虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在腦卒中患者運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)展

謝藝婷，柳維林，吳勁松，陶靜

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在腦卒中患者運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)展

謝藝婷，柳維林，吳勁松，陶靜

腦卒中后運(yùn)動(dòng)功能障礙嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新興康復(fù)治療策略，能夠改善腦卒中患者的關(guān)節(jié)活動(dòng)度、運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確度、平衡能力以及異常步態(tài)等。

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

全世界每年大約有67%腦卒中生存者遺留運(yùn)動(dòng)功能障礙[1]。我國腦卒中患者平均年齡呈逐漸降低趨勢(shì)，且發(fā)病年齡比美國提早十余年[2]，其中約1/2患者存在不同程度運(yùn)動(dòng)功能障礙，嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量，也給家庭和社會(huì)帶來巨大經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[3]。針對(duì)腦卒中運(yùn)動(dòng)功能障礙，傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練，如運(yùn)動(dòng)再學(xué)習(xí)、Bobath技術(shù)等，通常需要大量人力投入，且治療過程單調(diào)乏味，治療效果不易評(píng)估，患者依從性差。

虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)是一種新興的技術(shù)，因其具有安全性高、趣味性強(qiáng)、及時(shí)評(píng)估反饋等特點(diǎn)，在腦卒中運(yùn)動(dòng)功能障礙的康復(fù)中得到應(yīng)用。

2008年卒中康復(fù)執(zhí)行概要循證回顧(Evidence-Based Review of Stroke Rehabilitation Executive Summary,EBRSR)建議使用VR改善腦卒中患者運(yùn)動(dòng)功能障礙，推薦強(qiáng)度為A[4]。目前，應(yīng)用VR改善腦卒中運(yùn)動(dòng)功能障礙成為研究熱點(diǎn)[5]。VR是一種新的康復(fù)訓(xùn)練策略，被認(rèn)為是改善腦卒中后運(yùn)動(dòng)功能障礙的一種愉悅的替代方案[6]。國內(nèi)外已經(jīng)對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行探討，并獲得一定臨床數(shù)據(jù)。

1 上肢康復(fù)

腦卒中后上肢功能的恢復(fù)一直是臨床上較難解決的問題。有研究表明，15%腦卒中幸存者的手功能可以恢復(fù)到原來的一半左右，僅3%患者可以恢復(fù)70%以上[7]。約85%腦卒中患者在初次得病時(shí)就出現(xiàn)上肢功能障礙[8]，約30%～36%腦卒中患者在發(fā)病后6個(gè)月仍有上肢功能障礙，其中僅11.6%患者的上肢功能能夠得到完全恢復(fù)[9]。

VR起初主要用于肩肘關(guān)節(jié)；隨著手部傳感設(shè)備的出現(xiàn)，VR手功能康復(fù)系統(tǒng)也開始發(fā)展。臨床研究證明，VR有助于腦卒中患者上肢運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)[10-13]。

1.1 基于VR的上肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)

國內(nèi)基于VR的上肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)尚處于初步發(fā)展階段，但已經(jīng)取得一些成果[14-16]。

瞿暢等[17]研發(fā)的基于Kinect的上肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，用于改善腦卒中患者上肢肩、肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能障礙。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了數(shù)字匹配、抓面包、拼圖大師三個(gè)游戲項(xiàng)目，患者通過玩游戲進(jìn)行訓(xùn)練。腦卒中患者在常規(guī)訓(xùn)練的基礎(chǔ)上加用該系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)，2周后患者Fugl-Meyer上肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)分及Wolf評(píng)分均較對(duì)照組高。丁偉利等[18]也開發(fā)了一套基于Kinect的上肢虛擬康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)訓(xùn)練初期動(dòng)作要盡可能簡單，然后再逐漸加難的原則設(shè)計(jì)10個(gè)典型動(dòng)作，并允許患者選擇用左手、右手或雙手進(jìn)行訓(xùn)練。通過對(duì)腦卒中患者為期15 d的康復(fù)，證明該系統(tǒng)有效。

大連海事大學(xué)開發(fā)的基于VR的三自由度主動(dòng)式上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)是一套主動(dòng)康復(fù)系統(tǒng)[19]，采用末端牽引方式，主要針對(duì)不能完成自主活動(dòng)的患者。該機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)肩、肘關(guān)節(jié)的屈伸和肩關(guān)節(jié)的內(nèi)收外展。李晉等[20]研發(fā)基于VR的手功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，評(píng)估手關(guān)節(jié)的活動(dòng)度以及運(yùn)動(dòng)幅度。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了診斷簡單化、可視化，更重要的是可根據(jù)診斷結(jié)果讓患者在交互界面的提示下進(jìn)行相應(yīng)的康復(fù)訓(xùn)練，從而達(dá)到診斷、康復(fù)一體化。

國外上肢VR康復(fù)訓(xùn)練裝置出現(xiàn)較早，種類也較多[21-23]。麻省理工學(xué)院開發(fā)的麻省理工手(Massachusetts Institute of Technology-Manus,MIT-MANUS)是美國使用最廣泛的上肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備[24]，后來有學(xué)者將VR游戲融入其中[25]，但并沒有將該技術(shù)進(jìn)行推廣。Merians等[26]將VR與機(jī)器人融合，設(shè)計(jì)上肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，主要針對(duì)上臂、腕關(guān)節(jié)及手指關(guān)節(jié)。患者通過該系統(tǒng)進(jìn)行8 d訓(xùn)練，證實(shí)該系統(tǒng)可提高腦卒中患者的近端穩(wěn)定性、運(yùn)動(dòng)平滑度。Burdea等[27]開發(fā)Rutgers ArmⅡ康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，用于訓(xùn)練腕關(guān)節(jié)和掌指關(guān)節(jié)的屈伸，能改善腦卒中后期患者的功能[28]。

除了VR上肢康復(fù)機(jī)器人，將游戲機(jī)與VR結(jié)合用于康復(fù)治療的VR游戲機(jī)也流行起來。任天堂的VR Wii游戲機(jī)應(yīng)用最為廣泛，由無線控制桿、紅外線傳感器和顯示屏組成?？刂茥U內(nèi)的傳感器能夠根據(jù)患者的運(yùn)動(dòng)，改變游戲中人物的運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)行各種虛擬游戲[29]。眾多研究表明VR Wii游戲機(jī)能夠改善腦卒中患者上肢運(yùn)動(dòng)功能[30-31]。

1.2 改善關(guān)節(jié)活動(dòng)度

Subramanian等[10]將32例腦卒中患者隨機(jī)分成試驗(yàn)組和對(duì)照組，分別接受3D虛擬環(huán)境治療和普通物理環(huán)境治療。兩組患者均進(jìn)行用患手指向前方一手臂長的6個(gè)不同物體，訓(xùn)練類型、強(qiáng)度等相近，但虛擬環(huán)境能給患者提供各種感覺反饋。4周后，試驗(yàn)組肩關(guān)節(jié)外展和肘關(guān)節(jié)屈伸的改善更明顯。傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練強(qiáng)調(diào)進(jìn)行動(dòng)作分解練習(xí)，而沒有提供任務(wù)需求，很難將增加的關(guān)節(jié)活動(dòng)度與日常生活活動(dòng)聯(lián)系起來[32]。VR訓(xùn)練不僅可以提高關(guān)節(jié)活動(dòng)度，還能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)換到日?；顒?dòng)中。

Mouawad等[31]讓腦卒中患者進(jìn)行網(wǎng)球、高爾夫、拳擊、保齡球和棒球的Wii體育游戲，每天1 h實(shí)驗(yàn)室正式監(jiān)督訓(xùn)練，從第2天開始，患者利用家庭Wii系統(tǒng)進(jìn)行家庭訓(xùn)練，時(shí)間從每天30 min逐漸增加到每天180 min，連續(xù)10 d。訓(xùn)練后，患者上肢功能明顯提升，而且上肢主、被動(dòng)關(guān)節(jié)活動(dòng)度均增加，日常生活活動(dòng)能力提高。

1.3 改善上肢運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確度

Rojo等[33]利用音樂導(dǎo)向VR訓(xùn)練，讓腦卒中患者用8鍵迷你VR鋼琴訓(xùn)練手部精細(xì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)采用8音節(jié)VR鼓練習(xí)粗大運(yùn)動(dòng)。4周后，患者手敲擊速度加快，頻率提高，手指敲擊運(yùn)動(dòng)更流利。

Szturm等[34]對(duì)患者進(jìn)行交互式運(yùn)動(dòng)游戲，讓其用患側(cè)手指滾動(dòng)圓柱形和錐形物體，以及具有不同直徑和表面特性的運(yùn)動(dòng)球，共15次，每周3次。訓(xùn)練后，患者完成動(dòng)作的數(shù)量增加，動(dòng)作幅度變大并更加穩(wěn)定。

Tong等[35]開發(fā)了意圖驅(qū)動(dòng)手功能任務(wù)訓(xùn)練機(jī)器人，2例慢性腦卒中患者共接受15次1.5 h任務(wù)訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)VR機(jī)器手五根獨(dú)立手指可幫助腕關(guān)節(jié)及手指單關(guān)節(jié)和多關(guān)節(jié)活動(dòng)，增加手指各關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)性，逐漸提高患手肌力和耐力。

Merians等[36]運(yùn)用VR訓(xùn)練模塊對(duì)腦卒中發(fā)病6個(gè)月以上、腕關(guān)節(jié)和手指背伸均大于10°的患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，共8 d。發(fā)現(xiàn)患側(cè)肢體近端穩(wěn)定性增加，平滑度及效率均有所提高，患手功能明顯改善。

1.4 改善上肢功能性活動(dòng)

2016年，美國心臟協(xié)會(huì)(American Heart Association,AHA)和美國卒中協(xié)會(huì)(American Stroke Association,ASA)發(fā)布了“成人腦卒中康復(fù)指南”[37]，其中VR康復(fù)技術(shù)應(yīng)用于腦卒中后上肢功能障礙為Ⅱa類B級(jí)推薦。大量研究表明，VR對(duì)腦卒中后上肢功能性活動(dòng)的恢復(fù)有積極意義[37-40]。

Yong等[41]用COTS交互式電腦游戲設(shè)備對(duì)腦卒中患者進(jìn)行訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)患者Fugl-Meyer運(yùn)動(dòng)功能評(píng)分、肌力指數(shù)(motricity index,MI)提高，且優(yōu)于傳統(tǒng)訓(xùn)練；問卷調(diào)查顯示，患者在進(jìn)行VR訓(xùn)練時(shí)更加愉快。

Turolla等[42]對(duì)腦卒中患者進(jìn)行上肢常規(guī)治療1 h和VR治療1 h，或常規(guī)治療2 h，發(fā)現(xiàn)VR能改善上肢功能，并將訓(xùn)練效果轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實(shí)生活中，從而提高患者生活質(zhì)量。

有少數(shù)文獻(xiàn)指出VR訓(xùn)練效果與傳統(tǒng)訓(xùn)練相比，并沒有明顯差別[13,43-44]，但VR能將改善的功能與日常生活活動(dòng)相聯(lián)系，符合康復(fù)的最終目的。

臨床上應(yīng)用的上肢VR系統(tǒng)種類繁多，配備的虛擬情境和硬件設(shè)施也有差異，但已有系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)診療一體化。雖然使用的VR設(shè)備不同，但訓(xùn)練一般選擇10～20次為1個(gè)訓(xùn)練療程，每次訓(xùn)練30～180 min。

2 下肢康復(fù)

腦卒中后下肢功能障礙往往影響患者生活質(zhì)量。其中平衡障礙是腦卒中后最普遍的下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙，而平衡功能差是導(dǎo)致跌倒風(fēng)險(xiǎn)增加的首要原因[45]。有研究指出，步行障礙是腦卒中后最嚴(yán)重的殘疾，改善步態(tài)也成為腦卒中后康復(fù)的首要目標(biāo)[46]。大量研究表明，VR康復(fù)訓(xùn)練可顯著改善偏癱患者下肢功能障礙及平衡能力[47-48]。

2.1 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的下肢康復(fù)系統(tǒng)

與上肢VR康復(fù)系統(tǒng)相比，基于VR技術(shù)的下肢康復(fù)系統(tǒng)相對(duì)較少。國外VR技術(shù)出現(xiàn)較早，VR康復(fù)系統(tǒng)也出現(xiàn)較早[49-50]。Koritnik等[51]研發(fā)了一套VR下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，由采集設(shè)備、虛擬鏡子等組成，虛擬鏡子上可以看到一個(gè)實(shí)體模型，一個(gè)半透明模型：其中實(shí)體模型為患者本身，半透明模型表示“虛擬導(dǎo)師”?；颊哂^察實(shí)體模型和“虛擬導(dǎo)師”的動(dòng)作差異進(jìn)行調(diào)整。張磊杰等[52]開發(fā)出基于VR的步態(tài)訓(xùn)練康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，引入虛擬游戲，使訓(xùn)練更具趣味性。東南大學(xué)研發(fā)出基于Unity3D與Kinect的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人情景交互系統(tǒng)[53]，通過輸入患者的體感信息來控制虛擬場景中的人物同步運(yùn)動(dòng)與交互。

2.2 改善平衡功能

伴隨經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平不斷提高，住院患者對(duì)醫(yī)院護(hù)理質(zhì)量也提出了更加嚴(yán)格的要求。尤其是老年住院患者，受年齡趨于老年化、病理不一以及少數(shù)患者生活無法自理等因素影響，在很大程度上增加了臨床護(hù)理工作的難度[1]。本文作者對(duì)50例實(shí)施護(hù)理風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估干預(yù)的老干部病房優(yōu)質(zhì)護(hù)理患者作出如下報(bào)道，以期為臨床相關(guān)研究提供部分參考數(shù)據(jù)?，F(xiàn)報(bào)告如下。

跌倒是腦卒中后較為明顯的并發(fā)癥，對(duì)腦卒中患者進(jìn)行平衡功能訓(xùn)練是必要的[54]。大量研究表明，VR能夠改善腦卒中患者的平衡能力[55-57]。

Singh等[58]讓腦卒中患者進(jìn)行傳統(tǒng)物理治療和VR平衡游戲，對(duì)照組每天僅進(jìn)行傳統(tǒng)物理治療，6周后結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)組Barthel指數(shù)評(píng)分比對(duì)照組高。

孫然等[59]利用STABLE-穩(wěn)定性平衡學(xué)習(xí)環(huán)境對(duì)腦卒中患者進(jìn)行平衡訓(xùn)練4周，結(jié)果表明，基于VR的平衡訓(xùn)練比傳統(tǒng)平衡訓(xùn)練效果更好。

Ding等[60]使用基于VR的強(qiáng)制誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)療法訓(xùn)練電腦游戲訓(xùn)練慢性腦卒中患者的平衡功能，表明VR可以用于改善平衡功能。

Caglio等[61]把以遠(yuǎn)程VR為基礎(chǔ)的平衡訓(xùn)練與在物理治療師陪同下的平衡功能訓(xùn)練進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)程VR平衡訓(xùn)練與常規(guī)平衡訓(xùn)練在改善腦卒中患者平衡功能上沒有明顯差別。

2.3 改善步態(tài)

腦卒中偏癱患者步態(tài)異常，通常表現(xiàn)為步長縮短、不對(duì)稱，步速緩慢以及步頻減小。VR能夠模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，給患者提供一種行于真實(shí)世界的感覺，患者也能夠模擬步行于城市道路、公園以及商店等。目前研究表明，VR在改善腦卒中患者步態(tài)方面有效[62-64]。

趙雅寧等[66]采用VR結(jié)合康復(fù)機(jī)器人對(duì)腦梗死患者進(jìn)行步態(tài)功能訓(xùn)練，訓(xùn)練結(jié)束后采用VR的患者Fugl-Meyer下肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)分較高。

Shema等[67]使用VR訓(xùn)練患者，5周后，患者2 min步行測試以及四方步測試(Four Square Step Test,FSST)成績均有提高。

陳佩順等[68]進(jìn)行隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)，治療組除給予常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練，還進(jìn)行VR訓(xùn)練，4周后發(fā)現(xiàn)，結(jié)合VR訓(xùn)練的患者運(yùn)動(dòng)能力、步行功能以及日常生活活動(dòng)能力均比僅接受傳統(tǒng)訓(xùn)練的患者改善更多。

總之，VR應(yīng)用于腦卒中下肢運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)有效。處方一般每周3～5次，每次30～120 min，共3～6周。但基于VR的下肢康復(fù)系統(tǒng)種類較少，且體積相對(duì)龐大，不利于廣泛使用。

3 小結(jié)

除小部分研究結(jié)果表明VR技術(shù)改善腦卒中運(yùn)動(dòng)障礙效果不明顯或無效，其余研究均證實(shí)VR技術(shù)的有效性，但也需要更多大樣本、多中心、設(shè)計(jì)科學(xué)、操作規(guī)范的高標(biāo)準(zhǔn)臨床隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)進(jìn)一步證明。研究也表明，并不是所有腦卒中患者都適合VR運(yùn)動(dòng)功能訓(xùn)練，因?yàn)槭褂肰R技術(shù)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練需要患者主動(dòng)參與，因此患者需具備一定的運(yùn)動(dòng)能力，通常Brunnstrom分期上肢≥Ⅲ期，手和下肢≥Ⅱ期，改良Ashworth痙攣量表評(píng)定肌張力≤Ⅱ級(jí)；患者不能有嚴(yán)重認(rèn)知功能障礙和視力障礙，能夠理解基本指令。

目前國內(nèi)運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練存在治療師匱乏、早期康復(fù)手段不完善、亞急性期和恢復(fù)期治療方法缺乏系統(tǒng)性，以及普及率低等現(xiàn)狀。VR的出現(xiàn)和發(fā)展為腦卒中患者運(yùn)動(dòng)康復(fù)提供了有效的治療手段。雖然國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)將診斷和康復(fù)相結(jié)合的VR康復(fù)設(shè)備，多數(shù)只能進(jìn)行簡單的人機(jī)交互；為了能夠采集更多運(yùn)動(dòng)信息，患者需要穿戴復(fù)雜的傳感設(shè)備，這容易讓患者產(chǎn)生抵觸心理；另外虛擬場景帶給患者的沉浸感不夠。研究已經(jīng)證明VR能夠改善腦卒中患者運(yùn)動(dòng)功能障礙。今后我們應(yīng)該設(shè)計(jì)針對(duì)腦卒中后運(yùn)動(dòng)障礙更加智能化的VR診療系統(tǒng)，更好地將運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估與康復(fù)訓(xùn)練整合，同時(shí)配備簡單輕便的硬件系統(tǒng)和生動(dòng)形象的3D動(dòng)畫角色。

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Application of Virtual Reality in Rehabilitation of Motor Function in Stroke Patients(review)

XIE Yi-ting,LIU Wei-lin,WU Jing-song,TAO Jing
College of Rehabilitation Medicine,Fujian University of Traditional Chinese Medicine,Fuzhou,Fujian 350122,China

TAO Jing.E-mail:taojing01@163.com

Motor dysfunction seriously affects the quality of life in stroke patients.Virtual reality,as a new strategy of rehabilitation,can be used to improve the range of motion of joint,movement accuracy,balance and gait,and so on,in stroke patients.

stroke;motor function;virtual reality;rehabilitation;review

10.3969/j.issn.1006-9771.2017.11.011

R743.3

A

1006-9771(2017)11-1294-05

[本文著錄格式] 謝藝婷，柳維林，吳勁松，等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在腦卒中患者運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)展[J].中國康復(fù)理論與實(shí)踐,2017,23(11):1294-1298.

CITED AS:Xie YT,Liu WL,Wu JS,et al.Application of virtual reality in rehabilitation of motor function in stroke patients(review)[J].Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2017,23(11):1294-1298.

福建省科技廳高校產(chǎn)學(xué)合作項(xiàng)目(No.2017Y4101)。

福建中醫(yī)藥大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院，福建福州市350122。作者簡介：謝藝婷(1993-)，女，漢族，福建安溪縣人，碩士研究生，主要研究方向：神經(jīng)康復(fù)與認(rèn)知科學(xué)。通訊作者：陶靜。E-mail:taojing01@163.com。

2017-07-17

2017-10-10)