虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在腦卒中后康復(fù)中的研究進(jìn)展

程雅卓 綜述 陳卓銘 審校

暨南大學(xué)石牌校區(qū)，廣東 廣州 510000

腦卒中是全球第三大死因，也是第一大致殘?jiān)騕1]，腦卒中常導(dǎo)致多方面的功能障礙，包括運(yùn)動(dòng)障礙、認(rèn)知障礙和言語(yǔ)障礙，嚴(yán)重影響患者日常生活能力，加重社會(huì)和家庭的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[2]。傳統(tǒng)的康復(fù)治療往往需要耗費(fèi)大量的人力和金錢，效率低下，過(guò)程枯燥乏味，不利于患者的長(zhǎng)期康復(fù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(virtual reality，VR)作為近年來(lái)發(fā)展迅速的新興康復(fù)治療手段，能很好地解決上述問(wèn)題。

1 VR的概述

VR是一種利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和交互設(shè)備(如頭戴式顯示器、手柄、手套等)人工創(chuàng)建一個(gè)接近真實(shí)世界的環(huán)境，允許一個(gè)或多個(gè)用戶與虛擬環(huán)境及其三維實(shí)體進(jìn)行交互的技術(shù)[3]，具有沉浸感、交互性和想象力三大特點(diǎn)[4]。VR技術(shù)包括兩種類型：(1)沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)，通過(guò)結(jié)合計(jì)算機(jī)、頭戴式顯示器(HMDs)模擬真實(shí)的世界，這個(gè)世界會(huì)隨著參與者的運(yùn)動(dòng)而自然變化。然后通過(guò)使用專門的跟蹤技術(shù)來(lái)感知用戶的位置和運(yùn)動(dòng)，并將信息呈現(xiàn)給用戶，增加多感官刺激，使用戶產(chǎn)生沉浸在虛擬空間中的錯(cuò)覺(jué)[5]。(2)非沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)，使用具有三維圖形環(huán)境的游戲系統(tǒng)，用戶可以使用鍵盤、鼠標(biāo)或其他游戲界面設(shè)備與屏幕上的虛擬環(huán)境進(jìn)行交互和導(dǎo)航，執(zhí)行在現(xiàn)實(shí)世界中難以完成的任務(wù)[6]。

2 VR在上肢康復(fù)中的應(yīng)用

2.1 對(duì)近端粗大運(yùn)動(dòng)的影響 腦卒中患者上肢運(yùn)動(dòng)功能障礙通常表現(xiàn)為肌力下降、肌張力增高、運(yùn)動(dòng)模式異常等，嚴(yán)重影響患者日常生活能力。有研究提出單獨(dú)的VR治療在恢復(fù)上肢運(yùn)動(dòng)功能方面并不比傳統(tǒng)治療更有效[7-8]，這可能歸因于所使用的VR技術(shù)和設(shè)備、VR游戲的難度、鍛煉持續(xù)時(shí)間和治療方法的差異。一項(xiàng)納入2 470例腦卒中患者的大型薈萃分析發(fā)現(xiàn)，VR作為輔助訓(xùn)練手段結(jié)合傳統(tǒng)康復(fù)療法有助于改善上肢運(yùn)動(dòng)功能和日常生活能力[9]。YAO等[10]發(fā)現(xiàn)VR訓(xùn)練結(jié)合經(jīng)顱直流電刺激(c-tDCS)在減少腦卒中患者運(yùn)動(dòng)損傷、改善上肢功能和生活質(zhì)量方面明顯優(yōu)于單獨(dú)VR療法或者經(jīng)顱磁電刺激干預(yù)。VR技術(shù)促進(jìn)卒中后上肢功能恢復(fù)的機(jī)制是近幾年研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。MEKBIB等[11]將沉浸式VR游戲與鏡像反饋系統(tǒng)相結(jié)合，12例亞急性腦卒中患者在接受常規(guī)康復(fù)的同時(shí)進(jìn)行VR訓(xùn)練，4周后上肢運(yùn)動(dòng)功能明顯恢復(fù)。同時(shí)，靜息態(tài)磁共振發(fā)現(xiàn)VR組雙側(cè)半球初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層M1區(qū)的連接性增強(qiáng)，既往的研究證實(shí)雙側(cè)M1區(qū)的連接和上肢運(yùn)動(dòng)功能存在顯著的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性[12]。KARIM等[13]認(rèn)為VR訓(xùn)練能夠增加初級(jí)皮層與顳上回等區(qū)域的血流灌注，激活控制上肢運(yùn)動(dòng)的區(qū)域，皮層神經(jīng)的可塑性發(fā)生改變，有利于中風(fēng)后上肢功能的恢復(fù)，但目前具體的理論模型仍不完善，需要進(jìn)一步深入研究。

2.2 對(duì)遠(yuǎn)端精細(xì)運(yùn)動(dòng)影響 VR系統(tǒng)多數(shù)適用于上肢大關(guān)節(jié)康復(fù)[14-16]。然而，在中風(fēng)后偏癱康復(fù)過(guò)程中，上肢的功能恢復(fù)通常表現(xiàn)為近端到遠(yuǎn)端的梯度，這導(dǎo)致手功能比手臂功能差[17]，患手精細(xì)功能的恢復(fù)是目前的難點(diǎn)之一，同時(shí)也嚴(yán)重影響日常生活[18]。WANG等[19]設(shè)計(jì)了一款可捕捉手腕及手指精細(xì)動(dòng)作的VR系統(tǒng)，對(duì)13例亞急性腦卒中患者進(jìn)行4周的手功能訓(xùn)練，結(jié)果發(fā)現(xiàn)偏癱側(cè)拇指的運(yùn)動(dòng)范圍、手指肌力及分離運(yùn)動(dòng)速度均明顯改善，這表明該VR系統(tǒng)有助于癱瘓上肢手精細(xì)功能的恢復(fù)和靈活性的提高。在腦卒中后遺癥期患手力量的提升與上肢遠(yuǎn)端精細(xì)功能的恢復(fù)存在顯著相關(guān)性[1]。YEH等[20]利用人機(jī)互動(dòng)式虛擬現(xiàn)實(shí)任務(wù)—拾起硬幣、轉(zhuǎn)動(dòng)鑰匙、移動(dòng)小木塊對(duì)24例腦卒中患者進(jìn)行手功能訓(xùn)練，8周后FMI、WMFT、BBT均較前明顯改善，證實(shí)VR有助于腦卒中患者偏癱側(cè)手指力量、抓握能力及夾持功能的恢復(fù)。目前VR訓(xùn)練在手功能康復(fù)中的研究不多，一方面缺乏統(tǒng)一且有效的評(píng)估工具，其次手功能康復(fù)短期訓(xùn)練效果并不顯著，發(fā)揮治療效果的最短干預(yù)時(shí)間仍有待確定。

3 VR在下肢康復(fù)中的應(yīng)用

3.1 對(duì)平衡功能的影響 最初用于平衡訓(xùn)練的VR設(shè)備是一臺(tái)顯示器與自行車的組合，隨著科技及娛樂(lè)行業(yè)的發(fā)展，任天堂Wii系統(tǒng)、Xbox Kinect體感游戲等新一代VR設(shè)備逐漸應(yīng)用于臨床康復(fù)。大量研究證實(shí)，VR在神經(jīng)系統(tǒng)患者的平衡功能康復(fù)方面具有優(yōu)勢(shì)[21-24]。PORRAS等[25]采用回顧性研究方法，系統(tǒng)分析某大型康復(fù)中心接受VR康復(fù)治療的167例腦卒中后平衡障礙患者的臨床資料，研究表明VR在平衡功能康復(fù)中是可行和有效的。該研究有助于VR向長(zhǎng)期臨床實(shí)施的過(guò)渡。腦卒中后常遺留姿勢(shì)控制異常及偏癱側(cè)下肢的廢用而導(dǎo)致平衡功能障礙，增加跌倒風(fēng)險(xiǎn)[26]。D'ANTONIO等[27]使用沉浸式VR視頻游戲平臺(tái)對(duì)腦卒中患者進(jìn)行平衡訓(xùn)練，同時(shí)給予視覺(jué)刺激，15例患者站在平衡儀上躲避來(lái)自不同方向、不同速度的虛擬刺激物，經(jīng)過(guò)6周的訓(xùn)練，患者的動(dòng)態(tài)平衡及姿勢(shì)穩(wěn)定性明顯改善，但是對(duì)靜態(tài)平衡影響較小。KUMAR等[22]將任天堂Wii游戲機(jī)輔助虛擬平衡訓(xùn)練系統(tǒng)(V2Bat)用于腦卒中患者的康復(fù)，訓(xùn)練4周后與最初相比偏癱側(cè)下肢CoP位移顯著增加，研究表明該系統(tǒng)鼓勵(lì)患者在重心轉(zhuǎn)移導(dǎo)向性任務(wù)中增加偏癱側(cè)下肢的使用，減少錯(cuò)誤代償姿勢(shì)，進(jìn)而改善平衡功能障礙。

3.2 對(duì)步態(tài)的影響 腦卒中偏癱患者的步行功能障礙常表現(xiàn)為左右步長(zhǎng)不對(duì)稱，步行速度緩慢，步長(zhǎng)、步頻的減少。卒中后常由于肌肉異常激活模式，導(dǎo)致膝、髖關(guān)節(jié)僵硬，下肢肌肉無(wú)力，行走姿勢(shì)異常，從而限制了步行功能的恢復(fù)，增加跌倒風(fēng)險(xiǎn)[28]。VR可以通過(guò)營(yíng)造類似真實(shí)生活的訓(xùn)練場(chǎng)景,達(dá)到從訓(xùn)練到生活的良好過(guò)渡。JAFFE等[29]比較了真實(shí)和虛擬場(chǎng)景對(duì)卒中患者步態(tài)的影響。VR組患者在跑步機(jī)上前進(jìn)并跨越各種虛擬障礙物。對(duì)照組則在平地上越過(guò)真實(shí)的障礙物。經(jīng)過(guò)兩周訓(xùn)練，VR組的步行速度明顯優(yōu)于對(duì)照組，且安全性更高。踝關(guān)節(jié)痙攣是影響卒中后患者步態(tài)不對(duì)稱的主要原因之一[30]，LUQUE-MORENO等[31]對(duì)10例偏癱患者進(jìn)行基于VR的踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練聯(lián)合傳統(tǒng)康復(fù)治療，經(jīng)過(guò)3周的訓(xùn)練，腦卒中患者踝關(guān)節(jié)跖屈肌肉的痙攣狀態(tài)明顯改善，同時(shí)也增加了下肢肌肉之間的協(xié)調(diào)能力及運(yùn)動(dòng)控制能力，提高步行功能，有助于降低患者跌倒風(fēng)險(xiǎn)。

4 VR在認(rèn)知康復(fù)中的應(yīng)用

腦卒中患者的主要認(rèn)知障礙包括視空間、知覺(jué)、注意力、記憶力、執(zhí)行能力等。研究表明，腦組織具有可塑性，神經(jīng)元突觸之間存在復(fù)雜的聯(lián)系，可通過(guò)康復(fù)訓(xùn)練來(lái)改善腦認(rèn)知功能，在虛擬環(huán)境中，聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)反饋信號(hào)增強(qiáng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的再學(xué)習(xí)能力，促進(jìn)神經(jīng)可塑性，從而加快認(rèn)知障礙的而恢復(fù)[32]。在過(guò)去的幾年里，VR康復(fù)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為改善認(rèn)知功能的最有希望的治療方案之一，VR療法通常將認(rèn)知任務(wù)納入日常生活能力(ADL)模擬的虛擬環(huán)境對(duì)卒中后患者進(jìn)行認(rèn)知訓(xùn)練[33]。FARIA等[34]比較了個(gè)性化紙筆認(rèn)知康復(fù)計(jì)劃如數(shù)字序列、單詞搜索、迷宮、水果分類等與ADL模擬的VR康復(fù)系統(tǒng)對(duì)36例卒中后患者認(rèn)知功能的改善，結(jié)果表明VR組在注意力和執(zhí)行功能方面的表現(xiàn)更好。最新的研究還證實(shí)了使用VR對(duì)中風(fēng)患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知負(fù)荷訓(xùn)練雙任務(wù)的優(yōu)勢(shì)[35]，然而仍然沒(méi)有足夠數(shù)量的嚴(yán)格試驗(yàn)在臨床上驗(yàn)證，未來(lái)可以從此方向入手進(jìn)行研究。

偏盲是腦卒中后常見(jiàn)的認(rèn)知障礙之一。LORENZ等[36]將20例腦卒中后偏盲患者置于完全沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)超市中完成購(gòu)物任務(wù)，并記錄正確的購(gòu)物數(shù)量、購(gòu)物時(shí)間及行走軌跡，經(jīng)過(guò)6周的訓(xùn)練后患者的視空間記憶及視覺(jué)搜索能力明顯改善，且情緒評(píng)估量表顯示患者的焦慮抑郁癥狀在游戲后有顯著的好轉(zhuǎn)，但是在視野恢復(fù)方面效果不佳，且研究存在性別差異性，治療長(zhǎng)期效果不確定，進(jìn)一步的研究需要評(píng)估VR訓(xùn)練的“劑量”及其與腦卒中發(fā)作時(shí)間的關(guān)系。

記憶力受損是卒中患者認(rèn)知功能障礙的核心癥狀，因此記憶障礙的評(píng)估及康復(fù)訓(xùn)練尤為重要?；赩R的記憶訓(xùn)練多為情景記憶訓(xùn)練。GRéGORY等[37]認(rèn)為導(dǎo)航任務(wù)是改善情景記憶的重要方法，他們利用虛擬環(huán)境，再現(xiàn)了實(shí)際城市區(qū)域的空間布局，要求20例卒中患者在虛擬城市中完成三種導(dǎo)航路線的記憶任務(wù)：(1)尋路任務(wù)；(2)路線繪制任務(wù)；(3)場(chǎng)景分類任務(wù)，經(jīng)過(guò)一個(gè)月的訓(xùn)練，患者的空間能力及情景記憶均得到明顯改善。前瞻記憶受損比任何其他形式的記憶受損更有可能影響?yīng)毩⑸?，因此，?duì)患者前瞻記憶的評(píng)估應(yīng)作為認(rèn)知康復(fù)訓(xùn)練的重點(diǎn)。然而，目前由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)估工具，臨床上很難對(duì)前瞻記憶進(jìn)行全面評(píng)估。BROOKS等[38]利用VRT軟件構(gòu)建一間虛擬房間，42例腦卒中患者及40位正常人完成家具移除任務(wù)，并在訓(xùn)練結(jié)束后立即回憶上述任務(wù)指令，填寫前瞻記憶主觀問(wèn)卷，結(jié)果顯示患者前瞻記憶只有在虛擬現(xiàn)實(shí)的記憶任務(wù)中受到損害，這表明VR記憶評(píng)估比主觀量表對(duì)前瞻性記憶損害更敏感。VR記憶訓(xùn)練很少涉及到工作記憶，需要以后的研究者來(lái)填補(bǔ)這一空白。

VR的認(rèn)知康復(fù)系統(tǒng)通常適用于輕度認(rèn)知障礙，而對(duì)中、重度的認(rèn)知障礙效果并不好。除腦卒中外，該系統(tǒng)還適用于多種疾病導(dǎo)致的認(rèn)知障礙的評(píng)估與訓(xùn)練，如腦癱兒童、帕金森病、阿茲海默病等。

5 VR在言語(yǔ)康復(fù)中的應(yīng)用

言語(yǔ)失用是卒中后語(yǔ)言障礙的表現(xiàn)之一，通常與非流利型失語(yǔ)癥同時(shí)存在，明顯影響口語(yǔ)的恢復(fù)，逐漸引起語(yǔ)言學(xué)家的廣泛關(guān)注[39]。焦歡歡等[40]設(shè)計(jì)了一種基于VR的言語(yǔ)失用康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括三個(gè)板塊，學(xué)習(xí)模塊采用虛擬人發(fā)音嘴型的形式模擬漢語(yǔ)中26個(gè)單音節(jié)發(fā)音嘴型動(dòng)畫；訓(xùn)練模塊和場(chǎng)景模塊通過(guò)SKD語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別詞語(yǔ)和句子，能準(zhǔn)確識(shí)別患者語(yǔ)音錯(cuò)誤，準(zhǔn)確率達(dá)87%，從而實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音評(píng)估的功能。目前言語(yǔ)失用的虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)系統(tǒng)臨床應(yīng)用尚不足，訓(xùn)練材料不夠豐富，未來(lái)需進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化及升級(jí)。

卒中后的言語(yǔ)康復(fù)是長(zhǎng)期的過(guò)程，住院治療的費(fèi)用高，難以負(fù)擔(dān)，家庭言語(yǔ)康復(fù)顯得尤為重要。虛擬遠(yuǎn)程康復(fù)是家庭言語(yǔ)康復(fù)的重要組成部分[41]。虛擬遠(yuǎn)程康復(fù)將電腦和虛擬信息技術(shù)結(jié)合，患者只需通過(guò)虛擬網(wǎng)絡(luò)即可與治療師開展治療，不需要治療師與患者身體間的接觸，為長(zhǎng)期卒中康復(fù)提供更多的便利和機(jī)會(huì)[42]。GRECHUTA等[43]利用家庭遠(yuǎn)程VR康復(fù)系統(tǒng)對(duì)30例失語(yǔ)癥患者進(jìn)行語(yǔ)言康復(fù)訓(xùn)練，經(jīng)過(guò)6個(gè)月的訓(xùn)練，實(shí)驗(yàn)組在理解、命名、閱讀、復(fù)述和計(jì)算等方面均有改善，但在寫作方面改善不明顯。該研究表明家庭遠(yuǎn)程VR康復(fù)系統(tǒng)是腦卒中后失語(yǔ)癥患者出院后的一種有效的治療方法，不僅增強(qiáng)患者語(yǔ)言能力，促進(jìn)心理健康，同時(shí)降低康復(fù)成本。

6 不足與展望

隨著科技的發(fā)展，VR療法會(huì)越來(lái)越多地用于腦卒中后康復(fù)。近年來(lái)娛樂(lè)行業(yè)廣受歡迎的VR游戲系統(tǒng)，如Wii任天堂和Kinect系統(tǒng)，由于低成本及趣味性，已廣泛用于康復(fù)治療。但是，這些類似游戲的系統(tǒng)只適用于有一定肌肉力量的患者，出于安全考慮，這些系統(tǒng)的使用僅限于臨床，為了積極用于家庭遠(yuǎn)程康復(fù)，未來(lái)VR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅應(yīng)增加沉浸感及趣味性，更應(yīng)注重安全性及適用性。更值得關(guān)注的是，目前腦卒中后功能的恢復(fù)機(jī)制已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)之一，虛擬VR訓(xùn)練可能通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)反饋激活感覺(jué)運(yùn)動(dòng)中樞以及重復(fù)導(dǎo)向性訓(xùn)練促進(jìn)大腦皮質(zhì)重組及神經(jīng)的重塑以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)，但目前的理論模型仍不完善，需要進(jìn)一步影像學(xué)研究來(lái)論證。

VR作為一種新型康復(fù)技術(shù)，在腦卒中的康復(fù)研究還處于初級(jí)階段，已有的系統(tǒng)還存在一些不足：(1)VR康復(fù)是近年來(lái)發(fā)展的新興治療技術(shù)，臨床普及較少，各種產(chǎn)品仍不夠完善，訓(xùn)練過(guò)程中常由于沉浸感不足及關(guān)節(jié)識(shí)別的滯后性，導(dǎo)致患者依從性差，訓(xùn)練達(dá)不到預(yù)期效果。(2)臨床上的VR產(chǎn)品大多訓(xùn)練肢體局部功能，缺乏整體性的VR康復(fù)系統(tǒng)，難以完全滿足臨床訓(xùn)練要求。(3)多數(shù)關(guān)于VR的臨床研究樣本量均偏小，缺乏大樣本、多中心、高質(zhì)量的隨機(jī)雙盲對(duì)照臨床試驗(yàn)研究，其有效性仍待進(jìn)一步考證，且臨床評(píng)估量表具有天花板效應(yīng)，未來(lái)的研究應(yīng)該增加樣本量和開發(fā)新的評(píng)估工具。