目的。 河北工业大学王瑞利1 将虚拟现实技术引入到踝关节的康复工程，根据康复 医学的运动疗法和作业疗法，研制出一种踝关节的康复系统，并构建了虚拟环境 仿真平台。 河北工业大学的岳宏【1 2 1 将虚拟现实和外骨骼技术引入到肢体的康复工程， 为上肢患者研制出手臂外骨骼康复系统，实现了手臂的运动控制，并构建了虚拟 环境方针平台。 清华大学的马赞【1 3 j 开发了一套基于脑机接口技术的虚拟现实康复训练平 台。该平台通过将患者在想象运动时的脑电信号作为虚拟人运动的控制信号，将 运动想象与运动功能恢复相结合，更大程度的刺激患者的想象运动，从而提高训 练效果。 6 第1 幸绪论 1 3 论文的主要内容与结构组织安排 1 3 1 论文的主要内容 本文在分析研究运动康复现有技术的基础之上，对虚拟现实在运动康复领域 的应用进行了研究，并研究了基于o p e n s c e n e g r a p h 的上肢康复虚拟环境系统。 主要研究内容如下： ( 1 ) 虚拟现实技术应用于上肢康复领域。 结合脑卒中运动康复理论及虚拟现实技术的主要特征和应用领域，对虚拟现 实技术应用于上肢运动康复的技术方式进行了研究分析，提出了一套基于现有康 复技术方案和虚拟现实技术手段的上肢康复虚拟环境系统，并详细分析了上肢康 复虚拟环境系统的系统方案和技术路线。 ( 2 ) 上肢康复虚拟环境系统开发平台选取。 论文分析了用于桌面式虚拟现实开发平台的主要技术方法和特点，结合本论 文提出的上肢康复虚拟环境系统的技术特点和开发要求，分别选取了虚拟环境建 模工具和虚拟现实软件开发平台。 ( 3 ) 基于o s g 的上肢康复环境仿真技术基础研究。 分析了3 d 图形引擎的场景图形系统、体系结构和o s g 程序的运行流程；针 对论文提出的上肢康复环境系统，对该系统中涉及的主要虚拟环境模型虚拟人 的几何建模技术和运动控制技术进行研究分析，并完成了虚拟人的几何模型造型 及其相应的上肢运动控制算法。 ( 4 ) 基于o s g 的上肢康复软件系统实现。 利用v i s u a lc - h - 2 0 0 8 和m f c 技术，对论文提出的上肢康复软件系统进行了 设计实现，完成了信息管理模块和康复训练模块的开发工作。 1 3 2 论文的结构组织安排 根据研究过程进行论文的写作，全文包括正文五章和参考文献，具体内容安 排如下： 第一章：绪论。首先介绍了课题研究背景，然后对基于虚拟现实的运动康复 7 山东大学硕十学位论文 机器人的国内外研究现状进行了研究，最后给出了论文的主要内容和组织结构。 第二章：虚拟现实技术及其在运动康复中的应用。对虚拟现实的概念、特征、 分类以及应用领域进行了介绍，根据脑卒中后运动功能障碍理论的分析提出了将 虚拟现实技术用于脑卒中后康复的可能性。并根据分析结果提出了系统方案和技 术开发路线。 第三章：基于o s g 的上肢康复虚拟环境仿真技术基础研究与分析。对开发桌 面式虚拟现实的技术平台进行了分析，确定了本文使用的开发平台；介绍并分析 了o s g 图形引擎；对虚拟人的几何建模和上肢运动控制进行了分析。 第四章：虚拟现实软件系统的设计。对上肢康复虚拟环境系统的集成开发环 境进行了介绍，完成了信息管理模块和虚拟环境交互模块的设计和实现工作。 第五章：总结与展望。总结了论文的主要工作，并对下一步研究工作进行了 展望。 8 第2 章虚拟现j 习= 技术及其在运动康复中的应用 第2 章虚拟现实技术及其在运动康复中的应用 2 1 虚拟现实概述 2 1 1 虚拟现实的概念 随着计算机技术，尤其是计算机图形技术和人机交互技术的快速发展，虚拟 现实成为近年来十分活跃的研究领域。虚拟现实技术研究【1 4 】源自于1 9 6 5 年i v a n s u t h e d a n d 发表的题为“t h eu l t i m a t ed i s p l a y ( 终极的显示) 的论文。作者在这 篇论文中提出将计算机显示屏幕作为一个观察虚拟世界的窗口，从而提出了观察 客观世界的一种新方法和新设想。到1 9 8 9 年，美国人j a r o nl a n i e r 正式提出了 “v i r t u a lr e a l i t y 一词，从此虚拟现实开始引起新闻媒体和广大群众的关注和丰 富的想象。 虚拟现实技术涉及众多的知识领域，包括计算机图形学、人工智能、多媒体 技术、人机接口技术、传感器技术、高度并行的实时计算技术以及人类行为学研 究等。有的学者【1 5 l 将虚拟现实看作是多媒体技术的更高发展形势，为人类探索宏 观世界和微观世界提供了更大的便利。 通过归纳，虚拟现实是一种通过给用户提供诸如视觉、听觉、触觉等直观而 且自然的实时感知交互手段，方便用户操作、减轻用户负担、提高系统工作效率 的计算机用户接口。 2 1 2 虚拟现实的特征 作为一种先进的计算机人机接口，虚拟现实技术具有三个明显的特征1 1 6 1 ， 即交互性、沉浸感和构想性。这就是由美国科学家于1 9 9 3 年提出的著名的虚拟现 实的3 i 特性。如图2 1 所示 ( 1 ) 交互性 交互性是指用户与虚拟环境中的各种对象相互作用的能力，这是虚拟现实保 证人机和谐的重要因素。在虚拟现实系统中，操作者将利用视觉、听觉、触觉、 9 山东大学硕十学位论文 味觉和嗅觉，通过对话、头部运动、眼部运动、手部运动、身体运动等人类肢体 动作对虚拟环境中的对象进行交互操作。这种交互式是三维的，用户是该交互作 用的主体。 图2 1 虚拟现实的3 i 特性 ( 2 ) 沉浸感 沉浸感又称为临场感，是指用户作为虚拟现实系统的主体存在于虚拟环境中 的真实程度。这是虚拟现实技术最主要的技术特征，它要求用户认为自己是计算 机系统所创造的虚拟现实环境中的一部分，从而使操作者从观察者转变为参与者、 主导者，进而全身心的投入到虚拟现实中。 由于虚拟现实使用的交互手段【1 7 1 是多方面的，虚拟现实中的沉浸感也是多 方面的，主要包括视觉沉浸、听觉沉浸、触觉沉浸、嗅觉沉浸、味觉沉浸等。其 中，视觉沉浸、听觉沉浸和触觉沉浸是最常见的交互手段所带来的沉浸感受。 ( 3 ) 构想性 构想性是指用户沉浸在虚拟现实系统所创建的虚拟环境中时，根据自己的感 知发挥主观能动性，获得新思路，形成新观念的特性。虚拟现实的构想性特性为 解决一些通过一般技术手段难以解决的问题提供了一种新思路。如医疗手术的模 拟、多兵种军事联合训练等都需要花费大量的资金、投入大量的人力和物力并消 耗大量的时间，利用虚拟现实的构想性特点，人们可以充分发挥创造力和想象力， 在虚拟环境中对问题进行模拟，进而找到更好的解决方案。 1 0 第2 章虚拟现实技术及其在运动康复巾的席，玎 2 1 3 虚拟现实的分类 虚拟现实系统按照交互手段和浸入程度的不同，可以分为沉浸式虚拟现实、 叠加式虚拟现实、桌面式虚拟现实和分布式虚拟现实四类。 沉浸式虚拟现实系统是利用数据手套、头盔显示器等复杂的交互设备用于视 听触全方位的沉浸感受的一种虚拟现实系统。在该类型的虚拟现实系统中，用户 将完全作为虚拟环境的参与者，身临其境、全身心的沉浸和投入到虚拟环境之中。 叠加式虚拟现实又称为增强虚拟现实，它允许用户在对现实世界进行观察的 同时，通过技术手段，将计算机生成的虚拟环境叠加到现实世界的场景上。叠加 式虚拟现实通过虚拟环境和真实环境的叠加，增强了用户的沉浸感受。 桌面式虚拟现实系统只使用个人计算机或者低级工作站来进行虚拟环境的生 成，并将虚拟环境直接显示在计算机屏幕上。由于桌面虚拟现实成本较低、实施 难度低，具有一定的沉浸感和交互性，是一种比较普及的虚拟现实系统。本论文 的研究也是基于桌面式虚拟现实进行的。 分布式虚拟现实是一种利用网络技术的新型虚拟现实，它将处于不同地理位 置的用户连接起来，实现虚拟环境的共享，从而完成协同工作。 2 1 4 虚拟现实技术的应用领域 虚拟现实使用户沉浸在虚拟环境之中，具有很强的交互性，能够利用人本身 对虚拟环境的感知和认知能力，全方位的获取信息并进行进一步的分析处理。因 此，虚拟现实技术具有广泛的应用前景。目前，虚拟现实主要涉及到以下几个应 用领域。 ( 1 ) 军事与航天工业 由于军事和航天的真实训练需要大量的资金投入，实施难度大，模拟和训练 一直是军事和航天领域的一个重要课题，这使得虚拟现实技术在该两个领域具有 很广阔的应用前景。虚拟战场仿真和遥控宇宙空间站就是虚拟现实技术在该两个 领域的典型应用。 ( 2 ) 地理信息领域 i j i 东大学硕十学位论文 随着计算机三维显示技术的发展和人们对于直观浏览要求的提高，基于虚拟 现实技术的地理信息系统逐渐发展起来。该种类型的系统将三维地面模型、正摄 影像以及建筑物、道路、花草树木等的三维模型融合一起，从而再现城市建筑景 观。结合虚拟现实技术的地理信息系统具有空间查询、空间量测、漫游、飞行浏 览、地标设置等多种功能，为城建规划、物业管理、社区服务等提供可视化空间 的地理信息服务。 ( 3 ) 道路桥梁交通领域 一方面，道路桥梁的建设，能充分的利用虚拟现实技术【1 8 】。一些在桥梁和 道路规划、设计、施工等阶段需要进行的试验可以通过在虚拟环境下预演的方式 进行。另外，在虚拟环境中可以分析道路桥梁的造型以及与周围环境的协调程度， 为道路桥梁的规划提供支持。另一方面，虚拟现实结合数据库技术可以为虚拟道 路环境提供各种动态、快速、高精度的空间和属性信息，并能方便的在三维环境 中进行各种信息的浏览、查询、检索与统计功能，方便道路交通的管理工作。 ( 4 ) 艺术与娱乐 虚拟现实具有沉浸感和构想性特征，在艺术设计领域具有不可低估的潜在应 用能力。娱乐是虚拟现实系统的一个重要应用领域，通过提供更加逼真的虚拟环 境和更好的交互方式，人们能够具有更好的娱乐享受。在游戏方面，微软预言未 来的个人电脑游戏都将是在w i n d o w s 平台上的虚拟游戏。 ( 5 ) 产品设计与展示 虚拟现实被工程和建筑业界看做是唯一的开发工具，从各种产品和施工设备 的设计到工厂建筑物的建造，都在应用虚拟现实技术。汽车领域，德国所有的汽 车制造企业都建有虚拟现实开发中心，虚拟现实技术已经应用在从零部件设计、 内饰设计到空气动力学实验等各个方面。在产品展示方面，目前中国最为流行的 是房地产的虚拟展示，通过在虚拟环境中还原真实楼盘原型，用户可以足不出户 就能感受到楼盘的真实状况，甚至在楼盘竣工之前，就能拥有这种体验。 ( 6 ) 教育培训领域 利用虚拟现实系统，学生可以突破设备、场地和经费等硬件的限制，完成各 种模拟实验，既保证了学习效果，又节省了成本。目前，飞机驾驶员的训练也基 1 2 第2 章虚拟现实技术及其存运动康复中的府用 本上实现了虚拟训练和实际训练相结合的方式，不但降低了操作不熟悉所带来的 安全隐患，又能降低成本。 2 2 虚拟现实在运动康复中的应用 2 2 1 脑卒中后运动功能障碍的康复理论 目前国内外对脑卒中康复研究认为，脑卒中患者出现运动康复障碍主要是由 于中枢神经系统受到破坏后由大脑负责支配的高级运动功能受到了抑制。患者在 脑卒中后各种平衡反射、翻正反射以及后天习得的技巧性动作将受到不同程度的 限制，同时低位中枢的调节将得不到有效控制，正常运动的传导受到干扰，从而 引发行为活动的异常。另外，脑卒中病人大部分都存在心理障碍，如抑郁、焦虑、 否认等，这些心理障碍对运动康复训练的效果也会产生一定的负面影响。心理康 复的主要手段是行为疗法、心理疗法和药物疗法，除此之外，研究人员发现不同 速度、旋律和音调的音乐会使人产生镇定安宁、轻松愉快、活跃兴奋地不同作用， 从而调节情绪，达到止痛、降压、催眠的作用，在一定程度上能够起到康复作用。 脑可塑性和功能重组理论是中枢神经系统损伤后康复治疗的理论基础。所谓 脑可塑是指人的大脑具有适应性，能够在结构上和功能上进行自我修正从而适应 环境的变化；功能重组是指脑的功能定位域对可塑性变化的反应。主要表现为代 偿、功能移位和重建等多种。目前的几种脑卒中康复技术【1 9 j 都是建立在这些基 本理论的基础上的，能够用于上肢康复的技术主要有以下几种： ( 1 ) 神经发育促进技术，是应用神经发育学、神经生理学的基本法则来治疗 脑损伤和周围损伤所造成的运动障碍的依赖康复治疗手段的总称，主要包括 b o b a t h 、b r u n n s t r o m 、p n f 、r o o d 等技术。该类技术强调将神经系统作为康复治 疗的重点，按照个体发育的顺序，对躯干和四肢进行良性刺激，引出并促进正常 的反射从而建立正常的运动模式，在治疗中会应用触觉、语言、视觉等多方面的 感觉刺激，并进行大量的重复强化训练，对动作掌握、控制与协调产生十分重要 积极地影响。 ( 2 ) 运动再学习技术，是以作业或者功能为导向，增加患者的主观认知和参 山东大学硕十学位论文 与，根据科学的运动学习方法对患者进行运动功能的恢复。该方法充分发挥患者 的主动性，根据患者不同的康复阶段和程度指定相应的训练方法，临床效果明显。 ( 3 ) 生物反馈技术，是应用电子仪器将患者与肢体运动相关的潜意识功能信 号( 如肌电、肌张力和关节活动度等) 转化为能够被人感受到的信号( 如声、光 以及图像等) ，并让患者根据这些信号，有意识的控制自身的运动。该方法能能 够使神经通路得以开通，从而最大限度的发挥保留下来的神经肌肉组织的潜力， 促使其发挥正常功能。 ( 4 ) 强制性使用疗法，是指患者中枢神经系统损伤后，在日常生活中限制使 用健康的肢体，而强制性、反复地使用患侧上肢。避免习惯性弃用，从而产生大 脑结构的使用依赖性功能重组，该方法建立在“习得性废用的形成和矫正这一 神经科学和行为心理学研究成果之上。 ( 5 ) 针灸( 神经学刺激) 疗法，是利用针刺治疗来改变大脑皮质神经细胞的 兴奋性，改善中风缺血区局部血液流量，刺激脑细胞的功能。该方法建立在传统 中医对中风的防治经验基础之上，但由于是一种被动形式的康复手段，较主动训 练有一定的局限性。 ( 7 ) 运动想象疗法，是指在没有实际肌肉活动的情况下，患者主动在脑部重 演一些动作或者形象。该疗法基于患者中枢神经中已经存储的运动经验，并将这 些运动经验在“运动想象 过程中强化和完善，达到活化肌肉、运动皮层区和小 脑的目的。 2 2 2 虚拟现实技术用于运动康复的科学原理 将虚拟现实技术引入到脑卒中后的康复过程中，既要考虑到虚拟现实技术自 身的特点，又要考虑运动康复成功进行所需要的基本条件，同时还要结合目前现 有的用于脑卒中后的康复手段。将这三者相结合，提炼出在现有技术手段基础上， 同时又结合了虚拟现实技术的合理有效的训练方式。 虚拟现实技术能够用于运动康复【2 0 l ，其科学原理主要涉及与运动康复相关 的几个基本概念，它们是重复、反馈和动机。科学研究已经证实了重复对于运动 康复以及作用于运动康复的大脑皮质中枢变化非常重要，但是重复本身并不能产 1 4 第2 章虚拟现! 】= 技术及其存运动康复中的席用 生运动康复。重复的训练必须与一系列特定任务或目标的不断成功完成相关联， 才能对运动康复真正起作用。在正常神经系统中，主要是靠视觉或者本体感受来 对训练结果进行反馈。同时，为了实现反复的运动训练，患者本身必须具有足够 的动机来完成训练。因此，重复、反馈和动机对于成功的康复训练来说是缺一不 可的。 虚拟现实技术能够同时提供这三个基本要素。首先，虚拟现实系统是一个计 算机系统，患者能够在没有医师指导或者仅提供很少指导的情况下进行康复训练， 这保证了患者有足够的时间来进行动作的重复而不用考虑医生的工作强度和心理 感受，即虚拟现实系统能够重复的对患者进行康复训练。其次，虚拟现实系统是 一个交互性的系统，系统本身能够提示患者进行动作、同时能够对患者的动作提 供视觉、听觉甚至是触觉上的反馈；另外，虚拟现实系统可以建立康复评价体系， 从而为用户的锻炼效果提供数据上的反馈。再次，虚拟现实系统是一个沉浸的系 统，虚拟环境本身以及虚拟现实软件能够提供给患者训练中的乐趣；同时虚拟现 实的构想性特征能够给患者提供想象的空间，这两者对患者增强锻炼愿望、提高 参与意愿有较大的帮助，这就又为康复训练提供了动机上的支持。 因此，虚拟现实技术能够用于运动康复【2 ，大量的科学研究也表明，患者 能够在虚拟环境中学会运动技能。同时，这为用于运动康复的虚拟现实系统设计 的时候提供了设计依据和要求，即虚拟现实系统要尽量有趣，提高患者的运动训 练动机，要有足够多i 拘i ；l l 练模式以便对患者进行反复训练，要提供更多类型和频 率的反馈信息。 虚拟现实技术除了能够为运动康复提供必要的重复、反馈和动机外，还能在 其他方面促进康复训练的效果1 2 2 1 。虚拟现实技术充分利用计算机技术和传感技 术，能够提供多种感觉刺激的虚拟环境，沉浸感强，患者可以以近似自然地方式 与虚拟环境进行交互。虚拟现实程序通过既定的程序进行运动康复的指导，比一 般的治疗师更具耐心，患者可以根据自身康复状况进行反复的练习。虚拟现实软 件完全在虚拟环境中进行康复训练，减少了真实环境中可能造成的危险。虚拟现 实能够提供视觉、听觉、触觉等多方面的反馈信息，使得原本枯燥的康复训练变 得轻松有趣。 1 5 山东大学硕十学何论文 2 2 3 虚拟现实技术与现有康复技术手段的结合 虚拟现实技术并不是一种新的脑中卒后运动康复手段，其只能作为已有手段 的一种表现形式或者是辅助措施，才能发挥作用。结合虚拟现实的自身特点和既 有的康复治疗手段，分析虚拟现实可以在以下技术手段中发挥作用。 a ) 神经发育促进技术。患者以主动运动、被动运动、部分辅助运动或者阻抗 运动模式接收上肢康复机器人的辅助训练。在该过程中，虚拟环境会出现当前上 肢机器人的运动状态，并伴随语音和视觉提示，以此来反馈给患者当前的运动信 息，从而实现强化上肢运动能力的功能。 b ) 运动再学习疗法。治疗师将设计好的运动和训练作业提前输入到虚拟现实 系统中，患者接受治疗时根据治疗信息数据库和自我感受选择相应的虚拟场景和 训练作业与虚拟环境中的对象进行交互实现运动再学习的目的。具体方式可以采 用“虚拟老师 的方式，患者跟随“虚拟老师 的动作进行肢体的运动训练，肢 体的运动会被采集到虚拟环境中并与“虚拟老师”的动作进行对比，患者依次来 接收训练的反馈信息，纠正自己的动作。依次反复训练，直到患者感到在自己能 力范围内与“虚拟老师”的动作一致为止。 c ) 生物反馈疗法。虚拟现实系统接收到患者的肌电或者脑电活动信息，并通 过一定的算法处理，将处理后的信息作为虚拟现实系统中虚拟人的动作在计算机 显示器以三维图像或者声音的形式反馈给患者。由于虚拟环境的沉浸感特性，患 者与虚拟环境的交互更加直观、所获得反馈效果会优于普通的光电反馈。 d ) 运动想象疗法田】。由于“运动想象 疗法过程中，患者只是将运动活动 在内心模拟和排练，身体不伴有明显的身体运动，可以考虑使用虚拟现实系统代 替治疗师来进行“运动想象 指导语的解说。首先将运动想象所需要的指导语实 现输入到虚拟现实软件系统中，并根据治疗进度来对指导语进行分类，患者接受 康复训练时根据自己的康复进度来选择相应的类别进行自我训练。 除了这四种技术手段外，虚拟现实系统还可以依靠其声音反馈特性来进行积 极地语言暗示或者是背景音乐的播放，依次来缓解患者在治疗过程中的不良情绪 和心理压力，达到心理治疗的目的。 1 6 篼2 章虚拟现实技术及其在运动康复巾的应用 2 3 系统方案设计与技术路线分析 2 3 1 系统方案设计 根据前文的分析，本文设计了上肢康复虚拟现实系统软件，该软件系统主要 包含患者信息与康复评定数据库和多功能的康复训练功能两大部分，如图2 2 所 不o 图2 2 系统功能模块 其中，信息管理模块主要是进行软件系统账户、患者信息、治疗方案信息以 及康复训练评价结果信息的管理。这些信息包含了和软件系统以及病人康复医疗 有关的文字信息。它们都是以数据库的方式存在，使用专门的软件接口来进行相 应的建立、查询、修改和删除操作。 康复训练模块是利用虚拟环境来进行病人的康复训练，主要包含运动想象和 运动作业两个部分。其中运动想象模块主要是利用运动想象疗法，通过虚拟环境 中的声音提示进行运动的想象；运动作业模块运用运动再学习疗法，患者根据事 先录好的虚拟人体的上肢运动动作序列来进行运动作业的训练。这些模块的功能 主要涉及到虚拟环境的建立以及可视化仿真的相关技术，使用相应的软件开发包 或者是成熟的工具软件生成。 1 7 山东大学硕十学位论文 使用基于虚拟现实环境的上肢康复系统的康复过程如图2 3 所示。 否 过程确认 0 康复结束 图2 3 康复流程 首先用户根据患者信息登入系统，系统自动调出后台数据库，将患者治疗过 程信息展示到系统界面中，并根据以往的康复效果评价信息建议患者应当进行的 训练模块与相应的时间安排；然后主治医师按照该建议，并根据患者当时的精神 状态和身体状态选择相应的治疗方案，患者进入康复治疗过程：单一功能模块治 疗完毕后，进行康复效果的评估，并询问是否选择进行其他功能模块的训练；主 治医师或者患者根据治疗进度和安排自行选择是否继续康复过程，如果不继续， 则确认治疗过程信息，康复过程结束，否则继续进行康复训练。 系统的软件架构如图2 _ 4 所示。患者与治疗信息数据库、三维模型数据库和 声音系统数据库构成了底层的数据，各自通过一定的接口来进行访问和操作，最 后传到系统的人机交互界面上。这三者共同构成了上肢康复虚拟现实系统的软件 1 8 第2 章虚拟现实技术及其在运动康复巾的应用 系统。该系统建立在w i n d o w s 系统平台之上，用户主要通过键盘、鼠标与该软件 系统进行交互。 在系统设计过程中，需要对患者与治疗信息库的数据库进行设计，主要包括 数据库的具体内容，各个数据库表单之间的相互关系和采用的接口方式等；同时 还要进行三维模型数据库和声音系统数据库的设计，这两个共同构成了虚拟现实 系统的虚拟环境部分，利用建模软件和声音采集设备来进行虚拟环境的建模，在 这个过程中还要涉及机器人手臂的三维模型和物理模型的建立、虚拟人的三维建 模以及运动学算法的分析设计等。 通过鼠标和 键盘交互 系统用户 2 3 2 系统技术路线分析 图2 - 4 软件系统架构 系统的开发路线如图2 5 所示。 ( 1 ) 数据库模型的建立。 包括患者信息数据库、三维模型数据库和语音数据库。这三个数据库分属不 同的类型，互不