个性化虚拟现实膝关节康复系统设计的重建

（来源：黑龙江日报）

转自：黑龙江日报

□杨朝义 韦翠华 黄芬梅 李海强 莫秋桥

传统的膝关节康复训练存在乏味，难以坚持训练，对于患者的康复难起到真正的效果；现有的虚拟现实康复系统多基于固定的、标准的人体模型，对于个异化的精准康复并不适宜。因此本文结合计算机视觉技术来实现融合膝关节的个性化虚拟现实膝关节康复系统。系统采用模块化的方式，形成完整的康复闭环：从前期数据采集开始，经过点云配准、滤波去噪等预处理操作后，使用改进的泊松重建算法构建个性化的膝关节三维模型并导入Unity3D开发的虚拟场景，用户戴上VR头盔以及惯性传感器，利用关节实际动作驱动虚拟关节的动作；同时后方记录患者的运动学参数，经过算法分析出关键指标，最终生成可视化的量化评估报告。

在个性化三维重建环节，运用计算机视觉的手段来进行精细建模。以手持深度相机绕着患者膝关节进行全面拍照采样得到各角度点云数据；然后剔除异常值点云数据和稀疏性点云数据；其次通过体素化的网格对点云数据降维求精；接着使用迭代最近点法完成点云拼接后形成完整统一的膝关节点云模型；最后选择泊松面片重建算法将预处理过的点云转换成闭合并且光滑的三角网格模型，在几何细节程度以及表面光滑度平衡的基础上得到了非常贴近患者自身解剖结构特点的三维模型，能很好地给后面的精准交互和评估提供几何学上的支持。

通过创建沉浸式的游戏化场景让病人在愉悦中完成锻炼，增加病人的锻炼兴趣以及锻炼的积极性，系统运用Unity3D引擎开发不同的康复等级的梯度化康复任务，包括针对关节活动度的“雪地漫步”，针对协调性的“足球射门”等。从交互上来讲，将固定于下肢的惯性测量单元来获取膝关节的运动数据，并驱动虚拟场景中个性化模型同步做出动作反应，以达到运动映射的实时性与准确性的目的，与此同时还设置有系统的即时反馈，在运动员完成动作时，如完成标准动作就给与运动员正向视听反馈，若出现错误或者不规范的动作便会使用警示灯提醒运动员或直接用实心箭头标出正确运动路径，避免身体损伤的发生，在促使训练积极性增强的基础上保障运动安全。

为了能够量化康复的效果，我们建立了针对每个体态操作系统的自动化评估系统，通过惯性传感器采集的原始运动数据提取关节主动活动度、运动平滑度以及任务完成精度等重要的生物力学参数，并对每个参数都进行相应分析；运动平滑度通过计算角加速度变化率来判断，任务精度则是将患者的完成动作数据与正常标准模板数据经过动态时间规整比较得到的结果；所有的数据由系统自动生成记录后，根据个体具体情况会生成某一个时期内的趋势曲线图，且可以直接得出量化评估结果报告。同时也可以作为其修正治疗的方法或者是对患者的一定时期进行肯定反馈。

为了保证系统有效，在试验中对系统的模型精度、性能以及使用可用性进行了全面测试：精度测试：通过将系统建立的膝关节模型与高精度的结构光扫描数据进行比较得出平均误差小于1.5毫米的结果，满足个性化要求；性能测试：系统运行在主流的硬件上，能达到平均90帧/秒以上的渲染帧率、小于50毫秒的动作延时；可用性测试：采用系统可用性量表测试得到了85分以上的好评，从用户的反馈可以看出，个性化模型和游戏化的界面使得其更具吸引力，并且从初步的数据分析结果来看，患者在使用前后的关节活动度以及控制能力上都有不同程度的提升，可得系统符合预期效果。

综上所述，本文运用三维重建、虚拟现实和智能体训测技术，成功研发了个性化膝关节康复系统的整合框架，将个性化建模、沉浸式训练及量化评估进行了有机结合，从而极大提高了康复训练的效率与体验，通过对现有各类系统的对比分析得出本系统拥有较高技术水平与用户满意度，在此之后，仍需着重于其内部结构的生物力学仿真模型，提高其仿真实现程度；加大研究力度，寻求无标记动作捕捉技术，使系统更加方便易用；并且开展大规模的临床实验，验证其后期疗效，不断向着更高端、更智能、更精准的方向发展。

本文系广西教育科学“十四五”规划2024年度专项课题《新工科背景下康复治疗虚拟仿真实验课程建设与教学改革研究》（课题编号：2024ZJY294）；2025年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目《基于智能感知与即时反馈的虚拟现实膝关节康复系统研究》（项目编号：2025KY1302）的研究成果。

（作者单位：广西城市职业大学）