虛擬現(xiàn)實在腦卒中患者運動功能康復(fù)中的應(yīng)用

劉書軒，邱 鵬，聶永琦，劉 靜，曹 慧

山東中醫(yī)藥大學(xué) 智能與信息工程學(xué)院，濟南250355

隨著人口老齡化進度增快，慢性病發(fā)病率呈現(xiàn)出“井噴式”增長。慢性病治療代價高、患者康復(fù)治療周期長且病發(fā)后致殘致死率高，其嚴(yán)重性正危害著我國健康醫(yī)療的發(fā)展。2016年世界衛(wèi)生組織（World Health Organization，WHO）調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，中國疾病譜正發(fā)生著重大轉(zhuǎn)向——腦卒中與缺血性心臟病已經(jīng)成為主要疾病負(fù)擔(dān)原因，預(yù)計到2030年，這些慢性病患病率將增加50%以上[1]。據(jù)柳葉刀雜志發(fā)表的2019全球疾病負(fù)擔(dān)研究（Global Burden of Disease Study 2019，GBD）調(diào)查，心腦血管疾病是全球最主要致死因素，其中缺血性心臟病、腦卒中致死率最高，二者占比為84.9%[2]。

腦卒中是我國致死率、致殘率最高的疾病[3]，每年新增約240萬例患者[4]，其中有六成以上患者因病致殘而無法正常的生活，極大地降低了其所在家庭幸福指數(shù)[5]。研究顯示，經(jīng)過科學(xué)、正確的醫(yī)學(xué)康復(fù)訓(xùn)練，約有85%的腦卒中患者能夠直立行走或達到生活自理水平[6]。然而2016年我國40歲以上腦卒中患病率已達到2.19%，對比2012年上升了零點三個百分點[7]，據(jù)2019年江濱等[4]推算，我國現(xiàn)因腦卒中而致殘患者685萬人左右。目前我國專業(yè)康復(fù)治療師僅5 640人，醫(yī)患比例嚴(yán)重失衡[8]，仍有30%~60%的腦卒中患者在住院期間沒有接受過康復(fù)訓(xùn)練治療[9]，導(dǎo)致患者錯過最佳的康復(fù)“黃金時間”。

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR）與傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練結(jié)合的虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)可以為每位患者提供個性化康復(fù)方案，這種以患者為中心的康復(fù)醫(yī)學(xué)模式，不僅減少了康復(fù)治療師單一康復(fù)訓(xùn)練時間，降低康復(fù)治療師的工作壓力，且增加了患者參與康復(fù)訓(xùn)練的主動性，對于康復(fù)訓(xùn)練時間的選擇也更為靈活，極大地促進了遠(yuǎn)程康復(fù)醫(yī)療的發(fā)展。

1 文獻檢索

1.1 文獻檢索策略

使用PubMed、Web of Science、中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)庫，檢索了虛擬現(xiàn)實在腦卒中患者康復(fù)中應(yīng)用近十年實驗發(fā)文，時間跨度為2011年1月至2020年11月。

中文檢索詞：中風(fēng)、腦卒中、腦血管意外、康復(fù)、虛擬現(xiàn)實。

英文檢索詞：stroke、cerebralstroke、cerebrovascular accident、rehabilitation、virtualreality。

1.2 檢索結(jié)果及分析

提取文獻題目與摘要進行初步篩選并通過Python編程篩除不符合分析標(biāo)準(zhǔn)的文獻：（1）不同數(shù)據(jù)庫得到的重復(fù)性文獻；（2）參考價值不高的相關(guān)會議文獻；（3）綜述性文獻。

共檢索獲得文獻2 184篇，經(jīng)篩查，共將1 296篇文獻納入分析范圍，其中運動功能康復(fù)應(yīng)用文獻1 232篇，神經(jīng)功能康復(fù)應(yīng)用文獻64篇（圖1）。據(jù)統(tǒng)計，虛擬現(xiàn)實在卒中后的應(yīng)用主要分為運動功能和神經(jīng)功能康復(fù)兩大部分，其中以運動功能康復(fù)為主，占總發(fā)文數(shù)95%。在運動功能康復(fù)中的應(yīng)用分為上肢功能康復(fù)、下肢功能康復(fù)，其中上肢功能康復(fù)包括上肢遠(yuǎn)端功能康復(fù)、上肢近端功能康復(fù)，下肢功能康復(fù)主要包括步態(tài)康復(fù)、下肢平衡與協(xié)調(diào)功能康復(fù)等（圖2）。

圖1 虛擬現(xiàn)實在腦卒中患者康復(fù)應(yīng)用文獻檢索分析Fig.1 Literature retrieval analysis of virtual reality in stroke rehabilitation

圖2 虛擬現(xiàn)實在運動功能康復(fù)應(yīng)用主題詞分析Fig.2 Keywords analysis of virtual reality in motor function rehabilitation

本文結(jié)合腦卒中患者運動功能傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練與虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練進行分析，并在此基礎(chǔ)上介紹虛擬現(xiàn)實在腦卒中患者運動功能康復(fù)中的應(yīng)用進展，為后續(xù)腦卒中運動康復(fù)治療方法的研究提供參考。

2 腦卒中運動功能康復(fù)訓(xùn)練

2.1 傳統(tǒng)運動功能康復(fù)訓(xùn)練局限性

現(xiàn)階段傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練方法有運動療法、運動想象療法、生物反饋療法、中醫(yī)干預(yù)和心理干預(yù)等[10]。訓(xùn)練模式治療周期長、訓(xùn)練過程枯燥單一、康復(fù)費用高，導(dǎo)致腦卒中患者康復(fù)效果并不理想[11]。

近年來，國內(nèi)外許多臨床試驗證實，對于腦卒中患者來說早期康復(fù)訓(xùn)練能更好地改善患者日常生活能力（Activities of Daily Living，ADL）[12-14]。然而據(jù)2018年陳煌等[15]調(diào)查顯示：我國半數(shù)以上科室并未成立專項康復(fù)團隊，且康復(fù)團隊以醫(yī)生、護士和專職康復(fù)治療師協(xié)同工作模式為主，消耗了過多的人力物力；具有康復(fù)訓(xùn)練項目的科室占比不到一半，49.02%的科室并未對腦卒中患者康復(fù)效果進行評估；腦卒中患者康復(fù)訓(xùn)練開始時間多為患者病情穩(wěn)定兩天之后，時間較晚，近80%患者及家屬因為康復(fù)效果達不到期望值而對科室不滿意。

2.2 虛擬現(xiàn)實運動功能康復(fù)訓(xùn)練

隨著虛擬現(xiàn)實的發(fā)展完善，其已經(jīng)融入工程、影視娛樂、設(shè)計、軍事、航空航天以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域之中，并且在各個領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用[16-17]。虛擬現(xiàn)實主導(dǎo)的康復(fù)訓(xùn)練模式具有安全性、反饋性和可控性的特點，展現(xiàn)出了強大的交互性、想象性、沉浸性，激勵了患者訓(xùn)練主動性，通過提供有趣的交互功能，幫助患者完成枯燥單一的重復(fù)性康復(fù)訓(xùn)練，增加了患者依從性[18]。虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練可以為患者提供個性化訓(xùn)練強度選擇，實時采集并記錄康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，康復(fù)治療師可以通過遠(yuǎn)程查詢患者訓(xùn)練數(shù)據(jù)，調(diào)整康復(fù)方案，提升了工作效率。

目前，腦卒中患者運動功能康復(fù)訓(xùn)練虛擬現(xiàn)實設(shè)備分為沉浸式與非沉浸式兩種，且根據(jù)其用途分為專門設(shè)計的虛擬環(huán)境（Virtual Environments，VE）與商業(yè)游戲（Commercial Gaming，CG）兩種類型。VE系統(tǒng)通常為患者康復(fù)訓(xùn)練而設(shè)計，以增強康復(fù)訓(xùn)練、減少不必要的動作及運動為目的，但目前專業(yè)VE系統(tǒng)多處于研究階段，并未達到臨床應(yīng)用量產(chǎn)需求；CG系統(tǒng)多為Xbox、Wii為主的成品設(shè)備，與VE系統(tǒng)相比具有相對便宜的優(yōu)勢，但由于其系統(tǒng)通常為健康人群設(shè)計，相對缺乏可擴展性。表1列舉了現(xiàn)階段腦卒中患者常用沉浸式、非沉浸式虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備。

表1 腦卒中運動功能康復(fù)訓(xùn)練常用虛擬現(xiàn)實設(shè)備Table 1 VR equipment for stroke motor rehabilitation training

2.2.1 沉浸式虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)

得益于頭戴式顯示器（Head Mounted Display，HMD）在游戲領(lǐng)域的快速發(fā)展，沉浸式虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)作為近年來較新的康復(fù)治療干預(yù)措施，在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也逐漸得到了發(fā)展。沉浸式虛擬現(xiàn)實設(shè)備包括帶有多項反饋（聽覺、視覺）的HMD和患者動作捕捉系統(tǒng)，在顯示器中創(chuàng)建一個實時反饋的虛擬化身，為患者提供更為逼真的虛擬場景和交互模式。非沉浸式康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)需要患者訓(xùn)練時始終注視前方屏幕，進行康復(fù)訓(xùn)練時僵硬感明顯，與真實日常生活運動相悖。HMD內(nèi)置虛擬場景隨患者扭頭或其他運動即時轉(zhuǎn)換，可以良好地解決此類問題。

2.2.2 非沉浸式虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)

非沉浸式虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)主要使用屏幕、基于視覺的游戲機和其他輸入設(shè)備（如手柄、游戲機方向盤、操縱桿）以加強患者真實感。通過使用各種輸入設(shè)備，患者可以更好地與其虛擬場景中第一視角或第三視角虛擬化身進行聯(lián)系，達到與系統(tǒng)交互的目的，提升患者沉浸感。同時，非沉浸式虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)具有開放性，降低了患者眩暈或者疲勞的可能性，更為開闊性的訓(xùn)練環(huán)境緩和了部分患者焦慮心理（如幽閉恐懼癥）。

2.3 虛擬現(xiàn)實運動功能康復(fù)訓(xùn)練臨床評定工具

《國際功能、殘疾和健康分類》（International Classification of Functioning，disability and health，ICF）作為WHO繼ICD之后分類家族成員，其作為功能評定工具分類已經(jīng)在大量研究臨床試驗上得到認(rèn)可[19]。ICF將康復(fù)功能評定工具分為身體結(jié)構(gòu)與功能、活動與社會參與、環(huán)境因素三大評定領(lǐng)域。表2、表3列舉了腦卒中患者在運動功能虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練中常用的9項評定工具，并按照ICF將其分為身體結(jié)構(gòu)與功能、活動與社會參與兩類[20]。

表2 身體結(jié)構(gòu)與功能評定Table 2 Assessment of body structure and function

表3 活動與社會參與評定Table 3 Assessment of activities and social participation

3 上肢功能康復(fù)

3.1 沉浸式康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)

相較于傳統(tǒng)常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練，沉浸式康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)在改善患者MAS、FMA-UE[21]、平均運動速度[22]等方面已被證實更加有效，差異性更為顯著，且沉浸式康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)進行康復(fù)訓(xùn)練時往往會帶來常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練所沒有的治療效果，如使用融入鏡像療法的沉浸式康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的患者大腦功能連接（Functional Connectivity，F(xiàn)C）恢復(fù)能力得到了較大提升[23-24]，然而現(xiàn)實世界中多感知性器官如嗅覺、味覺增加了虛擬現(xiàn)實構(gòu)建的沉浸式虛擬世界與真實世界的差異性，導(dǎo)致患者康復(fù)訓(xùn)練時會產(chǎn)生相應(yīng)的反差感和不適性，2021年，危昔均等[22]也發(fā)現(xiàn)在使用沉浸式系統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練時的疲勞程度是常規(guī)訓(xùn)練的兩倍左右，加速了病人疲勞指數(shù)。

由于沉浸式康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)發(fā)展時間較短，很少有臨床試驗對于康復(fù)訓(xùn)練時長進行深入研究，2020年Erhardsson等[21]基于臨床試驗所得數(shù)據(jù)推測虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練整體時間控制在200~900 min時獲得的康復(fù)訓(xùn)練效果較高。但其試驗納入受試者人數(shù)較少，后續(xù)仍需進行大樣本試驗進行驗證。

3.2 非沉浸式康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)

使用非沉浸式康復(fù)系統(tǒng)進行訓(xùn)練的患者無需佩戴外部設(shè)備，這種不完全脫離真實環(huán)境的開放性特點進一步降低了頭暈的可能性，其關(guān)鍵技術(shù)主要取決于研究者所采用的人體動作捕捉系統(tǒng)，如Kinect所使用的RGB攝像頭＋紅外攝像頭能夠捕捉到患者運動中的空間信息以及不同關(guān)節(jié)點運動時產(chǎn)生的角度和速度，降低了患者動作捕捉難度，且多項研究表明，基于Kinect的非沉浸式康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)可以有效改善患者FMA-UE[25-28]、MAL[27-29]，縮短正中神經(jīng)N20、P50潛伏期[25]，相較于康復(fù)治療師輔助訓(xùn)練，使用Kinect游戲可以得到更好的康復(fù)治療效果，患者參與度較高[26]，基于Kinect技術(shù)開發(fā)的虛擬現(xiàn)實康復(fù)系統(tǒng)多支持患者康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)存檔、自定義不同難度的訓(xùn)練任務(wù)，如Jintronix系統(tǒng)[27，29]、Mira平臺[30]，便于康復(fù)治療師及時調(diào)整康復(fù)訓(xùn)練計劃，為遠(yuǎn)程醫(yī)療和家庭康復(fù)模式提供了基礎(chǔ)。

基于非沉浸式康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的開放性，研究者們可以輔以大腦皮層刺激以建立FC，增強患者大腦對于肢體的控制，達到恢復(fù)的目的，目前已知的經(jīng)顱直流電刺激[31-32]、經(jīng)顱磁刺激[33-34]、間歇性痛覺刺激[35]等非侵入式刺激方法聯(lián)合非沉浸式康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)均得到了較好的療效。

3.3 虛擬現(xiàn)實+康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)

3.3.1 基于數(shù)據(jù)手套的虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)

目前，康復(fù)外骨骼可以降低患者康復(fù)訓(xùn)練難度，但這種剛性驅(qū)動裝置由于其硬度和重量，降低了患者康復(fù)舒適度，對于肌肉活動能力低的嚴(yán)重患者來說成為了新的康復(fù)訓(xùn)練負(fù)擔(dān)，且多數(shù)外骨骼設(shè)備基于康復(fù)治療師提前設(shè)定的執(zhí)行程序主動帶動患者進行康復(fù)訓(xùn)練，無法充分探究患者的康復(fù)主動性和注意力狀態(tài)。數(shù)據(jù)手套通過不同數(shù)量的高精度傳感器捕捉患者手部細(xì)微動作，將患者手部活動實時映射在虛擬現(xiàn)實場景中，并實時反饋患者訓(xùn)練數(shù)據(jù)，康復(fù)治療師可以更加精確的制定康復(fù)訓(xùn)練計劃。數(shù)據(jù)手套多采用柔性材料，具有較高舒適度及輕便性的特點，間接降低了手功能恢復(fù)的難度?，F(xiàn)階段市場卒中后常用數(shù)據(jù)手套如表4、圖3所示。

表4 腦卒中運動功能康復(fù)常用數(shù)據(jù)手套Table 4 Data gloves for motor function rehabilitation of stroke

圖3 腦卒中運動功能康復(fù)常用數(shù)據(jù)手套Fig.3 Data gloves for stroke motor function rehabilitation

對于數(shù)據(jù)手套結(jié)合虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的康復(fù)治療效果，基于不同設(shè)計方案的臨床試驗結(jié)果具有一定的差異性。Fluet等[36]試驗顯示，患者FC發(fā)生了相應(yīng)的擴展，相比于治療前，患者手部捏、握力提升了50%，手指伸展度增加了25%；Lansberg等[37]發(fā)現(xiàn)在無人監(jiān)督的家庭環(huán)境中，使用數(shù)據(jù)手套的虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練對改善腦卒中患者是有效的，但試驗進行了長達兩周的磨合期準(zhǔn)備，且患者滿意度不高（僅85%滿意度），有20%患者反饋手功能改善效果不明顯；2020年，Kang等[38]進行了4周的對照試驗，雖然試驗結(jié)果顯示實驗組FMA-UE治療效果優(yōu)于對照組（p=0.023），但實際臨床活動表現(xiàn)差異并不明顯，研究者推測與康復(fù)治療周期較短有關(guān)，Lee等[39]將對照試驗治療周期提升一倍（8周）后，實驗組治療前、后WMFT評分、BBT評分平均分?jǐn)?shù)提升（8.6；6.9）明顯高于對照組（2.8；1.7），但與Kang等試驗結(jié)果一致，ADL并未發(fā)現(xiàn)明顯差異。

絕大部分試驗顯示，基于數(shù)據(jù)手套的虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練對于修復(fù)腦卒中患者上肢損傷效果明顯。但單位時間內(nèi)運動能力、ADL并沒有明顯優(yōu)勢。主要原因是ADL對于上肢遠(yuǎn)端和近端的整體協(xié)調(diào)能力要求更高，研究者忽略了上肢近端對上肢遠(yuǎn)端運動功能的影響。后續(xù)康復(fù)訓(xùn)練應(yīng)將康復(fù)重點從改善上肢功能損傷轉(zhuǎn)向ADL的提升，同時增加上肢整體協(xié)調(diào)能力訓(xùn)練項目是必要的。相比于傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練，基于數(shù)據(jù)手套的虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練更為迎合未來遠(yuǎn)程醫(yī)療、家庭醫(yī)療的走向。但康復(fù)訓(xùn)練時機是腦卒中患者卒中后功能康復(fù)的重要因素，患者需要更長時間的磨合期熟悉并正確運用數(shù)據(jù)手套進行康復(fù)訓(xùn)練是得不償失的，下一步需要繼續(xù)簡化虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)操作復(fù)雜度，盡可能避免無用功能設(shè)計，增強訓(xùn)練項目科學(xué)性，進一步提升腦卒中患者康復(fù)效率。

3.3.2 基于腦-機接口的虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)

強制性誘導(dǎo)運動療法（Constraint Induced Movement Therapy，CIMT）、運動想象療法（Motor Imagery，MI）或神經(jīng)肌肉電刺激療法（Neuromuscular Electrical Stimulation，NMES）是腦卒中后上肢康復(fù)訓(xùn)練中常用的治療方法，然而這些康復(fù)訓(xùn)練方法需要患者有一定程度的自主運動能力，重度患者由于運動控制水平、耐疲勞程度普遍較低，康復(fù)訓(xùn)練改善效果并不理想，有著嚴(yán)重的局限性?；谀X-機接口（Brain-Computer Interface，BCI）的VR-BCI系統(tǒng)利用侵入性或非侵入性方式捕獲患者腦部神經(jīng)活動信號，通過計算機解碼并結(jié)合實時反饋的外部虛擬現(xiàn)實設(shè)備與患者大腦進行雙向交互，使患者直接或間接借助大腦活動控制自身虛擬三維重建化身參與到康復(fù)訓(xùn)練中（圖4），這種患者大腦意識與VR場景響應(yīng)虛擬動作的交互機制無需患者進行自主運動，相比于傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練，安全性更高，更加適用于重度損傷患者康復(fù)。可以有效幫助腦卒中患者重新學(xué)習(xí)因腦卒中而遺忘的動作，增強患者神經(jīng)可塑性，協(xié)助患者運動功能康復(fù)[35-36]。

圖4 基于BCI的虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)原理Fig.4 Principle of VR-BCI system

作為BCI領(lǐng)域研究團隊，Vourvopoulos團隊成員早于2016年對市場上三款定制的VR-BCI系統(tǒng)性能進行了對比[40]并得出低成本開源系統(tǒng)比商業(yè)醫(yī)療級的VRBCI系統(tǒng)更具成本效益的結(jié)論。同年，該團隊設(shè)計了一款具有震動觸覺反饋的NeuRow頭戴式VR-BCI模型[41]，在健康受試者中取得了平均70.7%的識別準(zhǔn)確率。2019年，Vourvopoulos團隊根據(jù)患者損傷程度不同基于EEG設(shè)計了具有多模式接口（腦-VR接口、肌肉-VR接口、手部追蹤接口）的VR-BCI康復(fù)系統(tǒng)REINVENT[42]。但通過12名健康受試者對照試驗反饋，沉浸感更強的HMD康復(fù)系統(tǒng)REINVENT并沒有比非沉浸式康復(fù)系統(tǒng)獲得更為顯著的效果。隨后一年里，團隊又先后增加五名腦卒中后不同損傷程度患者進行REINVENT試驗[43-44]，患者總體FMA-UE提升了1~6個百分點，SIS提升了15~40個百分點，證實了重度損傷患者可以通過VR-BCI獲得更高的恢復(fù)效果。

基于VR-BCI系統(tǒng)的現(xiàn)狀，研究者多增加外部輔助設(shè)施或觸覺反饋等以增強VR-BCI系統(tǒng)沉浸感，以求提高康復(fù)治療效果，張?zhí)业萚45]增加MI研發(fā)了MI-BCI手功能康復(fù)系統(tǒng)，受試者平均動作識別準(zhǔn)確率達到了75%；Cheng等[46]在此基礎(chǔ)上使用了柔性機器人手套，實驗組受試者均報告患側(cè)肢具有更為真實的運動感，且大部分表示在干預(yù)后感覺持續(xù)存在；de Castro-Cros等[47]將VR-BCI系統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練任務(wù)游戲化，得到了更高的用戶滿意度，并基于小樣本試驗中得出年齡并不是影響識別準(zhǔn)確率因素的結(jié)論。

雖然VR-BCI康復(fù)訓(xùn)練被證實對于腦卒中重癥患者康復(fù)是有效的，且多項試驗問卷調(diào)查顯示受試者對VRBCI滿意度整體較高，但現(xiàn)階段VR-BCI系統(tǒng)對于患者腦部活動信號識別準(zhǔn)確率除個別受試者達到95%以上[43]，整體平均準(zhǔn)確率不到80%，個別試驗也顯示出康復(fù)訓(xùn)練中有出現(xiàn)患者疲勞的問題。推斷因為腦卒中患者受損腦部區(qū)域并不相同，每位患者的注意力集中能力也有一定差異，康復(fù)訓(xùn)練劑量的把握程度仍有欠缺。說明VR-BCI具有很強研究前景，但如何進一步提升系統(tǒng)識別準(zhǔn)確率仍然是此領(lǐng)域的關(guān)鍵性問題。近期，Willett團隊5月在Nature雜志發(fā)表的一篇關(guān)于BCI的最新研究[48]，對于使用BCI系統(tǒng)識別并實現(xiàn)高難度、精細(xì)化的手寫字母能力取得了重要突破。該系統(tǒng)通過兩根微電極陣列芯片進行侵入性獲取患者腦部神經(jīng)活動信號，并借助循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、主成分分析和非線性降維方法將神經(jīng)活動可視化，書寫速度達到了每分鐘90字符，且平均錯誤率僅為5.9%，為后續(xù)VR-BCI系統(tǒng)的研發(fā)提供了良好的前景。

3.4 小結(jié)

多項研究表明，HMD對于恢復(fù)FC有著很高的積極作用且有著較高體驗滿意度。但基于現(xiàn)階段的沉浸式康復(fù)訓(xùn)練臨床試驗來看，仍然有少數(shù)患者反映出使用HMD對其有負(fù)面影響，如頭暈、疲憊[26]等，HMD屏幕分辨率和刷新率、動作捕捉系統(tǒng)的靈敏性均影響著HMD對患者的視覺反饋，目前HMD屏幕分辨率相較于非沉浸式系統(tǒng)屏幕較低，動作捕捉系統(tǒng)靈敏性和HMD畫面流暢度的提升是下一步發(fā)展的關(guān)鍵性問題；非沉浸式設(shè)備多采用手柄或其他具有反饋性傳感器進行傳輸數(shù)據(jù)，更為適合Brunnstrom3期及以上腦卒中患者進行上肢康復(fù)訓(xùn)練，Brunnstrom1期和2期患者由于肌無力程度較嚴(yán)重，手柄的抓握更為困難，康復(fù)訓(xùn)練過程中手部顫抖造成虛擬訓(xùn)練任務(wù)失敗和因抓握能力不足導(dǎo)致手柄滑落會對患者造成沒必要的困擾和信心的降低，對于Brunnstrom1、2期患者，無需手柄的Kinect體感技術(shù)或leapmotion進行動作捕捉、采用無需患者自主運動的MI-BCI系統(tǒng)或輔以康復(fù)外骨骼均是有效的干預(yù)措施；輕中度卒中患者可以采用HMD結(jié)合數(shù)據(jù)手套開發(fā)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，或在非沉浸式系統(tǒng)的手柄內(nèi)增加壓力感應(yīng)器捕獲患者手部抓握能力，通過可視化數(shù)據(jù)實時反映患者康復(fù)訓(xùn)練狀況，便于康復(fù)治療師及時調(diào)整康復(fù)訓(xùn)練計劃。

4 下肢功能康復(fù)

4.1 沉浸式康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)

為了對比不同沉浸式系統(tǒng)適用范圍，Borrego等[49]對HTC Vive和Oculus Rift進行了橫向?qū)Ρ取＝Y(jié)果顯示，HTC Vive工作范圍（24.87 m2）可以達到Oculus Rift（11.75 m2）兩倍，在較低位置測試時精度更高，Oculus Rift則更適合站立位置時使用；Winter等[50]對照試驗發(fā)現(xiàn)沉浸式組治療效果優(yōu)于非沉浸式組（p=0.025），且健康受試者和腦卒中患者均表示更傾向于使用沉浸式系統(tǒng)（89%；71%），證實了使用沉浸式系統(tǒng)的患者可以得到更好的步速恢復(fù)能力且受眾更多。

為了增強沉浸式虛擬設(shè)備的真實感，增加真實世界映射或感知反饋是研究者們常用的干預(yù)手段。Zakharov等[51]使用腳底氣動裝置對模擬虛擬場景腳底真實觸感進行了模擬，Kim[52]使用Insta360 ONE X（Insta360?，美國）建立了虛擬現(xiàn)實社區(qū)街景，均得到了比常規(guī)訓(xùn)練更好的康復(fù)效果。但Kim團隊試驗為了防止患者康復(fù)訓(xùn)練強度過高，為每位患者配備了一名治療師檢測康復(fù)訓(xùn)練時的狀態(tài)和心率情況，以便對患者康復(fù)訓(xùn)練強度及時調(diào)整，增加了康復(fù)治療師工作量。

4.2 非沉浸式康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)

在使用非沉浸式康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)進行下肢訓(xùn)練時，多項試驗顯示患者平衡能力的改善效果較高[53-55]，且大腦左半球受損患者康復(fù)治療過后對于復(fù)雜性操作能力優(yōu)于右半球受損患者[56]，張麗華等[54]研究發(fā)現(xiàn)患者除BBS評分有顯著提升外，動態(tài)睜、閉眼站立以及穩(wěn)定反應(yīng)時間相比于治療前明顯降低（P<0.05，0.01，0.05），驗證了虛擬游戲訓(xùn)練是治療腦卒中患者姿勢控制能力的有效方法；2020年李文鋒團隊[55]和付虧杰團隊[57]研究得到了一致性結(jié)果，實驗組治療過后BBS、步行能力與對照組相比差異性顯著。

但相較于患者下肢平衡能力的顯著性改善，有研究顯示ADL的治療效果并沒有達到預(yù)期的效果[53，55]，為了增強對患者ADL的訓(xùn)練，錢平安等[58]使用了Kinectfor Xbox聯(lián)合Bobath康復(fù)療法，試驗顯示，實驗組ADL、FMA、BBS高于對照組且具有統(tǒng)計學(xué)差異（p<0.05）；Miclaus團隊[59]在Mira平臺上結(jié)合鏡像療法也得到了較好的療效，患者肌肉力量和下肢功能恢復(fù)效果優(yōu)于常規(guī)訓(xùn)練對照組。

4.3 虛擬現(xiàn)實+康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)

4.3.1 基于運動平臺的虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實下肢干預(yù)措施通常結(jié)合運動平臺（跑步機、運動平板、平衡板）進行。運動平臺的使用降低了患者對訓(xùn)練場地的空間需求，提升了空間利用率，虛擬現(xiàn)實技術(shù)對真實場景的再現(xiàn)能力可以取得更好的腦卒中步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練環(huán)境條件[60]，滿足了患者對于不同訓(xùn)練場地的需求。

Solanki等[61]在運動平板中加入了心率監(jiān)測系統(tǒng)，使用自適應(yīng)技術(shù)通過檢測患者康復(fù)訓(xùn)練時實時心率情況改變跑步機速度，為不同損傷程度的腦卒中患者提供了針對性的運動強度訓(xùn)練，解決了上文Kim團隊[52]額外工作量負(fù)擔(dān)的問題。2020年金慶華[62]在常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練基礎(chǔ)上應(yīng)用運動平板虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練，得到了一致性試驗結(jié)果，BBS、FMA均有顯著提升，與常規(guī)訓(xùn)練對照組差異性更加明顯（p<0.01）。但由于該對照試驗兩組并未設(shè)定相同的康復(fù)訓(xùn)練時長，僅證明了虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練＋常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練模式康復(fù)效果優(yōu)于傳統(tǒng)常規(guī)訓(xùn)練模式。

Wii平衡板價格相對低廉，因其CG系統(tǒng)的開源性設(shè)計為用戶內(nèi)置了大量操作性游戲，可以為患者提供不同的虛擬場景，在改善患者平衡[63]和患側(cè)腿承重能力[64]有著出色的表現(xiàn)；作為頂級虛擬現(xiàn)實運動控制公司，Motek旗下的STABLE系統(tǒng)[65]、GRAIL步態(tài)實時分析互動實驗室[66-67]和C-Mill[68]等系統(tǒng)也在下肢康復(fù)治療領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。

相較于腦卒中重癥患者，輕中度下肢功能損傷患者在使用運動平臺時可以獲得更高的改善效果。由于腦卒中重癥患者患側(cè)肢的承重能力較差，著力點不穩(wěn)定，導(dǎo)致患者在使用運動平臺訓(xùn)練或在日常生活中嚴(yán)重依賴非患側(cè)肢的支撐作用，降低了對患側(cè)腿的使用，造成身體重心產(chǎn)生單側(cè)偏移，嚴(yán)重影響了患者自身平衡和協(xié)調(diào)能力。且卒中后下肢肌力減弱，腦卒中重癥患者下肢難以支撐上身重量，往往在康復(fù)訓(xùn)練過程中出現(xiàn)重心不穩(wěn)、身體前傾等安全性問題，從而影響了訓(xùn)練的康復(fù)效果。

4.3.2 基于減重步行訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)

為解決上述問題，研究者將減重步行訓(xùn)練（Body Weight Support Treadmill Training，BWSTT）加入運動平臺虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，BWSTT的牽引式吊帶減重系統(tǒng)可以有效減輕患者下肢承重壓力，同時使用懸吊裝置和安全帶保證患者自身安全性（圖5），通過調(diào)整減重系統(tǒng)，協(xié)助重癥腦卒中患者更好地進行不同強度的負(fù)荷訓(xùn)練，從而使腦卒中患者康復(fù)訓(xùn)練更加有效。

圖5 NxStep Unweighing減重步行訓(xùn)練系統(tǒng)（Biodex，美國）Fig.5 NxStep Unweighing System（Biodex，USA）

早在2010年Walker等[69]設(shè)計了增加BWSTT的虛擬現(xiàn)實同步減重步行訓(xùn)練系統(tǒng)（VR+BWSTT），該系統(tǒng)使用的BWSTT系統(tǒng)最大可以承受163 kg的重量，滿足了絕大部分患者使用要求。試驗發(fā)現(xiàn)患者在VR+BWSTT上行走時患側(cè)單腿支撐時長更長，比地面行走更具有對稱性。后續(xù)有研究顯示[70]VR+BWSTT在改善患者的下肢運動功能和步行能力方面更具有優(yōu)勢，且在康復(fù)訓(xùn)練時腦部運動前區(qū)、楔前葉和聯(lián)想視覺區(qū)域激活更為明顯[71]，證實了VR+BWSTT對于CF重建起著積極作用。

在使用虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)時，患者的實時運動數(shù)據(jù)是康復(fù)治療師對于訓(xùn)練強度進行調(diào)整的有效參照物，Solanki等[72]使用該團隊自主研發(fā)的儀表鞋采集患者在使用VR+BWSTT時步態(tài)穩(wěn)定性、對稱指數(shù)等相關(guān)參數(shù)，結(jié)果顯示，系統(tǒng)在檢測參與者步態(tài)特征變化具有有效性，腦卒中患者步態(tài)對稱性同樣得到了顯著改善。黃飛等[73]對VR+BWSTT進行了更為詳細(xì)的臨床試驗，將120名腦卒中患者按照隨機數(shù)字表法分為四組（VR組、減重組、VR+BWSTT組、對照組）。試驗顯示，VR+BWSTT組步行能力、下肢功能、患側(cè)支撐能力均明顯優(yōu)于其他三組（p<0.05）。

4.4 小結(jié)

在進行下肢訓(xùn)練時，患者多需要在康復(fù)訓(xùn)練場所或運動平臺上進行運動，使用沉浸式康復(fù)系統(tǒng)時往往沒有辦法關(guān)注到現(xiàn)實場景景象，對于心理建設(shè)較差或伴有精神類疾病的患者并不友好[53]，對于下肢肌力不足或有一定心理疾病的患者，采用更具開放性的非沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合BSWTT進行康復(fù)訓(xùn)練更加適合；基于商業(yè)用途的非沉浸式虛擬現(xiàn)實游戲針對性不足，患者往往會通過代償運動完成設(shè)定的虛擬現(xiàn)實游戲任務(wù)，康復(fù)訓(xùn)練效果降低，篩選出具有針對性的虛擬現(xiàn)實游戲或為輕中度損傷患者開發(fā)相應(yīng)虛擬現(xiàn)實任務(wù)是有必要的；HMD在康復(fù)訓(xùn)練時需要高性能處理器快速運轉(zhuǎn)，其重量和產(chǎn)生的熱量往往也會有干擾患者正常康復(fù)訓(xùn)練，采用制程更小的芯片可以有效提升性能、減少發(fā)熱量，基于虛擬現(xiàn)實產(chǎn)生的現(xiàn)實增強技術(shù)（Augmented Reality，AR）將虛擬場景根據(jù)現(xiàn)實場景進行渲染與虛擬化，是一種將虛擬場景映射在真實世界的一種技術(shù)，現(xiàn)階段AR眼鏡也逐漸進入到市場中，將AR融入到康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)中或許會產(chǎn)生更好的效果。

5 面臨的挑戰(zhàn)及改進措施

虛擬現(xiàn)實給予患者以高沉浸感的同時往往增加了虛擬現(xiàn)實暈動癥的風(fēng)險。真實世界個體運動過程中伴隨著多感知刺激，當(dāng)患者使用虛擬現(xiàn)實設(shè)備時因刺激性差異會引起視覺相對運動和前庭器官相對靜止反饋的相對運動錯覺，從而導(dǎo)致虛擬現(xiàn)實暈動癥的產(chǎn)生。部分腦卒中患者會出現(xiàn)訓(xùn)練中頭痛、精神恍惚、眩暈的現(xiàn)象，其中少數(shù)患者訓(xùn)練過后眼前仍會出現(xiàn)虛擬現(xiàn)實場景，會對患者康復(fù)訓(xùn)練效果及訓(xùn)練后休息產(chǎn)生干擾[22，26，58]。根據(jù)美國高通公司發(fā)布的《Reducing Cybersicknessin Virtual Reality》[74]，致病因素大致分為三類：系統(tǒng)因素（硬件及操作系統(tǒng)問題）、軟件因素（應(yīng)用的設(shè)計、人機交互技術(shù)的選擇）、用戶個人因素（患病程度、心態(tài)問題）。

降低患者視覺感受野和畫面渲染強度、避免沒必要的光學(xué)性污染是目前研究者對于系統(tǒng)影響處理的主要手段，主要分為視覺動態(tài)模糊、動態(tài)改變視場和增加靜止框架三種方法。王新悅等[75]通過高斯函數(shù)對目標(biāo)區(qū)域外的背景進行模糊處理，成功降低了62%眩暈發(fā)生率；Farmani等[76]使用離散視覺控制降低視覺刺激，分別對旋轉(zhuǎn)視角（增加黑場過渡達到視角切換的目的）和對平移（短程傳送方式進行前進式畫面切換）進行了處理，得到了旋轉(zhuǎn)捕捉（40%）和平移捕捉（47%）降低發(fā)病率水平；增加虛擬鼻子[77]、眼鏡、棒球帽[78]等靜止框架以縮小患者視場的方式也同樣得到了較好的效果，Wienrich團隊[77]發(fā)現(xiàn)當(dāng)患者被告知畫面中存在虛擬鼻子后更大程度地降低了眩暈發(fā)生率。有研究顯示[79]三種處理手段均可減緩暈動癥癥狀，且差異性并不明顯，但動態(tài)改變視場和視覺動態(tài)模糊方法會導(dǎo)致信息丟失，靜止框架方法則不會造成此類問題。

為了降低軟件因素對虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練的影響，張曉婷等[80]通過優(yōu)化系統(tǒng)運動參數(shù)（更改加速度、線性速度）、增強嗅覺（加裝氣味散發(fā)裝置）和聽覺反饋（設(shè)計三維立體背景音樂）增強多通道信息反饋。106名受試者測試過后眩暈占比僅2%，低于對照組三倍，降低了60%發(fā)病率。Weech等[81]利用前庭電刺激（Galvanic Vestibular Stimulation，GVS）技術(shù)加入HMD中，將電極片貼在乳突處，通過骨傳導(dǎo)震動方式增強前庭反饋。但經(jīng)過試驗，與對照組相比，GVS的增加并沒有降低患者的眩暈感，另有研究顯示[82]，增加了GVS的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)起到了更強的副作用，增加了暈動癥的發(fā)生率。

與司機開車不易引發(fā)暈車癥一樣，采用手柄增強患者康復(fù)時對虛擬化身的控制可有效降低暈動癥的發(fā)生[83]。藥理學(xué)的治療干預(yù)也通常用于暈動癥中，如鹽酸異丙嗪[84]、茶苯海明和苯海拉明[75]，但這些藥物多具有一定的副作用，且并不清楚和卒中后所服用藥物是否有藥性沖突。中藥具有藥性溫和、副作用小的特點，Chen等[85]使用生姜、木香、廣藿香三種中藥組成的復(fù)方在小鼠試驗效果中優(yōu)于茶苯海明和苯海拉明，為后續(xù)針對暈動癥藥物的開發(fā)提供了參考。

除GVS引入產(chǎn)生的負(fù)影響外，其他優(yōu)化方式均得到了較好的反饋，其中靜止框架方法和增強多通道感知器官信息反饋的方法具有一定優(yōu)勢，證實了虛擬現(xiàn)實暈動癥是可以進一步避免的，增強患者各感知反饋能力的協(xié)調(diào)性，降低單一感知器官的突出性刺激是減少虛擬現(xiàn)實暈動癥的有效措施，但在使用相應(yīng)藥物時仍需注意其藥性機制與其副作用，檢測其與卒中后藥物的沖突性，降低不穩(wěn)定風(fēng)險。

6 結(jié)束語

目前國內(nèi)康復(fù)訓(xùn)練存在著醫(yī)患比例嚴(yán)重失衡、康復(fù)手段不完善等缺點，近年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中不斷深入研究，為腦卒中患者提供了更有效的治療途徑。虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練效果較好、患者依從性高，打破了傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練模式的諸多局限性，減輕了康復(fù)治療師工作壓力，高度自由性訓(xùn)練模式降低了患者康復(fù)心理負(fù)擔(dān)。本文梳理了虛擬現(xiàn)實國內(nèi)外在腦卒中患者運動功能康復(fù)中的相關(guān)應(yīng)用，對不同虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行了歸納總結(jié)，闡述了各自系統(tǒng)之間的優(yōu)點及局限性，并對其后續(xù)可行性發(fā)展方向進行了展望，匯總比較了虛擬現(xiàn)實所面臨的挑戰(zhàn)和相應(yīng)改進措施。

從本文篩選各篇臨床對照試驗來看，各自結(jié)果具有較大差異性，部分試驗顯示虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練并沒有展現(xiàn)出比對照組更優(yōu)秀的康復(fù)治療效果。主要因素可能是源自各團隊之間所采取的虛擬康復(fù)訓(xùn)練計劃具有差異性，且不同虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的治療劑量、強度和頻率不盡相同；研究受試者數(shù)量有限，缺乏準(zhǔn)確的有效性評價，需要深入進行大樣本、高質(zhì)量臨床試驗；研究者所選不同訓(xùn)練效果評定量表的針對性同樣影響著試驗最終結(jié)果，需大批量臨床試驗，統(tǒng)一康復(fù)訓(xùn)練計劃強度并進行系統(tǒng)間橫向?qū)Ρ?。隨著近幾年虛擬現(xiàn)實技術(shù)逐漸成熟，越來越多的研究者投身于康復(fù)領(lǐng)域之中，同類型之間康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的對比試驗得到了更好的展開；參與到虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練試驗中的患者也越來越多，從開始的單樣本試驗到現(xiàn)在百余例患者對照試驗均顯示出了虛擬現(xiàn)實在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的美好前景。

為了擁抱遠(yuǎn)程醫(yī)療、智慧醫(yī)療，制定更具有針對性的個性化虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練計劃是未來重要走向。目前處于醫(yī)療大數(shù)據(jù)的重要時期，海量醫(yī)療數(shù)據(jù)的分析對于康復(fù)訓(xùn)練制定具有指導(dǎo)性，但現(xiàn)階段虛擬現(xiàn)實在康復(fù)領(lǐng)域中進行康復(fù)訓(xùn)練缺少統(tǒng)一的金標(biāo)準(zhǔn)，不同系統(tǒng)之間開發(fā)更具有主觀性，臨床試驗結(jié)果特異性太強，難以基于現(xiàn)在的數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析；專門用于評估虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練效果的量表較少，與傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練評定工具不同的是，虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練優(yōu)勢為實時性、可視化、反饋性的高精度數(shù)據(jù)，康復(fù)治療師可以通過不同數(shù)據(jù)之間的實時反饋情況及時的調(diào)整患者康復(fù)訓(xùn)練時間或強度，但目前很少有公認(rèn)的對于高精度康復(fù)數(shù)據(jù)進行分析和測試的評定工具。建議后續(xù)可以使用可視化量表、散點圖、曲線圖等形式形式反映患者不同時期康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，通過建立更適合、更具科學(xué)性的虛擬康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)評定工具為后續(xù)康復(fù)訓(xùn)練方案的修改和臨床研究提供更為客觀的結(jié)果。