西交利物浦大学设计学院的SURF故事:把VR游戏融入康复治疗

对于一些受伤或患病的病人来说,肢体功能障碍是一种常见的后遗症。无法控制自己的肢体,可能会导致病人丧失自信、无法自理,甚至引起抑郁情绪。因此,康复治疗逐渐得到了发展,并成为帮助这些病人回到正常生活的重要部分。
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如何更好地帮助肢体功能障碍的病人尽快恢复正常生活?如何将康复过程中的日常练习变得不那么枯燥?一支来自西交利物浦大学设计学院和智能工程学院的夏季本科生研究基金(SURF)团队,将虚拟现实(VR)和游戏融入进康复系统,希望能为患者提高康复训练的体验、效率和质量。

团队导师黄梦婕博士说:“传统康复训练中的日常练习是枯燥和乏味的,这可能导致患者在训练过程中放弃。在这个项目里,我们希望将枯燥的训练变成有趣的游戏任务和目标,鼓励和激励患者以更有趣的方式进行训练。”

团队设计的康复系统分为上肢和下肢两部分,患者可以在利用VR创造的互动虚拟环境中通过游戏的方式进行康复练习。来自工业设计、信息与计算科学和数字媒体技术三个专业的六名学生根据自己的研究兴趣和技能进行了分工。

其中,上肢VR康复游戏通过与传统康复桌和辅具相结合,为上肢运动功能障碍患者提供有趣的康复训练场景。

负责设计上肢游戏的是工业设计专业的焦泽彧、信息与计算科学专业的董峰毅和数字媒体技术专业的武晨鑫。他们介绍道:“在上肢康复训练的基础上,我们设计了名为‘送餐服务’的特殊虚拟游戏。用户手持的追踪器代表了虚拟游戏中的汽车,他们可以根据游戏中的食物轨迹在康复台上移动上肢,就能让游戏中的汽车以对应的路线收集食物。”

下肢VR康复游戏则是通过各种有节奏的行走任务,来训练患有下肢运动功能障碍的患者。

负责设计下肢游戏的是工业设计专业的赵靖怡、信息与计算科学专业的郑雨菲和翟传欣。他们解释说:“在开始游戏前,用户可以在测试环节中选择或校准自己的行走速度。游戏开始后,用户可以选择代表不同难度的植物,并根据提示音和地上的箭头有节奏地迈步。根据用户的行走表现,游戏中会出现不同程度的动作反馈,反馈也会体现在植物的生长情况中。”

“VR下肢康复游戏还拥有自适应训练模式,系统可以根据用户行走表现的分析,通过实时调整程序来优化训练。”郑雨菲补充道。

在上肢游戏的VR系统中,会有两个定位器不断追踪VR头戴显示器和手持追踪器的位置,而定位器是靠三脚架支撑摆放在头戴显示器的两侧,“在使用过程中,定位器摆放的位置、高度等都可能影响追踪效果,甚至造成VR画面的抖动。”董峰毅说。

在经过反复实验后,同学们通过合理调整定位器的位置并修改VR的脚本,限制了追踪器在垂直于虚拟桌面方向上的移动,使用户得到更好的交互体验。

而在制作下肢康复游戏时,团队需要在软件中绑定用于在VR中模拟患者运动的模型,但现有的模型并不符合他们的需求,必须自己进行调整,而能找到的中文相关资料又非常少。

面对这些问题,团队成员在黄梦婕老师的指导下,充分发挥了自主学习的能力。“我们搜索了不少视频,找了一些英文的教程,还去各种英文论坛上寻找答案,自己慢慢摸索,最终调整好了适合我们这个项目的模型。”郑雨菲说。

赵靖怡认为,设计科研实验需要大量的文献阅读和严谨的实验过程,与她原先接触的设计项目十分不同。她说:“SURF项目是我第一次参与科研项目,它锻炼了我将所学知识灵活运用到实验设计的能力。很感谢这次的经历给予我参与科研的机会,这也为我接下来的读研深造奠定了坚实的基础。”

董峰毅和其他团队成员也表示,SURF为本科生提供了参与一个完整的科研项目的机会,也非常推荐大家能够积极参与到SURF中来。“在参与SURF之前,我们主要是学习自己专业相关的知识,而在SURF中,我们能够了解整个项目的流程,这一点对于今后的学习和工作都是非常重要的。”

在游戏设计完成后,团队找来了一些志愿者对游戏进行了测试实验,通过调查问卷和运动数据记录进行了用户体验方面的研究,大多数参与者都认为这些康复训练游戏相当有趣,也有一些参与者给出了改进的意见。团队成员目前正在基于设计与研究结果,撰写科研论文,计划之后投稿至国际学术会议上。

黄老师补充说:“在目前的项目中,只有健康的参与者参与了实验。如果我们将来能邀请真正的病人来测试我们的系统,那会更有意义。”

“我们也和当地的一家医院进行了研究合作,希望我们的VR康复系统有一天能投入到真正的病人身上。”(记者:钱懿 编辑:胡秋辰 图片提供:SURF团队)

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