虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在腦卒中康復(fù)的應(yīng)用

謝冬陽+管華宗+張國輝

【摘要】 本文旨在介紹虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在腦卒中后遺癥，包括認(rèn)知障礙、平衡功能障礙、步行功能障礙和上肢功能障礙康復(fù)中的應(yīng)用情況。通過綜述近十年來應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)于腦卒中后康復(fù)的研究，分析了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域未來的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。結(jié)果表明雖然虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于康復(fù)臨床仍有值得進(jìn)一步研究的地方，但近年來的一些隨機(jī)對(duì)照臨床實(shí)驗(yàn)研究表明，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于腦卒中后的康復(fù)是有效的。

【關(guān)鍵詞】 虛擬現(xiàn)實(shí)； 腦卒中； 康復(fù)

【Abstract】 The aim of the review is to introduce the application of virtual reality（VR） technology on rehabilitation for stroke sequelae including cognitive impairment，balance dysfunction，walking dysfunction and upper limb dysfunction.Studies of VR application on stroke sequelae conducted over the past ten years were reviewed，compared with the traditional rehabilitation methods，analyzed the advantages and disadvantages of virtual reality technology and prospected the future development of virtual reality technology in the field of rehabilitation medicine.The few randomized controlled trials that have been completed show that some applications are effective on the rehabilitation for stroke patients by virtual reality technology although further study is needed.

【Key words】 Virtual reality； Stroke； Rehabilitation

First-authors address：Yueyang Hospital of Integrated Traditional Chinese and Western Medicine，Shanghai University of Traditional Chinese Medicine，Shanghai 200437，China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2017.29.035

腦卒中（stroke）又稱腦中風(fēng)或腦血管意外（cerebrovascular accident，CVA），是指急性起病，由于腦局部血液循環(huán)障礙所導(dǎo)致的局限性或全功能障礙，癥狀持續(xù)時(shí)間至少達(dá)24 h或者引起死亡的臨床癥候群。我國流行病學(xué)資料顯示，腦卒中患者在人口死因順序中居第二位，全國每年新發(fā)腦卒中患者約200萬人，每年死于該病的患者約150萬人，存活的患者人數(shù)（600～700）萬，存活者中有70%以上有不同程度的功能障礙，其中40%為重度殘疾。腦卒中的具體臨床表現(xiàn)為認(rèn)知功能障礙、運(yùn)動(dòng)功能障礙、言語功能障礙、情感障礙和其他功能障礙等[1]。

虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR），是一種計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，可以用來創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界。VR概念最早是由美國的VPL公司創(chuàng)始人Jaron Lanier于1989年提出的，經(jīng)過將近30年的發(fā)展，VR已經(jīng)集合了仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多傳感技術(shù)、人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種計(jì)算機(jī)前沿技術(shù)，具有現(xiàn)場感（presence）、交互性（interactivity）、沉浸性（immersion）、構(gòu)想性（Imagination）等特點(diǎn)，因此又被稱為人工環(huán)境（artificial environments）、虛擬環(huán)境（virtual environments）、網(wǎng)絡(luò)空間（cyberspace）[2]。隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)和人工智能的飛速發(fā)展，VR技術(shù)在娛樂、軍事、教育、工業(yè)、建筑、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3]。在醫(yī)學(xué)方面，VR技術(shù)為醫(yī)學(xué)教育和培訓(xùn)、疾病診斷和治療、疾病的康復(fù)提供了全新的方法[4]。在康復(fù)醫(yī)學(xué)中，VR技術(shù)目前主要應(yīng)用于腦卒中后的認(rèn)知功能康復(fù)、平衡功能康復(fù)和上肢運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)。

1 VR在腦卒中認(rèn)知功能康復(fù)中的應(yīng)用

認(rèn)知功能障礙主要包括記憶障礙、失語、失用、失認(rèn)、失讀、視空間障礙等[5]，是見于腦卒中、腦損傷、腦癱等腦部疾病的后遺癥，其中記憶障礙占45.4%[6]。傳統(tǒng)的認(rèn)知功能康復(fù)方法，如運(yùn)動(dòng)療法、作業(yè)療法、物理治療、藥物治療和針灸治療等[7]。VR技術(shù)作為一種新的計(jì)算機(jī)虛擬工具，為腦卒中患者認(rèn)知功能的康復(fù)提供了全新的治療思路與方法。

國外較早開展了VR在腦卒中患者認(rèn)知康復(fù)方面的應(yīng)用。Faria等[8]選擇了18名腦卒中患者進(jìn)行對(duì)照研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)VR對(duì)腦卒中患者的認(rèn)知功能康復(fù)是有效的。也有學(xué)者嘗試將VR應(yīng)用在認(rèn)知康復(fù)和其他方面的結(jié)合上，如Monica等研究將情感認(rèn)知融入到VR運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練中，通過VR設(shè)備讓腦卒中患者用肢體的運(yùn)動(dòng)去完成在數(shù)張圖像中選擇出目標(biāo)圖像并進(jìn)行回憶任務(wù)。目標(biāo)圖像對(duì)應(yīng)著不同的情感特征，有積極的、中性的和消極的，有10名腦卒中患者參加了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與中性圖像相比，帶有消極情感特征的圖像更加難以引起腦卒中患者的注意力，消極情感特征的圖像更加難以被正確地回憶，能夠獲得更多關(guān)于腦卒中患者情感和認(rèn)知關(guān)系方面的信息[9]。endprint

國內(nèi)最近也開始將VR應(yīng)用在腦卒中患者的認(rèn)知康復(fù)中，取得了不錯(cuò)的效果。王大為等[10]應(yīng)用Anokan-VR虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)對(duì)輕度認(rèn)知功能障礙患者60例進(jìn)行對(duì)照研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)VR在治療輕度認(rèn)知功能障礙方面有一定作用。

國內(nèi)在應(yīng)用VR進(jìn)行腦卒中認(rèn)知康復(fù)的同時(shí)，還嘗試對(duì)其機(jī)制進(jìn)行了探索和研究。如溫鴻源等[11]研究發(fā)現(xiàn)3DVR訓(xùn)練能夠促進(jìn)腦卒中記憶功能障礙患者海馬區(qū)腦組織代謝的改善。海馬是大腦記憶功能的重要結(jié)構(gòu)，研究顯示海馬左側(cè)中的H-MRS與記憶功能障礙有一定聯(lián)系，這說明VR訓(xùn)練可能通過改善大腦記憶功能的結(jié)構(gòu)海馬組織來改善大腦記憶功能。

2 VR在腦卒中步行功能康復(fù)中的應(yīng)用

步行能力是腦卒中偏癱患者運(yùn)動(dòng)功能的重要體現(xiàn)[12-13]，其中步行速度和穩(wěn)定性則體現(xiàn)了步行能力的兩個(gè)方面[14]。腦卒中患者的康復(fù)目的之一就是恢復(fù)正常的步態(tài)和步行能力。

國外許多研究組織早已成功運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)卒中后的患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，取得了一定的臨床資料和治療成果。如Dickstein[15]最先運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)“虛擬人”對(duì)卒中后的患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，結(jié)果表明提高了患者的康復(fù)速度。Deutsch等[16]開發(fā)了由腳踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制的虛擬康復(fù)訓(xùn)練程序，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使患者腳踝運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)速度得到了提高。You等[17]利用虛擬游戲系統(tǒng)來訓(xùn)練患者的步行能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，步行速度、社區(qū)中的行走距離，以及跨越的臺(tái)階數(shù)均有明顯增加。

國內(nèi)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)康復(fù)中的研究也越來越多，并將VR康復(fù)與傳統(tǒng)康復(fù)的效果進(jìn)行了對(duì)比。文獻(xiàn)[18-19]選取腦卒中后偏癱患者進(jìn)行隨機(jī)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，對(duì)照組采用傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)康復(fù)療法，實(shí)驗(yàn)組用VR進(jìn)行康復(fù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)VR康復(fù)治療可有效改善由腦血管疾病造成的軀體、肢體運(yùn)動(dòng)功能障礙，提高患者的日常生活能力。

國內(nèi)也有學(xué)者嘗試將VR訓(xùn)練結(jié)合其他訓(xùn)練同時(shí)進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)VR結(jié)合運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練也能取得很好的效果。林玲等[20]通過研究發(fā)現(xiàn)，VR結(jié)合減重平板訓(xùn)練對(duì)腦卒中患者步行功能的改善作用優(yōu)于常規(guī)步態(tài)訓(xùn)練，并推測VR系統(tǒng)可能是通過激活并建立前額葉皮層與各運(yùn)動(dòng)皮層的神經(jīng)連接來幫助患者加快了運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)。肖湘等[21]通過研究發(fā)現(xiàn)，VR結(jié)合同步減重訓(xùn)練可改善亞急性期腦梗死患者步態(tài)的時(shí)間不對(duì)稱性和下肢Fugl-Meyer評(píng)分。金怡等[22]研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用VR技術(shù)輔助腦血管患者進(jìn)行八段錦訓(xùn)練，讓患者跟著圖形影音訓(xùn)練的療效要優(yōu)于常規(guī)步行訓(xùn)練，改善了腦卒中患者的步行能力。說明VR輔助下的體育運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練增強(qiáng)了訓(xùn)練效果，改善了腦卒中患者的運(yùn)動(dòng)功能。

3 VR在腦卒中平衡功能康復(fù)中的應(yīng)用

平衡功能障礙是影響腦卒中患者恢復(fù)正常運(yùn)動(dòng)功能的多種障礙之一，腦卒中患者中50%～80%遺留有平衡功能障礙[23]，這是因?yàn)槟X卒中患者由于高位中樞病變失去了對(duì)低位中樞的控制，常出現(xiàn)肌張力異常及運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)，從而影響軀干控制可站立位平衡恢復(fù)。平衡訓(xùn)練可以改善腦卒中患者平衡和步行功能[24-25]，故平衡能力對(duì)于腦卒中患者運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)十分重要。

國外的一些研究發(fā)現(xiàn)VR在腦卒中患者平衡能力康復(fù)方面可以取得不錯(cuò)的效果。Yang等[26]研究發(fā)現(xiàn)VR結(jié)合跑臺(tái)訓(xùn)練比單純的跑臺(tái)訓(xùn)練在改善患者平衡能力方面可以取得更好的效果。Kim等[27]應(yīng)用VR系統(tǒng)與傳統(tǒng)康復(fù)方法進(jìn)行研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)VR在改善患者平衡能力方面可以取得更好的效果。Cho等[28]通過對(duì)22名腦卒中患者進(jìn)行隨機(jī)對(duì)照發(fā)現(xiàn)，參與VR平衡訓(xùn)練的患者比接受傳統(tǒng)康復(fù)治療的患者在動(dòng)態(tài)平衡能力方面取得了顯著的提高。

國內(nèi)也有不少學(xué)者對(duì)VR平衡訓(xùn)練與傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練的效果進(jìn)行了對(duì)比研究，文獻(xiàn)[29-31]對(duì)腦卒中患者進(jìn)行隨機(jī)對(duì)照研究發(fā)現(xiàn)，基于VR的平衡訓(xùn)練能有效提高腦卒中患者的站立平衡功能，尤其在長期的站立平衡功能上有顯著的促進(jìn)作用，說明虛擬游戲訓(xùn)練有助于改善腦卒中患者的平衡功能，可以作為腦卒中患者恢復(fù)平衡功能的訓(xùn)練方法。

4 VR在腦卒中上肢運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)中的應(yīng)用

腦卒中后的上肢肢體功能障礙是患者及其家屬在后期康復(fù)中需要解決的主要問題之一。腦卒中后遺癥中最常見的是中風(fēng)后的偏癱，痙攣性偏癱是常見的腦性癱瘓之一，占偏癱發(fā)病的36%，一般步行能力良好，主要遺留有單側(cè)上肢功能障礙。85%腦卒中患者在發(fā)病的開始就有手功能障礙，30%～36%的腦卒中患者在發(fā)病6個(gè)月時(shí)仍遺留有手功能障礙[32]，這對(duì)患者運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)十分不利，給患者的日?；顒?dòng)帶來了諸多不便，影響了患者正常的生活。

國外許多研究機(jī)構(gòu)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于腦卒中患者上肢運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)訓(xùn)練進(jìn)行了探索和研究。Jack等[33]開發(fā)出基于PC的桌面虛擬環(huán)境系統(tǒng)，并根據(jù)手部運(yùn)動(dòng)的具體參數(shù)設(shè)計(jì)出交互式的虛擬游戲應(yīng)用于腦損傷患者手部功能訓(xùn)練，3名腦卒中患者接受了臨床實(shí)驗(yàn)，取得了很好的效果。Connelly等[34]利用VR結(jié)合充氣手套對(duì)腦卒中后手功能患者康復(fù)訓(xùn)練，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明患者在手腕關(guān)節(jié)活動(dòng)和手掌收縮方面有所改善。Kayyali等[35]開發(fā)了一套針對(duì)腦卒中患者的虛擬康復(fù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合有觸覺反饋?zhàn)饔玫氖論?jù)手套，并設(shè)計(jì)了不同的訓(xùn)練場景來滿足不同的訓(xùn)練需求。Godfrey[36]利用VR結(jié)合手部外骨骼機(jī)器人，對(duì)慢性腦卒中后手部痙攣患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，結(jié)果表明患者的手指關(guān)節(jié)活動(dòng)度都有一定程度的改善。

國內(nèi)也有學(xué)者嘗試開發(fā)應(yīng)用于腦卒中患者上肢功能康復(fù)的VR系統(tǒng)，如華南理工大學(xué)的伍平平[37]開發(fā)了一套針對(duì)腦卒中恢復(fù)期患者偏癱上肢運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用3DMAX構(gòu)建了虛擬超市場景模型和虛擬手模型，并選擇了20例偏癱恢復(fù)期且有上肢運(yùn)動(dòng)功能障礙患者進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)，臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對(duì)恢復(fù)期患者上肢的運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)有很大的改善作用，能有效的提高患者的日常生活能力。endprint

VR在上肢功能康復(fù)的臨床應(yīng)用效果方面，國內(nèi)也進(jìn)行了一些嘗試，如程秀艷[38]進(jìn)行隨機(jī)對(duì)照研究發(fā)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)配合手功能訓(xùn)練比單獨(dú)進(jìn)行手功能訓(xùn)練治療的痙攣型偏癱患兒的上肢功能的療效更好，可以更好地改善偏癱患者上肢功能和日常生活自理能力。

5 VR的優(yōu)勢(shì)與不足

相對(duì)于傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的枯燥和單一，VR技術(shù)在康復(fù)領(lǐng)域中有如下優(yōu)勢(shì)：（1）身臨其境感，投入感強(qiáng)。VR技術(shù)的特點(diǎn)之一就是沉浸性，可以讓患者在訓(xùn)練時(shí)有身臨其境的感覺，這樣就能夠更加專注的投入到康復(fù)訓(xùn)練中，從而提高訓(xùn)練的效率。（2）輕松有趣。VR康復(fù)技術(shù)使用的各種康復(fù)訓(xùn)練游戲，能讓患者在輕松愉悅的心理狀態(tài)下進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，這能讓原本枯燥乏味的康復(fù)訓(xùn)練變的更為生動(dòng)有趣，同時(shí)VR康復(fù)系統(tǒng)也可以不斷開發(fā)新的程序，大大增強(qiáng)了康復(fù)訓(xùn)練的樂趣，這對(duì)于減輕患者由于疾病帶來的心理問題，也是十分有益的。（3）便利性。VR訓(xùn)練設(shè)備可以移動(dòng)，方便患者在家中訓(xùn)練，這對(duì)于開展社區(qū)康復(fù)和家庭康復(fù)十分便利，從而減輕了康復(fù)患者對(duì)醫(yī)護(hù)人員和家屬的依從性，節(jié)約了醫(yī)療資源。（4）訓(xùn)練直觀，便于操作。VR康復(fù)系統(tǒng)通過形象直觀的圖像來引導(dǎo)患者進(jìn)行任務(wù)訓(xùn)練，這對(duì)于患者理解訓(xùn)練內(nèi)容和任務(wù)十分有利，尤其是對(duì)于有語言理解障礙的患者，減輕了醫(yī)患之間的溝通難度，從而使得康復(fù)訓(xùn)練能夠更加順利的進(jìn)行。不足：（1）多是局部訓(xùn)練，缺少針對(duì)整體功能的產(chǎn)品開發(fā)。目前用于康復(fù)訓(xùn)練的VR系統(tǒng)，多數(shù)只是針對(duì)患者某一種運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)和應(yīng)用，還沒有涵蓋整體功能方面的產(chǎn)品。（2）交互性和沉浸感不足。用于康復(fù)的VR系統(tǒng)交互模式還比較單調(diào)，沉浸感設(shè)計(jì)方面的模式也較為單一，互動(dòng)體驗(yàn)?zāi)Ｊ揭膊粔蜇S富。（3）臨床應(yīng)用較少，還處于產(chǎn)品研發(fā)階段。作為一種新興的技術(shù)，VR康復(fù)系統(tǒng)在臨床上的應(yīng)用才剛剛開始，多數(shù)產(chǎn)品還在研發(fā)階段，臨床應(yīng)用方面還有待推廣。（4）對(duì)環(huán)境的安全性要求高，VR訓(xùn)練設(shè)備多需佩戴特殊的頭戴式眼鏡，這就使患者對(duì)真實(shí)的環(huán)境信息的識(shí)別和確認(rèn)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，加上腦卒中患者多伴有運(yùn)動(dòng)功能障礙，因此就需要在陪護(hù)者的輔助下進(jìn)行訓(xùn)練，以免發(fā)生危險(xiǎn)事故。

6 VR在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的前景

隨著人工智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以及越來越多的老齡化人口和日益增多的康復(fù)患者，VR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)使其將在運(yùn)動(dòng)康復(fù)、神經(jīng)康復(fù)、肢體功能康復(fù)等領(lǐng)域大有可為。高盛預(yù)測報(bào)告顯示，到2025年，VR市場規(guī)模將高達(dá)800億美元，其中醫(yī)療健康領(lǐng)域?qū)⒄?1億美元，用戶數(shù)約320萬?；鶎涌祻?fù)醫(yī)療資源的短缺，尤其是康復(fù)醫(yī)生的不足和康復(fù)技術(shù)的短缺，為VR在康復(fù)中的應(yīng)用提供了廣闊的前景。社區(qū)康復(fù)和居家康復(fù)的開展與推廣，也為VR的應(yīng)用提供了充足的空間。除了康復(fù)的臨床需求，康復(fù)醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，尤其是康復(fù)醫(yī)學(xué)對(duì)于從業(yè)者在操作技能方面的熟練掌握，也使得VR在康復(fù)醫(yī)學(xué)院校和康復(fù)專業(yè)的教育方面的應(yīng)用前景十分廣闊。相信隨著技術(shù)的進(jìn)步，資金的投入和康復(fù)市場的不斷擴(kuò)大，VR將在康復(fù)醫(yī)學(xué)中發(fā)揮越來越廣闊的作用。

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（收稿日期：2017-08-09） （本文編輯：程旭然）endprint