虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì) 課件 【ch01】緒論

虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)教育部高等學(xué)校生物醫(yī)學(xué)工程類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)“十四五”規(guī)劃教材康復(fù)科學(xué)與技術(shù)系列教材緒論第一章虛擬現(xiàn)實(shí)基本概念01虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality,VR)是一種以計(jì)算機(jī)及其圖形化顯示為基礎(chǔ)構(gòu)建起來(lái)的多感覺(jué)融合人機(jī)交互技術(shù)，其核心是由視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等信息整合形成的沉浸式虛擬環(huán)境(VirtualEnvironment,VE),用戶通過(guò)人機(jī)交互平臺(tái)“置身于”虛擬環(huán)境并與其中的虛擬對(duì)象實(shí)現(xiàn)互動(dòng)。相比傳統(tǒng)的人機(jī)交互方式，如鼠標(biāo)、鍵盤、觸摸屏等,VR技術(shù)打破了傳統(tǒng)的通過(guò)數(shù)據(jù)輸入/輸出設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單聯(lián)系的交互模式，使人與計(jì)算機(jī)之間能夠以更加自然的方式(如手勢(shì)、眼動(dòng)、體動(dòng)等)進(jìn)行交互。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是一種將真實(shí)世界與虛擬信息融合在一起的圖像/圖形技術(shù)。它與虛擬現(xiàn)實(shí)最大的不同在于，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是把計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬對(duì)象實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地疊加到真實(shí)場(chǎng)景或?qū)ο笊?，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所呈現(xiàn)的是純粹的虛擬場(chǎng)景及虛擬對(duì)象。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)用戶感受到的更多的是一種添加了虛擬物體的真實(shí)世界，它不僅可以展示真實(shí)世界的信息，而且將虛擬的信息同時(shí)顯示，兩種信息相互補(bǔ)充、疊加。混合現(xiàn)實(shí)混合現(xiàn)實(shí)是物理世界與數(shù)字世界的混合，它是一種技術(shù)組合，既能在虛擬場(chǎng)景中融入現(xiàn)實(shí)對(duì)象，也能相現(xiàn)實(shí)對(duì)象轉(zhuǎn)化成虛擬化身，可以認(rèn)為混合現(xiàn)實(shí)是數(shù)字孳生的一種重要技術(shù)模式。混合現(xiàn)實(shí)可以實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)之間的自由切換。虛擬現(xiàn)實(shí)與醫(yī)療健康02醫(yī)學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)將人體各器官的解剖結(jié)構(gòu)和生理學(xué)、數(shù)學(xué)模型存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，根據(jù)醫(yī)學(xué)學(xué)習(xí)需要將其通過(guò)三維可視化技術(shù)進(jìn)行展示，例如，需要特別顯示某些細(xì)節(jié)，或者從不同視角進(jìn)行觀察。此外，還可以用于開(kāi)展虛擬解剖知識(shí)學(xué)習(xí)和解剖手術(shù)練習(xí)。01醫(yī)療急救培訓(xùn)想要有效地完成醫(yī)療急救工作，醫(yī)護(hù)人員需要有充分的“演練”，這可以在一個(gè)虛擬環(huán)境中完成，包括構(gòu)造一個(gè)虛擬的急救室和急救設(shè)備配置，為虛擬病人設(shè)置任何部位及任何程度的傷害。在一個(gè)交互式的虛擬訓(xùn)練環(huán)境中，讓接受訓(xùn)練的醫(yī)護(hù)人員可能治愈這位“病人”，也可能造成更大的傷害以至發(fā)生醫(yī)療事故。另外，在操作中還可以靠時(shí)間約束來(lái)增加受訓(xùn)練者的心理緊張程度，或者加入一些隨機(jī)性干擾因素以增加訓(xùn)練難度。02內(nèi)窺鏡手術(shù)訓(xùn)練通常情況下，要達(dá)到一個(gè)初級(jí)的內(nèi)窺鏡手術(shù)醫(yī)生水平，一般要在有人指導(dǎo)的情況下完成近30個(gè)病例。傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡手術(shù)訓(xùn)練可以在外科手術(shù)訓(xùn)練設(shè)備上實(shí)際操作，也可以使用動(dòng)物模型，但都要花費(fèi)更多時(shí)間和費(fèi)用。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出用于內(nèi)窺鏡手術(shù)訓(xùn)練的虛擬環(huán)境，它提供了各種虛擬手術(shù)器械和病人模型，醫(yī)生可以使用最新的設(shè)備和技術(shù)對(duì)虛擬病人施行各種手術(shù)。03放療計(jì)劃為了提高放療效率，減小對(duì)周圍無(wú)關(guān)組織或器官的損傷，在治療前，應(yīng)把目標(biāo)區(qū)域的輪廓細(xì)致地展示在醫(yī)生眼前，并計(jì)算出不同部位最理想的照射劑量。這種放療計(jì)劃可以在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，也就是先在虛擬病人身上模擬，根據(jù)具體情況不斷改進(jìn)計(jì)劃，優(yōu)化調(diào)整劑量，模擬射線對(duì)生物組織的作用效果，直至做到既有效殺死癌細(xì)胞，又使周圍組織或器官損傷最小。04外科手術(shù)模擬復(fù)雜的外科手術(shù)需要預(yù)先設(shè)計(jì)并評(píng)估手術(shù)效果，許多手術(shù)部位周圍都有神經(jīng)等重要組織，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在術(shù)前通過(guò)在虛擬病人身上模擬手術(shù)過(guò)程來(lái)模擬完成手術(shù)操作，以優(yōu)化手術(shù)路徑。05虛擬現(xiàn)實(shí)在康復(fù)領(lǐng)域的成功應(yīng)用主要因素（1）個(gè)性化的特定任務(wù)訓(xùn)練特定任務(wù)的實(shí)踐是運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，模擬真實(shí)世界的虛擬場(chǎng)景及其特定康復(fù)任務(wù)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)有選擇性的康復(fù)訓(xùn)練。虛擬場(chǎng)景既可以結(jié)合患者自身的功能障礙特點(diǎn)和康復(fù)需要設(shè)計(jì)特定的康復(fù)任務(wù)，還可以構(gòu)造患者熟悉或喜愛(ài)的場(chǎng)景。（2）激勵(lì)虛擬現(xiàn)實(shí)可以提供“幾乎真實(shí)”的安全且有激勵(lì)作用的康復(fù)訓(xùn)練任務(wù)，虛擬環(huán)境可以為患者提供更大的成就感（即使患者在真實(shí)世界無(wú)法實(shí)現(xiàn)）。同時(shí)，患者與虛擬場(chǎng)景的互動(dòng)游戲能讓康復(fù)過(guò)程更加有趣，而且這種康復(fù)訓(xùn)練激勵(lì)可保持較長(zhǎng)時(shí)間。（3）反饋反饋對(duì)激勵(lì)患者參與康復(fù)訓(xùn)練非常重要?；颊呖偸切枰獣匀蝿?wù)是否成功完成，這可以通過(guò)多種類型的反饋信息傳遞給患者，既可以是簡(jiǎn)單的正確或錯(cuò)誤，也可以是完成水平的等級(jí)量化。視覺(jué)和聲音信息是主要的反饋形式，近年來(lái)，觸覺(jué)信息也被引入虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的

醫(yī)療康復(fù)應(yīng)用進(jìn)展031.平衡及協(xié)調(diào)訓(xùn)練虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將電子游戲引入平衡訓(xùn)練系統(tǒng)中，增加了訓(xùn)練的趣味性及有效性。臨床研究證實(shí)，與傳統(tǒng)平衡訓(xùn)練相比，闔擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)可以促進(jìn)穩(wěn)定期腦卒中患者動(dòng)態(tài)平衡功能的改善。2.行走及步態(tài)訓(xùn)練臨床隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)證實(shí)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)行走及步態(tài)訓(xùn)練中，可以取得很好的訓(xùn)練效果。3.認(rèn)知訓(xùn)練基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的認(rèn)知訓(xùn)練主要應(yīng)用于腦卒中及顱腦損傷患者。臨床研究