虚拟现实技术在康复训练的应用—田雪松博士

2021-04-07

1 引言

中枢或外周神经系统的损伤或疾病通常会导致日常生活活动能力的下降,这是由于认知和运动障碍造成的。康复过程的一个重要部分是修复这些缺陷,以提高患者的功能能力,并使他或她获得更大的独立性。这是通过使用越来越困难的任务,治疗师在身体上或口头上指导病人的动作或行动来实现的。神经康复治疗师面临的主要挑战之一是确定有效的干预工具,激励并使康复过程中获得的技能和能力在“现实”世界中发挥作用。近年来,虚拟现实(VR)技术开始被用于康复评估和干预工具。虚拟环境为患者提供了安全的途径,使他们能够接触到互动的、真实的环境,否则,由于运动、认知和心理上的限制,他们无法接触到这些环境。能够相对容易地改变虚拟环境,对任务难度进行分级,并根据患者的能力进行调整,这些都是VR的重要优势,因为这些特征对于认知和运动修复是必不可少的。此外,在其他研究中,使用过虚拟环境的患者报告说他们的体验感非常愉快,似乎参与这些活动可以增加治疗的动力。另外几个额外的优势使用VR在认知康复包括控制和一致性的刺激,通过不同的感官,即时反馈能力干预在练习为了提供进一步的指令或指导,自我训练和学习的机会在一个安全的环境,记录病人的表现和以低成本创建定制培训环境的能力。克里斯蒂安森等人发现,虚拟厨房在评估脑外伤患者在正确顺序执行任务的基础上进行此类活动的能力方面是有效的。Rose等人3的研究表明,虚拟房间的记忆训练提高了血管性脑损伤患者在对房间空间安排的识别测试中的表现。Grealy等人的研究结果表明,在虚拟环境中进行训练可以改善脑损伤患者的认知功能。Wilson等7人发现身体残疾儿童能够将空间信息从虚拟环境转移到真实环境,Lahav和Mioduser等8人研究表明,探索虚拟房间的机会可以提高盲人在类似真实环境中的导航能力。此外,Wilson等9人在其关于VR在康复中的文献回顾中指出,有学习障碍的儿童和学生能够将虚拟环境中教授的能力转移到现实世界。沉浸式虚拟现实技术系统的目的是描述投影的、基于视频的VR系统在神经康复中的应用。以下的系统是介绍目前正在进行的研究项目的初步结果,该系统正在用于中风患者和完全或不完全脊髓损伤患者的临床研究。


2 手势播放器VR系统

该系统对于有身体和/或认知障碍的儿童和成人的康复有潜在的重要应用价值。使用手势时播放器VR系统中,用户站或坐在划定区域观看大屏幕上显示一系列模拟功能的任务之一,如捕捉虚拟球或滑雪下山。用户在屏幕上看到自己,在虚拟环境中,他们的动作完全直接的任务的进展。结果是用户完全投入到模拟任务中。摄像机转换用户的运动的视频信号,其中参与者的图像被处理在同一平面的屏幕动画,文本,图形和声音,并根据他或她的运动做出相应的反应。这个过程被称为“视频手势”,即通过视频接触在虚拟现实环境中启动变化。参与者在屏幕上的实时视频图像与动作完全同步响应,增强了VR体验的真实感。这个系统同时提供视觉和听觉反馈,其中视觉线索占主导地位。手势播放器虚拟现实系统最初是作为一个娱乐系统开发的,旨在在科技馆和热门展会上展示虚拟现实。只有通过符合康复干预原则的调整,才能使其成为一种有效的康复干预工具。

3 手势播放器VR的应用

手势播放器VR系统包含了许多虚拟环境。最初使用了其中的三个环境,并作为干预工具。

3.1 鸟类和球

用户可以看到自己站在田园环境中。不同颜色的球从不同的位置飞向用户。用户可以用身体的任何部位触摸,如果触摸是“温柔的”,这些球会使它们变成鸽子;如果触摸是“突然的”,这些球会爆裂。适应性包括从四个象限中的一个或多个控制它们在屏幕上出现的方向的能力,单个或组合,例如从一个象限或两个象限代表右、左、上、下半部分。球的颜色可以被选择,不同形状的刺激物,例如星星,可以被添加作为干扰物。此外,一种新的模式被编程,其中任务难度的水平可以根据用户的表现和治疗目标被增加。因此,当患者的表现达到预定的水平时,难度将自动、连续地以预设的增量增加。

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图1 使用“鸟与球”环境的脊髓损伤患者

3.2 足球

用户将自己视为足球游戏中的守门员。足球从不同的位置向守门员射击,任务是用身体的不同部位撞击守门员,以阻止他们进入球门区域。成功排斥的球仍然是白色的,而那些进入目标折痕的球的颜色从白色变为橙色。对难度等级的调整包括改变同时出现的球的数量以及它们的方向和速度。这里也有一个关卡模式,在预设条件下可以自动前进。

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图2 使用足球环境击球的患者

3.3 滑雪板

用户可以看到自己在滑雪板上的背影。当患者滑雪下山时,需要通过左右倾斜或移动整个身体来避开岩石、树木和其他障碍物。可以通过改变滑雪的速度来适应这种环境的难度。

4 优势

手势极限系统似乎适合运动和认知障碍患者的康复,主要有两个原因。首先,用户不必使用头戴显示器(HMD)或其他特殊设备来感受沉浸在虚拟环境中。这既减少了产生副作用的可能性,又消除了副作用的来源可能阻碍神经功能障碍患者运动反应的障碍。虽然新的HMD和立体眼镜比以前的模型要简单得多,但是对于有认知缺陷和脑损伤的人使用它们的信息却很少。其次,用户将自己视为积极参与环境的参与者,而不是化身。有人建议使用用户自己的形象作为虚拟形象,以增加环境的真实性和存在感。也许,当图像是用户的实时表现时,真实感会更强,就像手势播放器VR系统一样。第三个特性与用户如何在虚拟环境中控制移动有关;不依赖于指向设备或跟踪器,在手势极限环境中的导航是完全自然和直观的方式完成的。不仅是对运动的控制更自然,它还涉及到使用尽可能多的身体部位被认为是适合治疗目标。例如,当需要以更精确的方式进行干预时,用户可以通过特定的身体部位,例如头或手,对投射的球做出反应,或者当干预更全面时,可以通过身体的任何部位对投射的球做出反应。事实上,可以训练不同的运动能力,如不同肢体的运动范围和全身平衡训练。第四,该系统在与患者交互的方式上具有很大的灵活性,可以适应特定的治疗目标。患者可以根据自己的能力和受伤类型,在虚拟环境中进行操作时坐或站。同样重要的是,治疗师可以在治疗过程中进行干预,以加强运动或认知学习,从而提高患者的能力。最后,现有的方案提供了机会,以促进患者的残馀认知,运动和感觉能力的功能有意义的上下文。由于康复的最终目标是最大限度地提高患者在与日常表演技能相关的活动中的独立性,功能相关性和表演要素的整合是至关重要的

5 虚拟现实系统作为康复工具的贡献

在不同的虚拟环境中,根据速度和刺激的数量对任务进行分级的能力是康复中的一个关键治疗原则,因为临床医生有义务适应任务和锻炼病人的能力。因此,关卡模式被添加到鸟和球以及足球场景中,从而使患者能够收到反馈并提高自己的能力,这是他们表现的直接结果。通过从预设象限释放球的能力来控制刺激起始点和方向,对于一般的认知康复,特别是对注意力缺陷的补救,是非常有用的。注意缺陷在脑损伤后很常见,并有严重的功能后果,因为获得足够程度的注意是学习的必要前提,是脑损伤后功能恢复过程的必要部分。注意缺陷的表现之一是单侧空间忽视,其特征是对侧空间的刺激反应能力下降。通过视觉搜索任务训练美国海军是有用的,并且有一些证据表明可以转移到功能性任务。因此,训练病人在屏幕上搜索不同部分的能力似乎对治疗注意力缺陷很有用。这种适应也有助于运动障碍的康复。这是很重要的,例如,中风后,因为身体的一侧比另一侧更容易受到影响,治疗的主要目标之一是训练受影响的一侧。改变刺激颜色和添加其他形状不同的物体的能力对于训练注意力缺陷也很重要,特别是选择性注意力和在不同任务之间转换的能力。

6 局限性

考虑使用手势极限系统进行康复治疗时,确实有一些限制需要考虑。使用单一摄像机意味着环境和其中的运动基本上发生在单一平面内。现有的虚拟环境通常是在冠状面内进行的,尽管在某些情况下也可以在矢状面进行患者的定位。然而,运动总是二维的。这与基于HMD的虚拟现实系统形成了鲜明对比,后者的用户是在一个完全三维的世界中操作的。手势播放器VR系统的第二个限制是,它提供的反馈是视觉和听觉的,没有额外的感觉信息,如触觉。尽管触觉还没有广泛应用于康复治疗,但有相当多的证据表明,它可以有效地促进某些治疗目标的实现。