虛擬現(xiàn)實技術在腦卒中患者平衡功能康復的應用①

孫然，張通

·綜述·

虛擬現(xiàn)實技術在腦卒中患者平衡功能康復的應用①

孫然，張通

本文簡要回顧了虛擬現(xiàn)實技術的特點、起源與發(fā)展及在康復中的應用，重點介紹其在腦卒中患者平衡功能康復方面的應用及其療效，同時簡要介紹目前國內(nèi)外常用的平衡功能的評定方法。

腦卒中；虛擬現(xiàn)實技術；平衡功能；康復；綜述

[本文著錄格式]孫然，張通.虛擬現(xiàn)實技術在腦卒中患者平衡功能康復的應用[J].中國康復理論與實踐,2014,20(1):37-40.

腦卒中是中老年人的多發(fā)病，也是最常見威脅生命的疾病之一。調(diào)查顯示，隨著我國人口老齡化進程的加快和腦血管病危險因素的增多，腦卒中的發(fā)病率在我國呈逐年遞增的趨勢。由于診治水平的提高，急性腦卒中的死亡率顯著下降，但致殘率高達80%以上。平衡功能障礙是腦卒中患者最常見的功能問題之一，平衡功能的恢復程度對患者步行能力及日常生活活動能力的提高具有重要意義。本文重點就虛擬現(xiàn)實技術(virtual reality,VR)在腦卒中患者平衡功能康復中的應用進行綜述。

1 概述

1.1 VR的特點

VR是一種新興且迅速發(fā)展的技術，屬于跨學科綜合集成技術，涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等多個領域。它利用計算機的專業(yè)軟硬件和外圍設備，形成逼真的三維視、聽、觸、嗅等感覺，使人作為參與者通過適當裝置，與虛擬世界進行體驗和交互作用。使用者進行位置移動時，計算機可以立即進行復雜的運算，將精確的3D世界影像傳回產(chǎn)生臨場感[1]。VR系統(tǒng)具有沉浸(immersion)、交互(interaction)和想象(imagination)三大特點。沉浸是VR系統(tǒng)的核心特點，表示用戶能夠投入到由計算機生成的虛擬場景中，即用戶在虛擬場景中有身臨其境之感。交互是人機和諧的關鍵因素，表示用戶與虛擬場景中各種對象之間的相互作用。交互性包括對象的可操作程度、用戶從環(huán)境中得到反饋的自然程度，以及虛擬場景中對象依據(jù)物理學規(guī)律運動的程度等。VR不僅是一個用戶與終端的接口，而且可使用戶沉浸于此環(huán)境中獲取新的知識，提高其感性和理性認識，產(chǎn)生新的想象。在計算機模擬的虛擬環(huán)境中，用戶會有身臨其境之感，通過傳感設備接受來自該環(huán)境的信號。與此同時，計算機可以精確記錄用戶的信息，并據(jù)此對虛擬環(huán)境進行調(diào)整，實現(xiàn)人機的交互作用[2]。

1.2 VR的發(fā)展

VR在20世紀80年代由Lanier提出，其在醫(yī)學上的應用包括虛擬內(nèi)窺鏡、計算機輔助手術治療、手術的方針與訓練、醫(yī)學教學等[3]。進入90年代，VR開始在神經(jīng)科學及心理治療方面有了較多的應用研究與發(fā)展。已有大量文獻提到VR對疼痛[4]，焦慮障礙如社交恐怖癥[5-7]、廣場恐怖癥[8]、創(chuàng)傷后應激障礙[9-10]及其他特殊恐懼癥包括恐高癥[11-12]、懼飛癥[13-14]和蜘蛛恐懼癥[15]等取得很好療效。

VR也已經(jīng)被廣泛應用于康復評定和治療的各個方面。Holden等最早報道在腦卒中患者康復訓練中使用VR[16]。他們?yōu)?例腦卒中后上肢功能障礙的患者制作了康復設備，包括1個運動跟蹤裝置、桌面顯示器和用于產(chǎn)生不同難度3D任務的軟件系統(tǒng)。在腦卒中患者的康復評定和治療中引入VR，為腦卒中患者提供一個與現(xiàn)實生活相關的環(huán)境，在這種環(huán)境中，患者能夠進行有意義、有目的的訓練。這種訓練不是被動的，而是患者主動參與并與計算機進行互動，從而獲得運動技能的過程。目前，VR在國內(nèi)外主要應用于改善腦卒中患者的上肢功能[17-18]，步行能力[19-22]及認知功能[23]，例如注意力缺陷、記憶障礙、半側(cè)空間忽略等，在腦卒中后平衡功能康復方面的研究較少，需要進一步研究。

1.3 VR用于康復訓練的優(yōu)勢

VR可以提供多種治療場景和刺激，患者可以在安全的環(huán)境中進行康復治療。例如訓練患者的社區(qū)功能性步行時，患者無需去真正的社區(qū)。

VR系統(tǒng)可以根據(jù)患者的實際情況進行治療過程設計，構建不同難度的康復訓練虛擬環(huán)境；同樣的場景和任務可以重復進行。

VR系統(tǒng)能為接受康復訓練的患者提供兩種反饋，包括每次練習結(jié)果的實時反饋和一組練習后的成績反饋，可以提高患者對結(jié)果的知曉感[24]。

VR系統(tǒng)給患者提供了極富真實性的虛擬環(huán)境，使其有身臨其境的感受，增加了任務的趣味性，提高了患者參與康復的積極性和主動性，以多種反饋形式激發(fā)和維持患者重復練習的動機。

VR技術提供了重復練習、成績反饋和維持動機3個關鍵要素的技術手段。大量研究結(jié)果表明，患者能在虛擬環(huán)境中學會運動技能，并能將習得的運動技能遷移到現(xiàn)實世界的真實環(huán)境中。

2 針對平衡功能訓練的VR設備

最早用于平衡訓練的VR系統(tǒng)包括一輛固定的自行車和提供視覺虛擬環(huán)境的平面顯示器；研究發(fā)現(xiàn)在虛擬視覺空間騎行訓練一段時間后，患者姿勢控制水平有很大提高[25]。雖然該系統(tǒng)為患者提供了一種相對安全的訓練技術，但由于技術方面的不足，還存在自行車運動和視覺、聽覺等線索信息不匹配的問題。隨著技術的逐漸發(fā)展，現(xiàn)階段的VR設備已越來越趨向于成熟?，F(xiàn)介紹兩種國外應用較多的VR設備。

2.1 IDEX[20,26]

這一系統(tǒng)由顯示器、視頻攝像機、紅外手套、虛擬物體、虛擬場景及大屏幕組成。視頻攝像機捕捉和追蹤身體的影像，受試者能沉浸于VR場景里，并與其中的虛擬環(huán)境和物體相互作用。這個系統(tǒng)優(yōu)于當前其他類型的VR系統(tǒng)，因為受試者不需要穿戴沉重的頭盔式錄像機(head-mounted device,HMD)、數(shù)據(jù)手套或其他與電腦相連的外圍設備以獲取數(shù)據(jù)。受試者可以通過在自由移動來操縱虛擬環(huán)境里的虛擬物體。

該系統(tǒng)有3種可選環(huán)境，包括上下樓梯(step up/down)、躲避鯊魚(sharkbait)和滑雪板(snowboard)游戲。虛擬上下樓梯的游戲用于訓練患側(cè)髖關節(jié)的屈、伸、內(nèi)收及外展運動，體重轉(zhuǎn)移以及單腿站立平衡。躲避鯊魚和電鰻的同時摘得星星的游戲用于訓練體重轉(zhuǎn)移、邁步，保護策略及重心下移等平衡功能。跳躍障礙滑雪下山的游戲用于訓練軀干的活動性和靈活性，以及體重向?qū)?cè)轉(zhuǎn)移的控制能力。在每次游戲結(jié)束時，系統(tǒng)都會提供訓練結(jié)果、重量(抵抗力)增加的數(shù)值以及完成情況(例如運動質(zhì)量)的反饋。

2.2 Nintendo Wii Fit Plus[27-28]

該系統(tǒng)由一個平衡板游戲系統(tǒng)、一個操縱臺(通過一個聽視覺電纜將它連接到一臺液晶顯示器上)、一個測力板(含有4個力傳感器)，以及一個加速儀(以控制器的形式)組成。它們在訓練過程中可以提供壓力中心(centre of pressure,COP)實時的視覺和聽覺反饋。平衡板游戲系統(tǒng)和顯示器之間的聯(lián)系通過藍牙協(xié)議建立。當受試者站在裝有壓力傳感器的平衡板上時，顯示器上就會出現(xiàn)代表受試者位置的標記，并且追蹤受試者的活動，以此來提供視覺和聽覺的反饋。除此之外，它還提供多種運動和反應的觸覺反饋。該系統(tǒng)中用于平衡訓練的游戲包括平衡水泡(balance bubble)、障礙滑雪(ski slalom)、跳躍滑雪(ski jump)、頭球(soccer heading)、面鋪瓦(table tiling)以及企鵝滑動(penguin slide)，這些游戲涉及了向多個方向的體重轉(zhuǎn)移。

此外，還有一種VR平板訓練[29]。它由普通平板、用于VR程序運行和圖像顯示的帶有液晶顯示投影儀的臺式電腦，以及類似于視頻游戲的VR訓練程序等組成，主要用于提高患者步行過程中的單腿負重及體重轉(zhuǎn)移能力。

3 VR對腦卒中患者平衡功能恢復的效果

腦卒中患者的平衡功能障礙主要體現(xiàn)在：靜止站立時重心擺動增加[30-31]；雙下肢負重模式不對稱[32-33]；根據(jù)具體任務的需要，身體重心自主有效地向各方向移動困難[33-34]。腦卒中后偏癱患者靜止站立時，大部分體重都由健側(cè)下肢負擔；在日常需要雙下肢同時和對稱參與的活動，如步行、上下樓梯時，患者盡力避免或不能將其體重由健側(cè)轉(zhuǎn)移到患側(cè)。已經(jīng)證實這些障礙是導致腦卒中患者跌倒風險增加的主要因素[35]。

Kim等應用IREX系統(tǒng)激發(fā)腦卒中患者(病程≥1年)的訓練積極性，提高與步行相關的靜態(tài)和動態(tài)平衡能力。結(jié)果顯示，VR訓練與傳統(tǒng)的物理治療相結(jié)合與單獨進行物理治療相比，前者能夠顯著改善患者動態(tài)平衡功能和步行能力[26]。但因為最初設計這些游戲的目的是刺激患者動態(tài)姿勢控制，患者靜態(tài)平衡能力提高不顯著。

Cho等通過對22例慢性腦卒中患者(病程≥6個月)進行的一項隨機對照研究顯示，每次30 min、每周6次、持續(xù)6周的訓練結(jié)束后，接受在傳統(tǒng)康復治療的基礎上增加有Wii Fit平衡板VR平衡訓練的11例患者與僅接受傳統(tǒng)康復治療的11例患者相比，動態(tài)平衡能力有顯著的提高[27]。但該研究未能證明VR游戲?qū)o態(tài)平衡功能的康復效果。

該項研究中采用VR平衡訓練涉及了向多個方向的體重轉(zhuǎn)移。Yang等發(fā)現(xiàn)，在動態(tài)挑戰(zhàn)中習得的姿勢控制技能可能并不適用于維持靜態(tài)的姿勢穩(wěn)定性[29]。Winstein等的研究顯示，腦卒中患者在站位下控制姿勢時，需要使他們的運動減到最小，并一再努力維持質(zhì)心的位置[36]。因此，VR平衡訓練并不能減少靜止站立時患者的姿勢晃動，即無法訓練患者的靜態(tài)平衡功能。此外，該項研究無法得出VR游戲是否比傳統(tǒng)康復更有效的結(jié)論，并且也沒有采用定量的指標評價患者的動態(tài)平衡能力。

Yang等選擇14例發(fā)病后即參加常規(guī)物理和作業(yè)治療的慢性腦卒中患者(病程≥6個月)作為研究對象，分為接受裝有VR場景的跑臺訓練的實驗組和接受傳統(tǒng)跑臺訓練的對照組，結(jié)果顯示，VR跑臺訓練可以改善腦卒中患者坐-站體位變換時的平衡功能；相較于傳統(tǒng)的跑臺訓練，VR跑臺訓練更能夠提高平地步行時患腿的負重能力[29]。但同樣，該訓練也不能改善患者站立下的靜態(tài)平衡功能。

4 腦卒中患者平衡功能評定

目前評價腦卒中患者平衡功能的方法主要包括量表評定法和平衡測試儀評定法兩種。

量表評定不需要專門的設備，操作簡易，容易掌握；主要缺點是結(jié)果受評定者的主觀判定的影響。目前國內(nèi)外臨床上常用的平衡量表主要有Berg平衡量表(Berg Balance Scale,BBS)、“起立-行走”計時測試(Timed Up and Go test,TUGT)、Fugl-Meyer平衡量表、Tinetti量表(Performance-oriented Assessment of Mobility)、Lindmark運動功能評估表、腦卒中患者姿勢評定量表(Postural Assessment Scale for Stroke Patients,PASS)等。此外，Rivermead運動指數(shù)(RMI)、Carr-shepherd平衡評定表、上田敏平衡反應試驗、功能性前伸測試(Functional Reach Test,FRT)、跌倒危險指數(shù)(Fall Risk Index,FRI)等也可用于平衡功能的評定。

平衡儀評定是近年研究較多的定量測定平衡功能的評定方法。它是一種通過測量受試者在不同狀態(tài)下各種平衡指標的變化，并據(jù)此分析其平衡水平的一種測試設備，包括靜態(tài)平衡儀和動態(tài)平衡儀，分別評定人體靜態(tài)平衡能力和動態(tài)平衡能力。目前在國內(nèi)外較常用的平衡測試儀主要有美國的Balance Performance Monitor(BPM)、Balance Master、Equitest Balance Master等，其中后兩者不但可以對平衡功能進行靜態(tài)、動態(tài)測試，而且可以對具有平衡功能障礙的患者進行訓練，但由于價格過高，其在臨床上的推廣應用受到限制。比較而言，BPM價格適中，性能穩(wěn)定，操作方便，具有較廣泛的應用前景。

平衡測試儀為人體平衡功能的綜合判斷提供可靠而直觀的評定指標，不但可以判斷平衡功能損害的病因及其程度，還可以評價治療和康復的效果，是目前平衡功能評定的理想工具[37]。應用VR康復的文獻所涉及的技術設備僅包含平衡訓練項目，無法同時對患者的平衡功能進行評定。

5 問題與展望

目前認為，腦卒中恢復早期(發(fā)病后1～3個月)和恢復中期(發(fā)病后3～6個月)是功能恢復的最佳時期。恢復后期(發(fā)病后6個月～2年)功能恢復緩慢或停滯不前。因此我們需要進一步選取病程1～6個月的腦卒中患者進行研究。此外，現(xiàn)階段大多數(shù)較嚴謹?shù)奈墨I中應用的VR技術，其設計目的是為了提高患者的功能性步行能力，因此在改善患者體重轉(zhuǎn)移能力等動態(tài)平衡功能方面的作用較為顯著。近10年沒有文獻顯示出VR平衡訓練對靜止站立時腦卒中患者的姿勢穩(wěn)定性有顯著的改善。另外，由于相關的對照研究均是VR組與非VR組對照，或在傳統(tǒng)康復的基礎上增加VR訓練，而無關于VR訓練與傳統(tǒng)康復方法的直接對照，無法得出VR訓練是否比傳統(tǒng)康復更有效的結(jié)論，目前只能認為在傳統(tǒng)康復的基礎上增加VR可獲得更好的康復效果。今后的研究還應該擴大樣本量，使結(jié)果更具說服力。

[1]劉光然.虛擬現(xiàn)實技術[M].北京:清華大學出版社,2011.

[2]許志生,李建華.虛擬現(xiàn)實技術在神經(jīng)康復醫(yī)學領域的研究進展[C].第11屆全國腦血管病康復學術會議論文匯編,2008.

[3]劉文霞,王樹杰,張繼偉.虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學上的應用[J].生物醫(yī)學工程學雜志,2007,4(4):946-949.

[4]熊曉菊.虛擬現(xiàn)實分散注意力法在舒緩患者疼痛中的應用[J].護理學報,2012,19(9A):22-24.

[5]Grillon H,Riquier F,Herbelin B,et al.Use of virtual reality as therapeutic tool for behavioural exposure in the ambit of social anxiety disorder treatment[C].Proceedings of the 6th International Conference on Disability,virtual Reality and Associated Technology,Esbjerg,Denmark,2006.

[6]Hofmann SG,Dibartolo PM.An Instrument to assess self-statements during public speaking:scale development and preliminary psychometric properties[J].Behav Ther,2000,31(3): 499-515.

[7]Klinger E,Légeron P,Roy S,et al.Virtual reality exposure in the treatment of social phobias[J].Stud Health Technol Inform,2004,99:91-119.

[8]Botella C,Villa H,García Palacios A,et al.The use of VR in the treatment of panic disorders and agoraphobia[J].Stud Health Technol Inform,2004,99:73-90.

[9]Rothbaum BO,Hodges LF,Ready D,et al.Virtual reality exposure therapy for Vietnam veterans with posttraumatic stress disorder[J].J Clin Psychiatry,2001,62(8):617-622.

[10]Difede J,Hoffman HG.Virtual reality exposure therapy for world trade center post-traumatic stress disorder:a case report[J].Cyberpsychol Behav,2002,5(6):529-535.

[11]Rothbaum BO,Hodges LF,Kooper R,et al.Effectiveness of computer-generated(virtual reality)graded exposure in the treatment of acrophobia[J].Am J Psychiatry,1995,152(4): 626-628.

[12]Krijn M,Emmelkamp PM,Biemond R,et al.Treatment of acrophobia in virtual reality:the role of immersion and presence[J].Behav Res Ther,2004,42(2):229-239.

[13]Meyerbr?ker K,Emmelkamp PM.Virtual reality exposure therapy in anxiety disorders:a systematic review of process-and-outcome studies[J].Depress Anxiety,2010,27(10): 933-944.

[14]Tortella-Feliu M,Botella C,Llabrés J,et al.Virtual reality versus computer-aided exposure treatments for fear of flying[J]. Behav Modif,2011,35(1):3-30.

[15]Garcia-Palacios A,Hoffman H,Carlin A,et al.Virtual reality in the treatment of spider phobia:A controlled study[J].Behav Res Ther,2002,40(9):983-993.

[16]Holden MK,Todorov E,Callahan J,et al.Virtual environmenttraining improves motor performance in two patients with stroke:case report[J].Neurol Rep,1999,23(2):57-67.

[17]曹妤,呂曉,危昔均.虛擬現(xiàn)實游戲?qū)δX卒中后患者上肢功能恢復的影響[C].中國康復醫(yī)學會第七次全國康復治療學術會議主題報告、學術交流論文匯編,2010:224-232.

[18]Kwon JS,Park MJ,Yoon IJ,et al.Effects of virtual reality on upper extremity function and activities of daily living performance in acute stroke:A double-blind randomized clinical trial[J].Neuro Rehabil,2012,31(4):379-385.

[19]Yang YR,Tsai MP,Chuang TY,et al.Virtual reality-based training improves community ambulation in individuals with stroke:A randomized controlled trial[J].Gait Posture,2008,28 (2):201-206.

[20]You SH,Jang SH,Kim YH,et al.Virtual reality-induced cortical reorganization and associated locomotor recovery in chronic stroke:an experimenter-blind randomized study[J].Stroke, 2005,36(6):1166-1171.

[21]Jaffe DL,Brown DA,Pierson-Carey CD,et al.Stepping over obstacles to improve walking in individuals with poststroke hemiplegia[J].J Rehabil Res Dev,2004,41(3A):283-292.

[22]Mirelman A,Bonato P,Deutsch JE,et al.Effects of training with a robot-virtual reality system compared with a robot alone on the gait of individuals after stroke[J].Stroke,2009,40(1): 169-174.

[23]Kim BR,Chun MH,Kim LS,et al.Effect of virtual reality on cognition in stroke patients[J].Ann Rehabil Med,2011,35(4): 450-459.

[24]Romano DM.Virtual reality therapy[J].Dev Med Child Neurol,2005,47(9):580.

[25]Kim NG,Yoo CK,Im JJ.A new rehabilitation training system for postural balance control using virtual reality technology[J]. IEEE Trans Rehabil Eng,1999,7(4):482-485.

[26]Kim JH,Jang SH,Kim CS,et al.Use of virtual reality to enhance balance and ambulation in chronic stroke:A double-blind,randomized controlled study[J].Am J Phys Med Rehabil,2009,88(9):693-701.

[27]Cho KH,Lee KJ,Song CH.Virtual-reality balance training with a video-game system improves dynamic balance in chronic stroke patients[J].Tohoku J Exp Med,2012,228(1):69-74.

[28]Meldrum D,Glennon A,Herdman S,et al.Virtual reality rehabilitation of balance:assessment of the usability of the Nintendo Wii?Fit Plus[J].Disabil Rehabil Assist Technol,2012,7 (3):205-210.

[29]Yang S,Hwang WH,Tsai YC,et al.Improving balance skills in patients who had stroke through virtual reality treadmill training[J].Am J Phys Med Rehabil,2011,90(12):969-978.

[30]Nichols DS.Balance retraining after stroke using force platform biofeedback[J].Phys Ther,1997,7(7):553-558.

[31]Ring H,Mizarahi J.Bilateral postural sway in stroke patients: New parameters for assessing and predicting locomotor outcome[J].Neurol Rehabil,1991,5:175-179.

[32]Pai YC,Rogers MW,Hedman LD,et al.Alteration in weight-transfer capacity in adult with hemiparesis[J].Phys Ther,1994,7(4):647-659.

[33]Olney SJ,Richards C.Hemiparetic gait following stroke,part I:Characteristics[J].Gait Posture,1996,4(2):136-148.

[34]Cheng PT,Liaw MY,Wong MK,et al.The sit-to stand movement in stroke patients and its correlation with falling[J].Arch Phys Med Rehabil,1998,7(9):1043-1046.

[35]Nyberg L,Gustafson Y.Fall prediction index for patients in stroke rehabilitation[J].Stroke,1997,2(8):716-721.

[36]Winstein CJ,Gardner ER,McNeal DR,et al.Standing balance training:effect on balance and locomotion in hemiparetic adults[J].Arch Phys Med Rehabil,1989,70(10):755-762.

[37]徐華平,馮珍.康復醫(yī)學中平衡功能評定的研究進展[J].南昌大學學報(醫(yī)學版),2011,51(1):86-89.

Application of Virtual Reality in Balance Rehabilitation for Stroke(review)

SUN Ran,ZHANG Tong.Capital Medical University School of Rehabilitation Medicine,Department of Neurological Rehabilitation,Beijing Bo′ai Hospital,China Rehabilitation Research Centre,Beijing 100068,China

This paper briefly introduced the characteristics,origin and development of virtual reality,and the value for rehabilitation;reviewed the application of virtual reality in the rehabilitation of balance function after stroke.Some assessment commonly used for balance function were summarized.

stroke;virtual reality;balance;rehabilitation;review

R743.3

A

1006-9771(2014)01-0037-04

2013-10-14

2013-11-07)

中國康復研究中心科研項目(No.2013-16)。

1.首都醫(yī)科大學康復醫(yī)學院，北京市100068；2.中國康復研究中心北京博愛醫(yī)院神經(jīng)康復科，北京市100068。作者簡介：孫然(1989-)，女，漢族，江蘇鹽城市人，碩士研究生，主要研究方向：神經(jīng)康復。通訊作者：張通，男，北京市人，博士，博士生導師，主任醫(yī)師。

10.3969/j.issn.1006-9771.2014.01.010