虛擬現實技術-【康復課件】

虛擬現實環(huán)境訓練技術在康復領域的應用南京醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院江蘇省人民醫(yī)院康復醫(yī)學中心健康狀況?

腦卒中發(fā)病率激增?

全球1500萬/年新發(fā)腦卒中,

中國200萬?

其中1/3

的患者將終身殘疾,據美國統計，每年有近50萬腦外傷患者，?

14％～18％將終身殘疾，97％有精神或軀體方面的缺失，這97%腦外傷患者中1/3有軀體殘疾，2/3有認知障礙?？祻蛦栴}?

嚴重認知與軀體障礙?

提高康復技術水平具有特別重要的意義。反饋?

反饋是執(zhí)行運動功能過程中重要信息交換模式?

交換方式?

體感信息?

觸覺信息?

視覺信息?

聽覺信息?

將運動過程的信息傳送到中樞神經，調控運動功能執(zhí)行的時間和空間精度。種類?

康復領域中運動功能康復治療反饋技術的應用包括：?

肌電信號反饋、?

機器人輔助運動康復訓練、?

高級認知過程反饋?

三維虛擬技術等。視覺反饋?

直觀，實現簡單容易，不需特殊硬件設備

視覺生物反饋：?

簡單圖表或動畫方式?

虛擬現實技術的交互虛擬游戲?

視覺反饋特點：?

實時?

直觀?

觀察自身運動情況虛擬現實?

虛擬現實是人機交互技術，應用于?

多感官教學?

飛行員訓練?

醫(yī)療訓練(運用虛擬現實技術訓練外科醫(yī)生手術)?

心理治療和康復訓練等?

虛擬現實是由計算機硬件和軟件合成人工環(huán)境在三維視覺空間中獲得人機交互體驗現實世界虛擬環(huán)境（virtual

reality,VR）?

虛擬環(huán)境就是模擬真實環(huán)境，具備?

自主性?

交互性?

存在感?

虛擬現實技術的人機交互通過信號輸入呈現?

刺激?

動作輸出給予反饋。VR技術?

通過佩戴數據手套、立體聲耳機和顯示頭盔等輸入輸出設備，計算機向用戶傳輸觸覺、聽覺和視覺信號。?

準確反饋包括位置追蹤器和眼動設備等多種基于特別技術的人機接口，監(jiān)控、傳輸并處理用戶行為，實現精確的人機交互。虛擬環(huán)境訓練特征?

①內容豐富：目前已經實現由二維轉向三維的完全模擬現實環(huán)境的游戲場景，事物呈現豐富多樣性；?

②目的明確：有了明確的目標，可以設計定向任務，輔以一定的獎懲方法，患者訓練興趣高昂，成就感顯著，能夠持續(xù)康復訓練；?

③過程多變：虛擬游戲中可以隨時隨機變化任務與目標，患者注意力集中，消除枯燥，同時能夠改變難易程度適應不同訓練要求。虛擬現實技術?

已經被廣泛應用于康復治療：?

注意力缺陷?

空間感知障礙?

記憶障礙等認知康復?

焦慮、抑郁、恐怖等情緒障礙?

精神疾患的康復，?

空間感知障礙和運動功能受損患者的康復訓練是康復醫(yī)療的重要內容之一。虛擬現實技術?

運動障礙包括所有運動性、觀念性、觀念一運動性和記憶缺失性的，有目標的空間運動能力的喪失。?

運動障礙是以運動異常為特征的各種障礙?

運動不能(運動發(fā)動困難)?

震顫?

舞蹈癥?

扭轉痙攣?

斜頸?

張力障礙?

顫搐?

抽動和肌陣攣等癥狀?

虛擬技術在運動不能、平衡協調性差和舞蹈癥等運動障礙康復等領域都取得較佳的康復結局負面效應?

VR治療也會有負面效應，尤其是當反映運動行為的圖像信息有明顯的延遲時，就會嚴重影響VR的訓練療效?

因為這種延遲可能會導致患者產生類似于暈車或暈船的感受。適應范圍?

虛擬現實技術已經被廣泛應用于康復治療的各個方面:?

注意力缺陷、

空間感知障礙、

記憶障礙等認知康復,

焦慮、

抑郁、

恐怖等情緒障礙和其他精神疾患的康復,?

運動不能、

平衡協調性差和舞蹈癥等運動障礙康復康復治療存在的問題?

患者對訓練無興趣?

患者訓練中恐懼?

患者對治療依從性差?

治療師消耗大量體力?

康復效果差解決問題必須達到：安全環(huán)境????有激情的訓練目標明確?

定量動作?

反復進行?

康復過程長?

？？？？？？實現運動控制-神經功能重塑?

組織基礎：神經干細胞遷移(Homing)?

生理基礎：千萬次重復的靶肌肉運動?

瓶頸：?

無法重復千萬次的功能動作?

患者恐懼情緒對運動控制的影響?

患者動機對運動訓練的影響邊緣系統功能?

邊緣系統與內臟活動?

邊緣系統與感覺功能?

邊緣系統與情緒邊緣系統與睡眠腦可由內至外分為三層???最里層是腦干(Brainstem)包裹在腦干外的是邊緣系統(Limbicsystem)??

邊緣系統與運動功能最外層是大腦??

邊緣系統包括：梨狀皮層、內嗅區(qū)、眶回、扣帶回、胼胝體下回、海馬回、腦島、顳極、杏仁核群、隔區(qū)、視前區(qū)、下丘腦、海馬以及乳頭體等?

中腦的神經核團以及中央灰質,也因與邊緣系統聯系密切而被稱為邊緣中腦區(qū)。動機(Motivation)的作用?

動機的概念包括?

動力和滿足感?

目標引導的行為及激勵機制。?

Gordon認為，康復治療中最強大的力量就是激發(fā)動機，顯示邊緣系統的重要性。?

反復強化及獎賞機制導致不斷學習、工作能力的維持。反復訓練的價值?

運動控制理論與邊緣系統的研究成果在強化機制上是重疊的。?

讓患者在多種允許糾錯的環(huán)境背景中不斷進行內在反饋過程，將導致更多的記憶保留。?

如果沒有反復練習或缺乏學習欲望，運動學習的成功機會將很小甚至不存在。目標導向的作用?

Schmidt提議，應當圍繞目標導向性活動設計治療程序，以便從運動系統中誘導出高水平功能，并能夠進行目的性學習。?

這個過程存在強烈的情緒背景。?

目標導向性活動通過將患者置于一種強制形成“適宜策略”的情境，指導患者分析環(huán)境需求。?

目標導向性活動應當是功能性的，包括動機、深遠意義及有選擇的專注力。?

功能再訓練及本體感覺再訓練都在干預中采用了上述觀念。主動參與的價值?

患者對學過的技能深入了解，將會更好地調整這些技能以滿足不同環(huán)境及要求的需求，并采用應答反饋來引導調整過程。?

上述信息被用來設計需求導向性的訓練動作或程序，并激發(fā)患者有意識、有目的的學習欲望。?

因此，關鍵在于了解患者的特定目標，只有在與那些有要求、有愿望并參與到康復結局設計的患者進行溝通后才能獲得。機制?

反復練習是學會一項運動技能的首要因素?

僅僅不斷重復訓練是不夠的，還必須逐步獲得成功的反饋和體驗。?

視覺和本體感所提供的反饋，可以強化練習者在嘗試一錯誤練習中的正確行為，維持練習者的動機水平和積極性，并獲得愉快的成功情緒體驗，促使其不間斷的練習直至習得該行為。優(yōu)勢?

虛擬現實技術提供了重復練習、成績反饋和維持動機3個關鍵要素的技術手段。?

為康復訓練患者提供兩種反饋，

包括每次練習結果的實時反饋和一組練習后的成績反饋，可以提高患者對結果知曉感。?

通過編制虛擬環(huán)境還可以增加任務的趣味性，

以多種反饋形式激發(fā)和維持患者重復練習的動機。?

大量研究結果表明，患者能在虛擬環(huán)境中學會運動技能，并且能將習得的運動技能遷移到現實世界的真實環(huán)境中。虛擬現實的優(yōu)越性?

多種感官刺激的虛擬環(huán)境，使人身臨其境?

通過虛擬教練演示規(guī)范動作，比人類教練更有耐心和一致性，患者反復觀察模仿練習。?

簡化訓練任務，減少在真實環(huán)境中由錯誤操作導致的危險。虛擬現實的優(yōu)越性?

虛擬現實可以提供多種形式的反饋信息，根據患者狀態(tài)給予鼓勵、暗示或建議等，從而使枯燥單調的運動康復訓練過程更輕松、更有趣和更容易。?

虛擬現實允許用戶進行個性化設置，將運動訓練、心理治療及功能測評有機地結合起來，針對患者個人的實際情況制定恰當的康復訓練計劃。?

由于虛擬環(huán)境與真實世界的高度相似性，在虛擬環(huán)境中習得的運動技能能更好的遷移到現實環(huán)境中?？祻凸こ?

在運動康復領域，最重要的用途在于對受損的運動功能進行康復性訓練

。?

康復訓練的運動量是否合適，運動是否平穩(wěn)。運動方式是否符合一般的生活習慣，是決定康復訓練是否成功的關鍵。?

虛擬現實能提供精確的測評、輔助、監(jiān)控、訓練等技術，保證運動康復訓練的有效性。運動康復?

平衡和體態(tài)康復訓練?

行走運動康復訓I練?

上下肢康復訓練?

日常生活行為康復訓練虛擬上肢運動?

美國加州Sanchez

RJ與Liu

J于2006年研制的上肢外骨骼訓練系統T-WREX，瑞士的Hocoma公司以此開發(fā)的Armeo上肢康復訓練器，集成上肢減重與虛擬環(huán)境技術。?

Tobias

Nef等人研制了基于虛擬現實技術的上肢康復醫(yī)療機器人ARMIn。上肢運動虛擬反饋-機器人虛擬上肢運動：?

2007年，河北工業(yè)大學自主研制了利用虛擬現實和外骨骼技術進行手臂外骨骼康復治療的方案。?

上肢三維多關節(jié)訓練評估系統經過康復臨床和研究中心應用，能夠促進上肢的康復，治療更有趣而且對治療師的時間要求也比較少，因為它僅僅要求協助安裝和監(jiān)護。系統適合成組治療，同時它提供高質量的反饋信息，可以精確的評價和監(jiān)督患者的依從性與功能進步。虛擬下肢運動：?

2004年日本香川大學智能機械、工程與康復醫(yī)學部?

聯合開發(fā)一套虛擬滑雪系統，通過下肢的左右擺動控制虛擬的滑板。虛擬下肢運動?

2005年，加拿大McGill大學猶太康復醫(yī)院與Quebec康復研究所合作開發(fā)虛擬現實技術的多自由度反饋控制下肢訓練系統?

由患者過街三維動畫場景虛擬人、不受患者控制的汽車與行人，系統強調真實的生活場景，提高患者步態(tài)與步速，為重返社會奠定基礎。?

清華大學研制的虛擬健身車能以自行車騎行方式訓練和恢復受損的下肢運動功能經過2年臨床驗證獲得良好的結果，該康復訓練系統由

4部分組成：?

基于虛擬現實技術的輔助訓練客戶端，康復機器人控制系統（下位機），醫(yī)生端監(jiān)控計算機（上位機），和網絡通訊部分。虛擬下肢運動?

2006年以色列Hebrew大學Kizony

R和RazL等人應用視頻動作捕捉（videocapture）訓練脊髓損傷的平衡功能?

系統可以模擬身體二維多自由度運動，實現人機互動，游戲難易可調。虛擬技術反饋實現運動控制HD-Doorn-short.mpgHD-hbm.mpg??虛擬全身運動訓練?

2009年荷蘭研制開發(fā)的SilverFit系統?

全面覆蓋軀干姿勢控制、坐站轉換、上肢運動、步行、平衡、膝關節(jié)與下肢運動、強化訓練多種虛擬游戲?

應用于中風患者上肢、平衡與步行康復、髖膝關節(jié)置換術后康復、多發(fā)性硬化、帕金森病、老年性癡呆、心臟疾病患者與老年人的一般健適活動等。Virtual

rehabilitation虛擬康復39Using

gamesintherapyhasbeenaveryimportanttrendininternationalresearchfacilities治療采用游戲方法是國際研究的重要趨勢Example:

Stroke

rehabilitation.,

lower

extremity,

Deutsch

and

Burdea

(UMDNJ,

Rutgers)40Scientificreviewsshow

thatvirtualtherapyoftenhasa

beneficialeffect科學研究表明虛擬治療效果顯著Example:

arm

functionPironet

al.

(2003)24

post-stroke

patientaVirtual

mailbox;

hammering;

filling

a

glass<3monthsafterincident1

hr/day,

5

d/week,

5-7

weeksControl:

traditional

therapyPatientsinbvirtualtherapyimprove

morethancontrolinFugl-Mayer

and

FIMtests,butresultis

notstatisticallysignificant.Pironet

al.

(2005)50

post-stroke

patientsVirtual

mailbox;

hammering;

filling

a

glass>6monthsafterincident1

hr/day,

5

d/week,

1

monthNo

controlVirtualtherapygivessignificantimprovement

on

Fugl-Mayer

and

FIMtests,and

onaveragedurationandspeedof

movement.Janget

al.

(2005)10

post-stroke

patientsReschi

nbg

forvirtual

objectson

large

screen“chronic

phase”1

hr/day,

5

d/week,

4

weeksControl:

no

therapyVirtualtherapysignificantlybetterthancontrol(=notherapy)on

Fugl-Mayer,Box-and-Blocks,and

Manualfunctiontests.Merians

et

al.

(2006)Groups

of

2-4

pati?ntenHandexercise

with

Rutger’s

glove“chronic

phase”Increasein

handreachand

handfunctiontests;noimprovement

inspeedof

movement.2-2,5

hr/day,

5

d/week,

3

weeksNo

controlJannink

et

al.

(2008)10

children

with

crebral

palsy(CP)Hand

exercise

with

Eye

Toy+

fysiotherapy0,5hr/day,

2

d/week,

6

weeks2

of5

childreninvirtualtherapyhasa

significantimprovement

on

Melbourneassessmentscale,vs.0

outof5

intraditionaltherapy.Controle

FysiotherapyonlySource:

Janninket

al,

Ned.

Tijdschrift

Fysiother2008:118

(4)86-94;

Holden,

Cyberpsychology&

Behavior2005:

8(3)187-211Example:effectof

addinggamestoehabilitationSource:

Chuang

et

al.,

Phys.

Ther.

2006

Oct

86(10):1369-77%

participantsachievingfitnessgoal*in20sessionsThegaminggroupreachedthislevelafteronly10sessions*

2xweekly30minutetraining.Goal:heartrateat85%ofmaximum.N=2x10Motivationisthekey

toget

peopleto

train

more主觀能動性（動機）是促使患者訓練的關鍵Scientificresearch

showscomputer

gamesimprovetherapybyprovidingmotivationandfeedback...and

weseeexactlythatin

our

testsessionsThisismuchmorefunthanwalkingthoseMotivationRepetitionFunboringcorridors...FeedbackWhenisthenextsession?ThenI

willmakesureI

canwalkaswelltoplayyourgame!Long-termprospect?

ComparativeresearchstudiesatMITandRutgersUniversityshowcomputergameaidedtherapyworksasgoodorbetterthan“basic”therapyinallcasesanalyzed?

ThemainphysicaldriveristhatpatientsrepeatexercisesmoreoftenandgetgoodfeedbackontheirperformanceSocialstimulationbyonlookersNo,no,bowtotheleft,youshouldtaketheleftone!?

Theunderlyingreasonisthatthecomputergameprovidespatientswithshort-termandlong-term

motivatorstokeepgoingOh,itsaysI

amdoingwellImmediate,positivefeedbackIfpeopletrainmore,

thisimprovesoutcomes(example:

CVA

training)患者訓練越多，結果越好Meta-analyse

van

20

studies

naar

effect

van

meer

oefenen

op

ADL10,80,60,40,20t020406080100120-0,2-0,4-0,6#

extra

uur

oefenengedurende

therapietrajectVebreetnirgniADcsLoerniatsndaadrdeaiveit**Score

0=

geen

verschil

tussen

groepen.

score

van

0.5=

experimenteel

groepsgemiddelde>

70%van

proefpersonen

controlegroep;

negatieve

score=

meer

oefenen

correleert

met

lagere

ADLscoreBron:

Kwakkel

e.a.,

Stroke

2004;

35(11):

2529-2536Givingpeoplefeedbackisimportanttokeepmotivationhigh給予反饋是保持高昂訓練的核心I

scored

60

points

on

themole

last

time.

Now,

Iwant

totry

again,

andscore

61

points!So:

goodresults,

butsofarnoproductsforhospitalsandnursinghomes目前缺乏醫(yī)院與護理院使用的產品High-techmilitaryinstallationslikeCARENandCAVEcost

1

mln+USdollarspersiteCheaplow-techoptionslike

theWiiarenotverywellsuitableforprofessionalrehabilitationHow

does

theSilverFitwork?SilverFit如何工作？Thesilverfitallowsyoutoprovidethestimulus,motivationandfunofamassmarketproductlike

thenintendowiiinaprofessionalrehabilitation/trainingcontext.Thegameshave

beendesignedspecificallyforuseingeriatricrehabilitationandactivation.Thegame

settingmotivatespeople.It

helpsthemtopushtheirboundariesandexplorenew

possibilities.Thelevelofthegame

can

beadjustedtotheneedsofthepatient.Peopleattheverystartoftheirrehabilitationprogramcan

exercisejustaswellasfullyfitpeople.Theexerciseshave

beendesignedinclosecooperationwith

universitiesandmedicalinstitutionsinEurope.Thesystemhasprovenitselfindailyuseincare

centersandhospitalsintheNetherlandsandBelgium47SilverFit?

SilverFit系統基于〝動機〞是保證訓練次數的核心，為提高患者訓練興趣，增強康復治療效果。?

通過虛擬現實環(huán)境游戲反饋，以引發(fā)“動機”為核心，增加訓練重復次數，真正做到成千上萬次康復訓練，實現神經功能重塑。?

恰當的反饋又是患者保持高昂的訓練動機的重要因素。Major

awardswon2009年該系統開發(fā)應用獲得歐洲游戲技術應用最佳創(chuàng)新獎、最佳荷蘭系列游戲獎、荷蘭最佳衛(wèi)生創(chuàng)新獎。2009Europeanprizeforbestinnovative2009DutchawardforBest

besthealthcareSeriousGame2009AwardforinnovationinapplicationofgamingtheNetherlandstechnology?

SilverFit系統通過時差距離攝像頭（Time-Of-Flight）構建患者的三維圖象，可提供：?

人體幾乎所有的不同粗大運動需求；?

不需要治療師持續(xù)激活患者運動，?

節(jié)約治療師時間；?

通過任務導向性訓練可讓患者真正認識存在的自身障礙，并沒有原來認為得如此嚴重，重新獲取康復信心。TechnicalbackgroundTheSilverFitusesaTime-Of-Flightcameratocreatea3Dimage

ofthepatient.Thecamerasendsoutinfraredlightandreceivesbackthe“echo”reflectedbypeople.Anybody

movementcan

betrackedindetailby

thesoftware.58TheSilverFitcantrainalllargemotor

movementsOurresearchhasbeenwith

totalhippatientsexercisingonthe

MoleGame全髖關節(jié)多種游戲的運動訓練6061Themolegame

scorecanbe

used

to

predictprofessional

evaluationwithsome

accuracyRegression

analysis

of

molegamescore

vs.

professional

observers90,0Score

byindependent

80,0professional70,060,050,040,030,020,010,00,0observersR2

=

0,5348P

=

0,00300102030405060MolegamescoreSource:

Researchdata

J.

de

Deugd,

J.

Willemse

en

S.

Hoogendoorn

(2010);

n=14.

Five

independentprofessional

observers

scored

each

patient

using

a

structured

questionnaire;

min,max

(─)andaverage

(?)

scores

are

shown.

Regression

was

madeagainst

averagescores.62Silverfit

Mile?

跑步機練習是許多康復計劃的重要組成部分。但對于大多數患者來說，在跑步機上行走，并不愉快。?

SilverFit

Mile面市，現在將跑步機作為加強體力的一種鍛煉方式，并將跑步作為散步一樣愉快的運動已成為可能，因為該跑步機可以安裝在壯麗的自然奇觀中，亦或著名的城市中，當然也可以安置在您當地的居委會。?

因為程序員在跑步機前設計了一個大屏幕，投影儀模擬虛構了一個虛擬環(huán)境?；颊邥械阶约汉孟裨趹敉庑凶咭粯?。視覺影響?

大型投影屏幕會立即吸引使用保健康復設施進行鍛煉的旅客和患者的注意力。?

對于正在使用跑步機進行鍛煉的患者來說，屏幕變成了他的世界。?

而專業(yè)電影創(chuàng)造的戶外場景，很難與康復室的安全環(huán)境相比較的。多路徑?

SilverFit

Mile包含有很多不同形式的路徑。此時，你可以步行走過著名的城市、村莊、森林和公園。?

走完每個完整的路徑大約需要50分鐘，不過你也可以選擇只走完小部分路途。?

路徑可以在不同的地點開始，因此病人每次都可以根據自己的興趣選擇不同的步行路段。當地漫游?

SilverFit設備還可以設計當地的影像，使人們能夠在他們熟悉的家鄉(xiāng)散步。?

例如，患者可以在圍繞著療養(yǎng)院散步，也可以在市中心行走，甚至可以在當地的一個公園或旅游景點里散步。適應體能與容易操作?

SilverFit

Mile可以根?

SilverFit

Mile非常容據使用者體能進行調節(jié)

易使用。想要啟動設備，設定不同的行走速度

，只需要按壓兩個按鍵和使用時間。對于需要

，因此您可以專注于你精神護理的病人，可以

的病人！令其每天走過相同的路程，這樣他們就會逐漸熟悉路線。SLIVERFIT

MILE?

虛擬情景視頻.MPGSilverFitNewtonSilverFitNewton?

SilverFitNewton是一種用于體能訓練的虛擬治療系統。適用于裝有配重片的任何種類的設備，如滑輪、腿部推蹬機或肩部推舉機。力量訓練具有重復性，因此通常會導致治療依從性低等問題的出現。SilverFitNewton?

SilverFitNewton設備的作用原理是以具有吸引力的游戲吸引患者的注意力，這些游戲一般具有畫面精美、引人入勝的特點，游戲裝置通常配備有直觀的觸屏界面。?

Newton游戲軟件可以安裝在設備的小屏幕上，也可以安裝在可移動屏幕上，這樣就可以將游戲屏幕由一個訓練點轉移到另一個訓練點。?

Newton軟件中包含基礎練習、生物反饋練習和客觀結果檢測，病人跟蹤數據庫和視頻分析模塊。以游戲為基礎的練習項目?

鍛煉往往是枯燥的重復性活動，但游戲可以吸引人們的注意力。?

SilverFitNewton裝置一般配備有一個專業(yè)的精美游戲界面：?

作為一個治療師，你可以根據患者的身體狀況選擇適宜強度的鍛煉方式。作為參與者，您將在進入的世界中享受鍛煉的樂趣！生物反饋模式鍛煉?

SilverFit也可以提供一些生物反饋模式的鍛煉。在這類鍛煉中使用的工具，可以支持現有的治療方案。?