物理治疗学16第16章虚拟现实技术76

《物理治疗学》第二版目录物理治疗学（第2版）第一节概述第二节虚拟环境在脑损伤患者中的应用第十六章李红玲内容简介•虚拟现实概述–定义、组成、关键技术、特征、进展•虚拟现实技术在康复中的应用•仪器介绍《物理治疗学》第二版目录•虚拟现实的英文为VirtualReality,简写为“VR”（译作灵境、幻真），是由美国VPL公司创建人拉尼尔（JaronLanier）在80年代初提出的，也称灵境技术或人工环境•VR是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，即人是这种环境的主宰《物理治疗学》第二版目录•VR环境系统包括建模、控制和媒体数据源三部分•VR系统可由如下各部分构成–高性能计算机系统、计算机图像的特征采样与图形交互作用技术–虚拟环境生成器–计算机网络《物理治疗学》第二版目录•沉浸性（immersion）–指用户对虚拟世界中的真实感，此种真实感将使用户难以觉察、分辨出其自身正处于一个由计算机生成的虚拟环境中•交互性（interaction）–指用户对虚拟世界中的物体的可操作性《物理治疗学》第二版目录•构想性（imagination）–是指用户在虚拟世界的多维信息空间中，依靠自身的感知和认知能力可全方位地获取知识，发挥主观能动性，寻求对问题的完美解决《物理治疗学》第二版目录《物理治疗学》第二版目录科技研究虚拟实训基地虚拟仿真校园《物理治疗学》第二版目录模拟飞行器模拟手术虚拟战场场景战场人员•虚拟现实在城市规划中，在医学，娱乐、艺术与教育方面，军事与航天工业，室内设计中，房产开发，工业仿真，应急推演，文物古迹，游戏，Web3d/产品/静物展示，道路桥梁，地理，虚拟演播室，水中，维修等方面均有广泛应用《物理治疗学》第二版目录•上肢康复训练机器人虚拟环境建模技术•虚拟现实在踝关节康复系统中的应用•基于语义虚拟环境的虚拟人动画研究与实现•虚拟现实在手臂外骨骼康复系统中的应用《物理治疗学》第二版目录•可视化虚拟康复疗法由Wann和Turnbull于1993年首次提出，通过调查，他们指出生物反馈的传统方法受到太多的限制，而且不能良好地转换为功能性任务•可视化虚拟康复的概念即为患者提供一个虚拟环境，利用一个计算机生成的世界可以让患者看见其自身执行功能任务。也被称为计算机辅助疗法《物理治疗学》第二版目录•VR系统根据其沉浸程度和系统组成可分为3种1.桌面式《物理治疗学》第二版目录2.大屏幕式《物理治疗学》第二版目录3.头盔式3.头盔式《物理治疗学》第二版目录•反馈-激励：可视化虚拟治疗计划可向患者提供持续而迅速的反馈，这些反馈创造并且增强了患者的治疗积极性•注意力高度集中•促进生活技能转化《物理治疗学》第二版目录可视化虚拟康复形成的良性循环《物理治疗学》第二版目录重复反馈动机主动运动运动想象探索学习《物理治疗学》第二版目录•可以使患者能以自然方式与具有多种感官刺激的虚拟环境中的对象进行交互•比人类教练更有耐心和一致性，患者可以根据自己的情况反复观察模仿练习•减少在真实环境中由错误操作导致的危险•可提供多种形式的反馈信息，使枯燥单调的运动康复训练变得更轻松、有趣和更容易《物理治疗学》第二版目录•虚拟现实允许用户进行个性化设置，将运动训练、心理治疗及功能测评有机地结合起来，针对患者个人的实际情况制定恰当的康复训练计划•由于虚拟环境与真实世界的高度相似性，在虚拟环境中习得的运动技能能更好的迁移到现实环境中《物理治疗学》第二版目录（一）平衡和协调康复训练1.抛接球任务：要求患者横向朝目的地行走的同时抛接虚拟篮球2.传送带任务：要求一条患者从虚拟传送带上搬起虚拟木箱，并转身放到另虚拟传送带上《物理治疗学》第二版目录3.滑雪任务：要求患者学习从小山坡上滑雪而下，并练习躲避两旁的树木、岩石等虚拟障碍物4.鼹鼠、拼图等游戏《物理治疗学》第二版目录坐姿训练站姿平衡训练站立—坐下训练《物理治疗学》第二版目录（二）上下肢康复训练（改善ROM、增强肌力、增加速度和促进分离运动等)1.用于上肢训练的游戏，如拼图、排球、鸡蛋、游乐场等上肢综合训练《物理治疗学》第二版目录2.踝关节运动控制训练：在虚拟飞行任务中,患者将脚放在与设备(6个自由度活动与反馈)相连的踏板上,训练利用脚驾驶虚拟机的运动控制能力《物理治疗学》第二版目录3.虚拟健身车：以自行车骑行方式训练和恢复受损的下肢运动功能《物理治疗学》第二版目录4.移动、抓、放等操作：利用时差距离摄像头、数据手套和罗格斯控制手套，患者可以对虚拟的物体进行移动、抓、放等操作《物理治疗学》第二版目录（三）日常生活行能力训练–虚拟厨房等家庭环境：练习倒茶、烹饪、打扫、购物等日常活动–虚拟超市：训练智力障碍患者在虚拟超市中购物的程序《物理治疗学》第二版目录（四）认知障碍的治疗–记忆障碍：让受试者置身于与真实世界功能接近的虚拟环境中进行记忆能力及学习能力训练–注意力障碍：注意缺失患者在虚拟环境中接受长时间训练时，容易保持注意力集中《物理治疗学》第二版目录（四）认知障碍的治疗–空间认知障碍：利用计算机构造三维虚拟建筑物等空间物体，传递与实际环境同样的刺激，从而促进空间能力提高–心理治疗：用于恐高症、飞行恐怖和广场恐怖症、男性性功能障碍等《物理治疗学》第二版目录（五）有氧训练1.狐狸游戏：训练快速横向(横着)行走《物理治疗学》第二版目录2.鼹鼠游戏：通过一种动态平衡运动健身3.菜园游戏：这是一项密集型训练，患者必须反复走动和蹲坐《物理治疗学》第二版目录（六）轮椅训练1.花园游戏：训练坐在轮椅上准确地操纵。患者根据视觉线索操作轮椅在不同方向上拾取对象（采花），训练轮椅的移动性。随着练习难度的增加，要采集的障碍物（花朵）数量和要躲避的对象（乌龟等）数量随之增加《物理治疗学》第二版目录2.阻止狼游戏•通过一种动态平衡运动健身《物理治疗学》第二版目录•随着跑步机的问世，将跑步作为散步一样愉快的运动已成为可能。程序员在跑步机前设计了一个大屏幕，投影仪模拟虚构了一个虚拟环境。跑步机可以安装在壮丽的自然奇观中，或著名的城市中，也可以安置在当地的居委会。患者会感到自己好像在户外行走一样《物理治疗学》第二版目录•特点1.视觉影响：对于正在使用跑步机进行锻炼的患者来说，屏幕变成了他的世界，吸引其注意力，且安全《物理治疗学》第二版目录•特点2.许多不同的路径3.当地漫游4.适应体能4.操作简便《物理治疗学》第二版目录•SilverFitNewton是一种用于体能训练的虚拟治疗系统。适用于抗阻练习的设备，如腿部推蹬机或肩部推举机。力量训练具有重复性，因此通常会导致治疗依从性低等问题的出现《物理治疗学》第二版目录1.以游戏为基础的练习项目2.生物反馈模式锻炼（1）训练形式（2）测试（3）视频分析《物理治疗学》第二版目录1.SilverFit是一个虚拟的治疗系统。该系统为身体康复提供训练，如脑卒中、膝盖或髋节手术或意外事故后，包括所有相关肢体运动技能。患者可以使用该系统作为物理治疗方案的一部分《物理治疗学》第二版目录按选择当前选定的项目按返回到主菜单按下选择项目到左边按返回到前一个界面或退出游戏按下选择项目到右边按下相机视图（见游戏说明）《物理治疗学》第二版目录2.菜单结构（1）选择运动：主菜单显示6种运动，选择任意一种《物理治疗学》第二版目录2.菜单结构（2）选择训练：下一个菜单显示1-5个游戏选项。选择一个游戏《物理治疗学》第二版目录2.菜单结构（3）选择难度：下一个菜单显示4种难度设置，左侧为最简单的设置。选择一个难度开始游戏《物理治疗学》第二版目录（4）其他选项：患者登录：打开患者管理界面患者登录：打开患者管理界面关闭：关闭SilverFit系统显示帮助：提供上下文相关帮助使用详细的设置：用详细的设置菜单，调整游戏选项《物理治疗学》第二版目录（一）训练流程1.训练启动步骤正确定位患者：每项训练都要求患者站立在一个特定的位置。移动患者，直到屏幕上的人物位于彩色矩形内。然后左击《物理治疗学》第二版目录患者说明界面通过一个屏幕，开始每项训练，患者可以尝试所需的运动。使用此屏幕来解释患者的训练。然后左击《物理治疗学》第二版目录倒计时•倒计时开始这项训练。在倒计时后，患者可以开始锻炼鼠标左键暂停•如要暂停训练，按鼠标左键•然后按鼠标左键，再次重新启动《物理治疗学》第二版目录鼠标右键结束训练若要中途结束训练，按鼠标右键按播放按钮来解决问题.在游戏过程中，按“播放”按钮，打开一个小相机屏幕。此界面显示当前相机视图，可以帮助消除故障《物理治疗学》第二版目录训练结束，评分概述。如果安装了打印机，则可以从这个界面打印患者的表现得分界面《物理治疗学》第二版目录（一）训练流程2.使用详细菜单访问详细菜单•每项游戏菜单上有一个“看镜子”按钮，点击此按钮，打开含有该项游戏详细设置的菜单《物理治疗学》第二版目录在此处调整游戏设置点击选择一项预设的游戏设置在此处调整游戏设置点击选择一项预设的游戏设置您可以在此处看到当前的类别和游戏《物理治疗学》第二版目录按“保存设置”按钮:当你对某项特定的设置感到满意时，按“保存设置”按钮输入名称和描述在此处输入名称在此处输入描述《物理治疗学》第二版目录删除自定义设置在详细菜单中，按下红叉，删除设置。不能编辑自定义设置。《物理治疗学》第二版目录（二）训练参考指南1.坐姿训练（1）狐狸训练方式1）练习描述：患者以坐姿向左右倾斜，以响应任务选择与躲避障碍的视觉线索。当选择对象（葡萄等）出现时，患者向左右倾斜以躲开或得到它们；当要躲开的障碍（树枝）出现时，患者要倾向一侧躲开它。随着难度的增加，选择的任务和要躲开的障碍随之增加2）目的：这个练习关注静态和动态坐姿平衡、功能性伸展和认知再教育《物理治疗学》第二版目录（2）适应症–偏瘫，进行性神经退化状况，如多发性硬化，平衡障碍、躯干虚弱，不良坐姿，如长期轮椅使用者，以保持其上身灵活性（3）注意事项–要充分参与，患者应具有躯干力量的3/5。如果患者明显虚弱，需要治疗师的协助。患者应能左/右倾斜，而不会摔倒《物理治疗学》第二版目录1.训练概述•目标：此游戏训练上体控制：靠左边和右边•用于：脑卒中后、多发性硬化症、平衡障碍、保持长期轮椅使用者的上身灵活性•禁忌：患者应能左/右倾斜，而不会摔倒《物理治疗学》第二版目录训练描述：患者坐在椅子或轮椅上，距离屏幕约2-3m。当出现葡萄时，患者向左或向右倾斜，将狐狸移向葡萄，并摘葡萄。应通过倾斜，躲避树枝。可以在空中举起双臂抓小鸡规则：通过向左和向右倾斜移动狐狸，尽可能多地摘葡萄《物理治疗学》第二版目录抬起双臂，使狐狸跳跃，抓小鸡《物理治疗学》第二版目录（1）这是一个非常简单的基本设置。一次只出现一串葡萄，且没有树枝或小鸡。（2）使用此设置，基于患者的表现，葡萄的数量及其下落的速度会随着时间的推移而增加。2.标准设置（1）标准难度设置《物理治疗学》第二版目录（1）这是一个非常简单的基本设置。一次只出现一串葡萄，且没有树枝或小鸡（2）使用此设置，基于患者的表现，葡萄的数量及其下落的速度会随着时间的推移而增加《物理治疗学》第二版目录（3）此设置可以增加小鸡和树枝。患者能够达到更复杂的视觉输入和运动，才可以使用此设置（4）但起始水平更高，这样从一开始就有更多的葡萄以更快的速度下降（5）其他应用：患者可以坐在平衡垫或摆动板，使训练更具挑战性《物理治疗学》第二版目录3.详细设置患者可以通过抓小鸡来赢取额外的时间该难度固定所选定的水平当碰到一个树枝时，患者将失分分。《物理治疗学》第二版目录(1)无法达到屏幕两侧：可以在详细菜单中调整运动的幅度。用较低的运动所需量，尝试练习(2)狐狸反应不大：某些椅子具有非常高的靠背支持和/或非常大的手臂支持会使相机无法看见患者的动作；因此最好使用椅子或轮椅，且减少患者周围干扰4.故障排除《物理治疗学》第二版目录(3)狐狸偏离中心：当患者按下“确定”时，该系统将假定该患者位于屏幕中央。如果患者向后移动，如果移动他的椅子或走向他的椅子，将偏离该中心。如患者坐下，游戏将重新开始。因