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The Prospects of Research on VR Rehabilitation Engineering
Huang JingyuanLiu HongznegLi HaiyanSun QiangXu YiranLing Di
Department of Precision Instruments and Mechanism of Tsinghua University, Beijing100084
AbstractIn this paper, we present the recent development of Vitual Reality (VR) technology and rehabilitation engineering and discuss the rationality and feasibility of the application of VR to rehabilitation. With VR technology, psychological induction can be better introduced in rehabilitating exercises and patients can be tremendously released from fret during traditional physical training for rehabilitation. The VR is expected to bring about a technological revolution in rehabilitation engineering.
Key wordsVirtual RealityRehabilitationComputer graphics
虚拟现实(Virtual Reality, VR)作为一种高科技，随着计算机技术的飞速发展而正逐渐显示出其强大的生命力，有人预言它将成为21世纪的十大热门技术之一。今天，它已经在一些领域得到成功地应用，最初它被用来做成模拟驾驶仓，使飞机驾驶员的训练变得既简单又没有危险。随后它被用来进行虚拟的室内建筑设计，使人能在这种虚拟的室内环境中得到如同真实一般的视觉和感觉。在医学方面，一种虚拟的外科手术可以使学生对虚拟的人体练习外科手术。在教育方面，学生们使用虚拟现实技术学习各种课程(如图1所示)，他们可以在太阳系里飞行，可以进到细胞里面，可以学习电脑的内部结构，可以顺尼罗河源流而下，或者可以重建一个早期的美国城堡……。显然，虚拟现实这种高技术是针对人的感官(视觉、听觉、触觉、嗅觉……)产生虚拟效果的技术，还有许多应用领域有待人们的开拓。一旦用于某一领域，就有可能大大改变传统的技术而会产生意想不到的效果。
图1教室中的虚拟现实
Fig 1Virtual Reality in the classroom
人的肢体康复治疗也许正是这样一个有待于引入虚拟现实技术的适宜的领域。因为肢体康复是利用一些器械对肢体进行主动或被动牵引的过程，目前的康复治疗过程过于单调、枯燥，患者很难产生兴趣，因此效果不理想。如果将虚拟现实技术引入到康复治疗中来，则有可能实现三个结合；一是游戏和治疗相结合，也就是由屏幕提供一种人工景物，使患者如同置身于游戏或旅游的环境中，使治疗过程充满乐趣，提高患者的乐观情绪。二是心理引导和生理治疗相结合，利用屏幕技术，可以用语言和文字对患者进行种种心理提示和诱导，充分调动患者的精神作用，反过来强化生理治疗的作用。三是可以使康复器械产生被动牵引和主动训练相结合的治疗作用。因为器械本身已经是一种和电脑屏幕结合成一体的智能系统，可以很方便地实现主动和被动互相转换的效果。
上述三种结合是否可能对康复治疗产生革命性的积极效果呢?我们认为是肯定的，关键在于要尽快研制出有利于上述三种结合的虚拟现实康复治疗系统(包括器械、屏幕和图像软件)来。
我国目前每年大约有数十万肢体伤病患者，他们进行手术或药物治疗后，都需要进行康复治疗，以便恢复肢体功能，尽快重新投入生活和工作中去。我们希望在这方面的研究，会给他们带来福音。
1“虚拟现实”能用于康复工程吗?
1.1康复工程存在的问题
康复医学是一门涉及到物理医学、医疗体育、矫形学和假肢学、心理学、护理学、老年学、社会学及建筑学等多种学科的一门新兴学科。康复医疗旨在通过物理疗法、体育疗法、作业疗法、生活训练、技能训练、语言训练和心理咨询等多种手段，使伤残者、慢性病患者、低能畸形儿童、老年人和手术后患者得到最大限度的恢复，使身体的部分或全部功能得到最充分的发挥，以达到最大可能的生活自理、劳动和工作等能力。
康复医学工作者已在帮助患者恢复功能方面作了很多工作，但由于客观技术条件的限制，目前在康复工程方面还存在一些不尽如人意的缺憾。比如拿患者的肢体康复治疗来说，肢体残疾的患者，不仅造成器官的损坏，在生理上承受着巨大的痛苦，而且还产生心理上的障碍，心理治疗对患者树立重返“社会”的信心，加快康复治疗的进程，起着越来越重要的作用。现在的康复治疗过程，虽然也采用了运动疗法、作业疗法、功能评测和心理治疗等手段，在治疗过程中也较注意心理治疗的重要性，但由于现有康复器械的局限，还不能将功能评测、运动治疗(或作业治疗)及心理治疗这三方面有机地贯穿在一起，尤其无法将心理治疗贯穿康复治疗的始终。在传统的运动疗法中，患者处于被动的地位，训练过程中的动作反复、单调枯燥，患者很容易产生厌烦情绪，在一定程度上延缓治疗的进行，不利于治疗的继续和深入。同时在每次治疗前，又不可能对受损部位的功能作一个客观的评定，以便有的放矢地制订康复训练指标的数值。此外，没有充分发挥心理治疗对康复治疗的促进作用。因此我们迫切需要这样一种康复器械，在患者康复训练前，对患者受损部位的功能作一个客观的评定，以确定器械的状态(器械的技术指标)，如关节活动度的大小、训练时间的长短、速度的大小等，还包括本次训练的运动状态是主动运动还是被动运动，以便准确指导康复训练，在患者身体恢复的过程中，随着身体状况的变化，所能承受的强度也会发生变化，这样及时做功能测评，可实时调整训练计划和训练强度。在整个运动疗法的同时，可利用音乐、画面和语言提示等手段进行心理治疗。音乐治疗能影响人的情绪，为人们提供一个情绪的发泄口，帮助释放或控制情绪，使患者改善与外界的交流，选择合适的音乐，能让患者在欣赏音乐的过程中，通过音乐的旋律、节奏、和声、音色等因素影响人的神经系统，达到治疗的作用。播放合适的画面，如祖国的大好河山等，可开阔患者的视野，体会到生活的美好，鼓起患者生活的勇气和信心，对患者配合治疗也起着很好的作用。在训练过程中，加上相应的语言提示，对患者取得的每一点进步都及时鼓励。而且每次运动疗法结束前可将有关的指标(如心跳、呼吸、肌力、力度和关节度等)记录下来，及时反映训练效果，并便于下次训练时使用。
总之，康复训练时，应以科学的治疗方法和指标测定为基础，将心理护理贯穿训练始终，使患者既不会因动作单调，而产生烦躁情绪，也不会因动作难做产生畏难情绪，又不会操之过急，活动量太大而产生训练的副作用，这样治疗及时、方法正确，一定会使康复治疗进程加快，取得良好的效果。
研究一种用于康复训练的，集功能测试、运动疗法(或作业疗法)和心理治疗为一体的康复器械是康复事业的需要，这类产品在国内外都是一个空白，这类产品的问世，会给我国的康复事业作出巨大的贡献，对广大患者来说，也是一个福音。同时，目前专业康复人员的数量也较少，这一类器械的问世将缓解矛盾，使更多的患者受益。而虚拟现实技术正好能解决康复工程中存在的上述问题。
1.2虚拟现实技术的发展现状
虚拟现实是一门崭新的技术，是一种高度逼真地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的人机界面技术。虽然人们对它研究的时间并不算太长，但其发展和影响力已远远超出了人们的预料。相信随着研究的不断深入，VR技术将会产生飞跃的发展，并将带来一场世界性的技术革命。
1990年在美国达拉斯召开的SIGGRAPH国际会议上对VR进行了讨论，并首次用以下三个构成技术对VR进行了定义：
*三维计算机图形学技术
*采用多功能传感器的交互式接口技术
*高清晰度以及高更新速度的显示技术
一个虚拟现实系统应具备的特征有：
(1)自主性：表示在虚拟环境中，对象的行为是自主的，是由程序自动完成的，只有这样，才能使操作者感到虚拟环境中的生物是“有生命的”、“自主的”，非生物的行为是符合物理规律的。
(2)交互性：表示在虚拟环境中，操作者能够对虚拟环境中的生物及非生物进行操作，并且，操作的结果应该能够被操作者感受到。
(3)存在感：表示在虚拟环境中，操作者应该能很好地感受到自己的存在。存在感的强弱，与虚拟表达的详细度、精确度和真实度有密不可分的关系。
一个标准的VR系统应该由以下几个部分组成(如图2)：
图2VR系统的一般体系结构
