基于沉浸式虛擬現(xiàn)實腦卒中偏癱上肢功能康復(fù)系統(tǒng)構(gòu)建及臨床可行性研究

危昔均，韋亦茜，秦 萍，周 萍，李 賽，王冰水，李 海，楊萬章

虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)技術(shù)已在腦卒中康復(fù)中得到廣泛應(yīng)用，其臨床應(yīng)用價值得到許多研究支持，包括娛樂性和治療性的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)[1-2]。根據(jù)VR技術(shù)應(yīng)用形式分類，大致可分為浸入程度較弱、通過普通顯示器實現(xiàn)人機交互的投影式VR和浸入程度較強、通過頭戴顯示設(shè)備達到人機交互的沉浸式VR[3]。目前，大部分研究涉及的技術(shù)均為投影式VR[1]。由于投影式VR的技術(shù)限制，病人進行上肢功能康復(fù)時，必須始終注視前方顯示器，這導(dǎo)致訓(xùn)練過程對真實日常生活場景的還原程度較低，如病人將手伸向側(cè)方取物品時，真實情況應(yīng)該是病人需同時旋轉(zhuǎn)身體和頭部，這在投影式VR技術(shù)下難以實現(xiàn)。

隨著頭戴式VR技術(shù)發(fā)展，上述問題逐漸有了解決方案，并在康復(fù)領(lǐng)域得到嘗試[4]，應(yīng)用領(lǐng)域包括運動損傷[5]、單側(cè)忽略[6]、上肢運動功能障礙[7]、步態(tài)異常[8]、認(rèn)知功能障礙[4]和疼痛[9]等。在腦卒中上肢功能康復(fù)方面，通過沉浸式VR與鏡像療法(mirror therapy)相結(jié)合的形式進行了可行性測試，發(fā)現(xiàn)每天30 min，持續(xù)4周的治療對門診腦卒中慢性期病人是可以承受的，亦無眩暈不良事件發(fā)生[7]。目前，基于沉浸式VR技術(shù)應(yīng)用于腦卒中上肢功能康復(fù)的研究還比較缺乏[4，10]，繼續(xù)探索其應(yīng)用于腦卒中住院病人上肢功能康復(fù)的可行性有利于推進該技術(shù)臨床應(yīng)用。因此，本研究基于沉浸式VR技術(shù)構(gòu)建上肢功能協(xié)調(diào)訓(xùn)練系統(tǒng)，并對其應(yīng)用于腦卒中住院病人的可行性進行探討，為該技術(shù)的臨床應(yīng)用研究提供初步參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料 本研究招募了16例參與者，男女比例為13∶3；年齡(50.56±11.89)歲；發(fā)病時間(128.31±110.48)d；發(fā)病類型：腦梗死14例，腦出血2例；患側(cè)左側(cè)7例，右側(cè)9例；簡易精神狀態(tài)測試量表(Mini-mental Status Examination，MMSE)[13]評分為(27.94±3.32)分。本研究屬于VR系統(tǒng)的構(gòu)建和臨床可行性研究，因此，并未對納入病人進行分組試驗，僅進行治療前后的對照研究。

1.2 診斷標(biāo)準(zhǔn) 腦卒中診斷標(biāo)準(zhǔn)，參照1996年中華神經(jīng)科學(xué)會和中華神經(jīng)外科學(xué)會于《中華神經(jīng)科雜志》發(fā)表的《各類腦血管疾病診斷要點》相關(guān)內(nèi)容[11]。

1.3 納入標(biāo)準(zhǔn) 有影像學(xué)診斷證據(jù)；有明顯偏癱癥狀；年齡>18歲；坐位平衡功能達到3級；上肢功能水平達到4級(偏癱上肢功能評定-中國香港版，F(xiàn)THUE-HK)[12]；意識清晰，可配合評估和VR上肢功能訓(xùn)練。

1.4 排除標(biāo)準(zhǔn) 上肢有疼痛或者其他癥狀影響運動功能表現(xiàn)；使用VR設(shè)備出現(xiàn)眩暈或其他身體不適情況；拒絕簽署知情同意書；正在參加其他可能影響上肢功能表現(xiàn)的研究。

1.5 脫落標(biāo)準(zhǔn) 再發(fā)腦卒中或者其他影響上肢功能的疾??；研究期間主動要求退出；未完成治療次數(shù)而出院。脫落病人的數(shù)據(jù)處理方法為：病人突然出院或者不愿意接受出院評估時，使用最近一次數(shù)據(jù)為治療后數(shù)據(jù)；病人提前出院，且愿意接受出院評估時，則使用最后一次評估的數(shù)據(jù)。

1.6 治療方法 所有參與者均進行為期3周，每周5 d，每天30 min，共計15次，450 min VR訓(xùn)練。病人除了接受常規(guī)住院康復(fù)治療，包括物理治療、作業(yè)治療、言語治療、吞咽治療、理療、針灸、推拿等，額外每天進行30 min的沉浸式VR上肢功能訓(xùn)練(包括系統(tǒng)調(diào)試和上肢功能測試占10 min，20 min連續(xù)上肢功能訓(xùn)練)。VR訓(xùn)練系統(tǒng)軟件部分采用Unity3D搭建，VR場景輸出硬件部分使用桌面電腦端HTC vive pro 2.0套裝(包括VR頭盔、定位器和手柄)。虛擬場景見圖1所示，病人與虛擬場景的交互通過手柄完成。病人每天進行VR訓(xùn)練前均會進行系統(tǒng)重置，確保病人所坐或站的區(qū)域與圖1中兩個虛擬木箱的中點對應(yīng)。系統(tǒng)重置完成后，病人通過手柄將身體兩側(cè)的白球向外側(cè)方推至最遠處，距離為病人將患手往外和過中線可觸及的最遠距離，推球時允許病人旋轉(zhuǎn)或者側(cè)屈身體。然后，病人通過手柄拿起前方的籃子開始上肢功能訓(xùn)練。在訓(xùn)練過程中，前方會隨機出現(xiàn)不同的物品，以特定的速度飛向病人，病人需要使用籃子將物品接住并放入指定的木箱。隨著接物品的效率越來越高，物品飛行的速度會逐漸加快，反之亦然，病人接物品的效率變低時，物品飛行的速度會下降。訓(xùn)練前和訓(xùn)練中的參數(shù)，包括患側(cè)上肢向左右側(cè)的伸展距離、總計接到物品的數(shù)量、物品飛行的平均速度和訓(xùn)練時間都會記錄在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，訓(xùn)練并于每次訓(xùn)練結(jié)束后，在正前方的顯示板展示病人過程中一段時間的訓(xùn)練表現(xiàn)。

圖1 病人使用VR系統(tǒng)進行上肢功能康復(fù)示意圖

1.7 評定方法 行為學(xué)觀察指標(biāo)，包括FTHUE-HK測評[14]、箱塊測試(Box and Block Test，BBT)[15]、九洞板測試(Nine-Hole Peg Test，NHPT)[16-17]、改良巴氏指數(shù)(Modified Barthel Index，MBI)測評[18-19]。運動學(xué)觀察指標(biāo)，包括患側(cè)上肢向側(cè)方的伸展距離(包括健側(cè)和患側(cè))、物品飛行平均速度和成功接住物品并倒入框的數(shù)量。其中，向側(cè)方伸展的距離主要反映偏癱上肢分離運動水平[20]，物品飛行速度主要體現(xiàn)病人上肢協(xié)調(diào)運動能力[21]，而接住物品并倒入框的數(shù)量體現(xiàn)病人的活動成功率。

2 結(jié) 果

本研究中1例男性病人接受3次VR治療后，因為感覺像小孩子玩游戲而拒絕繼續(xù)參與，但其愿意在3周后接受評估，所以該病人的數(shù)據(jù)仍被納入分析。其他病人均順利完成實驗。

16例病人接受3周治療后，各項功能表現(xiàn)均存在不同程度的提升。由于FTHUE-HK、BBT、健側(cè)伸展距離和每分鐘得分通過Kolmogorov-Smirnov檢驗，符合正態(tài)分布的要求，所以使用配對樣本t檢驗進行數(shù)據(jù)分析。其中，運動學(xué)數(shù)據(jù)方面的健側(cè)伸展距離和每分鐘得分差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，而行為學(xué)評定FTHUE-HK和BBT差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。行為學(xué)評定MBI、NPHT和運動學(xué)評定健側(cè)伸展距離、平均速度由于不符合正態(tài)分布要求，采用Wilcoxon檢驗，發(fā)現(xiàn)治療前后功能變化比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。詳見表1。

表1 研究對象治療前后各項功能指標(biāo)比較 (±s)

接受VR治療期間， 1例因個人原因退出試驗，余15例病人未出現(xiàn)不適或其他不良事件，包括前期研究報道的眩暈。但部分女性病人提及頭盔較重致使頸部在治療后即刻感覺疲勞，但午休或者第2天起床后可以自行消退。大部分參與者在結(jié)束治療3周后的訪問時反饋治療形式新穎、有趣、互動性強，且較傳統(tǒng)康復(fù)形式更容易疲勞。

3 討 論

基于VR技術(shù)構(gòu)建腦卒中上肢功能訓(xùn)練系統(tǒng)過程中需要重點考慮的因素包括VR活動形式和VR參數(shù)調(diào)整，以體現(xiàn)康復(fù)治療技術(shù)中運動學(xué)習(xí)的理念[22]。以前許多研究使用投影式VR游戲作為干預(yù)手段，而這些用于健康人娛樂的VR游戲僅適用于極少部分功能較好的病人或者游戲設(shè)計并不能滿足康復(fù)需求[23]，另外，也有許多學(xué)者透過投影式VR技術(shù)搭建了康復(fù)系統(tǒng)，但甚少涉及沉浸式VR技術(shù)進行構(gòu)建[1]。Crosbie等[24]使用頭戴式顯示器和數(shù)據(jù)手套搭建的沉浸式VR康復(fù)系統(tǒng)，主要通過在虛擬環(huán)境中進行重復(fù)伸展或者伸展抓握練習(xí)，從而達到鍛煉上肢功能的效果，且涉及主要參數(shù)調(diào)整包括伸展的距離、高度和速度，調(diào)整參數(shù)的維度與本研究搭建的系統(tǒng)類似，但由于并未談及這些參數(shù)在調(diào)控練習(xí)難易程度時的策略，因此無法進一步進行對比研究。本研究發(fā)現(xiàn)，對這些參數(shù)進行單維度和多維度的動態(tài)調(diào)整，練習(xí)難度的變化存在較大差異，并可能直接影響運動學(xué)習(xí)過程，例如：僅對伸展距離進行動態(tài)調(diào)整時，病人較容易找到最佳練習(xí)距離，而同時對距離和速度進行動態(tài)調(diào)整時，病人變得難以適應(yīng)，不易找到最佳鍛煉參數(shù)。Weber等[7]研究中使用了VR技術(shù)與鏡像治療相結(jié)合的康復(fù)系統(tǒng)，但這套系統(tǒng)并未涉及難度調(diào)整方面的設(shè)置，僅進行不同康復(fù)場景的切換，導(dǎo)致這種系統(tǒng)設(shè)計差異的原因可能與該系統(tǒng)僅用于鏡像治療，且病人僅通過健側(cè)上肢進行人機交互有關(guān)。另外，在Huang等[25]描述研究計劃中，VR系統(tǒng)設(shè)置了不同的上肢功能活動，病人練習(xí)過程中也涉及從早期康復(fù)時的健側(cè)帶動患側(cè)完成，逐漸轉(zhuǎn)換至單純由患側(cè)完成，但亦未提及活動轉(zhuǎn)換的機制和活動難度調(diào)整的策略。目前，基于沉浸式VR技術(shù)開發(fā)的康復(fù)治療系統(tǒng)在單維度和多維度參數(shù)調(diào)整方面仍有許多基礎(chǔ)研究亟待開展。

基于VR技術(shù)的康復(fù)治療系統(tǒng)干預(yù)上肢功能的臨床價值初步得到體現(xiàn)。Laver等[1]系統(tǒng)性回顧研究發(fā)現(xiàn)，VR技術(shù)支持下的康復(fù)治療直接與傳統(tǒng)康復(fù)方法對比差異無統(tǒng)計學(xué)意義，效應(yīng)值為0.07，體現(xiàn)兩組臨床療效相似，然而，當(dāng)病人基于傳統(tǒng)康復(fù)方法再額外增加VR訓(xùn)練時，側(cè)效應(yīng)值達0.49，呈現(xiàn)組間差異有統(tǒng)計學(xué)意義。但是，目前并沒有辦法確定病人接受額外的VR訓(xùn)練帶來的益處是由于更多的訓(xùn)練時間，還是因為VR不一樣的康復(fù)鍛煉形式導(dǎo)致的。雖然，Laver等[1]研究并未把投影式娛樂性VR游戲、投影式治療性VR康復(fù)系統(tǒng)和沉浸式治療性VR康復(fù)系統(tǒng)進行區(qū)分，這導(dǎo)致研究之間的異質(zhì)性較大，而這些訓(xùn)練形式和難度調(diào)整策略的差異可能影響病人的運動學(xué)習(xí)和功能獲取，但至少可以確定，基于VR的康復(fù)治療與傳統(tǒng)的康復(fù)方法是等效的。這與Weber等[7]前瞻性研究和本研究結(jié)果類似。本研究發(fā)現(xiàn)病人在接受3周沉浸式VR上肢功能訓(xùn)練后，所有的運動學(xué)參數(shù)均有改善，行為學(xué)評定工具也提示靈巧功能(NPHT)和基本日常生活活動能力(MBI)得到明顯改善。雖然在協(xié)調(diào)功能和上肢功能分級方面比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義，但也有較好的功能恢復(fù)趨勢(BBT)，樣本量的不足可能是導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因[24]。這些研究結(jié)果提示，基于沉浸式VR技術(shù)的訓(xùn)練方法在促進上肢功能恢復(fù)方面具有較好的臨床應(yīng)用潛力。

沉浸式VR技術(shù)下的上肢功能訓(xùn)練具有較高的安全性和耐受性。確認(rèn)病人能夠在虛擬空間進行連續(xù)訓(xùn)練的時間，對沉浸式VR技術(shù)是否有足夠的時間窗支撐運動訓(xùn)練是非常重要的[26]。以前研究采用每天VR干預(yù)強度一般為20～60 min/d，有些結(jié)合機器人訓(xùn)練方式甚至達到2 h/d，持續(xù)療程為2～9周[1]。在沉浸式VR干預(yù)強度方面，Crosbie等[24]采用30～45 min，Weber等[7]采用30 min，均發(fā)現(xiàn)病人可以較好地耐受。本研究發(fā)現(xiàn)病人在沉浸式VR下的20 min練習(xí)，產(chǎn)生的疲勞程度與40 min的治療室傳統(tǒng)康復(fù)類似，這可能與虛擬環(huán)境下進行的主動功能活動更加頻繁有關(guān)[23]。在本研究中，也有些病人在開始階段感覺20 min的強度過大，難以一次堅持完成訓(xùn)練。這種情況下，嘗試根據(jù)病人的自身感覺，通過中間暫停休息和每天逐漸增加訓(xùn)練時間的方式，最終讓病人達到20 min的運動強度。在重復(fù)性運動訓(xùn)練的過程中，塑型治療技術(shù)(shaping)是非常關(guān)鍵的因素，影響著病人的運動學(xué)習(xí)效率[27-28]。因此，在本研究設(shè)計系統(tǒng)過程中，增加了與以前研究類似的智能難度調(diào)整機制[24]，使病人始終接受著與他們即時能力相匹配的運動難度，這可能也是導(dǎo)致部分病人感覺運動強度大的原因。這些研究提示，當(dāng)前技術(shù)條件下的沉浸式VR康復(fù)鍛煉對引導(dǎo)病人進行上肢功能鍛煉是可行和安全的。

綜上所述，基于目前的沉浸式VR技術(shù)進行腦卒中偏癱上肢功能訓(xùn)練，對病人具有較好的安全性和可行性，甚少出現(xiàn)明顯的不適，能較好地滿足臨床需求。進一步的研究方向包括通過隨機對照方式驗證沉浸式VR技術(shù)下上肢功能訓(xùn)練的有效性；依據(jù)臨床需求進行個性化訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計；多維度參數(shù)調(diào)整對病人活動表現(xiàn)、相關(guān)療效影響機制及干預(yù)劑量研究。由于本研究僅對沉浸式VR訓(xùn)練系統(tǒng)的構(gòu)建和臨床應(yīng)用的可行性進行探討，因此，在樣本量計算、對照組設(shè)置和病人發(fā)病時間區(qū)分方面并未進行很好的控制，這些問題可能限制本研究在療效結(jié)果方面的代表性。