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本书围绕虚拟现实康复工程新技术，介绍了虚拟现实基本概念及其关键技术原理；结合康复医学基本理论，介绍了虚拟现实的视觉、力触觉和多感觉反馈刺激的生理效应，以及虚拟现实康复系统的功能组成；重点介绍了虚拟现实康复人机交互技术工程原理及康复工程实现方法，以及虚拟现实运动康复系统应用设计和虚拟现实认知与神经心理康复应用设计；最后介绍了基于虚拟现实技术的康复评定应用。本书可作为生物医学工程、智能医学工程等专业本科生的教材，也可供相关专业技术人员参考。

第1章  绪论	1
1.1  虚拟现实基本概念	1
1.2  虚拟现实与医疗健康	2
1.3  虚拟现实技术的医疗康复应用进展	3
思考与练习	5
第2章  虚拟现实技术基础	6
2.1  虚拟现实的基本特征	6
2.2  虚拟现实核心技术	8
2.2.1  环境建模技术	8
2.2.2  立体显示技术	9
2.2.3  反馈技术	10
2.2.4  人机交互技术	10
2.2.5  环境集成技术	11
2.2.6  沉浸感增强技术	12
2.2.7  碰撞检测技术	12
2.3  虚拟现实系统设计与开发	13
2.3.1  设计原则与开发流程	13
2.3.2  虚拟现实内容制作	14
2.3.3  虚拟现实的交互式设计与开发	16
2.4  虚拟现实开发引擎及其设计应用	19
思考与练习	22
第3章  虚拟现实康复基本原理	23
3.1  康复的基本理论	23
3.1.1  康复治疗基本理论	23
3.1.2  康复工程技术	25
3.2  虚拟现实康复技术简介	26
3.2.1  虚拟现实康复与增强现实康复	26
3.2.2  虚拟现实康复技术的分类	27
3.2.3  虚拟现实康复技术的主要特点	27
3.3  虚拟现实康复的反馈及其生理效应	28
3.3.1  视觉反馈及其生理效应	29
3.3.2  力触觉与本体感觉反馈及其生理效应	32
3.3.3  虚拟现实康复中的多感官通道设计	36
3.4  虚拟现实康复系统组成与设计	38
3.4.1  虚拟现实康复系统软/硬件组成	38
3.4.2  虚拟现实康复系统的软件设计规范	41
思考与练习	43
第4章  虚拟现实康复中的人机交互	44
4.1  虚拟现实人机交互简介	44
4.2  手指运动模式及手势识别	46
4.2.1  手指运动生物力学特征	46
4.2.2  基于数据手套的手指运动检测及手势识别	46
4.2.3  手指运动的体感传感检测	48
4.3  肢体运动模式检测	50
4.3.1  肢体运动的非接触体感交互检测	50
4.3.2  可穿戴式人体运动信息检测	51
4.4  神经肌肉信息检测及模式识别	54
4.4.1  神经信息解码及虚拟现实交互	54
4.4.2  肌电信号检测及运动意图识别	55
4.4.3  脑神经信号检测及虚拟现实交互	57
4.5  虚拟现实康复系统的人机交互设计	60
4.5.1  虚拟现实人机交互算法设计	60
4.5.2  虚拟现实上肢运动交互控制设计	61
4.5.3  虚拟现实康复训练的运动代偿自适应调整	66
思考与练习	68
第5章  虚拟现实技术的肢体运动康复应用	69
5.1  运动康复基本知识	69
5.1.1  运动康复生物力学基础	69
5.1.2  上、下肢运动康复训练基本临床操作规范	72
5.1.3  身体平衡协调与康复	76
5.2  运动学参数驱动的上肢康复虚拟现实应用设计	78
5.2.1  上肢康复运动及参数设计	78
5.2.2  虚拟角色和场景建模	84
5.2.3  运动参数检测与人机交互设计	89
5.3  力触觉反馈与腕关节运动虚拟康复应用设计	94
5.3.1  腕部运动康复任务设计	94
5.3.2  腕关节康复训练的力触觉反馈	95
5.4  下肢康复虚拟现实应用设计	96
5.4.1  模拟骑行的下肢康复虚拟现实系统设计	96
5.4.2  基于足踝作用力检测的下肢康复虚拟现实系统设计	99
5.5  虚拟现实交互下的平衡功能康复应用设计	100
5.5.1  虚拟现实平衡康复原理	100
5.5.2  虚拟现实平衡康复训练应用设计	101
5.6  虚拟现实与康复训练机器人集成应用设计	103
思考与练习	106
第6章  虚拟现实技术的认知与神经心理康复应用	107
6.1  认知与神经心理康复基本知识	107
6.2  虚拟现实与神经心理认知	110
6.3  虚拟现实技术的认知与神经心理康复设计	112
6.3.1  儿童孤独症虚拟现实康复训练系统	112
6.3.2  虚拟现实技术的空间认知训练应用	114
6.4  虚拟现实技术在认知与神经心理康复中的应用	117
思考与练习	119
第7章  虚拟现实技术与康复评定	120
7.1  康复评定的基本概念	120
7.2  关节运动功能的虚拟现实评定	121
7.2.1  关节运动功能评定简介	122
7.2.2  上肢关节活动度评定	124
7.2.3  行走功能评定	128
7.2.4  手部运动功能评定	129
7.3  平衡功能的虚拟现实评定	131
7.3.1  平衡功能评定简介	131
7.3.2  身体重心检测与平衡功能评定	133
7.4  虚拟现实康复在线评定与训练过程交互控制	135
7.4.1  康复训练在线评定与交互控制简介	135
7.4.2  上肢虚拟现实康复训练在线评定及自适应调节系统	136
7.5  虚拟现实技术在神经心理康复评定中的应用	139
7.5.1  融合脑机接口的虚拟现实空间认知康复训练与评定	140
7.5.2  虚拟现实技术在神经心理评定中的应用	140
思考与练习	143
参考文献	144

虚拟现实技术融合了计算机、传感器、图形显示、力触觉反馈与执行器、自动控制等多种技术，已在生理解剖知识学习、外科手术模拟训练、放疗计划、医疗急救培训等医学领域得到广泛应用，近年来又作为一种新的康复工程技术受到高度重视。目前，研究人员在虚拟现实康复技术方法研究、虚拟现实康复系统研发及其康复医学应用等方面正不断取得新进展。
虚拟现实康复的主要特点是利用计算机及其图形显示技术为康复对象（患者）提供直观、逼真的视觉反馈，同时结合声音场景渲染、力触觉反馈等方式进一步增进康复对象的沉浸感和想象性，不仅让其有更强的参与感，而且多感觉反馈刺激所诱发的生理效应能有效促进其生理、心理康复。交互性是虚拟现实康复的重要特征，传感器、图形显示、力触觉反馈等执行器的技术进步使康复训练中的人机交互更加高效。通过虚拟场景渲染、感觉反馈模式设计，可以为康复对象提供与其康复过程、功能状态直接相关的作用方式，这也使得适应康复对象需要的个性化虚拟现实康复成为可能。另外，虚拟现实技术提供的沉浸式场景和平台不仅可以让康复对象有更好的“身临其境”的体验，还将通过人机交互实现用户与虚拟现实系统的融合，在康复训练中形成一种“人在回路”的人机融合新体验。
虚拟现实技术的康复应用正在不断发展，新技术研究和临床康复应用探索同步进行，基于虚拟现实的运动神经康复、认知与神经心理康复已经有相对成熟的技术方法，并在干预治疗、康复评定等方面应用于临床康复实践。人机交互是虚拟现实康复的核心技术环节，新的传感检测、信号/图形特征信息分析、行为模式识别与用户意图识别等技术在虚拟现实康复中得到广泛应用，可穿戴式传感器、体感检测、眼动识别、语音识别等技术使人机交互更直接、更自然。互联网、物联网技术也为虚拟现实康复提供了新思路，远程虚拟现实康复平台技术及其应用也受到广泛的关注。为此，本书共安排7章，各章的主要内容如下。
第1章介绍虚拟现实的基本概念，虚拟现实的医疗健康应用模态，以及虚拟现实技术的医疗康复应用进展。
第2章介绍虚拟现实的基本特征，虚拟现实核心技术原理，以及虚拟现实系统的设计开发流程。
第3章介绍康复的基本理论，虚拟现实康复的基本原理，虚拟现实康复的反馈及其生理效应，以及虚拟现实康复系统的组成及设计规范。
第4章介绍人机交互的传感检测基本原理，肢体关节运动信息的人机交互和神经肌肉信息检测的人机交互技术，以及虚拟现实康复系统的人机交互设计方法。
第5章介绍运动康复基础知识，上肢康复的虚拟现实系统参数设计方法，基于力触觉反馈的腕关节康复系统设计，下肢虚拟现实康复系统、平衡功能康复系统的设计方法，以及虚拟现实与机器人结合的运动康复系统。
第6章介绍虚拟现实技术用于认知与神经心理康复的技术设计方法，以及虚拟现实技术在认知与神经心理康复方面的最新应用进展。
第7章主要介绍康复评定的基本概念，虚拟现实技术的关节运动功能康复评定、平衡与协调功能康复评定，以及虚拟现实康复的在线评定和康复训练过程的交互控制。
虚拟现实康复应用进入快速发展阶段，互联网、人工智能、脑机接口等技术将进一步促进虚拟现实康复技术的发展并扩大其应用范围，虚拟现实技术也正从传统的“3I”演化为“4I”，即沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）、想象性（Imagination）、智能性（Intelligence），我们有理由相信虚拟现实康复将成为智能医学的重要组成部分。
本书是在全体参与编写人员的共同努力下完成的，其中第1、4章由重庆大学侯文生编写，第2章由燕山大学丁伟利编写，第3章由国家康复辅具研究中心李增勇、重庆大学侯文生、燕山大学丁伟利共同编写，第5章由北京航空航天大学刘笑宇、国家康复辅具研究中心李增勇共同编写，第6章由电子科技大学宫殿坤、重庆大学陈琳共同编写，第7章由重庆大学吴小鹰、侯文生共同编写。侯文生、李增勇负责对全书进行内容规划、统稿和补充完善。重庆大学王星、周丽、许蓉、肖博文参与了本书部分内容的编写。
本书是在教育部高等学校生物医学工程类专业教学指导委员会指导下完成的，同时也特别感谢东南大学万遂人教授、北京航空航天大学樊瑜波教授、重庆大学郑小林教授对本书编写提出的宝贵建议。本书的编写引用和借鉴了国内外大量教材、专著、论文的相关内容，在此向其作者表示诚挚感谢。
由于编者业务水平有限，书中难免存在缺点和不足，诚恳希望读者给予批评指正。

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虚拟现实康复原理与应用设计