虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在腦卒中運(yùn)動(dòng)康復(fù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

王宏圖

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在腦卒中運(yùn)動(dòng)康復(fù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

王宏圖

腦卒中患者的運(yùn)動(dòng)康復(fù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)新領(lǐng)域。研究者們研制和利用不同的虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)，對(duì)可能的影響因素進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn)，光流速度、輸出設(shè)備差異和提供反饋的類型均影響虛擬治療的效果。對(duì)不同病程腦卒中患者療效的研究證實(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅能夠改善腦梗死偏癱患者的上肢和下肢運(yùn)動(dòng)功能，而且能夠提高患者的日常生活能力；與機(jī)器人、減重平板訓(xùn)練等聯(lián)合使用的初步結(jié)果安全有效。并在影像學(xué)研究方面找到支持使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的部分證據(jù)。這些研究對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用前景具有重要的臨床意義。

腦卒中；康復(fù)；虛擬現(xiàn)實(shí)；運(yùn)動(dòng)；綜述

[本文著錄格式]王宏圖.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在腦卒中運(yùn)動(dòng)康復(fù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].中國康復(fù)理論與實(shí)踐,2014,20(10):911-915.

始于20世紀(jì)60年代的虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)技術(shù)研究成為近年來十分活躍的領(lǐng)域，是21世紀(jì)重要的發(fā)展學(xué)科和影響人們生活的重要技術(shù)之一。它涉及眾多學(xué)科新的實(shí)用技術(shù)，集先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感與測(cè)量技術(shù)、仿真技術(shù)和微電子技術(shù)于一體。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的原理和軟、硬件設(shè)備分類

虛擬現(xiàn)實(shí)是由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一個(gè)集多種感官刺激于一體的沉浸交互式虛擬環(huán)境，使用者借助必要的輸入設(shè)備以自然的技能(如手的揮動(dòng)、身體的運(yùn)動(dòng)等)，從各個(gè)角度操作三維虛擬環(huán)境中的物體，同時(shí)從輸出反饋設(shè)備中得到視覺、聽覺或觸覺等多種感覺的反饋，使用者可進(jìn)行下一步操作，這樣達(dá)到實(shí)時(shí)交互，產(chǎn)生身臨該虛擬環(huán)境的感受與體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三個(gè)基本特征為3I，即沉浸(Immersion)、交互(Interaction)和想象(Imagination)[1]。

沉浸是指使用者通過多種方式與計(jì)算機(jī)所創(chuàng)造的虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，全身心地沉浸在計(jì)算機(jī)所生成的三維虛擬環(huán)境中，產(chǎn)生身臨其境的感覺。交互是指使用者與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行相互作用。想象是使用者沉浸虛擬環(huán)境中，獲取新的知識(shí)，提高感性和理性認(rèn)識(shí)，產(chǎn)生新的創(chuàng)意和思想。

硬件設(shè)備在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展中具有非常重要的作用。一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要由信號(hào)輸入和輸出反饋兩個(gè)部分組成。輸入設(shè)備可以是鍵盤、數(shù)據(jù)手套、立體鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)衣等；輸出反饋設(shè)備可以是頭盔顯示器(head mounted display,HMD)、桌面顯示器、大屏幕投影(screen projection systems,SPS)等。根據(jù)沉浸的程度，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分為沉浸系統(tǒng)和非沉浸系統(tǒng)。沉浸系統(tǒng)利用SPS、HMD、洞穴系統(tǒng)或視頻捕捉系統(tǒng)等進(jìn)行互動(dòng)；非沉浸系統(tǒng)則通過鼠標(biāo)或觸覺設(shè)備、力量傳感器等與虛擬環(huán)境互動(dòng)[2]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展與虛擬現(xiàn)實(shí)軟件相輔相成。OpenGL是通用共享的開放式三維圖形標(biāo)準(zhǔn)，常與Visual C++緊密接口；WorldToolKit(WTK)提供完整的三維虛擬環(huán)境開發(fā)平臺(tái)；Virtools是一套具備豐富的互動(dòng)行為模塊的實(shí)時(shí)3D環(huán)境虛擬實(shí)境編輯軟件；Vega主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)視覺模擬；Open Inventor是面向?qū)ο蠛徒换ナ降膶I(yè)3D圖形開發(fā)工具包；OpenGVS用于場(chǎng)景圖形的實(shí)時(shí)開發(fā)；EON是實(shí)時(shí)視覺效果與物理機(jī)制以及真實(shí)人體動(dòng)作的有機(jī)結(jié)合體[3]。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)勝于康復(fù)的作用機(jī)制和優(yōu)點(diǎn)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于康復(fù)治療時(shí)涉及重復(fù)、反饋和動(dòng)機(jī)三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。反復(fù)練習(xí)是康復(fù)治療中學(xué)會(huì)一項(xiàng)運(yùn)動(dòng)技能的首要因素，但僅僅不斷重復(fù)訓(xùn)練是不夠的，還必須逐步獲得成功的反饋和體驗(yàn)。視覺和本體感覺所提供的反饋，可以強(qiáng)化練習(xí)者在練習(xí)中的正確行為，維持練習(xí)者的動(dòng)機(jī)水平和積極性，并獲得愉快的成功情緒體驗(yàn)，促使其不間斷地練習(xí)直至習(xí)得該行為。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了重復(fù)練習(xí)、成績反饋和維持動(dòng)機(jī)三個(gè)關(guān)鍵要素的技術(shù)手段。

傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練耗費(fèi)人力、物力較大，并且治療是一對(duì)一的；治療必須在醫(yī)院或康復(fù)中心等專門的機(jī)構(gòu)進(jìn)行；訓(xùn)練強(qiáng)度和訓(xùn)練效果不易評(píng)估，訓(xùn)練場(chǎng)所和日常生活場(chǎng)所的差異不利于患者日常生活的康復(fù)；治療過程枯燥單一，不易引起患者的興趣，并受患者依從性制約。

與之相比較，虛擬現(xiàn)實(shí)的優(yōu)勢(shì)在于：①以自然方式與多種感官刺激的虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互，使被動(dòng)治療成為患者的主動(dòng)治療；②一致性強(qiáng)，比治療師更有耐心，患者可以反復(fù)觀察模仿練習(xí)；③虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)保障患者康復(fù)運(yùn)動(dòng)的安全性，減少了在真實(shí)環(huán)境中由錯(cuò)誤操作導(dǎo)致的危險(xiǎn)；④虛擬環(huán)境沉浸感強(qiáng)，內(nèi)容豐富，反饋形式多樣，使枯燥單調(diào)的運(yùn)動(dòng)康復(fù)過程更輕松、更有趣和更容易；⑤虛擬現(xiàn)實(shí)允許個(gè)性化設(shè)置，將運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、心理治療及功能測(cè)評(píng)有機(jī)地結(jié)合起來，制定個(gè)體化康復(fù)訓(xùn)練計(jì)劃；⑥虛擬環(huán)境中獲得的運(yùn)動(dòng)技能可更好地遷移到現(xiàn)實(shí)環(huán)境中[4-6]。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在腦卒中患者運(yùn)動(dòng)康復(fù)中的應(yīng)用

腦卒中患者的肢體運(yùn)動(dòng)康復(fù)是近年來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的熱門領(lǐng)域[7]。國內(nèi)外的研究已經(jīng)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在該領(lǐng)域進(jìn)行探討，取得一定的臨床資料和治療成效。

3.1 下肢

重新恢復(fù)步行是腦卒中患者最重要的康復(fù)目標(biāo)之一。步行康復(fù)標(biāo)準(zhǔn)治療包括任務(wù)導(dǎo)向性訓(xùn)練、減重平板步行訓(xùn)練和訓(xùn)練步態(tài)前活動(dòng)。包括虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在內(nèi)的創(chuàng)新型技術(shù)正在用來輔助腦卒中后患者的步行康復(fù)。

Deutsch等首先使用力反饋的虛擬設(shè)備RutgersAnkle對(duì)1例腦卒中后9個(gè)月、依靠助行架的69歲男性患者進(jìn)行踝關(guān)節(jié)控制駕駛虛擬飛機(jī)和小船的康復(fù)訓(xùn)練。研究發(fā)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練不僅提高該患者的踝背屈力量、外翻力矩和功率，而且改善患者的上下樓梯能力。由于研究中使用了Stewart平臺(tái)機(jī)器人支持，故不能證明取得的療效是應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)果[8]。Mirelman等使用同樣的虛擬設(shè)備對(duì)腦卒中后1年以上的部分足背屈、無輔助下步行15 m以上、大部分佩戴矯形器的患者進(jìn)行對(duì)照觀察發(fā)現(xiàn)，與單獨(dú)使用Stewart平臺(tái)機(jī)器人訓(xùn)練相比，機(jī)器人聯(lián)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅改善患者在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的步速和步行距離等時(shí)間參數(shù)，而且改善患者的社區(qū)內(nèi)步行；該療效能維持到治療后3個(gè)月并實(shí)現(xiàn)部分患者無限制社區(qū)內(nèi)步行[9]。進(jìn)一步的運(yùn)動(dòng)學(xué)和運(yùn)動(dòng)力學(xué)研究證實(shí)，接受機(jī)器人聯(lián)合虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練的腦卒中偏癱患者在足跟離地時(shí)踝關(guān)節(jié)功效增加更明顯；踝的關(guān)節(jié)活動(dòng)度改善更明顯；站立相和擺動(dòng)相的患側(cè)膝關(guān)節(jié)活動(dòng)度改善更大；髖關(guān)節(jié)則沒有明顯變化。大部分動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)變化保持到3個(gè)月隨訪時(shí)[10]。上述結(jié)果不僅證實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的效果，還提示療效的持續(xù)性，可為腦卒中患者的康復(fù)訓(xùn)練重點(diǎn)提供指導(dǎo)。

Yang等[11]和Walker等[12]均使用運(yùn)動(dòng)平板前的電視屏幕為參與者顯示沿街道行走感覺的虛擬環(huán)境，并用頭盔式傳感器提供姿勢(shì)反饋。研究觀察到，與僅進(jìn)行平板訓(xùn)練的參與者相比，虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合減重平板訓(xùn)練的腦卒中患者在步行速度和社區(qū)步行測(cè)試上獲得更大的改善，日?；顒?dòng)功能得到更大提高。Kizony等利用CAREN系統(tǒng)生成虛擬商店走廊，并對(duì)社區(qū)居住、腦卒中后3個(gè)月以上、能在自動(dòng)調(diào)速的平板上步行和簡易精神狀態(tài)檢查(MMSE)評(píng)分≥25的患者進(jìn)行雙重任務(wù)(認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)活動(dòng))對(duì)步態(tài)影響的對(duì)照觀察。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論是只進(jìn)行平板訓(xùn)練還是平板訓(xùn)練同時(shí)完成在虛擬商店中購買商品的雙重任務(wù)，腦卒中組均比健康對(duì)照組步行慢、步速的變異性更大和步長更短。雙重任務(wù)條件中，步速和步長有提高的趨勢(shì)；購買一件商品的雙重任務(wù)條件中發(fā)現(xiàn)步速和步幅時(shí)間變異性有顯著改善。因此，建議使用虛擬環(huán)境中的雙重任務(wù)改善腦卒中患者的步行功能及日常生活活動(dòng)能力[13]。

腦卒中后的步態(tài)時(shí)空不對(duì)稱性大部分不能改變。Lewek等使用速度不同的雙履帶平板在虛擬環(huán)境中訓(xùn)練腦卒中患者，并通過GaitRite軟件分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過6周訓(xùn)練，1例18個(gè)月前腦卒中致左側(cè)偏癱、有心律不齊既往史的60歲男性患者的步長對(duì)稱性明顯改善；另1例21個(gè)月前腦卒中致右側(cè)偏癱、既往患心內(nèi)膜炎并接受過瓣膜修補(bǔ)手術(shù)的53歲女性的站立相對(duì)稱性明顯改善[14]。該結(jié)果提示，可通過“旋轉(zhuǎn)”虛擬環(huán)境提供的視覺反饋和不同速度平板履帶提供的本體感覺反饋的時(shí)空非對(duì)稱性組合反饋，改善腦卒中慢性期的步態(tài)。但是，缺乏對(duì)照降低了該結(jié)果的信度。

國內(nèi)學(xué)者將MyoTrac Train治療儀、Sunlight-Tetrax平衡儀桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生物反饋系統(tǒng)應(yīng)用于腦卒中后3周內(nèi)患者中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)康復(fù)比較，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)明顯改善患者的肢體運(yùn)動(dòng)功能，提高患者日常生活能力[15-16]。該研究中沒有詳細(xì)描述腦卒中患者的人口學(xué)特征和疾病史。肖湘等利用街道、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、公園、森林、海景、沙漠、湖泊、城堡等虛擬場(chǎng)景對(duì)腦卒中患者同步進(jìn)行減重步行訓(xùn)練(VR+BWSTT)。12例腦卒中后3個(gè)月內(nèi)、輔助步行10 m以上的患者分為實(shí)驗(yàn)組(VR+ BWSTT)和常規(guī)組(常規(guī)物理治療)，6名正常人作為正常對(duì)照。經(jīng)過3周訓(xùn)練，Vicon Nexus三維步態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，VR+BWSTT和常規(guī)物理治療均改善腦卒中患者的步態(tài)；但VR+BWSTT在改善腦卒中患者的步長不對(duì)稱性、髖關(guān)節(jié)最大后伸角方面更有優(yōu)勢(shì)[17]。該研究沒有提及虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備類型。張廷峰使用MR Cube運(yùn)動(dòng)控制魔方結(jié)合功能訓(xùn)練對(duì)腦卒中1個(gè)月內(nèi)患者進(jìn)行膝關(guān)節(jié)控制訓(xùn)練的對(duì)照研究。結(jié)果顯示，經(jīng)過8周訓(xùn)練，與常規(guī)康復(fù)治療組相比，使用MR Cube運(yùn)動(dòng)控制魔方訓(xùn)練的患者下肢運(yùn)動(dòng)功能和平衡功能均有改善[18]。但由于該研究中同時(shí)使用肌電生物反饋儀，故結(jié)果缺乏說服力。

3.2 上肢和手功能

盡管已有的證據(jù)顯示，腦卒中康復(fù)治療的強(qiáng)度增加引起更好的運(yùn)動(dòng)恢復(fù)，但是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)腦卒中上肢康復(fù)影響的證據(jù)甚少。

Jack等首次將Cyber-Glove和Rutgers Master II-ND(RMII)力反饋手套與WTK圖像庫組合的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)用于腦卒中后手功能的康復(fù)。對(duì)2例左側(cè)大腦半球梗死、右利手、3年以上病程、2年內(nèi)未接受過治療的患者進(jìn)行2周虛擬訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)每位患者拇指的運(yùn)動(dòng)范圍、肌力、手指的分離運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)速度均有顯著改善。證明該訓(xùn)練系統(tǒng)在改善腦卒中患者手功能方面的有效性和可行性[19]。但訓(xùn)練時(shí)穿插畫圖、堆卡片等現(xiàn)實(shí)環(huán)境訓(xùn)練，故不能證明取得的療效是虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練的結(jié)果。

腦卒中后應(yīng)加強(qiáng)上臂和手熟練運(yùn)動(dòng)的干預(yù)。在使用新型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的一個(gè)可行性研究中，Stewart等使用OpenGL和Ghost在C++編程4個(gè)3D可視性沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)任務(wù)——擊球、對(duì)捏、旋轉(zhuǎn)魔方和伸手接住正方體，對(duì)2例70歲以上、病程超過2年的腦卒中偏癱患者進(jìn)行訓(xùn)練，證實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)可提高患者的上肢運(yùn)動(dòng)能力，但沒有影響殘疾水平?？紤]可能與任務(wù)編程中手的訓(xùn)練項(xiàng)目少而上臂的訓(xùn)練項(xiàng)目多有關(guān)[20]。Subramanian等利用CAREN VR模擬系統(tǒng)的虛擬電梯操作場(chǎng)景，分別使用HMD和SPS進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)發(fā)現(xiàn)，無論健康人還是1年以上的腦卒中偏癱患者，Optotrak系統(tǒng)記錄的上肢終點(diǎn)軌跡直線性、肩關(guān)節(jié)屈曲和肩關(guān)節(jié)水平內(nèi)收范圍和矢狀位軀干位移沒有差異；但是在垂直方向，與使用SPS比較，使用HMD時(shí)錯(cuò)誤更多、動(dòng)作更慢和肘關(guān)節(jié)伸展范圍更小。提示不同的輸出設(shè)備影響虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練的效果[21]。

van den Hoogen等在驗(yàn)證使用3D觸覺互動(dòng)設(shè)備進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)虛擬環(huán)境兩個(gè)特征對(duì)療效的影響——立體可視化(單屏圖像顯示vs.立體圖像顯示)和圖形環(huán)境(2.5D vs.3D)的研究中發(fā)現(xiàn)，訓(xùn)練任務(wù)要求動(dòng)作深度時(shí)，虛擬環(huán)境中使用立體顯示受益明顯；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，就患者的運(yùn)動(dòng)而言，2.5D環(huán)境產(chǎn)生的效率和準(zhǔn)確性較高。但是訓(xùn)練任務(wù)不要求動(dòng)作深度時(shí)，3D顯示并不帶來益處[22]。由此可見，虛擬任務(wù)的設(shè)計(jì)、布局以及輸出設(shè)備和虛擬環(huán)境的類型均影響患者的功能恢復(fù)。

上肢預(yù)后恢復(fù)不滿意爭(zhēng)議之一可能是由于正常手功能的感覺加工和運(yùn)動(dòng)輸出復(fù)雜。Merians等設(shè)計(jì)融合上臂、腕關(guān)節(jié)和手指運(yùn)動(dòng)的4個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練模塊——混沌彈球、捕捉蜂鳥、敲木錘和演奏虛擬鋼琴，并與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合起來，對(duì)12例腦卒中后6個(gè)月以上、腕關(guān)節(jié)背伸大于10°、手指伸展10°以上的患者進(jìn)行8 d的訓(xùn)練。運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)果和臨床評(píng)估表明，患者肢體近端穩(wěn)定性提高，運(yùn)動(dòng)路線平滑度和效率提高，偏癱手功能明顯改善[23]。該研究中虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)器人治療比常規(guī)治療或提供更多的訓(xùn)練。觀察融合功能性電刺激(functional electrical stimulation,FES)、機(jī)器人和虛擬現(xiàn)實(shí)三種技術(shù)的3D康復(fù)平臺(tái)(SAIL)對(duì)5例腦卒中半年以上、不能伸肘伸手抓握患者的上肢影響時(shí)，Meadmore等為患者提供在虛擬環(huán)境中追蹤一只沿設(shè)定軌跡移動(dòng)的球的訓(xùn)練。經(jīng)過18個(gè)階段的訓(xùn)練，不僅發(fā)現(xiàn)SAIL的可行性，而且發(fā)現(xiàn)腦卒中患者訓(xùn)練后Fugl-Meyer評(píng)分改善，電刺激輔助和無電刺激輔助的虛擬訓(xùn)練時(shí)表現(xiàn)改善，輔助訓(xùn)練的電刺激量下降[24]。Shiri等則把虛擬現(xiàn)實(shí)和鏡像反饋結(jié)合起來，在C++環(huán)境下開發(fā)自我面孔識(shí)別動(dòng)作捕捉系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用一只虛擬上臂模擬癱瘓的上臂，并通過鏡像實(shí)現(xiàn)患者癱瘓上臂做很小的動(dòng)作就能看到虛擬環(huán)境中自己完成正常的全關(guān)節(jié)活動(dòng)。虛擬場(chǎng)景為摘水果、把物品分類上架、躲避炸彈接錢等。6例腦卒中后6個(gè)月內(nèi)的患者接受常規(guī)康復(fù)的同時(shí)完成10個(gè)節(jié)段的虛擬現(xiàn)實(shí)治療，虛擬訓(xùn)練中的表現(xiàn)和治療前、治療1周和3個(gè)月后隨訪，包括Brunnstrom分期、Fugl-Meyer評(píng)分、SF-36等在內(nèi)的一系列臨床功能評(píng)估結(jié)果不僅證實(shí)該系統(tǒng)是安全、可行的，而且證實(shí)患者的神經(jīng)學(xué)狀態(tài)和功能得到全面改善[25]。以上研究說明，隨著科技進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和多種技術(shù)的綜合使用，有利于腦卒中慢性期患者上肢和手運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)。缺乏對(duì)照條件影響說服力。

Cameir?o等在開發(fā)以虛擬現(xiàn)實(shí)為基礎(chǔ)的神經(jīng)康復(fù)程序(Rehabilitation Gaming System,RGS)研究中設(shè)計(jì)了兩只虛擬上臂在一個(gè)春天般的綠色虛擬環(huán)境中追逐移動(dòng)球的訓(xùn)練。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，RGS能被腦卒中患者高度接受，且其關(guān)鍵成分PTM(Personalized Training Module)允許在線自動(dòng)調(diào)節(jié)任務(wù)的難度，并捕捉使用者雙上臂的特殊特征。與健康人相比，腦卒中患者癱瘓側(cè)上臂活動(dòng)范圍更小、速度更慢，非癱瘓側(cè)上臂僅表現(xiàn)為速度明顯減慢。20 min訓(xùn)練的結(jié)果顯示，健康對(duì)照組在虛擬環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)速度下降，而腦卒中組不變。腦卒中患者現(xiàn)實(shí)環(huán)境中雙上臂之間的相對(duì)速度差異保留到虛擬環(huán)境中[26]。該研究中腦卒中患者的病程均在3個(gè)月以上。使用同樣的RGS系統(tǒng)訓(xùn)練，da Silva Cameir?o等在腦卒中后3周內(nèi)、上肢中重度損傷(英國醫(yī)學(xué)研究委員會(huì)肌力分級(jí)2～3級(jí))患者中的對(duì)照研究中觀測(cè)到，與常規(guī)治療相比，RGS提高癱瘓上臂的速度更快，呈對(duì)數(shù)類型地持續(xù)改善。隨時(shí)間推移，RGS組癱瘓側(cè)上臂的表現(xiàn)接近非癱瘓上臂。明顯的組間差異在隨訪時(shí)消失(治療結(jié)束后12周)，提示RGS優(yōu)先加快腦卒中后的恢復(fù)[27]。在此基礎(chǔ)上，向腦卒中后1年以上、上肢中重度損傷的患者推廣RGS時(shí)，Cameir?o等進(jìn)行了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的視覺追蹤(標(biāo)準(zhǔn)配置)、觸覺和被動(dòng)外骨骼支持3種不同配置的訓(xùn)練，對(duì)腦卒中患者上肢恢復(fù)影響的研究發(fā)現(xiàn)，視覺、觸覺反饋組合改善患者的功能最明顯，并且這種改善能夠保持到治療后12周隨訪時(shí)[28]。上述研究成果為腦卒中不同時(shí)期的虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)策略設(shè)計(jì)提供了重要參考。

Turolla等對(duì)376例大腦中動(dòng)脈區(qū)首次腦卒中且意大利版美國國立衛(wèi)生研究院卒中量表評(píng)分上肢運(yùn)動(dòng)子部分在1～3分的住院患者(實(shí)驗(yàn)組263例，對(duì)照組113例)進(jìn)行前瞻性對(duì)照觀察。實(shí)驗(yàn)組每天接受各1 h的上肢常規(guī)治療和虛擬現(xiàn)實(shí)治療，而對(duì)照組為每天2 h的常規(guī)治療。訓(xùn)練4周后發(fā)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)聯(lián)合上肢常規(guī)治療獲得的改善明顯高于單獨(dú)上肢常規(guī)治療。這是目前文獻(xiàn)中證明腦卒中后虛擬現(xiàn)實(shí)有效的最大樣本試驗(yàn)[29]。但資料收集時(shí)間超過10年是本研究一個(gè)較大的局限。

大多數(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)研究設(shè)備復(fù)雜、價(jià)格昂貴，并需要專門人員。商用虛擬游戲系統(tǒng)成為研究者關(guān)注的方向。Saposnik等觀察Wii系統(tǒng)(Nintendo Wii gaming system)對(duì)腦卒中后1個(gè)月內(nèi)患者的訓(xùn)練效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，2周治療期間沒有不良事件，并且Wii組患者的上肢功能改善更明顯[30]。故推薦VRWii系統(tǒng)作為促進(jìn)腦卒中后上肢運(yùn)動(dòng)恢復(fù)的一個(gè)康復(fù)手段。在腦卒中后1年以上，患側(cè)拇指、肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的隨意屈曲運(yùn)動(dòng)活動(dòng)范圍≥10°的患者中，Mouawad等進(jìn)一步觀察到Wii游戲治療明顯改善患者的上肢主被動(dòng)關(guān)節(jié)活動(dòng)度。2個(gè)月后的隨訪結(jié)果證實(shí)患者的上肢功能繼續(xù)改善，提示以Wii為基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)治療有持續(xù)的療效[31]。在該研究中，患者在家中使用第2套Wii系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練。上述研究結(jié)果為出院在家居住和在偏遠(yuǎn)農(nóng)村居住的患者進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)治療提供了事實(shí)依據(jù)。

國內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用較晚。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)上肢訓(xùn)練結(jié)合常規(guī)作業(yè)治療能更好地改善腦卒中恢復(fù)期患者偏癱上肢的運(yùn)動(dòng)功能，更有效地提高患者的日常生活活動(dòng)能力[32-33]。聯(lián)合開發(fā)的虛擬廚房操作避免了真實(shí)廚房操作時(shí)發(fā)生的跌倒、被物體碰傷及被開水燙傷等危險(xiǎn)，更好地保證了訓(xùn)練的安全性[33]。進(jìn)一步的表面肌電分析證實(shí)，虛擬廚房上肢訓(xùn)練結(jié)合常規(guī)作業(yè)治療能更好地增強(qiáng)腦卒中恢復(fù)期患者偏癱上肢伸肘力量，改善肘關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性[34]。李文等結(jié)合表面肌電信號(hào)與Visual C++環(huán)境下開發(fā)的飛機(jī)射擊虛擬環(huán)境，并對(duì)腦卒中患者進(jìn)行訓(xùn)練嘗試，發(fā)現(xiàn)這種組合認(rèn)同性高，并且康復(fù)效果明顯[35]。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在腦卒中康復(fù)中的作用機(jī)制

虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)訓(xùn)練越來越多地被用來改善腦卒中患者的運(yùn)動(dòng)功能，但是其促進(jìn)運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)的神經(jīng)機(jī)制尚不清楚。You等用fMRI和標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)測(cè)試來評(píng)估10例腦卒中后1年以上、膝關(guān)節(jié)伸展大于60°的患者使用IREX VR系統(tǒng)進(jìn)行上下樓梯、海底冒險(xiǎn)和滑板滑雪等虛擬訓(xùn)練前后興趣區(qū)偏側(cè)化指數(shù)的變化和運(yùn)動(dòng)恢復(fù)的程度，經(jīng)過4周20個(gè)節(jié)段的訓(xùn)練，結(jié)果顯示虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練可引起大腦損傷同側(cè)向?qū)?cè)轉(zhuǎn)移的感覺運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)重組[36]。這在腦卒中患者的運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)過程中起著重要的作用。Merians等在使用虛擬環(huán)境對(duì)偏癱上肢進(jìn)行康復(fù)的新方法的fMRI研究中也觀察到，虛擬鏡像反饋激活映射手對(duì)側(cè)的感覺運(yùn)動(dòng)皮層(移動(dòng)手同側(cè))，從而重組損傷的大腦半球[37]。但是Tunik等在對(duì)1例70歲、左側(cè)輕癱女性的患側(cè)上肢進(jìn)行2周10個(gè)節(jié)段的機(jī)器人聯(lián)合虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練中發(fā)現(xiàn)，訓(xùn)練后雙側(cè)大腦半球的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層均有明顯的激活[38]。上述結(jié)果說明，虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)腦卒中后皮層重組影響的機(jī)制尚有爭(zhēng)議，造成差異的原因可能是研究條件和方法的不同。

Kang等在對(duì)照研究中記錄受試者休息、使用真正鏡子和虛擬鏡子三種條件時(shí)的上肢橈側(cè)腕屈肌的運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位(motor evoked potential,MEP)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)腦卒中患者和健康受試者三種條件時(shí)的MEP振幅有明顯不同的類型，虛擬鏡像任務(wù)中MEP平均振幅的增加和平均潛伏期的縮短最明顯。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，無論是健康受試者還是腦卒中患者，與連續(xù)視覺反饋任務(wù)比較，間斷視覺反饋任務(wù)時(shí)MEP振幅更高，平均潛伏期更短。故他們認(rèn)為間斷視覺反饋的虛擬鏡像任務(wù)促進(jìn)皮層脊髓通路[39]。Bagce等則在腦卒中慢性期患者中發(fā)現(xiàn)，與虛擬圖像變大或不變相比，圖像變小明顯改善腦卒中患者的動(dòng)作表現(xiàn)和MEP振幅。提示虛擬反饋的圖像調(diào)節(jié)可能是選擇性調(diào)節(jié)M1活性一個(gè)強(qiáng)有力的方法[40]。由此可見，虛擬圖像的大小、提供反饋的形式均影響虛擬治療對(duì)大腦皮層的作用。

5 應(yīng)用前景

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于腦卒中患者的肢體康復(fù)訓(xùn)練已經(jīng)取得了一定成績。它具有反饋形式多樣、環(huán)境與真實(shí)環(huán)境相似、可重復(fù)性、操作安全等優(yōu)勢(shì)，使枯燥乏味的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練變得容易、輕松有趣。但是很多試驗(yàn)存在設(shè)計(jì)上的問題，包括樣本小、腦損傷的部位以及病理生理的選擇標(biāo)準(zhǔn)沒有一致的意見、腦卒中患者的病程長短不一、虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練方案缺乏科學(xué)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)等，需要具有大樣本量的臨床試驗(yàn)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)碾S機(jī)對(duì)照設(shè)計(jì)以及合理的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法等高質(zhì)量的研究來證實(shí)其價(jià)值[41]。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷完善以及相關(guān)技術(shù)的不斷融合，相信腦卒中患者的康復(fù)訓(xùn)練將日臻完善，腦卒中患者的運(yùn)動(dòng)功能將得到更好的康復(fù)。

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Status of Application of Virtual Reality Technique in Motor Rehabilitation in Stroke(review)

WANG Hong-tu.Department of Rehabilitation Medicine,Tianjin Huanhu Hospital,Tianjin 300060,China

Using virtual reality(VR)-based technology in motor rehabilitation for stroke patients is a new field.The researchers developed different kinds of VR-based training systems and used those existed.They found some possible variables that influenced outcome,including optic flow,different output device and feedback type that provided.The data from the stroke patients with hemiparesis in different stages demonstrated that training with VR-based training paradigms contributed in motor function and activities of daily living.Moreover, they also proved that training with VR-based training systems combined with robot and/or partial body weight-supported treadmill training was safe and effective.It also presented some evidences that supported VR-based technology in the neuroimaging studies.Overall,these studies had important clinical implications for the development of future VR training protocols.

stroke;rehabilitation;virtual reality;motor;review

10.3969/j.issn.1006-9771.2014.10.004

R743.3

A

1006-9771(2014)10-0911-05

2013-11-25

2014-01-06)

天津市環(huán)湖醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，天津市300060。作者簡介：王宏圖(1972-)，男，漢族，河北唐山市人，碩士，副主任醫(yī)師，主要研究方向：神經(jīng)康復(fù)。