虛擬現(xiàn)實技術(shù)在腦卒中患者康復治療中的應用進展

王碧茹，周甜甜，廖維靖

腦卒中是我國成年人死亡和殘疾的主要原因之一，在過去十年中，我國腦卒中發(fā)病率顯著上升，每年大約有240萬新增病例[1]，40～74歲居民首次腦卒中標化發(fā)病率平均每年增加8.3%[2]。腦卒中后患者常伴有肢體運動、言語、認知、感覺等神經(jīng)功能障礙，導致日常生活活動能力低下，生活質(zhì)量嚴重下降，給家庭和社會帶來沉重負擔?？祻椭委熓谴龠M神經(jīng)功能障礙恢復的一大醫(yī)學手段，腦卒中后有效的康復治療可以減輕患者功能上的殘疾，提高患者生活自理能力，幫助其重返生活和工作，減輕家庭和社會負擔。近年來，越來越多的新技術(shù)和新方法應用于腦卒中后的神經(jīng)康復治療，如遠程康復，外骨骼機器人，腦機接口等，其中，虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)技術(shù)以其諸多優(yōu)點受到許多研究者的青睞，在腦卒中后患者的康復治療中開展的大量研究結(jié)果顯示了VR改善神經(jīng)功能的有效性，具有廣闊的應用前景。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述

VR技術(shù)是利用計算機合成三維環(huán)境模型并用于創(chuàng)建和體驗虛擬世界的技術(shù)，是一種多源信息融合交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真，可借助場景顯示器、力/觸覺傳感裝置、位置跟蹤器等設備，讓用戶進入虛擬空間，通過視覺、聽覺或觸覺等實時感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而獲得身臨其境的真實感受[3]。VR具有3個基本特征[4]：想象、沉浸、交互。隨著醫(yī)學事業(yè)的發(fā)展，VR逐漸應用于醫(yī)學臨床研究，尤其在腦卒中后的康復治療研究中應用廣泛。

目前，應用于神經(jīng)康復領域的VR治療系統(tǒng)可以分為兩大類：①商業(yè)視頻游戲機，如體感游戲任天堂Wii和Xbox-Kinect等，利用紅外攝像機跟蹤用戶的運動[5-6]；②沉浸式虛擬環(huán)境系統(tǒng)，常見的有以下三種模式：頭盔式，借助頭戴式顯示器、位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套和其他設備，讓用戶對虛擬環(huán)境進行觀察和操作[7]；桌面式，使用普通或立體顯示器作為用戶觀察虛擬境界的一個窗口[8]；投影式，利用三個以上彼此相連的投影屏作為顯示面構(gòu)成“洞穴”形狀的立方體，為用戶呈現(xiàn)全方位的立體虛擬場景，用戶通過立體眼鏡獲得逼真的視覺感知并沉浸于其中[9]。

大腦可塑性和功能重組是腦損傷后恢復的主要機制[10]，目前，臨床上針對腦卒中后功能恢復的康復治療大部分也是基于這一理論機制進行展開的，對患者進行重復高強度的功能性或任務導向性的康復訓練強化學習，進一步影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)的適應性重組[11-13]，從而促進功能恢復。VR應用于腦卒中的治療原理體現(xiàn)在其可提供重復、反饋、動機三個方面。VR康復訓練能給患者提供豐富且安全的環(huán)境刺激，最大程度地縮小實驗室環(huán)境和現(xiàn)實生活的差距，讓患者去執(zhí)行一些在傳統(tǒng)的康復治療中難以實現(xiàn)的與日常生活有關(guān)的任務；還可針對性設計誘導偏癱側(cè)肢體運動的功能性訓練游戲，在其中設置獎懲機制，增加訓練的趣味性，并且通過視聽覺等給予患者實時反饋，提高患者參與訓練的積極性和主動性，更有利于實現(xiàn)重復高強度的康復訓練。

2 VR在腦卒中患者康復治療中的應用

治療師通常通過對腦卒中后患者的功能評估，選擇有針對性的VR交互游戲?qū)颊哌M行功能訓練，以下將結(jié)合近幾年研究，從腦卒中后各個功能障礙的VR治療應用進行描述。

2.1 用于促進上下肢運動功能恢復 2016美國心臟協(xié)會(American heart association，AHA)/ 美國卒中協(xié)會(American stroke association，ASA)成人腦卒中康復治療指南(下文簡稱2016 AHA/ASA指南)推薦對腦卒中患者進行VR訓練促進上肢運動功能恢復，使患者積極參與康復過程和增加運動量，推薦強度為B[14]。一個包含27項關(guān)于VR干預腦卒中的隨機臨床對照試驗，共1094名受試者參與的Meta分析從國際功能、殘疾和健康分類(international classification of functioning, disability and health，ICF)中的身體功能和結(jié)構(gòu)、活動和參與三個方面進行分析，研究結(jié)果顯示，相比于傳統(tǒng)物理和作業(yè)治療康復方法，VR治療后患者的上肢運動功能評定量表(Fugl-Meyer upper limb scale，F(xiàn)M-UL)得分、代表活動的盒子和障礙物測試(box and block test，BBT)得分以及代表參與的動作活動記錄量表(motor activity log，MAL)得分均有更明顯的提高；該研究的亞組分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過VR治療，亞急性期卒中患者較慢性期的上肢功能障礙的恢復更為顯著，VR干預總時長超過15h的患者上肢功能障礙才有顯著改善[15]。Wang等[16]和Bao等[17]對VR促進亞急性期腦卒中患者上肢運動功能障礙恢復的神經(jīng)機制進行了研究，功能磁共振fMRI結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)過VR訓練治療，患者損傷側(cè)大腦半球初級感覺運動皮層的激活強度和側(cè)性指數(shù)增加，提示VR可促進大腦神經(jīng)重組。上肢功能的恢復進程與腦功能重組的程度有關(guān)，在腦卒中發(fā)生后的數(shù)天或數(shù)周內(nèi)是大腦可塑性較強的階段，所以亞急性期的卒中患者接受VR訓練后上肢功能可能會較慢性期患者改善更為顯著。在一項關(guān)于在增強反饋虛擬環(huán)境中進行任務訓練結(jié)合傳統(tǒng)物理治療對腦卒中下肢功能障礙的影響研究中，患者經(jīng)過3周共15次的治療干預后，踝關(guān)節(jié)跖屈肌痙攣下降，改良Ashworth量表評分顯著降低[18]。不過該研究的樣本量很小，僅為10例，結(jié)果的可信度有賴于進一步大樣本研究。Lee等[19]的Meta分析發(fā)現(xiàn)VR訓練在改善上下肢功能的諸多方面中，降低肌張力和增強肌力的效果最佳，且VR訓練結(jié)合常規(guī)康復促進功能障礙恢復的效果更佳。另一Meta分析針對不同類型的VR康復系統(tǒng)進行了比較，結(jié)果顯示沉浸式VR訓練系統(tǒng)對促進腦卒中后患者上肢運動功能障礙恢復的效果要顯著優(yōu)于常規(guī)康復治療，而視頻游戲類VR和常規(guī)康復的療效并無顯著差異[20]。關(guān)于VR對不同類型腦卒中的治療效果，Kiper等[21]的研究報道，VR結(jié)合常規(guī)治療干預對提高缺血性和出血性兩種類型腦卒中患者的上肢運動功能的康復效果一致。從以上研究可以看出，VR可結(jié)合常規(guī)康復治療用于促進各種類型和不同時期腦卒中患者的上下肢功能恢復，亞急性期患者接受VR干預效果會更佳，且應首選沉浸式VR訓練系統(tǒng)。

2.2 用于改善平衡功能 Lee等[22]利用視頻游戲VR結(jié)合常規(guī)康復訓練對15例亞急性期腦卒中患者進行獨木舟劃槳練習，30 min/d，3次/周，訓練5周后，接受VR訓練的實驗組的站立平衡壓力中心和擺動路徑長度對比單純接受常規(guī)訓練的對照組有更顯著的下降，姿勢平衡得到了更好的改善。另一研究發(fā)現(xiàn)VR結(jié)合跑步機訓練也可以改善腦卒中后患者的靜態(tài)平衡，該研究將20例慢性期腦卒中患者隨機分配到實驗組和對照組，實驗組在基于社區(qū)的虛擬環(huán)境中進行跑步機訓練，對照組接受單純的跑步機訓練，2組訓練頻率為30 min/d，3d/周，4 周后，2組的擺動速度、前后和總體擺動長度都有明顯下降，實驗組較對照組下降地更顯著[23]。Meta分析發(fā)現(xiàn)使用VR技術(shù)可以顯著提高慢性期腦卒中患者Berg平衡量表評分(Berg balance scale，BBS)，改善靜態(tài)和動態(tài)平衡，且VR姿勢訓練對促進平衡功能恢復最有效[24]。維持一個人的平衡需要從多個系統(tǒng)(如前庭、視覺、本體感覺和認知整合)持續(xù)同步的數(shù)據(jù)處理，VR系統(tǒng)恰好可以提供多感覺刺激和實時反饋，這可能是VR訓練改善腦卒中平衡功能障礙的優(yōu)越性體現(xiàn)。

2.3 用于改善步態(tài) 2016 AHA/ASA指南推薦利用VR改善步態(tài)，推薦強度為B[14]。一項隨機單盲臨床對照實驗將42例能獨坐的慢性期腦卒中后患者隨機分配到實驗組和對照組，2組患者在接受常規(guī)康復訓練的基礎上，實驗組接受的速度交互VR踏車訓練，即虛擬環(huán)境踏車速度與受試者試劑踏車速度實時同步，對照組則接受單純的踏車訓練，2組的訓練頻率都為40 min/d，5d/周，結(jié)果顯示，6周后，接受VR訓練的患者的下肢運動功能、坐位靜態(tài)和動態(tài)平衡以及步態(tài)包括步速、步頻、步長等時空參數(shù)都比對照組有更加顯著的改善[25]。其中的作用機制可能是在坐位下踏車訓練需利用軀干控制平衡，有利于激活骨盆及脊柱周圍核心肌群，提高整體穩(wěn)定性，下肢肌力也能得到增強，從而進一步改善步態(tài)。Daniel等[26]的研究發(fā)現(xiàn)VR結(jié)合常規(guī)康復治療可以提高腦卒中患者的功能性步行能力，經(jīng)過3w的訓練后，聯(lián)合治療組的計時起立行走(timed up and go，TUG)和兩分鐘步行測試(two-minute walk test，TMWT)結(jié)果較常規(guī)治療組都有更顯著的提高。由此可見，VR結(jié)合其他常規(guī)訓練康復效果更佳提示VR技術(shù)可作為常規(guī)康復治療改善步態(tài)和提高步行能力的補充治療[27]。有學者對VR結(jié)合跑步機訓練改善腦卒中后患者的步態(tài)的神經(jīng)機制進行了初步研究，干預后損傷側(cè)大腦半球的初級感覺運動皮層和與偏癱足運動有關(guān)的雙側(cè)輔助運動區(qū)的激活增加，且損傷側(cè)半球皮層的募集與步行能力呈正相關(guān)，提示大腦皮層網(wǎng)絡可能是一個可塑性位點，它們的募集可能是VR結(jié)合跑步機促進步態(tài)功能恢復的機制[28]。

2.4 用于促進認知功能恢復 認知功能障礙是腦卒中事件發(fā)生后患者常見的并發(fā)癥之一，其主要受累的認知領域包括結(jié)構(gòu)和視空間、記憶、注意力、定向力和執(zhí)行功能[29]。2016 AHA/ASA指南推薦使用VR治療腦卒中后認知功能障礙，改善單側(cè)忽略，推薦強度為A；改善視空間/感知功能，推薦強度為B；改善卒中早期患者的視覺注意力和短期非文字記憶，推薦強度為C[14]。研究表明，經(jīng)過3周，30 min/d，5d/周的鏡像VR訓練，有單側(cè)忽略的腦卒中患者的星型劃銷測試、線段二等分測試、凱瑟琳-波哥量表(Catherine Bergego scale，CBS)得到了顯著提高，且對比常規(guī)對照組，單側(cè)忽略的臨床癥狀改善更明顯[30]。有研究將18例腦卒中后有認知障礙的患者隨機分成實驗組和對照組，利用VR技術(shù)給實驗組提供一個三維虛擬城市街景，讓患者去執(zhí)行與日常生活活動相關(guān)的任務如找到商店并購買早餐等，對照組則接受常規(guī)認知康復訓練，采用阿登布魯克認知測驗(Addenbrooke cognitive examination，ACE)、連線測驗A和B(trail making test A and B，TMT A&B)、韋氏成人智力量表 III中的圖畫排列測驗對所有受試者的認知功能進行評估，結(jié)果顯示，與對照組比較，經(jīng)過12次VR訓練的患者的注意力、記憶力、視覺空間能力、執(zhí)行功能均有更顯著的提高[31]。Maier等[32]利用VR技術(shù)給慢性期卒中患者進行為期6周，30 min/d的認知游戲訓練包括球體攔截、星座記憶連接和食品質(zhì)量檢測三個游戲，該VR系統(tǒng)可自動根據(jù)患者的游戲表現(xiàn)評估患者的認知功能障礙程度并給予患者適合的游戲難度，經(jīng)過18w的隨訪跟蹤后，評估發(fā)現(xiàn)該VR訓練不僅可以促進患者注意力和空間能力的恢復，還可以改善抑郁情緒。Lorenz等[33]的研究則發(fā)現(xiàn)基于ADL的VR訓練可以顯著改善伴有偏盲或象限盲卒中患者的視覺空間技能，這種訓練可以幫助提高有視野缺損卒中患者的與日常生活有關(guān)的認知功能。以上研究結(jié)果提示VR訓練在促進腦卒中患者多個認知領域功能恢復方面效果顯著，還可減輕患者的抑郁情緒，具有很好的應用潛能。

2.5 用于提高日常生活活動能力 Mohd等[34]將VR和常規(guī)物理治療康復訓練相結(jié)合，對36例慢性期患者進行8周，1次/周，每次30 minVR和90 min常規(guī)的康復訓練，結(jié)果發(fā)現(xiàn)VR和常規(guī)治療結(jié)合的實驗組較對照組在工具性日常活動能力(instrumental activity of daily life，IADL)方面有更好的改善。Kwon等[35]將26例急性期腦卒中患者隨機分配到試驗組和常規(guī)組，實驗組接受4周，5d/周，30 min/d VR和70 min/d 常規(guī)訓練，用改良Barthel指數(shù)(modified Barthel index，MBI)評估患者的日常生活活動能力(activity of daily life，ADL)，研究發(fā)現(xiàn)，實驗組經(jīng)過VR結(jié)合常規(guī)訓練后MBI有明顯的提高，但與常規(guī)對照組比較MBI的提高并沒有顯著差異。而另一臨床對照試驗將42例急性期腦卒中患者隨機分成2組[36]，實驗組接受頭盔式VR結(jié)合電腦進行沉浸式認知訓練，對照組接受常規(guī)電腦認知訓練，訓練頻率為30min/d，5d/周，共4周，用功能獨立量表(functional independent measure，F(xiàn)IM)評估患者的ADL能力，初步的研究結(jié)果顯示實驗組較對照組的FIM評分有更顯著的提升，活動依賴性明顯降低。但目前，關(guān)于VR應用于提高ADL的臨床研究較少，每個研究的樣本量較少，采用的VR系統(tǒng)和評估量表也不一致，因此，VR對ADL的影響有待進一步研究確定。

3 總結(jié)及展望

綜上所述，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在腦卒中后的功能障礙恢復中應用廣泛且康復效果佳，可促進上下肢功能恢復，改善平衡功能，改善步態(tài)，提高步行能力，提高認知功能以及日常生活活動能力。需要強調(diào)的一點是目前關(guān)于VR的研究多是基于常規(guī)康復治療上進行的，獲得的是綜合臨床療效，并非完全是其單一療效?，F(xiàn)有的研究也普遍存在樣本量小的問題，缺乏大樣本多中心的臨床研究。而且目前尚缺乏證實VR有效性的具體腦部區(qū)域神經(jīng)重組的科學研究數(shù)據(jù)，對神經(jīng)機制研究仍處于初步階段，對于VR訓練的最佳強度、種類及總時長均無一致定論，關(guān)于何種VR訓練類型、強度、頻率針對何種患者的康復治療效果最佳的研究也嚴重缺乏，導致VR應用于腦卒中的功能康復還無法實現(xiàn)標準化。這些問題若得以解決，將對提高腦卒中患者生活質(zhì)量，重返社會具有重大意義。