大学生开发上肢康复训练系统：像训练阿凡达(图)

　　因为意外事故、突发疾病、年老体弱等诸多原因，不少人都会遇到上肢功能弱化、肌肉萎缩等问题。传统的解决办法是前往康复医院进行专门的治疗训练。在北京，康复医院不但“一号难求”，费用也是一笔不小的开支。

　　来自北京工业大学计算机学院的王念、王彪、丛义昊开发出一套“上肢辅助复健系统”，通过当守门员扑球、听音乐敲架子鼓等电子游戏的方式康复训练上肢。用王彪的话说，就像训练“阿凡达”一样。他们的成果前不久获得了全国大学生电子设计竞赛的一等奖，目前已经申请专利。

　　因姥爷病重萌生设计念头

　　王念说，设计上肢复健仪的想法来自7年前的一段经历，当时15岁的他还在念初中三年级，姥爷突发脑溢血，无法正常活动。照顾姥爷的重任落在了母亲的肩上，为了使姥爷的肌肉保持放松状态，每隔两个小时，母亲就要为姥爷按摩、做牵引运动。日复一日，母亲一次不落地坚持着。但是，繁重的劳动让母亲身体也逐渐吃不消。

　　“姥爷被病痛折磨，非常痛苦，母亲又疲于奔命。”王念说，当时他就在想能不能有一些家庭用的康复设备，能代替人力，同时又有良好的康复效果。

　　2011年，王念考入了北京工业大学计算机学院。专业的原因让他接触到了大量高精尖的电子仪器设备，设计一套康复设备的愿望也愈发强烈。2013年下半年，正在读大三的王念准备报名参加2014年全国大学生电子设计竞赛，他拿到了由一家顶级跨国公司提供的高端3D摄像头，可以记录、识别肢体、面部的细微动作，“我想到是不是可以利用这样的摄像头，匹配一定的软件，指导病人进行康复训练。”王念说。

　　通过调研，他发现一些肢体有伤残的病人在家人或者护士的人工手动配合下进行肢体牵引训练，来防止肌肉萎缩。这种传统的康复方法费时费力。为了减轻病人家属和护士的劳动，不少病人选择用机械来带动肢体来回运动，进行康复治疗。这种治疗方法需要一个一个模块进行，价格昂贵，一整套疗程下来动辄上万甚至十几万元，并且病人还需要向医院提前预约，与其他病友轮换使用康复中心的治疗仪。

　　正式决定参赛后，他又找到了王彪、丛义昊两名同学。三人虽然同在计算机学院，但软件、硬件的研究方向各有侧重，组合在一起就成了“软硬兼有”的黄金搭档。

　　游戏程序

　　使康复变得快乐

　　今年上半年新学期开始，团队就进入了紧张的研发阶段。在老师的指导下，他们打算利用那款3D摄像头识别、记录病人的动作，计算机模拟成像，同时用牵引架辅助病人进行科学康复训练。

　　一开始老师建议他们“由浅入深”——先用计算机建立一个骨骼模型，然后再做一个手掌捡球的简单动作。结果上来就失败了，“摄像头精度不够，数据会出现抖动，抓取呈现效果很一般。”这意味着在更加复杂的肢体运动中，摄像头很难抓取，康复训练模拟就更无从谈起了。

　　他们立即联系摄像头的生产公司，对摄像头程序进行升级。同时，对外部软件程序进行修改完善。“康复训练是一个重复性的过程，一个康复动作重复上千次、上万次，枯燥乏味。能不能让康复过程快乐一点，有趣一点？”王念说，后来团队经过连夜商量，决定加入游戏元素，他们设计了自由足球、打架子鼓等多个游戏程序，“比如自由足球，让病人担当守门员的角色，需要判断方向并伸手扑球，眼、脑、手臂、手掌都需要用到。”王念说，同时在游戏中病人放松了对肢体的潜意识干预，能够在轻松的氛围中训练，康复效果会更好。

　　王彪说，整个设计开发阶段，实验室就成了他们的第二个宿舍，基本上只要不上课，都会泡在那里。同时，学校的老师也给与了很多指导。

　　康复成本迈进万元门槛

　　到今年6月份，这套上肢复健仪终于研发成功。它主要分为三个结构：牵引架、自主复健游戏、肌表电压传感器，可用于不同康复阶段的上肢复健仪。在复健早期，病人可通过牵引架带动上肢关节活动。牵引架像一只手一样，带动病人运动，缓解肌肉萎缩、痉挛的症状。而在自主复健阶段，“足球”、“架子鼓”、“手影”等3D实感小游戏可以帮助病人进行康复训练。

　　王彪向记者演示了“足球”游戏康复的过程：打开计算机上的程序，启动专用摄像头，“病人”将需要康复训练的手放在摄像头视野范围内。很快，计算机的屏幕上就出现了另一双3D模拟出来的手，“病人”的手移动，屏幕上的手也随之做同样方向的移动。在游戏中，足球迎面飞来，“病人”就可以挥动自己的手来驱动屏幕上的手进行扑救，“这种人机互动就跟在操纵一个‘阿凡达’一样。”王彪说，病人通过运动上肢，参与游戏，使得肌肉群得到充分的恢复性训练。再通过肌表电压传感器，对病人肌肉力量的恢复状况进行实时评定，有助于增强病人对于康复治疗的信心。

　　王彪说，经济、适于家用是上肢复健仪的另一大特点。一个病人在医院康复治疗中心进行完一系列的上肢康复训练，需要上万甚至十几万元，这对于大多数家庭来讲，是一笔不小的开销。而他们所设计的上肢复健仪价位相对低，更具有普及性，“主要成本就在于摄像头和牵引架，因为屏幕、程序通过普通家用电脑就能实现，整体成本肯定不到1万元，量产的话还会更低。”王彪说。

　　今年7月，“上肢复健治疗仪”在全国大学生电子设计竞赛上亮相，引发关注，最终获得一等奖。大赛主办方英特尔公司的IOT物联网主管汤振宇说，自己有一位因为腿部膝盖问题进行下肢恢复的亲戚，所以他对肢体治疗仪比普通人了解更多。“你们的上肢复健仪比市场上的普通阶段性上肢复健仪好很多，像是西药疗程一样，一步一步的，很连贯。”汤振宇评价道。

　　如今，王念、王彪、丛义昊都已经是大四年级的学生。因为品学兼优，三人都已经获得保送研究生的资格，明年秋天将前往其他高校、院所深造。王彪说，“上肢复健仪”的升级完善任务就交给下面的学弟学妹来完成了，“希望他们能有更好的改进，有机会再推向市场。”

　　本报记者张航 通讯员高婉云