特殊人群康复新途径：虚拟现实技术来帮忙

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这里是壹脑云科技圈，我是俊俊~

随着中国城镇化的不断发展，人口老龄化程度正呈现加剧上升趋势，需要进行身体和心理康复的人群不断增多，采用信息技术辅助康复过程具有重要的现实意义。

国内学者刘婷婷等人于2018年发表在《系统仿真学报》杂志上的“虚拟现实在特殊人群康复中的应用研究”这篇文章通过提出将虚拟智能体引入到康复治疗当中，结合体感和语音技术建立情景化虚拟康复环境的构想。

他们在研究中设计了一种基于虚拟智能体的康复技术方案，并结合已完成的自闭症康复游戏原型系统和老年人上肢锻炼系统进行了讨论，为智慧康复研发提供了一种新视角。下面就让我们一起来看看吧！

引言

中国人口老龄化趋势明显，截止目前我国 60 岁以上的老年人已超过2.3亿，其中脑卒中患者达到了1000万。

与此同时，各种特殊儿童也引起普遍关注，儿童自闭症患者数量近年来急剧上升，全世界每88个孩子就有1个是自闭症儿童。我国0~14岁的自闭症儿童超过200万。

虚拟现实是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机技术，它利用计算机技术生成一个具有视觉、听觉、触觉等多感知的虚拟环境，用户通过使用各种交互设备，同虚拟环境进行实时互动。

虚拟现实开始被越来越多地应用到了康复治疗领域，为患者提供有趣的互动，鼓励患者积极主动地参与康复训练，帮助患者成功完成各种枯燥的康复治疗。

通过与人工智能结合，患者可以在虚拟环境中实现智慧康复，可节省大量的人力物力以及时间，化被动康复为主动康复，提高康复的效果。

此篇论文在对已有的虚拟现实技术在康复治疗领域的文献做了梳理讨论的基础上，引入虚拟智能体的概念，提出了依托于情感计算的人机互动，创建智能的自然交互环境，为进一步推进虚拟现实在智慧康复中的应用提供参考。

虚拟现实技术的应用构想

在已有的技术应用中，可以发现虚拟现实技术在特殊人群的康复治疗中有着积极的作用。但这些系统中的陪伴虚拟角色行为表现较为简单，智慧程度不高，只能做一些基本的任务，效果有限，不能满足复杂的康复训练系统的要求。

为了提高体验效果，可以引入虚拟智能体的概念，拓展康复训练的智能性。

虚拟智能体是由计算机生成的图形实体，包含自主性、反应性、社会性、情绪性、适应性等属性，虚拟智能体可以是虚拟角色，也可以是拟人的物体，引入虚拟智能体可以提升康复训练系统的趣味性，提升用户的体验感。

总体构想

一个智慧的康复训练可以从以下几个方面进行设计：

1.建立适合康复训练的虚拟环境

结合国内外有关康复治疗的相关经验，针对康复对象在肢体动作、言语表达、情感识别、社交困难等方面的康复需求，建立相应的三维虚拟场景。

2.建立面向康复对象的智能感知方法

通过摄像头、体感设备，获取康复对象当前的状态信息，并通过情绪推理模型判断表情和姿态的含义。减少穿戴设备的应用，降低用户的不适感，提高他们的训练兴趣。通过语音识别设备和技术识别用户的语音输入，将其转化为文本进行后期处理。

3.使用虚拟智能体提升用户的情感体验，达到情绪调节的目的

虚拟环境不仅包括静态的场景信息，还应包括一些富有生命特征的虚拟智能体。具有情绪表达能力的智能体能够通过身体姿态和表情来表达情感，响应用户的输入信息，提高康复训练过程的趣味性，体现情感化设计的理念。

4.通过物联网技术实现虚拟环境和现实环境的无缝连接

随着三维图形技术的发展，高真实感的虚拟环境创建在技术上不存在问题。通过物联网技术，打破虚拟世界和现实世界的界限，将虚拟世界作为现实世界的延伸，创建社会化的虚拟环境辅助治疗系统。

技术路线

采用虚拟现实技术进行康复的辅助治疗的总体设计如图1所示。

图1使用虚拟现实技术进行康复治疗的框架设计

(1)虚拟环境：康复治疗的虚拟环境中应包含场景、康复剧情和虚拟智能体。其中康复剧情应根据患者的康复需求进行编写。虚拟环境可以通过人机交互设备与用户进行交互，能够检测到用户的输入信息并对用户的操作作出反馈，根据不同的用户情况智能调取康复剧情。通过物联网，虚拟环境可以和现实环境相交互。

(2)虚拟智能体：虚拟智能体具有感知能力，通过感知到的信息产生相应的情绪，影响相应的行为。同时，结合知识库，智能体会对感知到的信息进行推理，调节情绪和行为。行为通过动作表现出来。这些动作包含表情、语言和姿势。

康复游戏原型

基于以上的构想，作者为自闭症儿童设计了一个社交能力训练的三维虚拟现实游戏原型，为老年人设计了一个上肢锻炼的虚拟乒乓球比赛体感游戏。

自闭症游戏原型

游戏包含一个虚拟社区以及陪伴的虚拟智能体。在该虚拟社区中，涵盖了日常生活中的典型场景，如水果店、理发店、厕所等。图2(a)、(b)是这些场景的屏幕截图。

(a)虚拟化身走向理发店 (b)在水果店中买水果
图2 自闭症游戏原型截图

在玩游戏的时候，用户可以在水果店买水果，在理发店剪头发，去找公共厕所（帮助用户识别男厕所和女厕所），和社区里的其他人互动。

游戏中设置了虚拟智能体来陪伴自闭症儿童进行场景探索，完成任务，并在适当的时候给予提醒，如图3所示。所有游戏的互动信息将被记录下来，并用于分析用户的康复训练效果。

图3 虚拟智能体提醒用户完成任务

上肢锻炼虚拟乒乓球体感游戏

在该游戏中，老年人可以通过挥动左右手击打虚拟乒乓球来进行上肢运动。屏幕的右上方有一个虚拟智能体，会根据用户的回球情况作出不同的表情，提高游戏的趣味性，如图4所示。

图4 基于体感交互的虚拟乒乓球游戏

上述两个游戏作者分别在自闭症康复机构和养老院进行了测试。结果表明，在使用游戏进行康复训练时，增加虚拟智能体能够为用户正确操作提供帮助，便于为用户提供一种情景化的虚拟康复环境，提升了用户的操作兴趣。

结论

康复不仅指的是身体机能的恢复，还涉及到精神状态的恢复。随着信息技术的不断发展，特别是虚拟现实技术的发展和应用，极大地推动了康复医疗向智能化方向的转变。

本文作者基于人工智能技术，引入了虚拟智能体，构建了康复治疗的框架。在这个基础之上，设计了针对自闭症康复的游戏原型和针对上肢锻炼的乒乓球体感游戏。

由于加入了虚拟智能体，训练系统也会更有趣。用户具有更强的沉浸感，能在与虚拟智能体的互动中能更好地完成训练。

今天的分享就到这里啦，本篇主要介绍了虚拟现实技术在帮助特殊人群康复训练的几个新途径，期待这样的手段可以尽快普及哦~帮助到更多的特殊人群康复！

排版：汪俊

校对：TingZhang 喵君姐姐

参考文献：刘婷婷,刘箴,钱平安,宣荣荣,王瑾,柴艳杰.虚拟现实在特殊人群康复中的应用研究[J].系统仿真学报,2018,30(09):3229-3237.DOI:10.16182/j.issn1004731x.joss.201809001.

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