面向脑瘫康复的集成虚拟现实机器人辅助步态训练系统的开发与技术验证

《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》：Evaluation of VR-based speed and direction control strategies for pediatric robotic gait training

　　

摘要

背景

脑瘫（CP）是一种影响运动控制的神经系统疾病，通常需要终生康复治疗。机器人辅助步态训练（RAGT）在儿童康复领域显示出良好前景，但保持患者的参与度仍具有挑战性。虚拟现实（VR）有望创造具有激励性的治疗环境；然而，在临床应用之前，必须进行技术验证。本研究介绍了一个集成VR的RAGT平台的开发和技术验证，该平台允许儿童主动控制自己的行走速度和方向，并评估了系统的初始安全性和初步可用性。

方法

我们开发了一个将Discover2Walk有线驱动机器人平台与VR环境结合的集成系统。该系统实现了三种控制方式：(i) 通过骨盆位置和交互力实现运动意图速度控制；(ii) 通过VR头盔实现基于头部方向的控制；(iii) 结合速度和方向的双重控制。技术验证是在14名正常发育儿童（TDC）中进行的，他们分别独立测试了三种VR游戏，并评估了这些策略的综合效果。系统性能通过速度跟踪误差（STE）和运动学跟踪误差（KTE）等指标进行评估。一项针对一名脑瘫患者的案例研究为该系统在目标人群中的可用性提供了初步见解。安全性通过儿童模拟器晕动症问卷进行监测，用户体验则通过满意度评分进行评估。

结果

技术验证表明系统性能稳健。正常发育儿童组在快速移动条件下的平均跟踪误差为10%，在慢速移动条件下的平均跟踪误差为20%。在固定速度（KTE：0.79米）和双重控制（KTE：0.71米）条件下，导航任务的准确性相当。所有参与者都以高成功率完成了目标导向任务。系统初步显示出良好的安全性，几乎没有出现晕动症症状（0-6评分中所有得分均<1），并且用户接受度很高（满意度评分>9/10）。案例研究揭示了该系统对脑瘫儿童的技术可行性，尽管与正常发育儿童相比存在预期的性能差异。

结论

该平台通过经过验证的运动意图速度控制和头部方向导航方法，证明了其技术可行性、控制的精确度以及互动的吸引力。高用户接受度和最小的不良反应表明该系统已具备进行临床验证研究的条件。这些技术基础为未来在大规模临床人群中研究治疗效果奠定了基础。