基于虛擬現實(shí)的網(wǎng)絡(luò )化上肢康復訓練系統
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現階段，在國內的康復治療中，針對患者功能訓練的治療仍舊以治療師的手法操作為主，或輔助一些簡(jiǎn)單的訓練器械，且訓練過(guò)程單調無(wú)趣，患者容易產(chǎn)生厭煩情緒。治療師不容易即時(shí)了解病人的訓練程度和效果 [1][2]。研究表明，如果能夠在訓練過(guò)程中提供多種形式的信息反饋，充分發(fā)揮患者的主觀(guān)能動(dòng)性，將會(huì )使康復訓練效果得到很大提高。虛擬現實(shí)是一種新興的并且迅速發(fā)展的技術(shù)，它的主要特點(diǎn)是：利用計算機和傳感技術(shù)生成一個(gè)具有多種感官刺激的虛擬境界，這種虛擬境界可以使人產(chǎn)生一種身臨其境的感覺(jué)；人能以自然的方式與虛擬境界中的對象進(jìn)行交互[3]。將虛擬現實(shí)技術(shù)應用到康復醫療領(lǐng)域，可以有效的解決現有的康復醫療方法的局限性[4]。
康復機器人技術(shù)在歐美等國家己經(jīng)得到了科研工作者和醫療機構的普遍重視 ,也取得了一些有價(jià)值的成果. 06年 Tobias Nef等人研制了基于虛擬現實(shí)技術(shù)的上肢康復醫療機器人 ARMIn[5]。Rutgers大學(xué)和 Stanford醫學(xué)院在基于虛擬環(huán)境的遠程康復機器人系統方面做了大量的工作[6]。清華大學(xué)研制了一種上肢康復設備 UECM，可以在平面內進(jìn)行兩個(gè)自由度的運行訓練[1]。
本文針對實(shí)驗室現有的一種上肢康復訓練機器人系統設計開(kāi)發(fā)了虛擬現實(shí)的輔助康復訓練系統，以激發(fā)患者進(jìn)行康復訓練的興趣和動(dòng)力，達到提高康復訓練效果的目的。
1．系統總體概況
1.1 康復訓練機器人系統總體結構圖康復訓練機器人系統主要可分為上位機遠程監控系統和下位機系統。 系統整體結構圖如圖 1所示。
1.2 康復機器人機構設計
康復機器人機構部分主要有座椅部分、支撐部分、牽引部分組成，如圖 2所示。訓練時(shí)，病人坐在椅子上，通過(guò)懸吊線(xiàn)和肘關(guān)節支撐套將病人的手臂吊起，病人的手被固定在康復訓練牽引機械臂的托盤(pán)上。
1.3康復機器人系統工作原理
該康復訓練系統由 4部分組成：基于虛擬現實(shí)技術(shù)的輔助訓練客戶(hù)端，康復機器人控制系統（下位機） ,醫生端監控計算機（上位機），和網(wǎng)絡(luò )通訊部分。其中康復機器人控制系統由 ARM主控模塊、測量控制電路、鍵盤(pán)及 LCD顯示電路、存儲器件等主要部分組成。被動(dòng)訓練模式運行時(shí)，安裝在康復訓練牽引機械臂的力和位置傳感器將采集的病人運動(dòng)的力和位置信號經(jīng)過(guò)信號處理后送給 ARM主控模塊，主控模塊經(jīng)過(guò)預處理后再通過(guò)下位機網(wǎng)絡(luò )模塊把力和位置信息通過(guò)局域網(wǎng)傳送給醫生端監控主機,同時(shí)監控軟件繪制出力度信號和位置信號的實(shí)時(shí)曲線(xiàn)，并訪(fǎng)問(wèn)后臺病案數據庫，實(shí)時(shí)記錄訓練各項狀態(tài)參數。醫生根據反饋的信息判斷病人的康復情況，并通過(guò)上位機設置康復訓練參數，發(fā)送控制指令給下位機，下位機根據醫生設置的參數，采用相應的控制算法，發(fā)送控制信號，經(jīng)驅動(dòng)電路放大后驅動(dòng)電機，從而控制康復訓練牽引機械臂的運動(dòng)。主動(dòng)模式和阻抗模式運行時(shí)，虛擬現實(shí)訓練客戶(hù)端軟件和上位機遠程監控軟件同時(shí)通過(guò)局域網(wǎng)連接至下位機 ARM嵌入式康復機器人主控模塊，主控模塊把采集到的力度和位置信號經(jīng)過(guò)預處理后，同時(shí)發(fā)送給上位機監控程序和虛擬現實(shí)訓練程序。虛擬現實(shí)輔助訓練軟件利用接收到的網(wǎng)絡(luò )數據通過(guò)相應算法轉化為虛擬場(chǎng)景中物體的坐標，同時(shí)配合設置好的虛擬場(chǎng)景和人機交互策略實(shí)現虛擬現實(shí)輔助康復訓練過(guò)程。本文分別使用 windows GDI 和 OpenGL＋3dmax 設計了兩套虛擬現實(shí)康復訓練程序，分別配合主動(dòng)訓練模式和阻抗訓練模式。
2、虛擬現實(shí)輔助康復訓練客戶(hù)端軟件開(kāi)發(fā)
康復病人由于肢體肌肉處于廢退狀態(tài)，很容易對鍛煉感到厭煩，這對于病人的康復進(jìn)程是很不利的。為此本文利用 Windows GDI，OpenGL＋3Dmax設計了兩個(gè)具有良好交互性的游戲程序作為患者輔助康復訓練平臺，使患者在游戲過(guò)程中不知不覺(jué)的完成鍛煉，變原來(lái)的消極鍛煉為積極主動(dòng)的參與鍛煉。
2.1配合阻抗訓練模式的虛擬現實(shí)輔助訓練軟件設計
2.1.1 阻抗訓練模式介紹
該訓練模式適用于即將康復的患者，這類(lèi)患者的患肢已經(jīng)逐步恢復運動(dòng)能力，這時(shí)就可以根據患者的康復情況，在康復鍛煉過(guò)程中通過(guò)機器人給患者的患肢作用一定大小的阻尼力，使患者完成動(dòng)作的時(shí)候克服阻力，從而增強肌肉的力量，逐步恢復到正常狀態(tài)。
2.1.2 程序設計
該軟件采用 VC＋＋6.0創(chuàng )建的基于單文檔的 MFC應用程序。游戲開(kāi)始后病人通過(guò)控制機械臂的水平運動(dòng)，控制虛擬場(chǎng)景中水平擋板的移動(dòng)反彈小球，擊打上畫(huà)面上方的矩形磚塊。如圖 3所示。程序開(kāi)始運行后，通過(guò) GDI繪制出彈球游戲的基本場(chǎng)景，小球和水平移動(dòng)擋板，完成游戲參數的基本初始化工作。在創(chuàng )建框架窗體的同時(shí)使用 CAsyncSocket類(lèi)的 MySocket派生類(lèi)，初始化訓練客戶(hù)端套接字，封裝了網(wǎng)絡(luò )通信消息響應函數。并重載了其中的 OnReceive(), OnAccept(),OnConnect()，OnClose()等消息響應函數,這些函數分別映射 CMyView類(lèi)中相應的處理函數。完成套接字初始化后，立即與下位機服務(wù)器連接，并開(kāi)始接收下位機傳送的位置和力度數據。當有網(wǎng)絡(luò )數據到達時(shí)，程序映射調用 CMyView類(lèi)中的 OnReceive()函數，完成接收下位機傳送的位置信號數據，通過(guò)公式（1）
shippositon=(long)(-w*855/180) （1）
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