虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在神經(jīng)系統(tǒng)疾病康復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)展

劉蓓蓓 丁勤能 朱武生

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)是一種通過計(jì)算機(jī)硬件和軟件創(chuàng)建出的人機(jī)互動(dòng)模擬技術(shù)，使用戶有機(jī)會(huì)參與外觀和感受與真實(shí)世界相似的個(gè)體和事件環(huán)境。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)除可用于口腔科、整形外科和普通外科等手術(shù)技能的練習(xí)與評(píng)價(jià)外［1］，亦廣泛應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)疾病的康復(fù)治療。本文擬對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在神經(jīng)系統(tǒng)疾病康復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行簡要綜述。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念與特征

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過模擬真實(shí)世界，對(duì)1個(gè)或多個(gè)感官的神經(jīng)通路進(jìn)行輸入，檢測(cè)受試者動(dòng)作，改進(jìn)感官的刺激反應(yīng)。有學(xué)者觀察動(dòng)物移動(dòng)與其視覺流的變化，發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以整合自然行為與精準(zhǔn)控制實(shí)驗(yàn)［2］，是一項(xiàng)有價(jià)值的技術(shù)，具有以下特點(diǎn)：（1）可提供受試者標(biāo)準(zhǔn)化且可重復(fù)的環(huán)境，刺激可以完全受控。（2）提供可增加或去除感覺信號(hào)的方案，精確檢測(cè)單一感覺。（3）具有立體視野，可予以顯著的深度動(dòng)作、整合多感官信息、控制身體空間定位并產(chǎn)生移動(dòng)，是探索動(dòng)作與感官之間聯(lián)系的新方式。（4）可通過穿戴式頭部顯示器設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)，是檢測(cè)神經(jīng)活動(dòng)的新工具。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在神經(jīng)系統(tǒng)疾病康復(fù)中的應(yīng)用

神經(jīng)系統(tǒng)疾病多以運(yùn)動(dòng)障礙和姿勢(shì)異常為主要臨床特征，如步態(tài)異常、行動(dòng)遲緩、失用性萎縮、平衡障礙等。虛擬情景訓(xùn)練通過大腦的學(xué)習(xí)和獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制促使患者在姿勢(shì)控制、步態(tài)、認(rèn)知功能和四肢協(xié)調(diào)性等方面有所改善。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以使康復(fù)訓(xùn)練產(chǎn)生超前性：先激活相應(yīng)神經(jīng)系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過捕捉動(dòng)作、壓力、重心等信息至視覺等感官生物反饋的所有步驟中延長系統(tǒng)潛伏期，而這種時(shí)間的延長可以被受試者感知，修復(fù)患者反應(yīng)能力，從而產(chǎn)生神經(jīng)可塑性。

1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在腦卒中康復(fù)中的應(yīng)用 腦卒中引起肢體偏癱，導(dǎo)致平衡障礙和步態(tài)異常。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)腦卒中患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，可以改善動(dòng)態(tài)平衡功能、糾正步態(tài)，但對(duì)靜態(tài)平衡功能的改善不明顯。由于骨盆失衡可能是肌肉弱化加重所致，與傳統(tǒng)步態(tài)訓(xùn)練相比，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以協(xié)助物理治療師糾正步態(tài)異常，通過分析骨盆和脊柱軌道的平衡控制能力，使骨盆旋轉(zhuǎn)傾斜角更易控制，在降低偏癱早期患者骨盆前傾效果方面更具優(yōu)勢(shì)。近50%的腦卒中后偏癱患者遺留上肢功能障礙［3］，Schuster?Amft等［4］采用虛擬手臂對(duì) 2 例腦卒中患者進(jìn)行雙手夠取、抓握、打開動(dòng)作訓(xùn)練，結(jié)果顯示，患側(cè)上肢功能明顯改善，可能原因是訓(xùn)練激活相應(yīng)腦區(qū)；Gor?ic 等［5］采用美國 Microsoft公司生產(chǎn)的Kinect三維體感游戲機(jī)對(duì)腦卒中急性期和亞急性期患者進(jìn)行上肢訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)競(jìng)技類游戲可以帶給患者積極體驗(yàn)；田然等［6］對(duì)腦卒中恢復(fù)期患者單側(cè)或雙側(cè)上肢增加4周魔迅虛擬康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)V1.0（上海魔迅信息科技有限公司），結(jié)果顯示，F(xiàn)ugl?Meyer上肢評(píng)價(jià)量表（FMA?UE）和改良Barthel指數(shù)（mBI）評(píng)分均較對(duì)照組升高；Levin等［7］認(rèn)為，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有助于腦卒中患者獲得正常運(yùn)動(dòng)模式。真實(shí)環(huán)境中的失能上肢或手在虛擬環(huán)境中的夠取動(dòng)作更流暢、控制速度更均勻，可能是由于抓握動(dòng)作中患側(cè)手打開程度更大，故達(dá)到最大夠取速度和最大抓握寬度的時(shí)程更長。此外，溫鴻源等［8］的研究顯示，三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過調(diào)節(jié)海馬組織氫質(zhì)子磁共振波譜（1H?MRS）代謝，可以改善存在記憶障礙的腦卒中恢復(fù)期患者認(rèn)知功能，究其原因，可能是通過三維虛擬環(huán)境提供豐富的感官刺激，使患者體內(nèi)多巴胺能和膽堿能系統(tǒng)神經(jīng)遞質(zhì)傳遞功能增強(qiáng)，從而改善患者注意力。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在帕金森病康復(fù)中的應(yīng)用 有研究對(duì)帕金森?。≒D）患者進(jìn)行動(dòng)態(tài)平衡訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)組較對(duì)照組在跨越障礙物速度、步長和動(dòng)態(tài)平衡方面均有較大改善［9］，這是由于在跨越障礙物的平衡訓(xùn)練任務(wù)中，單腿支撐和重心向前擺動(dòng)是核心任務(wù)，隨著平衡功能的恢復(fù)，個(gè)體重心的搖擺幅度更大，移動(dòng)時(shí)速度更快、更準(zhǔn)確。采用靜態(tài)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)帕金森病患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，結(jié)果顯示，凍結(jié)步態(tài)出現(xiàn)前的最后五步步行時(shí)間顯著延長，最后三步步行時(shí)間無遞增性差異［10］。究其原因，可能是由于通過虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練使患者在水平方向跨步步長和步速增加，從而使垂直方向患側(cè)足廓清能力增加。

3.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在多發(fā)性硬化中的應(yīng)用 多發(fā)性硬化（MS）是一種多病灶、漸進(jìn)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病。傳統(tǒng)跑臺(tái)訓(xùn)練可以維持患者運(yùn)動(dòng)能力，但跑臺(tái)訓(xùn)練結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練1個(gè)月后，多發(fā)性硬化患者步速提高、步長增加［11］。在多發(fā)性硬化患者家中安裝虛擬現(xiàn)實(shí)游戲軟件，可以最大安全度地改善患者運(yùn)動(dòng)和平衡功能。同時(shí)，功能性電刺激與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合可以改善患者上肢功能障礙，提高動(dòng)作準(zhǔn)確性，使主動(dòng)運(yùn)動(dòng)最大化［12］。

4.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在腦癱患兒中的應(yīng)用 采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)腦癱患兒進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練可以提高其平衡功能和行走能力，改善患側(cè)踝關(guān)節(jié)和骨盆運(yùn)動(dòng)功能以及行走對(duì)稱性。在有反饋控制的跑臺(tái)訓(xùn)練中采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)腦癱患兒進(jìn)行步態(tài)分析和康復(fù)訓(xùn)練，結(jié)果顯示，患兒自主行走時(shí)間較以固定速度行走時(shí)間延長［13］。腦癱患兒對(duì)骨盆的控制能力較差，缺乏獨(dú)立坐站轉(zhuǎn)移能力，也是導(dǎo)致日常生活和活動(dòng)危險(xiǎn)增加的原因之一。通過虛擬現(xiàn)實(shí)游戲，腦癱患兒脊柱產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)可以促使骨盆旋轉(zhuǎn)，成為重要的代償方式［10］，這可能是由于肌肉聯(lián)合收縮增加脊柱和骨盆的共同運(yùn)動(dòng)，使其完成動(dòng)作的時(shí)間縮短。

5.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在神經(jīng)病理性疼痛中的應(yīng)用腫瘤患者病程中常發(fā)生神經(jīng)病理性疼痛。心理治療如猜想和分散注意力可以有效減輕疼痛。研究顯示，藥物化療期間采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行包括深呼吸訓(xùn)練、聆聽輕松音樂、觀賞喜歡視頻等活動(dòng)，可以顯著降低患者的負(fù)面情緒、疼痛和焦慮［14?15］。

6.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在認(rèn)知功能障礙中的應(yīng)用 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以作為認(rèn)知功能的評(píng)價(jià)方法，從而成為制定康復(fù)目標(biāo)的參考依據(jù)。采用兩種不同條件的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境評(píng)價(jià)存在中度認(rèn)知損害的多發(fā)性硬化患者的認(rèn)知功能，結(jié)果顯示，52%患者無法完成模擬駕駛?cè)蝿?wù)，80%患者無法完成日常生活活動(dòng)對(duì)應(yīng)的認(rèn)知行為［16］。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以用于評(píng)價(jià)職業(yè)能力之神經(jīng)肌肉控制能力：采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)65歲以上老年人駕駛時(shí)的頸部和軀干旋轉(zhuǎn)度進(jìn)行評(píng)價(jià)并將測(cè)試結(jié)果作為個(gè)人駕駛信用記錄［17］。老年人在陌生環(huán)境如陌生居住地和醫(yī)院等易出現(xiàn)認(rèn)知功能障礙。一項(xiàng)研究納入129例55～96歲獨(dú)居老年人，進(jìn)行為期3天的虛擬迷宮游戲任務(wù)并對(duì)尋找指定目的地的找路游戲的完成情況進(jìn)行重復(fù)研究，結(jié)果顯示，測(cè)試者采用多種空間和非空間策略，捕捉老年受試者產(chǎn)生動(dòng)作時(shí)肌肉和時(shí)程變化并觀察他們對(duì)外界刺激的反饋激活能力，在8周的虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練中，受試者伸髖能力和平衡控制能力顯著提高，同時(shí)受試者空間定向任務(wù)反應(yīng)能力提高，神經(jīng)功能改善，故在進(jìn)行認(rèn)知行為時(shí)，對(duì)認(rèn)知資源的動(dòng)員程度更高［18］。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在神經(jīng)系統(tǒng)疾病康復(fù)中的展望及局限性

1.遠(yuǎn)程康復(fù)效果評(píng)價(jià) 遠(yuǎn)程康復(fù)（TR）通過計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)情景訓(xùn)練等方式為功能障礙和殘疾者提供康復(fù)服務(wù)［19］。針對(duì)腦卒中患者和骨關(guān)節(jié)疾病患者的功能障礙，采用遠(yuǎn)程虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以讓患者在家中進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，再通過視頻反饋訓(xùn)練效果，可以用于治療效果的評(píng)價(jià)。Lloréns等［20］采用美國 Microsoft公司生產(chǎn)的Kinect三維體感游戲機(jī)研究腦卒中后偏癱患者的康復(fù)訓(xùn)練效果，30例腦卒中患者分為家庭訓(xùn)練組和醫(yī)療機(jī)構(gòu)訓(xùn)練組，持續(xù)8周，分別于康復(fù)訓(xùn)練前后采用Berg平衡量表（BBS）評(píng)價(jià)兩組患者平衡功能，結(jié)果顯示，兩組患者基于虛擬現(xiàn)實(shí)的康復(fù)訓(xùn)練效果顯著且提高程度相近。

2.神經(jīng)康復(fù)工程 在三維虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，通過整合多媒體、空間定位感覺如加速計(jì)、感覺反饋設(shè)備如經(jīng)皮電刺激、無線網(wǎng)絡(luò)、可穿戴式視覺設(shè)備等，生物醫(yī)學(xué)工程很快將發(fā)展成為更加理想的康復(fù)系統(tǒng)，受試者可以充分體驗(yàn)到一個(gè)局部或遠(yuǎn)程虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。目前，許多前瞻性軟件開發(fā)公司開始對(duì)此領(lǐng)域進(jìn)行投資，如美國Microsoft公司生產(chǎn)的Hololens全息眼鏡（混合現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器），發(fā)現(xiàn)娛樂和計(jì)算機(jī)游戲的潛能，美國Google公司投資的Magic Leap三維虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡，用于外科手術(shù)和康復(fù)訓(xùn)練。神經(jīng)生物學(xué)家和生理學(xué)家正基于視覺反饋和神經(jīng)影像學(xué)研發(fā)多種康復(fù)訓(xùn)練程序。

3.康復(fù)醫(yī)學(xué)職業(yè)教育 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以用于康復(fù)醫(yī)學(xué)職業(yè)教育。張通等［21］將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于康復(fù)專業(yè)的教育實(shí)踐中，將學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中對(duì)常見關(guān)節(jié)活動(dòng)度技能培訓(xùn)情景進(jìn)行反饋與效果評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示，進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)后再進(jìn)行傳統(tǒng)教學(xué)的學(xué)生在提高訓(xùn)練趣味性、學(xué)習(xí)主動(dòng)性和臨床能力方面均優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)方式。

4.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的局限性 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以給受試者帶來真實(shí)感覺反饋，增強(qiáng)大腦皮質(zhì)可塑性，結(jié)合趣味性和任務(wù)性，避免傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練枯燥乏味、單一重復(fù)的模式。然而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)仍存在以下不足：（1）存在潛伏期，這種時(shí)間延遲可能出現(xiàn)在使用模擬輸入設(shè)備訓(xùn)練時(shí)的動(dòng)作中、對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的反應(yīng)中和對(duì)外界刺激的變化中。（2）虛擬環(huán)境對(duì)應(yīng)真實(shí)環(huán)境時(shí)，對(duì)距離感知存在誤差。（3）由于視覺看到的虛擬現(xiàn)實(shí)畫面與前庭系統(tǒng)感受到的真實(shí)位置信息不匹配，易引起受試者眩暈反應(yīng)。（4）目前關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的大樣本隨機(jī)對(duì)照臨床試驗(yàn)較少，且評(píng)價(jià)方法不盡一致［22］。

四、小結(jié)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以提供多種人工景物，使康復(fù)訓(xùn)練過程充滿樂趣，提高患者的樂觀情緒。將坐姿訓(xùn)練、站位平衡訓(xùn)練、上肢綜合訓(xùn)練、步態(tài)行走訓(xùn)練、心理訓(xùn)練、認(rèn)知行為訓(xùn)練等多種虛擬游戲，應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)疾病的康復(fù)治療中，可以增強(qiáng)患者中線穿越能力、增加關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍、促進(jìn)軀體穩(wěn)定性、改善手眼協(xié)調(diào)性、提高長期注意力、改善本體感覺和認(rèn)知功能、提高多重感覺下姿勢(shì)控制能力，較傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練更加有效［23］。

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