虚拟现实技术——【康复ppt课件】.pptx

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1、,虚拟现实环境训练技术在康复领域的应用,南京医科大学第一附属医院江苏省人民医院康复医学中心,健康状况, 脑卒中发病率激增, 全球1500万/年新发脑卒中, 中国200万, 其中1/ 3 的患者将终身残疾,据美国统计，每年有近50万脑外伤患者，, 1418将终身残疾，97有精神或躯体方面的缺失，这97%脑外伤患者中1/3有躯体残疾，2/3有认知障碍。,康复问题, 严重认知与躯体障碍, 提高康复技术水平具有特别重要的意义。,反馈, 反馈是执行运动功能过程中重要信息交换模式, 交换方式 体感信息 触觉信息 视觉信息 听觉信息, 将运动过程的信息传送到中枢神经，调控运动功能执行的时间和空间精度。,种类

2、, 康复领域中运动功能康复治疗反馈技术的应用包括：, 肌电信号反馈、, 机器人辅助运动康复训练、 高级认知过程反馈, 三维虚拟技术等。,视觉反馈, 直观，实现简单容易，不需特殊硬件设备 视觉生物反馈：, 简单图表或动画方式, 虚拟现实技术的交互虚拟游戏, 视觉反馈特点： 实时, 直观, 观察自身运动情况,虚拟现实, 虚拟现实是人机交互技术，应用于 多感官教学, 飞行员训练, 医疗训练(运用虚拟现实技术训练外科医生手术) 心理治疗和康复训练等, 虚拟现实是由计算机硬件和软件合成人工环境在三维视觉空间中获得人机交互体验现实世界,虚拟环境（virtual reality,VR）, 虚拟环境就是模拟真

3、实环境，具备, 自主性 交互性 存在感, 虚拟现实技术的人机交互通过信号输入呈现, 刺激, 动作输出给予反馈。,VR技术, 通过佩戴数据手套、立体声耳机和显示头盔等输入输出设备，计算机向用户传输触觉、听觉和视觉信号。, 准确反馈包括位置追踪器和眼动设备等多种基于特别技术的人机接口，监控、传输并处理用户行为，实现精确的人机交互。,虚拟环境训练特征, 内容丰富：目前已经实现由二维转向三维的完全模拟现实环境的游戏场景，事物呈现丰富多样性；, 目的明确：有了明确的目标，可以设计定向任务，辅以一定的奖惩方法，患者训练兴趣高昂，成就感显著，能够持续康复训练；, 过程多变：虚拟游戏中可以随时随机变化任务与目

4、标，患者注意力集中，消除枯燥，同时能够改变难易程度适应不同训练要求。,虚拟现实技术, 已经被广泛应用于康复治疗： 注意力缺陷, 空间感知障碍, 记忆障碍等认知康复 焦虑、抑郁、恐怖等情绪障碍 精神疾患的康复，, 空间感知障碍和运动功能受损患者的康复训练是康复医疗的重要内容之一。,虚拟现实技术, 运动障碍包括所有运动性、观念性、观念一运动性和记忆缺失性的，有目标的空间运动能力的丧失。 运动障碍是以运动异常为特征的各种障碍, 运动不能(运动发动困难) 震颤 舞蹈症 扭转痉挛 斜颈 张力障碍, 颤搐 抽动和肌阵挛等症状, 虚拟技术在运动不能、平衡协调性差和舞蹈症等运动障碍康复等领域都取得较佳的康复结

5、局,负面效应, VR治疗也会有负面效应，尤其是当反映运动行为的图像信息有明显的延迟时，就会严重影响VR的训练疗效, 因为这种延迟可能会导致患者产生类似于晕车或晕船的感受。,适应范围, 虚拟现实技术已经被广泛应用于康复治疗的各个方面:, 注意力缺陷、 空间感知障碍、 记忆障碍等认知康复, 焦虑、 抑郁、 恐怖等情绪障碍和其他精神疾患的康复, 运动不能、 平衡协调性差和舞蹈症等运动障碍康复,康复治疗存在的问题, 患者对训练无兴趣 患者训练中恐惧 患者对治疗依从性差 治疗师消耗大量体力 康复效果差,解决问题必须达到：安全环境,有激情的训练目标明确, 定量动作 反复进行, 康复过程长, ？,实现运动控

6、制-神经功能重塑, 组织基础：神经干细胞迁移(Homing) 生理基础：千万次重复的靶肌肉运动, 瓶颈：, 无法重复千万次的功能动作 患者恐惧情绪对运动控制的影响 患者动机对运动训练的影响,边缘系统功能, 边缘系统与内脏活动 边缘系统与感觉功能 边缘系统与情绪边缘系统与睡眠,脑可由内至外分为三层,最里层是脑干(Brain stem),包裹在脑干外的是边缘系统(Limbic system), 边缘系统与运动功能,最外层是大脑, 边缘系统包括：梨状皮层、内嗅区、眶回、扣带回、胼胝体下回、海马回、脑岛、颞极、杏仁核群、隔区、视前区、下丘脑、海马以及乳头体等, 中脑的神经核团以及中央灰质,也因与边缘系

7、统联系密切而被称为边缘中脑区。,动机(Motivation)的作用, 动机的概念包括 动力和满足感, 目标引导的行为及激励机制。, Gordon认为，康复治疗中最强大的力量就是激发动机，显示边缘系统的重要性。, 反复强化及奖赏机制导致不断学习、工作能力的维持。,反复训练的价值, 运动控制理论与边缘系统的研究成果在强化机制上是重叠的。, 让患者在多种允许纠错的环境背景中不断进行内在反馈过程，将导致更多的记忆保留。, 如果没有反复练习或缺乏学习欲望，运动学习的成功机会将很小甚至不存在。,目标导向的作用, Schmidt提议，应当围绕目标导向性活动设计治疗程序，以便从运动系统中诱导出高水平功能，并能

8、够进行目的性学习。 这个过程存在强烈的情绪背景。 目标导向性活动通过将患者置于一种强制形成“适宜策略”的情境，指导患者分析环境需求。 目标导向性活动应当是功能性的，包括动机、深远意义及有选择的专注力。, 功能再训练及本体感觉再训练都在干预中采用了上述观念。,主动参与的价值, 患者对学过的技能深入了解，将会更好地调整这些技能以满足不同环境及要求的需求，并采用应答反馈来引导调整过程。, 上述信息被用来设计需求导向性的训练动作或程序，并激发患者有意识、有目的的学习欲望。, 因此，关键在于了解患者的特定目标，只有在与那些有要求、有愿望并参与到康复结局设计的患者进行沟通后才能获得。,机制, 反复练习是学

9、会一项运动技能的首要因素, 仅仅不断重复训练是不够的，还必须逐步获得成功的反馈和体验。, 视觉和本体感所提供的反馈，可以强化练习者在尝试一错误练习中的正确行为，维持练习者的动机水平和积极性，并获得愉快的成功情绪体验，促使其不间断的练习直至习得该行为。,优势, 虚拟现实技术提供了重复练习、成绩反馈和维持动机3个关键要素的技术手段。, 为康复训练患者提供两种反馈， 包括每次练习结果的实时反馈和一组练习后的成绩反馈，可以提高患者对结果知晓感。, 通过编制虚拟环境还可以增加任务的趣味性， 以多种反馈形式激发和维持患者重复练习的动机。, 大量研究结果表明，患者能在虚拟环境中学会运动技能，并且能将习得的运

10、动技能迁移到现实世界的真实环境中。,虚拟现实的优越性, 多种感官刺激的虚拟环境，使人身临其境, 通过虚拟教练演示规范动作，比人类教练更有耐心和一致性，患者反复观察模仿练习。, 简化训练任务，减少在真实环境中由错误操作导致的危险。,虚拟现实的优越性, 虚拟现实可以提供多种形式的反馈信息，根据患者状态给予鼓励、暗示或建议等，从而使枯燥单调的运动康复训练过程更轻松、更有趣和更容易。, 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。,

11、康复工程, 在运动康复领域，最重要的用途在于对受损的运动功能进行康复性训练 。, 康复训练的运动量是否合适，运动是否平稳。运动方式是否符合一般的生活习惯，是决定康复训练是否成功的关键。, 虚拟现实能提供精确的测评、辅助、监控、训练等技术，保证运动康复训练的有效性。,运动康复, 平衡和体态康复训练 行走运动康复训I练 上下肢康复训练, 日常生活行为康复训练,虚拟上肢运动, 美国加州Sanchez RJ与Liu J于2006年研制的上肢外骨骼训练系统T-WREX，瑞士的Hocoma公司以此开发的Armeo上肢康复训练器，集成上肢减重与虚拟环境技术。, Tobias Nef等人研制了基于虚拟现实技术

12、的上肢康复医疗机器人ARMIn。,上肢运动虚拟反馈-机器人,虚拟上肢运动：, 2007年，河北工业大学自主研制了利用虚拟现实和外骨骼技术进行手臂外骨骼康复治疗的方案。, 上肢三维多关节训练评估系统经过康复临床和研究中心应用，能够促进上肢的康复，治疗更有趣而且对治疗师的时间要求也比较少，因为它仅仅要求协助安装和监护。系统适合成组治疗，同时它提供高质量的反馈信息，可以精确的评价和监督患者的依从性与功能进步。,虚拟下肢运动：, 2004年日本香川大学智能机械、工程与康复医学部, 联合开发一套虚拟滑雪系统，通过下肢的左右摆动控制虚拟的滑板。,虚拟下肢运动, 2005年，加拿大McGill大学犹太康复医

13、院与Quebec康复研究所合作开发虚拟现实技术的多自由度反馈控制下肢训练系统, 由患者过街三维动画场景虚拟人、不受患者控制的汽车与行人，系统强调真实的生活场景，提高患者步态与步速，为重返社会奠定基础。, 清华大学研制的虚拟健身车能以自行车骑行方式训练和恢复受损的下肢运动功能经过2年临床验证获得良好的结果，该康复训练系统由 4部分组成：, 基于虚拟现实技术的辅助训练客户端，康复机器人控制系统（下位机），医生端监控计算机（上位机），和网络通讯部分。,虚拟下肢运动, 2006年以色列Hebrew大学Kizony R和Raz L等人应用视频动作捕捉（video capture）训练脊髓损伤的平衡功能,

14、 系统可以模拟身体二维多自由度运动，实现人机互动，游戏难易可调。,虚拟技术反馈实现运动控制,HD-Doorn-short.mpg,HD-hbm.mpg,虚拟全身运动训练, 2009年荷兰研制开发的SilverFit系统, 全面覆盖躯干姿势控制、坐站转换、上肢运动、步行、平衡、膝关节与下肢运动、强化训练多种虚拟游戏, 应用于中风患者上肢、平衡与步行康复、髋膝关节置换术后康复、多发性硬化、帕金森病、老年性痴呆、心脏疾病患者与老年人的一般健适活动等。,Virtual rehabilitation虚拟康复,39,Using games in therapy has been a very import

15、anttrend in international research facilities治疗采用游戏方法是国际研究的重要趋势,Example: Stroke rehabilitation., lower extremity, Deutsch and Burdea (UMDNJ, Rutgers),40,Scientific reviews show that virtual therapy often has a beneficial effect科学研究表明虚拟治疗效果显著,Example: arm function,Piron et al. (2003),24 post-stroke p

16、atientaVirtual mailbox; hammering; filling a glass3 months after incident1 hr/day, 5 d/week, 5-7 weeksControl: traditional therapy,Patients inb virtual therapy improve more than control inFugl-Mayer and FIM tests, but result is not statisticallysignificant.,Piron et al. (2005)50 post-stroke patients

17、Virtual mailbox; hammering; filling a glass6 months after incident1 hr/day, 5 d/week, 1 monthNo control,Virtual therapy gives significant improvement on Fugl-Mayer and FIM tests, and on average duration andspeed of movement.,Jang et al. (2005)10 post-stroke patientsReschi nbg for virtual objects on

18、large screen“chronic phase”1 hr/day, 5 d/week, 4 weeksControl: no therapy,Virtual therapy significantly better than control (=notherapy) on Fugl-Mayer, Box-and-Blocks, and Manualfunction tests.,Merians et al. (2006)Groups of 2-4 patintenHandexercise with Rutgers glove“chronic phase”,Increase in hand

19、 reach and hand function tests; noimprovement in speed of movement.,2-2,5 hr/day, 5 d/week, 3 weeksNo control,Jannink et al. (2008)10 children with crebral palsy (CP)Hand exercise with Eye Toy+ fysiotherapy0,5 hr/day, 2 d/week, 6 weeks,2 of 5 children in virtual therapy has a significantimprovement

20、on Melbourne assessment scale, vs. 0 outof 5 in traditional therapy.,Controle Fysiotherapy only,Source: Jannink et al, Ned. Tijdschrift Fysiother 2008:118 (4) 86-94; Holden, Cyberpsychology & Behavior 2005: 8(3) 187-211,Example:,effect of adding games to ehabilitationSource: Chuang et al., Phys. The

21、r. 2006 Oct 86(10):1369-77,% participants achieving fitness goal* in 20 sessions,The gaming groupreached this level afteronly 10 sessions,* 2x weekly 30 minute training. Goal: heart rate at 85% of maximum. N=2x10,Motivation is the key to get people to train more主观能动性（动机）是促使患者训练的关键,Scientific researc

22、h shows computer gamesimprove therapy by providing motivation,and feedback,. and we see exactly that in our test sessions,This is much more funthan walking those,Motivation,Repetition,Fun,boring corridors.,Feedback,When is the nextsession? Then I willmake sure I can walk aswell to play your game!,Lo

23、ng-termprospect, Comparative research studies at MIT andRutgers University show computer gameaided therapy works as good or better than“basic” therapy in all cases analyzed, The main physical driver is that patientsrepeat exercises more often and get goodfeedback on their performance,Social stimulat

24、ionby onlookers,No, no, bow to theleft, you should takethe left one!, The underlying reason is that the computergame provides patients with short-termand long-term motivators to keep going,Oh, it says I amdoing well,Immediate, positivefeedback,If people train more, this improves outcomes (example: C

25、VA training)患者训练越多，结果越好,Meta-analyse van 20 studies naar effect van meer oefenen op ADL,10,80,60,40,20,t,0,20,40,60,80,100,120,-0,2-0,4-0,6,# extra uur oefenen,gedurende therapietraject,V,e,br,e,et,nir,g,ni,A,D,csLo,er,ni,ats,n,d,a,a,dr,d,e,aiv,eit,*,*Score 0= geen verschil tussen groepen. score van

26、 0.5= experimenteel groepsgemiddelde 70%van proefpersonen controlegroep; negatieve score= meer oefenen correleert met lagere ADLscore,Bron: Kwakkel e.a., Stroke 2004; 35(11): 2529-2536,Giving people feedback is important to keep motivation high给予反馈是保持高昂训练的核心,I scored 60 points on the,mole last time.

27、 Now, Iwant to try again, andscore 61 points!,So: good results , but so far no products for hospitals and nursing homes目前缺乏医院与护理院使用的产品,High-tech military installations likeCAREN and CAVE cost 1 mln+ USdollars per site,Cheap low-tech options like theWii are not very well suitable forprofessional reha

28、bilitation,How does the SilverFit work?,SilverFit如何工作？,The silverfit allows you to provide the stimulus, motivationand fun of a mass market product like the nintendo wii ina professional rehabilitation/ training context. The gameshave been designed specifically for use in geriatricrehabilitation and

29、 activation.,The game setting motivates people. It helps them to pushtheir boundaries and explore new possibilities.,The level of the game can be adjusted to the needs of thepatient. People at the very start of their rehabilitationprogram can exercise just as well as fully fit people.,The exercises

30、have been designed in close cooperationwith universities and medical institutions in Europe. Thesystem has proven itself in daily use in care centers andhospitals in the Netherlands and Belgium,47,SilverFit, SilverFit系统基于动机是保证训练次数的核心，为提高患者训练兴趣，增强康复治疗效果。, 通过虚拟现实环境游戏反馈，以引发“动机”为核心，增加训练重复次数，真正做到成千上万次康复训

31、练，实现神经功能重塑。, 恰当的反馈又是患者保持高昂的训练动机的重要因素。,Major awards won,2009年该系统开发应用获得欧洲游戏技术应用最佳创新奖、最佳荷兰系列游戏奖、荷兰最佳卫生创新奖。,2009 Europeanprize for bestinnovative,2009 Dutchaward for Best best healthcareSerious Game,2009 Award for,innovation in,application ofgaming,the Netherlands,technology, SilverFit系统通过时差距离摄像头（Time-O

32、f-Flight）构建患者的三维图象，可提供： 人体几乎所有的不同粗大运动需求； 不需要治疗师持续激活患者运动， 节约治疗师时间；, 通过任务导向性训练可让患者真正认识存在的自身障碍，并没有原来认为得如此严重，重新获取康复信心。,Technical background,The SilverFit uses aTime-Of-Flight camerato create a 3D image ofthe patient.,The camera sends outinfrared light andreceives back the“echo” reflected bypeople.,Any b

33、ody movementcan be tracked in detailby the software.,58,TheSilverFit can train all large motor movements,Our research has been with total hip patients exercising on the Mole Game全髋关节多种游戏的运动训练,60,61,The molegame scorecan be used to predictprofessional evaluationwith some accuracy,Regression analysis

34、of molegame score vs. professional observers,90,0,Score by,independent 80,0professional,70,060,050,040,030,020,010,00,0,observers,R = 0,5348P = 0,0030,0,10,20,30,40,50,60,Molegame score,Source: Research data J. de Deugd, J. Willemse en S. Hoogendoorn (2010); n=14. Five independentprofessional observ

35、ers scored each patient using a structured questionnaire; min, max ()and average () scores are shown. Regression was made against average scores.,62,Silverfit Mile, 跑步机练习是许多康复计划的重要组成部分。但对于大多数患者来说，在跑步机上行走，并不愉快。, SilverFit Mile面市，现在将跑步机作为加强体力的一种锻炼方式，并将跑步作为散步一样愉快的运动已成为可能，因为该跑步机可以安装在壮丽的自然奇观中，亦或著名的城市中，当然

36、也可以安置在您当地的居委会。, 因为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。患者会感到自己好像在户外行走一样。,视觉影响, 大型投影屏幕会立即吸引使用保健康复设施进行锻炼的旅客和患者的注意力。, 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。, 而专业电影创造的户外场景，很难与康复室的安全环境相比较的。,多路径, SilverFit Mile包含有很多不同形式的路径。此时，你可以步行走过著名的城市、村庄、森林和公园。, 走完每个完整的路径大约需要50分钟，不过你也可以选择只走完小部分路途。, 路径可以在不同的地点开始，因此病人每次都可以根据自己的兴趣选择不同

37、的步行路段。,当地漫游, SilverFit设备还可以设计当地的影像，使人们能够在他们熟悉的家乡散步。, 例如，患者可以在围绕着疗养院散步，也可以在市中心行走，甚至可以在当地的一个公园或旅游景点里散步。,适应体能与容易操作, SilverFit Mile可以根, SilverFit Mile非常容,据使用者体能进行调节 易使用。想要启动设备，设定不同的行走速度 ，只需要按压两个按键和使用时间。对于需要 ，因此您可以专注于你精神护理的病人，可以 的病人！令其每天走过相同的路,程，这样他们就会逐渐熟悉路线。,SLIVERFIT MILE, 虚拟情景视频.MPG,Silver Fit Newton,

38、Silver Fit Newton, Silver Fit Newton是一种用于体能训练的虚拟治疗系统。适用于装有配重片的任何种类的设备，如滑轮、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。,Silver Fit Newton, Silver Fit Newton设备的作用原理是以具有吸引力的游戏吸引患者的注意力，这些游戏一般具有画面精美、引人入胜的特点，游戏装置通常配备有直观的触屏界面。, Newton游戏软件可以安装在设备的小屏幕上，也可以安装在可移动屏幕上，这样就可以将游戏屏幕由一个训练点转移到另一个训练点。, Newton软件中包含基础练习、生

39、物反馈练习和客观结果检测，病人跟踪数据库和视频分析模块。,以游戏为基础的练习项目, 锻炼往往是枯燥的重复性活动，但游戏可以吸引人们的注意力。, Silver Fit Newton装置一般配备有一个专业的精美游戏界面：, 作为一个治疗师，你可以根据患者的身体状况选择适宜强度的锻炼方式。作为参与者，您将在进入的世界中享受锻炼的乐趣！,生物反馈模式锻炼, Silver Fit也可以提供一些生物反馈模式的锻炼。在这类锻炼中使用的工具，可以支持现有的治疗方案。, 例如，系统记录动作重复次数、描述偏心和同心运动速度或测定复原时间长短。,训练形式,重复次数 基于时间的训练 基于节奏的训练 动态训练,评估,

40、测 试, Silver Fit Newton装置一般还带有很多的标准化,测量措施，例如最大重复率（RM），即患者可以承受的最大重量；运动范围（ROM），患者可以达到的最大运动范围；对称性，左右两侧运动的对比观察。, 视频分析, Newton里的独立软件还有一个选项，可以录制患者的运动图像并进行分析。,预期用途, SilverFit Newton产品需要在物理治疗师或康复专科医师的监督下进行使用，主要用作物理康复计划中的力量训练、生理训练设备使用，或是作为健身计划的一部分。,主要特点, 专业先进工具, 适用于各种体质的患者, 通过激励病人进行主动练习而缩短治疗时间 能够提供双重治疗环境，以达到患

41、者治疗极限 实际的临床操作中，需要严格的检测和执行,硬件描述, 金属轮子, 20 LCD触屏板 尺寸为：1600 x 900 AMD 双核E-350 1,6GHz 计算机单元 AMD 显卡 HD 6310 图形 Windows 7 家庭用高级版，64字节 远距离超音波探测器， USB 供能 电源，USB 连接线, SilverFit Newton 软件包,尺寸, 145 x 60 x 45 cm (高度-宽度-厚度), 安装后尺寸, 传感器: 3 x 8.5 x 5.5 cm (高度-宽度-厚度，适用于安装在健身设备上，可以使用多个传感器,软件描述, 配套有多款游戏、训练方案和测试项目 易于操

42、作的界面(按键&开始), 支持多国语言, 所有的练习都可经调节以适应不同水平的患者 可以同时对400位患者进行追踪 (PLANNED),服务, 在线安装, 提供技术问题和服务的咨询, 在第1年间进行自动升级且可以获得新的训练方案, 第1年后，与服务方进行联络，也可以获得产品的自动升级和更新,主要奖励,2009 Europeanprize for bestinnovative,2009 Dutchaward for Best best healthcareSerious Game,2009 Award for,innovation in,application ofgaming,the Netherlands,technology,小结, 若能在康复训练过程中提供多种运动形式的信息反馈，充分发挥患者的主观能动性，将会使康复训练效果大大提高。, 虚拟现实环境训练是一种新兴的并且迅速发展的技术，多种感官刺激的虚拟境界，使人产生一种身临其境的感觉；人能以自然的方式与虚拟境界中的对象进行交互。, 将虚拟现实环境技术应用到康复医疗领域，可以有效的解决现有的康复医疗方法的局限性，创造最佳康复训练结局。,THANKS FOR YOUR ATTENTION!,ssiillvveerrffiitt.ffllvv,江苏天瑞医疗机械公司,