| 标题 | 上肢康复训练机器人训练与康复评估系统设计 |
| 范文 | 孙梦真+喻洪流+符方发 摘要摘要：传统康复治疗需要康复医师与患者一对一训练，这种方式耗费大量人力资源，效率低、成本高。随着机器人、物联网、人机交互等技术的发展与成熟，智能康复训练机器人应运而生。在VC++集成环境下，结合MFC、MYSQL數据库和虚拟现实技术，设计了一个集用户信息管理、康复评估、康复训练及生成康复报告等功能模块为一体的可视化康复评估和训练系统，用图形界面操作上肢康复机器人，提高康复训练的效率并维持患者训练积极性、趣味性。 关键词关键词：人机交互；康复评估；虚拟现实 DOIDOI：10.11907/rjdk.171048 中图分类号：TP319 文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2017）005008303 0引言 脑卒中具有高发病率、高死亡率和高致残率，偏瘫是脑卒中患者最常见的后遗症，仅有小部分人可以通过治疗恢复原状，行之有效的方法是在病情稳定48小时后，根据功能障碍和康复评价情况，实施康复治疗方案[1]。而在日常生活中上肢帮助人们完成近60%～70%的功能，包括抓握/移动物体、使用工具等，由此对上肢功能的恢复极为重要。 临床上ROM评估多为人工测量，借助通用量角器、方盘量角器、电子量角器等测量工具，0°位是开始位，对于大多数运动，解剖位即为开始位。由于上肢康复机器人自身机械结构特性，加上以往的量表评估方法和机器人训练参数之间的对应关系，目前还没有可信的公认的结论可供参考，因此本系统针对上肢康复机器人设计了一套机器适用的ROM评估方法，以便配合康复训练获取更好的康复效果。 虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术就是利用物联网技术，搭建逼真的三维视、听、触一体化的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟世界自然交互，从而产生身临其境般的感受和体验[2]。在康复训练中，先对患者的自身情况进行客观康复评估，根据评估结果制定相应强度的康复计划，虚拟训练治疗方法的互动性与沉浸感可以很好地激励患者，国内外已有研究证实虚拟现实技术能够改善脑卒中患者偏瘫上肢的运动功能[34]。此外，与传统康复训练相比较，虚拟现实游戏具有更高的安全性、舒适性和运动准确性，例如虚拟厨房操作避免了真实厨房操作时发生意外、被物体碰伤及被开水烫伤等危险[5] 。 1总体设计方案 根据需求分析，本系统总体分为康复评估、康复训练、生成康复报告3个部分，系统模块结构如图1所示。 康复医师登录后，显示其名下的患者信息，如果非其名下的患者也可通过搜索获取信息（同一医院），同时包括患者基本信息的添加、删除、修改操作。首次使用设备的患者需要进行康复评估，康复评估由关节活动度（ROM）评估，主动肌力评估和认知功能评估3个模块组成，康复治疗师根据评估结果为患者制定相应的康复计划，康复游戏按照功能可分为ROM功能恢复训练、认知功能恢复训练、ADL恢复训练，实现整个手臂、肩、肘、腕的多部位康复训练。此外针对肌力较弱的患者，本系统设计了助力模式和被动训练模式。生成康复报告模块对患者的康复评估和康复训练结果进行分析总结并以图表形式呈现，同时通过历史记录查询可直观显示阶段性康复结果。 本系统选用上海理工大学与上海电气中央研究院合作研发的一款多自由度中央驱动式上肢康复机器人作为实验样机，该机器人拥有独立的机械传动系统和底层电气控制系统，可以完成肩关节外展/内收、肩关节屈曲/伸展、肘关节屈曲/伸展、前臂旋前/旋后、腕部桡偏/尺偏、腕部旋前/旋后6个机械自由度的康复训练，能够实时检测患者患肢的肌力和运动范围，实现被动、助力、主动等康复训练模式。 2系统数据通信设计 2.1客户端与上肢康复机器人的串口通信 本系统通过Modbus通信协议实现客户端与上肢康复训练机器人之间的通信，通过串口RS485转USB实现Modbus 协议的串行链路通信。Modbus帧格式由地址、功能码、数据段、校验码组成，数据段内容根据主-从或从-主关系可包括寄存器起始地址、寄存器数数据位等。 本系统中主机向从机发送的请求帧格式（主—从）如图2所示。从机得到请求后向主机发送的响应帧格式（从—主）如图3所示。 客户端的编码实现，首先设置波特率、数据位、奇偶校验打开串口，客户端作为Modbus的主站需要处理的事件有：发送请求帧、等待应答、处理应答、处理差错和等待转换延迟，对应程序中的实现需要对命令进行数据组包和发送，对接收的命令进行数据解包。以读指令组包为例： 下位机收到读指令将返回一条数据包，接收到数据解包后为原始编码器值，通过进一步解析转换得到所需要的值，即上肢康复机器人各关节角度值、扭矩值、电机电流值等。客户端在收到下位机返回的数据时会再次发送读指令，实现数据的实时传输。本系统在自定义的Analysis类中实现数据的解包和转换。 2.2客户端与虚拟现实游戏的数据通信 客户端通过基于（TCP）面向连接的套接字（Socket）方式与游戏进程进行数据通信，Socket是支持TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元，包含连接使用的协议、本地主机的IP地址、本地进程的协议端口、远地主机的IP地址和远地进程的协议端口的信息。代码实现将Socket的创建、绑定、监听、连接、接收、读写、关闭等流程封装在自定义的ServerSocketHandler类中，便于调用和功能实现。 本系统中客户端和游戏是两个不同的进程，客户端作为Socket server，游戏作为Socket client，通过自定义的通信协议进行数据通信，实现数据传输的并发服务，使用的数据帧的基本格式为如图4所示。 当客户端调用游戏时开启Socket Server，游戏打开自动连接服务器进行数据传输通信。代码实现将数据传输的操作封装在自定义的GamePackageAnalyzer类中，包含指令的解析、组包和发送数据内容的设置。 3康复评估模块设计 不同于临床诊断，功能检查和评估对康复治疗的影响是贯穿始终的，根据功能评估制定合理的康复治疗方案，针对患者功能障碍的变化情况进行调整和修订，再治疗，才能实现功能最大限度恢复，帮助患者提高日常生活能力。本系统从3个角度对患者进行全方位的评估，分别是关节活动度评估、主动肌力评估和认知评估。 认知功能筛查系统录入了简易精神状态检查量表（MMSE），MMSE因其简易快速、可操作性强和易被患者接受等突出特点在临床得到广泛应用，我国目前临床使用率最高达82.1%[7]。 关节活动度评估包括主动关节活动度（AROM）评估和被动关节活动度（PROM）评估，AROM可由患者自主完成，PROM必须由治疗师帮助完成，评估结束之后会生成报告通过柱状图显示各关节活动度数值，通过量化的指标，方便训练者进行前后对比，评估康复效果。由评估得到的关节活动度范围将作为康复训练游戏的极限范围，这样对于活动能力较差的患者不会造成心理落差。ROM评估结果如图5所示。 主动肌力评估在评估前分别测得机器空载自重、训练侧上肢自重、矢状面肩肘关节屈伸时的主动肌力，以此确定患者自主训练的肌力大小，对于肌力较弱的患者，在后面的康复治疗计划中可以选择助力模式，适当增加辅助，以便充分发挥患者残存的功能，增加患者对于康复治疗的信心。 4虚拟现实游戏训练模块设计 康复训练游戏结合虚拟现实技术，实现视觉、听觉、触觉结合，为患者设计了不同难度等级的康复训练虚拟场景。根据患者的肌力和关节活动度评估结果分为单关节单自由度、单关节多自由度、多关节多自由度康复训练。根据治疗目标可分为ADL和生活质量的康复训练、认知和情绪障碍的康复训练、运动机能平衡障碍的康复训练，在满足患者感官的同时能够增强训练配合度和兴趣度激励患者持续训练。虚拟训练游戏设计分类如表1所示。 将虚拟现实游戏引入上肢功能康复训练[89]的重要一点是要为患者提供生动有趣的虚拟现实游戏项目。经过在上海市第一康复医院临床实践调研，患者以老年人为主，不宜剧烈运动，以免造成二次损伤，此外游戏的设计要考虑到老年人的心智和对游戏场景的接受程度。患者感兴趣的虚拟现实游戏通常具有如下特点：一是内容，游戏场景要完整丰富，使患者觉得生动有趣；二是任务明确，奖惩得当。本系统针对以上患者需求设计几款游戏场景，每款游戏对应Level1-level5不同任务量和场景复杂度。 图6为患者指定的康复训练计划，图7为接水果游戏图，测试人员穿戴外骨骼上肢康复机器人，水平移动手臂即可实现篮子左右移动。 5结语 随着虚拟现实技术、传感器技术、机器人技术的发展，通过康复机器人辅助训练以其高效率、高安全性将成为临床应用的一大趋势。本系统是为上肢康复机器人设计一个软件系统，结合虚拟现实技术通过趣味性的训练增加患者治疗的积极性，将评估和康复训练结果实时保存，并自动生成量化训练报告，方便前后对比，不仅提高了康复医师的工作效率，也为患者提供了一个更高效的康复治疗模式。 参考文献参考文献： [1]张通，赵军.脑卒中康复临床路径[J].中国康复理论与实践，2014，20（3）：285288. [2]ROSE F D，JOHNSON D A，ATTREE E A，et al.Virtual reality in neurological rehabilitation[J].International Journal of Therapy & Rehabilitation，1996，3（4）：223228. [3]顾莹，田利华，陈红.虚拟现实训练系统和康复作业治疗在偏瘫患者上肢功能障碍中的应用[J].中国康复医学杂志，2011，26（6）：579581. [4]MOUAWAD M R，DOUST C G，MAX M D，et al.Wiibased movement therapy to promote improved upper extremity function poststroke：a pilot study[J].Journal of Rehabilitation Medicine Official Journal of the Uems European Board of Physical & Rehabilitation Medicine，2011，43（6）：527533. [5]梁明，竇祖林，王清辉，等.虚拟现实技术在脑卒中患者偏瘫上肢功能康复中的应用[J].中国康复医学杂志， 2013，28（2）：114118. [6]潘洪跃.基于MODBUS协议通信的设计与实现[J].计量技术，2002（4）：3536. [7]周小炫，谢敏， 陶静，等.简易智能精神状态检查量表的研究和应用[J].中国康复医学杂志， 2016，31（6）：694696. [8]王宏图.虚拟现实技术在脑卒中运动康复中的应用现状[J].中国康复理论与实践，2014， 20（10）： 911915. [9]ROVETTA A，BEJCZY AK，SALA R.Telerobotic surgery： applications on human patients and training with virtual reality[J].Stud Health Technol Inform，1997（39）：508517. 责任编辑（责任编辑：孙娟） |
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