虚拟现实技术在康复医学中的应用

1,虚拟现实在康复医学中的应用,杭州市第一人民医院南京医科大学附属杭州医院康复医学科刘元标,2,3,主要内容,虚拟现实概念虚拟现实的特征与构成虚拟现实应用领域VR应用于康复医学的理论基础及优势VR技术在康复医学中应用的文献复习,4,虚拟现实,5,虚拟现实概念,虚拟现实是一种以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的高端人机接口，包括通过视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉等多种感觉通道的实时模拟和实时交叉。,6,虚拟现实的基本特征3 I,浸入性或沉浸（Immersion）：用户感到被虚拟世界包围，就好像完全融入其中一样视觉浸入：使用者可以亲身体验虚拟环境真实直观的视图触觉浸入：允许使用者接触并感觉虚拟物体听觉浸入：模拟人耳感受声音方式，提供真实声音嗅觉浸入、味觉浸入：刚刚开始或尚未开始研究交互性（Interactive）：用户能通过自然的动作与虚拟世界的物体进行交互作用构想性（Imagination）：在虚拟现实系统中，帮助人们获取知识和形成新的概念,7,虚拟现实的发展.,1929年，Edwin Link设计了第一台使乘坐者具有飞机中飞行感觉的乘坐器1962年， Moton Heilig发明了Sensorama Simulator（全传感仿真器）作为第一个虚拟现实视频设备获美国专利,8,虚拟现实的发展.,1962年， Moton Heilig发明了头盔显示器（head-mounted displays，HMD）1966年，Ivan Sutherland在用户眼睛前绑上了两个CRT显示器,虚拟世界、虚拟现实软件、计算机、输入设备和输出设备五大部分,输入设备,输出设备,虚拟现实软件,虚拟世界,计算机,VR的基本组成,10,VR的基本组成,11,图像显示设备是用于产生立体视觉效果的关键外设，目前常见的产品包括光阀眼镜、三维投影仪和头盔显示器等。其中高档的头盔显示器（HMD）在屏蔽现实世界的同时，提供高分辨率、大视场角的虚拟场景，并带有立体声耳机，可以使人产生强烈的浸没感。,VR的基本组成-输出设备,12,个人图形显示设备即为单个用户输出虚拟场景；分为头盔显示器、手持式显示器、地面支撑的显示设备等高档的头盔显示器（HMD）在屏蔽现实世界的同时，提供高分辨率、大视场角的虚拟场景，并带有立体声耳机，可以使人产生强烈的浸没感。,VR的基本组成-输出设备,13,数据手套 虚拟现实应用的主要交互设备，它作为一只虚拟的手或控件用于3D VR场景的模拟交互，可进行物体抓取、移动、装配、操纵、控制，有有线和无线、左手和右手之分，可用于WTK、Vega等3D VR或视景仿真软件环境中。,VR的基本组成-输入设备,14,三维空间交互球 虚拟现实应用中的另一重要的交互设备，用于六个自由度VR场景的模拟交互，可从不同的角度和方位对三维物体观察、浏览、操纵；也可作为3D Mouse来使用；并可与数据手套或立体眼镜结合使用，作为跟踪定位器。也可单独用于CAD/CAM，(Pro/E、UG)。,VR的基本组成-输入设备,15,力反馈装置 力反馈器是VR研究中的一种重要的设备，该设备能使参与者实现虚拟环境中除视觉、听觉之外的第三感觉触觉和力感，进一步增强虚拟环境的交互性，从而真正体会到虚拟世界中的交互真实感，该设备广泛应用于虚拟医疗、虚拟装配等诸多领域。,VR的基本组成-输入设备,16,运动跟踪器 三维空间跟踪定位器是VR系统中用于空间跟踪定位的装置，一般与其他VR设备结合使用，如：数据头盔、立体眼镜、数据手套等，使参与者在空间上能够自由移动、旋转，不局限于固定的空间位置，操作更加灵活、自如、随意。产品有六个自由度和三个自由之度。,VR的基本组成-其他关键外设,17,三维模型数字化仪 又称三维扫描仪或三维数字化仪，是一种先进的三维模型建立设备，该设备利用CCD成像、激光扫描等手段实现物体模型的取样，同时通过配套的矢量华软件对三维模型数据进行数字化，从而实现计算机系统对数字模型的控制。 特别适合于建立一些不规则三维物体模型的工作中，如人体器官和骨骼模型的建立、出土的三千年前文物三维数字模型的建立等等，在医疗、动植物研究、文物保护等VR应用领域有广阔的应用前景。,VR的基本组成-其他关键外设,18,虚拟现实的应用领域,军事领域教育、艺术及娱乐城市规划、旅游工业医疗,19,虚拟现实的应用领域-军事领域,单兵仿真器指挥员训练VESUB仿真器基于VR的近程海军炮兵训练单元教练机和虚拟座舱分布式战斗训练,20,虚拟现实的应用领域-教育等领域,在教育中使用VR技术基于探索的学习通过构建虚拟世界来学习VR与艺术虚拟文化遗产VR在娱乐行业中的应用PC视频游戏基于特定场所的娱乐,21,虚拟现实的应用领域-医疗,虚拟解剖Visible Human伤员鉴别分类和诊断应对生物恐怖主义的紧急医疗前列腺触诊内窥镜检查,外科手术静脉注射开放性手术微创手术康复骨科康复神经康复心理及认知康复,22,虚拟解剖,23,前列腺触诊,24,VR用于康复治疗的理论基础,康复治疗的目的：旨在通过各种手段，使患者机体的部分或者全部功能得到最大限度的恢复，以达到最大可能的生活自理、劳动、工作和学习能力。中枢神经系统可塑性：即中枢神经系统具有结构和/或功能上的重组能力，通过康复治疗，可促进旁路循环，充分发挥中枢神经系统功能的重组，促进大脑皮质的可塑性发展，促进丧失的功能重新恢复并重建正常的运动模式(缪鸿石, 康复医学理论与实践)。,25,VR用于康复治疗的理论基础,重复、反馈和动机原则研究表明：高强度、任务导向的运动训练和重复训练是促进神经功能重组的重要条件和影响功能性运动技巧恢复的基础（Rizzo A，2004；Brooks BM，2002）。,26,VR用于康复治疗的理论基础,传统康复治疗的局限性：耗费人力物力较大，一对一治疗模式；治疗过程比较单调，不容易引起患者的兴趣；训练强度和训练效果不易进行量化评估，训练场所和日常生活场所的差异不利于患者训练的功能在日常生活活动中体现，从而影响治疗效果；治疗场地有限，患者需要在特定的地点如医院或康复中心进行训练。,27,VR用于康复治疗的理论基础,虚拟现实技术的优势：提供了重复练习、成绩反馈和维持动机的技术手段反馈模式：训练过程中的实时反馈、一组练习后的成绩反馈；增加趣味性，以维持患者的主观积极性；减轻治疗师工作强度；提供远程治疗的可能性。,28,VR用于康复治疗的实验依据,(You SH, et al. 2005),29,VR在康复医学中的应用,认知康复心理康复平衡功能功能障碍步态异常上肢和手功能,30,VR在认知康复中的应用,空间认知障碍注意障碍记忆障碍思维障碍生活技能的认知康复,31,VR在认知康复中的应用-空间认知障碍,通过计算机构造三维虚拟建筑物等空间物体能促进有行为障碍儿童的空间能力（Nigel，1999）;由城市街道构成的VR场景，使12位5575岁得单侧空间忽视患者的8人和同龄健康人一样自由走动且顺利过街(Weiss, 2003),32,VR在认知康复中的应用-注意障碍,由于VR系统具有沉浸、交互和想象的特点,受试者在接受长时间治疗训练时,容易保持注意力集中,因而效果也较其他方法好(Rizzo, 2001)沉浸式VR有明显的注意增强作用，对青少年注意障碍治疗有显著效果(Cho BH, 2002)VR系统能提高注意力缺陷伴多动症患者的学习能力(Costa RM, 2002),33,VR在认知康复中的应用-生活技能认知,为疾病造成的日常生活技能缺失的患者提供安全、熟悉的训练计划(Gourlay D, 2000; Lee JH, 2003)VR可用于脑损伤后认知功能的评估(Lee JH, 2003; Zhang L, 2003),34,VR在心理康复中的应用,心理康复是对强迫症、饮食紊乱症、创伤后应激障碍以及恐惧症进行的治疗(North, 2002)恐惧症的传统治疗方法是暴露疗法，即用一定可诱发恐惧症的刺激物来刺激病人，达到使病人对其不再敏感的目的VR用于恐惧症治疗具有独特优势保护隐私保证安全,35,VR在心理康复中的应用-实例,45位受试者,VRE组,WL组,SE组,4次控制焦虑技巧训练,买票、上机想象飞行,4次VR训练,36,VR在神经康复中的应用,认知康复心理康复平衡功能功能障碍步态异常上肢和手功能,37,VR与平衡_Study 1,Kizony R, 2007,38,VR与平衡_Study 1,Kizony R, 2007,39,VR与平衡_Study 1,Kizony R, 2007,40,VR与平衡_Study 2,Kim JH, 2009,24 Subjects,VR Group,CPT Group,CPT+VR,CPT,Berg平衡量表，Balance Performance Monitor (BPM)；Spatiotemporal data,41,VR与平衡_Study 2,Kim JH, 2009,42,VR与步态_Study 1,Kim, 2009,24位中风患者随机分为传统治疗组，治疗组（传统治疗+VR）；传统治疗：每周4次，每次40分钟的常规康复治疗，共4周；VR训练：每次CPT治疗结束后在给予30min VR训练（平衡控制、体重转移以及迈步练习）；评估：GAIRite-步行的时空数据,43,VR与步态_Study 1,Kim, 2009,44,VR与步态_Study 2,Mirelman A, 2008,实验设计：单盲、随机对照研究研究对象：18位（15 Men）具有部分抗重力踝背区、并且能独立行走50英尺而仍有明显步态异常的中风患者。,45,VR与步态_Study 2,Mirelman A, 2008,测试时间：治疗前、4周治疗后、治疗结束后3个月；观察指标：7米平地步行速度；6-分钟步行试验；Patient Activity Monitor（计步器）；下肢Fugl-Meyer评分；Berg平衡量表,46,VR与步态_Study 2,Mirelman A, 2008,步行速度,47,VR与步态_Study 2,Mirelman A, 2008,6MWT 步行距离,48,VR与步态_Study 2,Mirelman A, 2008,PAM观察指标,49,VR与步态_小结,VR训练可以根据患者训练过程中的实时反馈及时调整训练时间、强度从而制定更具个性化的训练方案。基于VR的步态训练有助于提高中风患者的步行速度、步频、自信心、上下楼梯能力以及步行距离。经过VR训练，患者社区内步行时的步行速度、步频以及自信心也有相应的增加。VR与下肢步行机器人结合使用能进一步提升训练效果。,50,VR与手、上肢功能,遗留上肢功能障碍的中风患者比例高达5575% （Lucca,2009）；基于VR的训练由于其交互性和娱乐性，在保证一定治疗实践的前提下，有望用于改善中风患者的上肢功能（Holden, 2007）；,51,VR与手、上肢功能,Lucca, 2009,52,VR与手、上肢功能,Crosbie, 2008,53,VR与手、上肢功能,54,VR与手、上肢功能,VR技术可以建立一个交互、激励的训练环境，而且训练强度和内容可以根据实时反馈得到及时调整从而保证个性化训练方案的实现；通过VR训练，患者手指的力量、关节活动范围、分指运动能力以及运动速度都可以得到明显改善；,55,总结-VR技术的优势,虚拟现实技术可以提供多种治疗场景和刺激,患者可在安全的环境中以自然方式