虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在腦癱兒童運(yùn)動(dòng)康復(fù)中的應(yīng)用

渠晨歡，武寶愛(ài)

0 前言

腦性癱瘓（CP）是指在幼兒腦發(fā)育未成熟時(shí)，受到非進(jìn)行性腦損傷，導(dǎo)致患兒神經(jīng)發(fā)育障礙，出現(xiàn)以運(yùn)動(dòng)功能、姿勢(shì)控制障礙為特征的神經(jīng)障礙綜合癥[1]。這種神經(jīng)障礙從幼兒時(shí)期開(kāi)始出現(xiàn)，并持續(xù)終身，因此腦癱是神經(jīng)發(fā)育遲緩范疇中最嚴(yán)重的身體殘障，并且通常伴有認(rèn)知、語(yǔ)言等能力的損傷。引發(fā)腦癱的非進(jìn)行性腦損傷的原因主要分3類(lèi)，即產(chǎn)前、產(chǎn)時(shí)和產(chǎn)后，對(duì)幼兒腦錐體系、錐體外系或小腦產(chǎn)生不可逆損傷[2]。這類(lèi)腦損傷導(dǎo)致的功能障礙長(zhǎng)期存在，給患兒家庭甚至社會(huì)造成巨大的負(fù)擔(dān)。為提高腦癱患兒的運(yùn)動(dòng)功能，減輕患兒家庭的壓力，降低社會(huì)負(fù)擔(dān)，腦癱兒童的運(yùn)動(dòng)康復(fù)備受研究者關(guān)注。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念及應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)是一種多學(xué)科交叉應(yīng)用技術(shù)，綜合利用了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和仿真人機(jī)交互技術(shù)，模擬輸入視覺(jué)和觸覺(jué)等感知，特點(diǎn)是讓使用者有身臨其境的感受和體驗(yàn)。將傳統(tǒng)康復(fù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，對(duì)腦癱客戶(hù)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，可以有效提高客戶(hù)的運(yùn)動(dòng)能力，改善客戶(hù)認(rèn)知。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是由美國(guó)的Lanier公司于20世紀(jì)80年代首次提出的，借助計(jì)算機(jī)編程生成一種3D模擬場(chǎng)景，通過(guò)穿戴相應(yīng)的輔助設(shè)備使使用者沉浸入該虛擬場(chǎng)景中，建立起人機(jī)交互模式[3]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)包括3部分：計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、現(xiàn)實(shí)技術(shù)、多功能傳感器交互式接口技術(shù)。結(jié)合這些技術(shù)，可以產(chǎn)生以沉浸性、交互性、構(gòu)想性為特征的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，刺激使用者的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)，使使用者可以對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行交互觀察與控制。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)根據(jù)浸入程度主要分兩大類(lèi)：需要借助穿戴傳感頭盔和手套進(jìn)行感覺(jué)輸入的為完全沉浸式；而直接將影像投射在屏幕上的為非沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，非沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的感覺(jué)輸入與投射屏幕的大小成正比。

近幾年，這種使人產(chǎn)生身臨其境感覺(jué)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)受到關(guān)注并被引入使用，是今后多學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)之一。國(guó)內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在康復(fù)中的應(yīng)用較國(guó)外晚，開(kāi)始主要用于偏癱患者、骨傷患者的功能訓(xùn)練，后隨著廣泛的推廣逐漸用于腦癱康復(fù)。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的康復(fù)訓(xùn)練在改善肢體障礙、認(rèn)知能力、心理干預(yù)等方面均有成效，且兒童具有很大的應(yīng)用潛力。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)腦癱患兒的作用

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)腦癱患兒上肢運(yùn)動(dòng)功能的影響

上肢運(yùn)動(dòng)功能是患兒參與日常生活活動(dòng)的關(guān)鍵，而腦癱患兒上肢肌肉痙攣和攣縮，引起如肩內(nèi)收內(nèi)旋、前臂旋前、腕下垂等關(guān)節(jié)病變[4]。腦癱患兒肩上舉困難、雙上肢運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)、手抓握困難，對(duì)上肢粗大運(yùn)動(dòng)、精細(xì)運(yùn)動(dòng)都存在不同程度的影響，并減低患兒上肢反應(yīng)能力，難以對(duì)變化的環(huán)境及時(shí)作出反應(yīng)[5]，所以迫切需要有效的鍛煉以恢復(fù)患兒上肢功能。目前廣泛使用的物理治療包括PNF（本體感覺(jué)神經(jīng)肌肉促進(jìn)療法）、Bobath（神經(jīng)生理療法）、強(qiáng)制性使用等神經(jīng)發(fā)育療法，可以有效緩解腦癱患兒的肌肉痙攣，部分改善其上肢運(yùn)動(dòng)功能，然而這些治療要求治療師有熟練的技能，患兒在家中沒(méi)有治療師的指導(dǎo)難以準(zhǔn)確重復(fù)地得到訓(xùn)練，且不同的治療師也無(wú)法為患兒提供高重復(fù)連貫性的訓(xùn)練，因此就需要更加智能化的康復(fù)技術(shù)。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有大量的研究證明，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)減輕上肢功能障礙，提高手功能有明顯的效果。Rathinam通過(guò)元分析發(fā)現(xiàn)使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的腦癱兒童手功能恢復(fù)程度與患兒的年齡成反比，與每日的訓(xùn)練強(qiáng)度成正比，這可能是由于腦癱兒童的腦神經(jīng)可塑性與年齡為負(fù)相關(guān)[6]。Yoo利用生物反饋結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)18例痙攣型腦癱患兒上肢運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行訓(xùn)練并評(píng)估，測(cè)量上肢肌電反饋，結(jié)果發(fā)現(xiàn)結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)后，訓(xùn)練使患兒的肱三頭肌肌肉激活更有效，改善肌肉失衡和肢體協(xié)調(diào)異常，促進(jìn)兒童上肢精細(xì)活動(dòng)的靈活性[7]。虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練更像是一種游戲體驗(yàn)，在虛擬環(huán)境中以任務(wù)為導(dǎo)向，建立可重復(fù)的即時(shí)反饋的活動(dòng)，根據(jù)需要靈活調(diào)整任務(wù)難度，并提供更多的視、聽(tīng)覺(jué)反饋，這種游戲的人機(jī)交互方式能減少傳統(tǒng)康復(fù)的枯燥吸引患兒的參與[8,9]。從運(yùn)動(dòng)技能形成方面講，運(yùn)動(dòng)技能的掌握需要經(jīng)過(guò)泛化、分化、自動(dòng)化的過(guò)程，要使動(dòng)作協(xié)調(diào)連續(xù)準(zhǔn)確、大腦皮質(zhì)興奮性抑制更為精確，就需要對(duì)每個(gè)動(dòng)作進(jìn)行重復(fù)訓(xùn)練，并逐漸過(guò)渡到更為連續(xù)的過(guò)程。Jakub等人分別招募了16名健康人和12名偏癱患者進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練，在訓(xùn)練前后進(jìn)行fMRI（功能性磁共振成像）檢查，測(cè)量視覺(jué)反饋強(qiáng)度與反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)，發(fā)現(xiàn)腦右側(cè)顳葉皮層、頂葉皮層、額上回和額下回出現(xiàn)視覺(jué)反饋延遲，同側(cè)的運(yùn)動(dòng)皮層和雙側(cè)的感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)域都被激活，介導(dǎo)神經(jīng)可塑性增強(qiáng)，促使大腦的功能鏈接[10,11]。虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練可以使訓(xùn)練者在低注意力下進(jìn)行準(zhǔn)確的高重復(fù)性訓(xùn)練[12]，使其運(yùn)動(dòng)功能得到優(yōu)化，再結(jié)合模擬環(huán)境，將功能訓(xùn)練逐漸過(guò)渡到日常生活中。虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練的即時(shí)反饋不止于動(dòng)作是否完成，還能對(duì)完成效果進(jìn)行評(píng)估，腦癱兒童可以通過(guò)競(jìng)技得分的方式，比較動(dòng)作質(zhì)量獲取進(jìn)步目標(biāo)，從而吸引患兒的興趣。由于游戲模式將腦癱患兒的注意力轉(zhuǎn)移至運(yùn)動(dòng)外部，在低注意力下完成的動(dòng)作相較于在高注意力下完成的動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)獲得性更好、更準(zhǔn)確。

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)腦癱患兒下肢步行能力的影響

不同類(lèi)型的腦癱兒童存在不同的步態(tài)異常。偏癱型腦癱患兒表現(xiàn)為一側(cè)肢體的運(yùn)動(dòng)失控，痙攣型腦癱患兒占腦癱患兒總數(shù)的一半以上，為最常見(jiàn)的腦癱類(lèi)型，主要表現(xiàn)為肌肉持續(xù)性緊張，肌張力增高使肢體運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)異常[13]。長(zhǎng)期的姿勢(shì)異常易引起人體關(guān)節(jié)的異常，進(jìn)一步加重肌肉痙攣[14]，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行重心轉(zhuǎn)移、難以保持步態(tài)平衡、運(yùn)動(dòng)控制差等問(wèn)題。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在改善腦癱患兒的平衡、步行能力方面有明顯作用，選擇性的增加膝關(guān)節(jié)控制能力。Chunhee Cho等人招募了18名腦癱兒童，實(shí)驗(yàn)組安排了每周3次、每次30 min的虛擬現(xiàn)實(shí)步行訓(xùn)練，8周后虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練組的兒童PBS（兒童平衡量表）分?jǐn)?shù)從31.3提升到34.6，平衡能力較對(duì)照組顯著提高，同時(shí)步行速度也明顯提高[15]。Gordon等人招募7名腦癱患兒，進(jìn)行了6周的虛擬現(xiàn)實(shí)模擬訓(xùn)練，訓(xùn)練后腦癱患兒的粗大運(yùn)動(dòng)評(píng)定量表評(píng)分增加了7.34分，顯示有顯著的治療作用[16]。Marie讓4名腦癱兒童進(jìn)行了短時(shí)間高強(qiáng)度的虛擬現(xiàn)實(shí)模擬步行訓(xùn)練，對(duì)比訓(xùn)練前后的運(yùn)動(dòng)功能發(fā)現(xiàn)，在平衡轉(zhuǎn)移能力、6 min步行實(shí)驗(yàn)上有明顯的提高，且治療作用在訓(xùn)練結(jié)束后持續(xù)一至兩個(gè)月，說(shuō)明虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬步行可以提高腦癱兒童的步行平衡能力、耐力，并出現(xiàn)延時(shí)治療作用[17]。Meyns招募了12名下肢手術(shù)6周后的腦癱患兒進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)模擬運(yùn)動(dòng)康復(fù)隨機(jī)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)6個(gè)月的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練的患兒有很高的依從性，在坐位平衡能力上表現(xiàn)略為突出，在站位行走上無(wú)明顯差異，可能是在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過(guò)程中，不斷地突破了患兒的穩(wěn)定極限，增強(qiáng)了軀干控制性[18]。腦癱患兒通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練后在分離運(yùn)動(dòng)、保護(hù)性伸展反射方面也有明顯提高。游戲愉悅性和訓(xùn)練動(dòng)機(jī)在促進(jìn)患兒的訓(xùn)練依從性上起到了關(guān)鍵的作用，并且降低了患兒VAS（視覺(jué)模擬評(píng)分法）疼痛得分[19]。改善功能程度與每日虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練的治療劑量有關(guān)，每日訓(xùn)練頻率越多、訓(xùn)練時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)腦癱患兒的行走能力穩(wěn)定性改善越明顯。平衡和步態(tài)是預(yù)測(cè)功能獨(dú)立性的重要因素，特別是對(duì)跌倒風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估。因此虛擬現(xiàn)實(shí)模擬訓(xùn)練能有效改善腦癱患兒的下肢步行能力。

2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)腦癱患兒認(rèn)知能力的影響

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅使患者在運(yùn)動(dòng)功能上有明顯的提高，在改善認(rèn)知方面也有著無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。有研究發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)多種疾病患者的認(rèn)知均有顯著影響，特別是帕金森、阿爾茨海默病、腦卒中、腦癱等腦損傷較重又難以恢復(fù)的患者[20]。采用青島海藍(lán)康復(fù)器械HLKF-DT-01數(shù)字評(píng)估與互動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)，訓(xùn)練非癡呆型血管性認(rèn)知障礙患者，發(fā)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)認(rèn)知訓(xùn)練，這種訓(xùn)練可以有效改善認(rèn)知能力，特別是空間定位與執(zhí)行功能、命名、注意、延遲回憶、定向能力方面[21]。Shirley等人招募了14名注意力缺陷兒童，為他們安排了6周的結(jié)合機(jī)器人的虛擬模擬繞過(guò)障礙物的步行訓(xùn)練，經(jīng)過(guò)18次的訓(xùn)練后，患兒除了在步態(tài)變得更有規(guī)律性外，兒童的執(zhí)行能力有顯著的提高，記憶指數(shù)也同樣有所增加，兒童的持續(xù)注意能力也得到改善[22]。在Borrego的研究中也證實(shí)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)提高患兒認(rèn)知功能有效[23]。這種虛擬模擬技術(shù)是否能有效改善腦癱患兒的認(rèn)知能力仍有爭(zhēng)議，可能的原因是治療系統(tǒng)的選擇不同，治療結(jié)果也有差異。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用到認(rèn)知訓(xùn)練中，不僅以游戲的方式更吸引患者的興趣，使患兒有更積極的參與性，而且使遠(yuǎn)程康復(fù)成為可能?；純旱目祻?fù)是長(zhǎng)期的，且由于認(rèn)知障礙恢復(fù)較軀體運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)慢，患兒在部分生活自理回歸家庭及社會(huì)后，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍需要認(rèn)知功能的訓(xùn)練。然而去醫(yī)院、診所由治療師訓(xùn)練時(shí)間精力成本都較大，難以持續(xù)有效的進(jìn)行認(rèn)知訓(xùn)練。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展為醫(yī)生對(duì)患者的遠(yuǎn)程評(píng)估、監(jiān)測(cè)及治療提供了技術(shù)支持。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在腦癱運(yùn)動(dòng)康復(fù)中的展望

3.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)促進(jìn)腦癱兒童遠(yuǎn)程康復(fù)

遠(yuǎn)程康復(fù)為患兒家庭和康復(fù)師之間建立了橋梁，在一定程度上解決了住院康復(fù)和門(mén)診康復(fù)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)壓力，又能保持為患兒提供持續(xù)、有效的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練[24]。目前遠(yuǎn)程康復(fù)主要有借助社交媒體或虛擬現(xiàn)實(shí)兩種方式。相較于社交媒體提供的遠(yuǎn)程康復(fù)[25]，虛擬現(xiàn)實(shí)可以提供更多樣的模擬訓(xùn)練方式，且更便于遠(yuǎn)程控制及實(shí)時(shí)監(jiān)督，為腦癱兒童的運(yùn)動(dòng)康復(fù)提供更多可靠、可選擇的方案。Kairy招募52例偏癱患者，對(duì)實(shí)驗(yàn)組應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)通信進(jìn)行四周上肢遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)在一定程度上也能達(dá)到良好的功能恢復(fù)，部分提升家庭參與能力，使患兒在家庭康復(fù)中的運(yùn)動(dòng)效果連貫且有效[26]。然而受限于設(shè)備的高昂價(jià)格和技術(shù)的不成熟，目前這種虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的遠(yuǎn)程康復(fù)技術(shù)在國(guó)內(nèi)難以推廣[27,28]。如何降低成本又建立更完善的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，為腦癱兒童遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)康復(fù)提供有力支持，值得今后更深入的研究。

3.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)緩解疼痛

除了伴有肌肉骨骼運(yùn)動(dòng)障礙外，高達(dá)70%的痙攣型腦癱患兒也受到疼痛問(wèn)題的困擾[29]。疼痛這種共性問(wèn)題，可能加重患兒的肢體畸形和姿勢(shì)異常，并致使腦癱患兒產(chǎn)生不愉快、焦慮等負(fù)向心理，進(jìn)一步影響康復(fù)功能訓(xùn)練，使其難以配合甚至拒絕主動(dòng)活動(dòng)，降低治療效果，嚴(yán)重降低腦癱兒童的主觀幸福感。引起痙攣型腦癱患兒疼痛的原因主要與肌肉張力過(guò)高、不合理的訓(xùn)練強(qiáng)度、便秘等有關(guān)[30]。Khadra認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)可以作為新型的非藥理學(xué)心理輔助物，可以使患者通過(guò)沉浸式虛擬模擬技術(shù)轉(zhuǎn)移注意力、克服恐懼、緩解疼痛，并能緩解疾病后焦慮、抑郁[31]。Wittkopf發(fā)現(xiàn)患者在虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練時(shí)，與疼痛相關(guān)的大腦區(qū)域活動(dòng)減少，對(duì)患肢疼痛的關(guān)注減低，疼痛閾值得到調(diào)節(jié)[32]。Solca將鏡像療法和沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合起來(lái)，增強(qiáng)患者的多感官刺激，通過(guò)與健康人對(duì)比心率變異性和疼痛評(píng)估，發(fā)現(xiàn)沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練通過(guò)重復(fù)性活動(dòng)和延長(zhǎng)治療時(shí)限，使疼痛治療整和在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中，減低了肢體疼痛程度[33]。目前的實(shí)驗(yàn)主要關(guān)注在燒傷疼痛、幻肢痛等方面，對(duì)于由于肌肉痙攣等原因?qū)е碌奶弁词欠裼型瑯佑绊?，需要有進(jìn)一步的研究證實(shí)。

4 小結(jié)

虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練相對(duì)于傳統(tǒng)康復(fù)有明顯的優(yōu)勢(shì)。由于傳統(tǒng)康復(fù)多在治療室中練習(xí)，患者在接受傳統(tǒng)康復(fù)之后，在訓(xùn)練室中雖然其功能有所改善，能全部或部分達(dá)到日常生活活動(dòng)能力，但絕大多數(shù)的患者在離開(kāi)治療室后，難以維持治療效果，滿(mǎn)足其日常生活活動(dòng)需要。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用在康復(fù)中，通過(guò)場(chǎng)景模擬在很大程度上彌補(bǔ)了這一缺陷，幫助患兒恢復(fù)部分運(yùn)動(dòng)功能，提高獨(dú)立生活能力。模擬生活場(chǎng)景中的日?；顒?dòng)，不僅可以消除患兒的緊張感，也可以起到由治療室向社會(huì)活動(dòng)逐漸過(guò)渡的作用，并且降低錯(cuò)誤操作導(dǎo)致危險(xiǎn)的可能性。

近幾年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在腦癱患兒運(yùn)動(dòng)康復(fù)中得到逐漸推廣，其治療效果也得到認(rèn)證。目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合機(jī)器人對(duì)腦癱患兒運(yùn)動(dòng)功能訓(xùn)練的研究較多，大量的結(jié)果表示虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為新穎的運(yùn)動(dòng)康復(fù)手段可以改善腦癱患兒的運(yùn)動(dòng)技能，主要表現(xiàn)在上肢精細(xì)運(yùn)動(dòng)的提高及下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制能力的改善。部分研究支持虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練對(duì)認(rèn)知能力的改善并能緩解疼痛，但對(duì)于運(yùn)動(dòng)功能改善的評(píng)估以主觀量表為主，缺乏更為客觀的評(píng)估手段。同時(shí)國(guó)內(nèi)相關(guān)研究可以進(jìn)一步采用大樣本隨機(jī)對(duì)照實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而為臨床提供循證依據(jù)，指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)治療方案。