虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在腦卒中患者平衡功能康復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)展

周婷婷，蔡婷婷，袁長(zhǎng)蓉

（復(fù)旦大學(xué)護(hù)理學(xué)院，上海 200032）

腦血管疾病目前已躍升為我國(guó)國(guó)民死亡原因之首，其中腦卒中是單病種致殘率最高的疾病[1]。全球每年約1 200萬(wàn)腦卒中患者中近80%伴有運(yùn)動(dòng)功能受損，需要進(jìn)行全面的康復(fù)鍛煉[2-3]。其中，平衡功能障礙是腦卒中患者常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)功能障礙，與患者日常生活、跌倒風(fēng)險(xiǎn)等密切相關(guān)[3]。有效的康復(fù)是減輕腦卒中后功能殘疾、改善患者預(yù)后的重要方式[4]。腦卒中患者的康復(fù)是長(zhǎng)期的過(guò)程，傳統(tǒng)的康復(fù)方式受醫(yī)療資源可及性和患者依從性等因素的影響，往往難以達(dá)到理想的效果[5]。隨著智慧化技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)（vir‐tual reality，VR）技術(shù)在解決上述局限性方面展現(xiàn)出較大優(yōu)勢(shì)。VR是通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作和交互的一種創(chuàng)新形式[6]，可為患者提供逼真的虛擬環(huán)境和積極的任務(wù)性訓(xùn)練，包含重復(fù)練習(xí)、訓(xùn)練反饋和動(dòng)機(jī)維持3個(gè)關(guān)鍵要素[7-8]。目前，VR已經(jīng)在腦卒中患者平衡功能康復(fù)中得到了較多應(yīng)用[9]。本文現(xiàn)就VR技術(shù)在腦卒中患者平衡功能康復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，以期為臨床實(shí)踐提供借鑒。

1 用于腦卒中患者平衡功能康復(fù)的常見(jiàn)VR技術(shù)概述

在實(shí)際場(chǎng)景中，VR技術(shù)的應(yīng)用多以系統(tǒng)的形式呈現(xiàn)。根據(jù)其廣義內(nèi)涵進(jìn)行分類，包括桌面式VR系統(tǒng)、沉浸式VR系統(tǒng)、增強(qiáng)式VR系統(tǒng)和分布式VR系統(tǒng)4種模式[6]。目前，VR技術(shù)在腦卒中患者平衡功能康復(fù)中的應(yīng)用以桌面式VR系統(tǒng)和沉浸式VR系統(tǒng)為主。桌面式VR利用計(jì)算機(jī)屏幕作為用戶觀察虛擬世界的窗口，成本低且易于實(shí)現(xiàn)，但沉浸感欠佳。沉浸式VR則需用戶穿戴頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感跟蹤裝置與虛擬世界交互，具有良好的沉浸感和系統(tǒng)整合優(yōu)勢(shì)。此外，根據(jù)不同的康復(fù)目的，參與者需要借助特殊的輸入/輸出設(shè)備與虛擬世界中的事物進(jìn)行交互。其中，VR輸入設(shè)備通常包括三維定位跟蹤設(shè)備、人體運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備等，如常用的Wii平衡板是一種平衡測(cè)試平臺(tái)，可測(cè)量施加在其上的重量和壓力，并通過(guò)壓力中心的位移變化評(píng)估患者的平衡能力[10]。Kinect相機(jī)是一款便攜式紅外攝像儀，可實(shí)時(shí)捕捉患者的運(yùn)動(dòng)和姿勢(shì)[11]。VR輸出設(shè)備通常包括視覺(jué)顯示器、聲音顯示器和力/觸覺(jué)輸出顯示器。視覺(jué)顯示器可通過(guò)計(jì)算機(jī)、頭戴式顯示器等設(shè)備的屏幕顯示所交互的虛擬環(huán)境；聲音顯示器通過(guò)耳機(jī)或外部揚(yáng)聲器的形式輸出聲音；力/觸覺(jué)輸出設(shè)備主要有數(shù)據(jù)手套、力反饋操縱桿等。

2 VR技術(shù)在改善腦卒中患者平衡功能方面的應(yīng)用

平衡功能是由肌張力、感覺(jué)輸入、大腦整合作用、神經(jīng)交互和骨骼肌系統(tǒng)多個(gè)因素綜合作用的一種復(fù)雜功能，是人體處于穩(wěn)定狀態(tài)以及運(yùn)動(dòng)或受到外力作用時(shí)，能自動(dòng)調(diào)整并維持姿勢(shì)的能力[12]。VR技術(shù)在改善腦卒中患者坐姿平衡及站立平衡方面均有相關(guān)應(yīng)用。

2.1 坐姿平衡坐姿平衡障礙在腦卒中患者中發(fā)病率很高，會(huì)影響其傾斜和伸展活動(dòng)。VR技術(shù)通過(guò)模擬相關(guān)運(yùn)動(dòng)可有效改善腦卒中患者的坐姿平衡。①VR獨(dú)木舟劃槳訓(xùn)練。Lee等[13]以近6個(gè)月內(nèi)診斷為亞急性腦卒中的患者為研究對(duì)象，對(duì)觀察組患者進(jìn)行每周3次、每次30 min的VR獨(dú)木舟劃槳訓(xùn)練，持續(xù)干預(yù)5周，并通過(guò)改良功能伸展試驗(yàn)和姿勢(shì)擺動(dòng)試驗(yàn)評(píng)估患者平衡功能的改善情況。該訓(xùn)練過(guò)程模擬了實(shí)際獨(dú)木舟行駛過(guò)程中發(fā)生的左右擺動(dòng)，患者坐在固定于跳板的椅子上，并通過(guò)安全帶固定，雙手握住獨(dú)木舟劃槳配件，一邊劃水一邊保持姿勢(shì)平衡，患者通過(guò)觀看其正前方的屏幕了解自身劃行的具體情況。每次訓(xùn)練包括3個(gè)部分：第1部分為5 min的“自由練習(xí)”環(huán)節(jié)，讓患者進(jìn)行熱身并熟悉游戲內(nèi)容；第2部分為15 min的“定時(shí)劃行”環(huán)節(jié)，其間為每位患者建立劃水距離的個(gè)人記錄；第3部分為10 min的“競(jìng)賽”環(huán)節(jié)，患者通過(guò)與護(hù)理人員或治療師競(jìng)爭(zhēng)來(lái)提高自己的表現(xiàn)。該研究結(jié)果表明，基于VR游戲的獨(dú)木舟劃槳訓(xùn)練是一種有效的康復(fù)治療方法，與傳統(tǒng)康復(fù)手段相結(jié)合可增強(qiáng)亞急性腦卒中患者的上肢功能和姿勢(shì)平衡。②VR交互式踏板訓(xùn)練。也有研究者[14]以確診時(shí)間超過(guò)6個(gè)月的慢性腦卒中患者為研究對(duì)象，進(jìn)行每周5次、每次40 min的VR交互式踏板訓(xùn)練，持續(xù)干預(yù)6周，并采用改良功能伸展試驗(yàn)、姿勢(shì)擺動(dòng)試驗(yàn)和軀干損傷量表來(lái)評(píng)估患者平衡功能的改善。該訓(xùn)練過(guò)程模擬了患者坐在自行車上進(jìn)行交互式踏板的過(guò)程，并使用智能手機(jī)攝像頭對(duì)患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)跟蹤。當(dāng)患者開(kāi)始踩踏板時(shí)，其前方的屏幕即可同步顯示出道路前進(jìn)的畫面。每次訓(xùn)練包括5 min手臂向上伸展運(yùn)動(dòng)、5 min緩慢踏板運(yùn)動(dòng)、25 min的主要運(yùn)動(dòng)和5 min的冷卻運(yùn)動(dòng)。該研究結(jié)果表明，基于VR的坐姿交互式踏板訓(xùn)練有利于增強(qiáng)患者坐姿平衡和軀干控制。③VR坐姿訓(xùn)練的注意事項(xiàng)?；谝陨舷嚓P(guān)訓(xùn)練，Sheehy等[15]的研究提出，腦卒中患者在參與各類坐姿VR游戲時(shí)所產(chǎn)生壓力中心位移出現(xiàn)了差異，提示在為腦卒中患者選擇游戲時(shí)需根據(jù)康復(fù)目標(biāo)匹配游戲的挑戰(zhàn)難度。

2.2 站立平衡步行是腦卒中偏癱患者的重要康復(fù)目標(biāo)，站立平衡則是患者保持站立姿勢(shì)及開(kāi)始步行活動(dòng)的重要前提條件。結(jié)合VR的平衡訓(xùn)練可促進(jìn)腦卒中后患者平衡功能的改善，通過(guò)有效刺激提高患者站立時(shí)管理身體擺動(dòng)的能力[16]。①結(jié)合VR游戲的步行訓(xùn)練。Fishbein等[17]以腦卒中后偏癱至少1年、在有或沒(méi)有支撐的情況下能夠進(jìn)行10 m常規(guī)步行的患者為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)組每次進(jìn)行約30 min結(jié)合VR游戲的跑步機(jī)步行訓(xùn)練，每周2次，持續(xù)4周，并采用10 m步行測(cè)試、定時(shí)啟動(dòng)、功能伸展測(cè)試和Berg平衡量表評(píng)估患者站立平衡功能的改善。訓(xùn)練時(shí)，患者完成10 min的熱身鍛煉后，在綁有安全帶的情況下開(kāi)始在跑步機(jī)上行走，跑步機(jī)前安裝有用于顯示虛擬畫面的屏幕和用于捕捉患者運(yùn)動(dòng)的攝像頭，患者需在步行的同時(shí)完成屏幕上的VR游戲任務(wù)，如上肢擊打不同方向出現(xiàn)的虛擬障礙物、擦拭虛擬窗戶上的污垢等。該研究結(jié)果表明，與單獨(dú)跑步機(jī)步行訓(xùn)練相比，VR游戲結(jié)合的跑步機(jī)步行訓(xùn)練在改善患者步行能力和平衡功能方面具有更加顯著的效果。②VR技術(shù)康復(fù)機(jī)器人輔助的步態(tài)訓(xùn)練。Park等[18]將VR技術(shù)與康復(fù)機(jī)器人相結(jié)合，以診斷腦卒中超過(guò)6個(gè)月、在有或沒(méi)有支撐的情況下能夠步行10 min的患者為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)組實(shí)施結(jié)合VR的機(jī)器人輔助步態(tài)訓(xùn)練，每次45 min，每周3次，共持續(xù)6周，干預(yù)前后采用10 m步行測(cè)試、定時(shí)啟動(dòng)、Berg平衡量表等評(píng)估患者平衡功能和步態(tài)的改善。在訓(xùn)練過(guò)程中，患者穿戴具有傳感裝置的康復(fù)機(jī)器人設(shè)備模擬正常步態(tài)在跑步機(jī)上行走，兩者之間的相互作用力程度通過(guò)傳感器表現(xiàn)為屏幕上化身的移動(dòng)，患者即可參與屏幕上所顯示的躲避障礙物、捕捉動(dòng)物等VR游戲。結(jié)果表明，訓(xùn)練后患者步行能力和平衡功能均得到改善。③其他VR站姿平衡訓(xùn)練。Kumar等[19]將VR平衡訓(xùn)練游戲與操作性條件反射相結(jié)合，使偏癱患者站在兩塊平衡測(cè)力板上，測(cè)量患者在重心轉(zhuǎn)移的VR游戲中每條腿的壓力中心位移，并采用操作性條件反射的方式促使患者在游戲過(guò)程中更多地使用其癱瘓的下肢，以解決腦卒后患者習(xí)得性不使用癱瘓腿的問(wèn)題，并以此改善患者的平衡功能。

3 VR在腦卒中患者平衡功能康復(fù)中的其他應(yīng)用效果

3.1 可降低患者的跌倒風(fēng)險(xiǎn)跌倒可以發(fā)生在腦卒中的各個(gè)階段，包括急性期、康復(fù)期和慢性期。平衡功能障礙會(huì)增加患者跌倒發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。有研究[20]表明，14%～65%的腦卒中患者在住院期間至少跌倒過(guò)1次，37%～73%的腦卒中患者在出院回家后的6個(gè)月內(nèi)發(fā)生過(guò)跌倒。而有效的康復(fù)鍛煉是預(yù)防跌倒發(fā)生的重要措施。Cortes等[21]以在12個(gè)月內(nèi)診斷為急性腦卒中、能夠在站立狀態(tài)下保持平衡10 min的患者為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行每周3次、每次45 min的沉浸式VR康復(fù)游戲，持續(xù)干預(yù)2個(gè)月后，采用特定活動(dòng)平衡信心量表和跌倒效能量表評(píng)估患者的跌倒風(fēng)險(xiǎn)。在所有游戲環(huán)節(jié)中，患者均處于站立狀態(tài)，并通過(guò)頭戴式顯示器和手持控制器與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，虛擬游戲場(chǎng)景包括國(guó)家公園、太陽(yáng)系、徒手攀巖和居家廚房。有2個(gè)運(yùn)動(dòng)跟蹤基站用于追蹤患者的運(yùn)動(dòng)，所有過(guò)程由1名治療師進(jìn)行監(jiān)督和指導(dǎo)。該研究結(jié)果顯示，基于沉浸式VR的干預(yù)提高了腦卒中患者與跌倒相關(guān)的平衡能力，也減輕了患者對(duì)跌倒的恐懼。Pedreirad等[22]以確診時(shí)間超過(guò)6個(gè)月并出現(xiàn)偏癱的腦卒中患者為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行每周2次、每次約45 min的VR康復(fù)訓(xùn)練，持續(xù)干預(yù)3個(gè)月，并比較VR康復(fù)干預(yù)前后患者平衡功能和跌倒發(fā)生率。訓(xùn)練過(guò)程包括15 min的熱身和45 min的體感游戲，游戲包括網(wǎng)球、呼啦圈、足球和拳擊。該研究結(jié)果顯示，VR平衡訓(xùn)練可使腦卒中患者的平衡功能得到改善，跌倒發(fā)生率也顯著降低。

3.2 有助于提高患者的康復(fù)依從性多數(shù)腦卒中患者出院后仍需進(jìn)行持續(xù)的康復(fù)鍛煉[23]。有研究[24]指出，腦卒中患者最佳的康復(fù)時(shí)期為發(fā)病后的半年。其中，出院后康復(fù)效果不明顯、出現(xiàn)相關(guān)并發(fā)癥、缺乏專業(yè)人員的監(jiān)督指導(dǎo)等因素是影響患者出院后康復(fù)積極性及依從性的重要因素。VR技術(shù)能夠?yàn)榛颊咛峁┴S富有趣的虛擬環(huán)境，并通過(guò)激勵(lì)、反饋的方式增加患者康復(fù)鍛煉的信心。Held等[25]將遠(yuǎn)程康復(fù)與VR技術(shù)相結(jié)合，以首次診斷為腦卒中的患者為研究對(duì)象，康復(fù)計(jì)劃為期12周，并通過(guò)實(shí)際訓(xùn)練天數(shù)與計(jì)劃訓(xùn)練天數(shù)之比評(píng)估患者康復(fù)的依從性。該遠(yuǎn)程自主康復(fù)平臺(tái)包括患者站、醫(yī)院站和網(wǎng)絡(luò)站3個(gè)部分。在康復(fù)計(jì)劃開(kāi)始前，康復(fù)治療師進(jìn)行每周隨訪并根據(jù)患者情況制訂具體到每天的周康復(fù)計(jì)劃，每天訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)持續(xù)10～40 min?；颊哒臼褂玫闹饕O(shè)備包括測(cè)力板、Kinect攝像儀、計(jì)算機(jī)和電視顯示屏，患者可以在電視顯示屏中看到自身的動(dòng)作，同時(shí)屏幕中的虛擬治療師會(huì)在每個(gè)訓(xùn)練部分指導(dǎo)患者。檢測(cè)到錯(cuò)誤姿勢(shì)時(shí)，虛擬治療師將在屏幕中出現(xiàn)并解釋執(zhí)行游戲所需要的正確姿勢(shì)，且會(huì)在結(jié)束后給予總結(jié)。醫(yī)院站的醫(yī)生也可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)站收集到的前1周數(shù)據(jù)及治療師每周隨訪的結(jié)果調(diào)整游戲之間的組合、游戲難度水平和持續(xù)時(shí)間。在該研究中，患者平均完成了71%的預(yù)定康復(fù)計(jì)劃，且未出現(xiàn)相關(guān)不良事件。Bellomo等[26]也將遠(yuǎn)程康復(fù)與VR技術(shù)相結(jié)合，以慢性卒中門診的患者為研究對(duì)象實(shí)施了一項(xiàng)為期12周的居家康復(fù)鍛煉計(jì)劃，且更加強(qiáng)調(diào)康復(fù)訓(xùn)練時(shí)陪伴者的作用。正式訓(xùn)練開(kāi)始前，康復(fù)治療師需要對(duì)患者及其陪伴者進(jìn)行信息培訓(xùn)，陪伴者還被指導(dǎo)應(yīng)如何在患者需要時(shí)幫助和支持患者，需要時(shí)可電話聯(lián)系康復(fù)治療師。訓(xùn)練結(jié)束后，患者或其陪伴者需要將康復(fù)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳，以便康復(fù)治療師遠(yuǎn)程監(jiān)控患者每天所進(jìn)行的訓(xùn)練，并給予相應(yīng)的指導(dǎo)和建議。

3.3 有利于改善患者心理狀況腦卒中發(fā)生后患者面臨著身體機(jī)能缺失、社會(huì)角色受影響等問(wèn)題，易出現(xiàn)焦慮、抑郁等不良心理狀況[27-28]。其中，抑郁在卒中后5年內(nèi)的綜合發(fā)生率為31%，如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和治療，將影響患者神經(jīng)功能的恢復(fù)和重返社會(huì)的能力[29]。近年來(lái)，越來(lái)越多的證據(jù)證實(shí)了VR技術(shù)在改善患者心理狀況方面的有效性。在一項(xiàng)針對(duì)腦卒中患者應(yīng)用VR游戲訓(xùn)練和傳統(tǒng)康復(fù)方式進(jìn)行平衡訓(xùn)練的隨機(jī)對(duì)照研究中，VR干預(yù)組患者相較于對(duì)照組患者表現(xiàn)出了更加強(qiáng)烈的愉悅感[30]。許楠婕等[31]研究者探討了基于VR的平衡康復(fù)訓(xùn)練對(duì)腦卒中后發(fā)生傾斜綜合征患者平衡功能及抑郁狀況的作用。觀察組選擇了3種不同類型的平衡訓(xùn)練，包括軌跡追蹤訓(xùn)練、采蘑菇訓(xùn)練和行走訓(xùn)練。訓(xùn)練過(guò)程中，患者站在訓(xùn)練踏板上，依次進(jìn)行3個(gè)游戲，每個(gè)游戲10 min，每周6次，持續(xù)4周。該研究結(jié)果表明，基于VR技術(shù)的康復(fù)訓(xùn)練不僅可改善患者的平衡功能，也可有效改善患者的抑郁狀態(tài)。

4 目前研究的不足與展望

基于VR技術(shù)的康復(fù)訓(xùn)練在改善腦卒中患者平衡功能、降低跌倒風(fēng)險(xiǎn)、提高康復(fù)依從性和改善心理狀況等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，有望成為傳統(tǒng)康復(fù)手段的有效輔助方式。同時(shí)，VR技術(shù)也有利于減輕腦卒中患者的康復(fù)負(fù)擔(dān)，提升其康復(fù)體驗(yàn)。但現(xiàn)有VR技術(shù)在腦卒中平衡功能康復(fù)領(lǐng)域中的應(yīng)用仍存在著一定不足：①多數(shù)研究樣本量較小，在訓(xùn)練時(shí)間、訓(xùn)練強(qiáng)度上也存在差異，缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的康復(fù)訓(xùn)練體系；②多數(shù)研究所采用的VR康復(fù)訓(xùn)練內(nèi)容大多使用現(xiàn)有的游戲，較少針對(duì)腦卒中的特點(diǎn)定制相關(guān)游戲；③現(xiàn)有研究多是針對(duì)本身具備一定步行能力和認(rèn)知狀況的患者開(kāi)展，較少研究關(guān)注VR技術(shù)在步行能力和認(rèn)知狀況欠佳的腦卒中患者中的應(yīng)用。因此，后續(xù)仍需要進(jìn)行大樣本、高質(zhì)量的研究，以進(jìn)一步探討VR技術(shù)在腦卒中患者平衡功能康復(fù)中的應(yīng)用；并通過(guò)開(kāi)展多學(xué)科團(tuán)隊(duì)協(xié)作，推動(dòng)VR技術(shù)在腦卒中康復(fù)領(lǐng)域的實(shí)踐與發(fā)展。