虚拟现实技术在老年康复医学中的应用研究进展

张丽，瓮长水

21世纪是人口老龄化的时代，中国是目前世界上老年人口最多的国家。老年人患慢性病的几率高，病情复杂，对康复医疗服务的需求迅速增长。实现从经验型被动康复到科学型主动康复的模式转变，对于老年人功能障碍的防治有重要现实意义。虚拟现实(virtual reality,VR)技术自20世纪90年代以来已经成为非常活跃的研究方向，为疾病诊断、康复治疗、心理干预以及医学教育培训提供了一种新的方法，特别是在老年康复医学领域有很大的临床应用潜力。

1 虚拟现实技术的概念及分类

虚拟现实技术，又称虚拟实境技术，是利用计算机系统、感觉反馈装置及建模技术生成可直接施加于训练者的视觉、听觉和触觉感受，并在专业装备的辅助下，刺激人体对虚拟的环境或物体进行交互观察与控制的技术[1-2]。虚拟现实技术主要包括3种技术构成[3]：①三维计算机图形技术；②高清晰度及高更新速度的显示技术；③采用多功能传感器的交互式接口技术。借助这些特殊的呈现技术及输入装置，虚拟现实技术可以让使用者产生身临其境的感受。

与传统康复设备相比，虚拟现实系统具有3个重要特征[2-3]：沉浸性(immersion)、交互性(interaction)和构想性(imagination)，强调人在虚拟现实系统中的主导作用，使信息处理系统适合人体的需要，并与人的主观感觉相一致。

根据呈现模式的不同，虚拟现实技术可分为两大类[2]，包括沉浸式虚拟现实(immersive virtual reality)技术(如使用头盔式屏幕或感应式手套)和非沉浸式虚拟现实(non-immersive virtual reality)技术，后者是将影像呈现在计算机屏幕或投射到幕布上，屏幕越大，沉浸在虚拟实境中的感觉就越深刻。另外，虚拟现实系统还可根据其规模分为桌面型、头盔型、洞空型、遥现型以及扩张型等[1]。

2 虚拟现实技术的作用特点及作用机制

康复医学旨在通过多种手段，使患者的部分或全部功能最大限度地恢复，以获得最大可能的生活自理、劳动和工作等能力[4]。尽管康复疗法不一定能完全治愈疾病本身，但能够改善症状，缩短病程，减轻患者的痛苦，已成为临床治疗中必不可少的一部分。老年康复治疗的机理涉及到重复、反馈和动机3个关键环节[2]。依据现代动作控制与动作学习理论，人类所有的动作都具有任务取向的特点，是对环境或条件的变化做出的反应[5]。治疗过程通过不同的环境下有意义的动作训练与感觉回馈刺激，促进系统整合，进而达到康复效果[5-6]。目前常规的运动疗法和作业疗法一方面过于强调分解动作练习，无法提供有实践意义的任务需求，难以训练现实生活中的整合动作，具体表现为患者在医院康复中学习获得的动作能力很难适应日常生活的需求[7]；另一方面，训练动作反复、单调、枯燥，患者很容易产生厌烦情绪，不利于治疗的继续和深入[8]；第三，康复评定是实现全面康复的前提与基础，而现有康复设备的局限性使传统康复治疗还不能实现功能定量化测评、康复治疗及心理治疗的有机结合，在每次治疗前，无法对受损部位的功能进行更为客观的评定，不利于康复训练计划的制订及调整[7-8]。

虚拟现实技术的优势在于提供有意义的任务性训练与精确的感觉回馈，可以确保受试者真实而安全的训练环境，并包含重复练习、成绩反馈和动机维持3个关键的训练构成[7,9]。虚拟现实技术可以根据患者的心理状态和病情需要，选择相应的康复训练场景和任务取向式康复作业，以多种反馈形式激发和维持患者重复练习的主动性，达到现实训练中无法实现的康复效果[10]。这种接近真实而又更安全的康复训练方式需要调动更多的注意力及思维能力，可以反映患者在执行复杂工作时可能出现的问题，缓解其恐惧紧张的心理，刺激并训练患者的适应能力，使其更容易回归现实生活。大量研究表明，患者能在虚拟环境中学会运动技能，并且能将其运用到现实世界的真实环境中。虚拟现实技术还可以设置虚拟的家庭化的日常生活环境，患者可如身临其境一样进行活动，即使在作业中出现失误，也不会对患者的身体造成损伤[7,11]。虚拟现实技术提供的测评功能可实现康复训练前后及训练过程中对患者功能的量化评定，准确掌握患者的障碍现状、残存功能和潜在能力，有利于康复计划和康复目标的制订，从而保证康复训练的有效性。虚拟现实能为患者提供两种反馈：每次练习结果的实时反馈和一组练习结束后的成绩反馈，及时进行功能测评可根据功能的改善情况实时调整训练计划和训练强度，进而加强医疗人员和患者对治疗效果的把握[12-13]。

总之，相较于传统康复训练方式，虚拟现实康复技术更接近最新康复治疗观念，不仅提供与真实世界相似的训练环境和有意义的任务需求，还能在康复训练前后对患者的功能状态进行量化评估，同时能减轻医疗人员的工作强度。

3 虚拟现实技术在国内外老年康复医学领域的应用

3.1 脑卒中 虚拟现实训练通过在现实环境中难以控制和量化的刺激干预和任务取向性训练，评估并增强脑卒中后老年人认知和运动康复效果，是虚拟现实技术在康复领域主要的应用方向，目前已具有相对成熟的临床研究基础。Yang[14]和Mirelman[15]等通过单盲随机对照研究，支持沉浸式虚拟现实步态训练对脑卒中患者综合活动能力有改善作用，并证实感觉反馈的参与对康复效果有促进作用。Saposnik等通过小样本随机对照研究，证实脑卒中患者进行视频游戏交互式虚拟现实模拟康复训练的可行性、安全性和有效性[16-17]。脑卒中后患者在沉浸式虚拟现实中做跨越障碍物训练后，步速、步长、走路耐力以及跨越障碍物的能力都有明显进步，且实验组在实际环境中的表现比对照组好[7,18]。对慢性脑卒中患者上肢功能进行虚拟现实康复训练后，患者手指的关节活动度、抓握力量、精细动作及动作控制均有改善，而且治疗效果可以维持20周[19-20]。通过虚拟小区环境配合力台训练与仅接受力台训练的效果比较发现，脑卒中患者在行走能力、平衡功能和心理状态方面都进步得更加明显[21-22]。

3.2 帕金森病 步态和认知功能异常是帕金森病患者常见的临床表现，在完成复杂或多重任务时尤为严重。传统训练难以满足复杂步态活动的要求。虚拟现实与动作学习理论相结合，可重现常见的居家活动环境，提供复杂环境中有意义的任务需求。Klinger通过超市场景的虚拟现实训练，结合神经心理学评估，对帕金森症患者及年龄匹配的受试者的认知功能进行评估和锻炼，证实了虚拟现实评估与训练的有效性[23]；Mirelman通过对有跌倒风险的帕金森患者进行加强型活动平板训练结合跨越障碍的虚拟现实训练，发现训练后患者步速增加，认知功能评分增加，提示该训练方案可改善患者的反应能力、步态及认知功能[24]。

3.3 平衡功能康复与跌倒预防 针对老年人的交互式虚拟现实康复方案更加注重平衡训练中的感觉运动整合，尤其适用于感觉和认知功能受损造成的老年人平衡功能障碍[25-26]。Walker等通过功能性步态评估、Berg平衡量表和步行速度测试，证实虚拟现实平衡训练能提供更真实的本体感觉和视觉输入，并能有效改善患者的反应时间、姿势稳定性、平衡和行走功能[27-29]。Suarez通过基于虚拟现实系统的平衡康复训练6周后，26例跌倒高风险的老年人静态和动态姿势控制能力均有增强[30]。

3.4 其他 Riva等虚拟登山场景，用于脊髓损伤患者的康复，既训练患者的运动功能，又增强患者的信心，取得了较好的效果[31]。而针对30例脊髓损伤患者分别进行结合或未结合虚拟现实场景的蹬车训练，通过耐力、自感劳累分级等评估量表比较发现，基于虚拟现实技术的康复方案能有效缓解患者训练过程中的紧张和疲劳状态，有助于放松[32]。

我国虚拟现实技术研究始于上世纪90年代，目前已有一些探索和积累。阎丽等开发的“儿童视觉及智能虚拟现实训练软件”应用于弱视、斜视和学习障碍儿童的康复治疗，已取得了阶段性的成果[33-34]。清华大学研制的虚拟健身车以自行车骑行方式进行患肢功能康复，可量化分析患者锻炼的效果和程度，并根据患者不同的状态给予鼓励、暗示、建议等不同的提示信息，有助于患者及时调整锻炼方式，达到更好的效果[35]。

4 存在的问题及研究方向

虽然虚拟现实康复技术的可行性和有效性已得到初步证实，但现有研究大部分都是病例报道，受试者数量少，缺乏足够的临床随机对照研究；研究样本以75岁以下的中老年人居多，针对80岁以上的高龄老年人群的虚拟现实康复鲜有报道；其康复效果的长期效应也需要进一步观察。此外，不同的临床功能评估和疾病治疗所需的场景模型和视觉元素不同，同种功能的评估和疾病的治疗由于个体文化、心理状态、认知、视觉经验积累、年龄、性别、病情等差异，也需要不同的场景模型和视觉元素的整合。国外的虚拟现实系统需要经过修改、完善，才能满足中国人康复治疗的需要。最后，由于现有高质量的虚拟实境设备费用昂贵，体积庞大，在临床上广泛应用并进一步向家庭和社区推广尚有待于多方面的努力。

[1]汪成为,高文,王行仁.灵境(虚拟现实)技术的理论、实现及应用[M].北京：清华大学出版社,1996.

[2]Holden M.Virtual environments for motor rehabilitation：Review[J].Cyberpsychol Behav,2005,8(3)：187-211.

[3]赵春霞,王树国,蔡鹤皋,等.虚拟现实的发展及其在机器人系统中的应用与研究[J].机器人,1999,5：395-398.

[4]杜鹏,杨慧.中国老年残疾人口状况与康复需求[J].首都医科大学学报,2008,29(3)：262-265.

[5]胡明霞.动作控制与动作学习(修订版)[M].台北：金名图书有限公司,2003.

[6]刘聚卑,扬俊志.虚拟现实技术及其在康复医学中的应用[J].医疗卫生装备,2002,4：30-32.

[7]Lange BS,Requejo P,Flynn SM,et al.The potential of virtual reality and gaming to assist successful aging with disability[J].Phys Med Rehabil Clin NAm,2010,21(2)：339-356.

[8]Cameirao MS,Badia SB,Oller ED,et al.Neurorehabilitation using the virtual reality based Rehabilitation Gaming System：methodology,design,psychometrics,usability and validation[J].JNeuroeng Rehabil,2010,7：48.

[9]周柳,王英华,刘强,等.虚拟现实技术在运动康复中的应用[J].中国组织工程研究与临床康复,2007,11(5)：957-960.

[10]Myers RL,Laenger CJ,Myers RL,et al.Virtual reality in rehabilitation[J].Disabil Rehabil,1998,20：111-112.

[11]Rose FD,Attree EA,Brooks BM,et al.Training in virtual environments：transfer to real world tasks and equivalence to real task training[J].Ergonomics,2000,43：494-511.

[12]马宏霞.基于虚拟现实技术的运动康复应用研究[J].中国老年医学杂志,2010,30(12)：1630-1631.

[13]Kenyon RV,Afenya MB.Training in virtual and real environments[J].Ann Biomed Eng,1995,23：445-450.

[14]Yang YR,Tsai MP,Chuang TY,et al.Virtual reality-based training improves community ambulation in individuals with stroke：a randomized controlled trial[J].Gait Posture,2008,28(2)：201-206.

[15]Mirelman A,Patritti BL,Bonato P,et al.Effects of virtual reality training on gait biomechanics of individuals post-stroke[J].Gait Posture,2010,31(4)：433-437.

[16]Saposnik G,Mamdani M,Bayley M,et al.Effectiveness of virtual reality exercises in stroke rehabilitation(EVREST)：rationale,design,and protocol of a pilot randomized clinical trial assessing the Wii gaming system[J].Int J Stroke,2010,5(1)：47-51.

[17]Saposnik G,Teasell R,Mamdani M,et al.Effectiveness of virtual reality using Wii gaming technology in stroke rehabilitation：a pilot randomized clinical trial and proof of principle[J].Stroke,2010,41(7)：1477-1484.

[18]Katz N,Ring H,Naveh Y.Interactive virtual environment training for safe street crossing of right hemisphere stroke patients with unilateral spatial neglect[J].Disabil Rehabil,2003,10：39-55.

[19]Merians AS,Jack D,Boian R,et al.Virtual reality-augmented rehabilitation for patients following stroke[J].Phys Ther,2002,82：898-915.

[20]Broeren J,Rydmark M,Sunnerhagen KS.Virtual reality and haptics as a training device for movement rehabilitation after stroke：a single-case study[J].Arch Phys Med Rehabil,2004,85：1247-1250.

[21]Makssoud HE,Richards CL,Comeau F.Dynamic control of a moving platform using the CAREN system to optimize walking in virtual reality environments[J].Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc,2009,2009：2384-2387.

[22]Fung J,Richards CL,Malouin F,et al.A treadmill and motion coupled virtual reality system for gait training post-stroke[J].Cyberpsychol Behav,2006,9(2)：157-162.

[23]Klinger E,Chemin I,Lebreton S,et al.Virtual action planning in Parkinson's disease：a control study[J].Cyberpsychol Behav,2006,9(3)：342-347.

[24]Mirelman A,Maidan I,Herman T,et al.Virtual reality for gait training：can it induce motor learning to enhance complex walking and reduce fall risk in patients with Parkinson's disease[J].JGerontol A Biol Sci Med Sci,2011,66(2)：234-240.

[25]Bugnariu N,Fung J.Aging and selective sensorimotor strategies in the regulation of upright balance[J].JNeuroeng Rehabil,2007,4：19.

[26]De Bruin ED,Schoene D,Pichierri G,et al.Use of virtual reality technique for the training of motor control in the elderly.Some theoretical considerations[J].Z Gerontol Geriatr,2010,43(4)：229-234.

[27]Walker ML,Ringleb SI,Maihafer GC,et al.Virtual realityenhanced partial body weight-supported treadmill training poststroke：feasibility and effectiveness in 6 subjects[J].Arch Phys Med Rehabil,2010,91(1)：115-122.

[28]Horlings GC,Carpenterb MG,Künga UM,et al.Influence of virtual reality on postural stability during movements of quiet stance[J].Neurosci Lett,2009,451：227-231.

[29]Bisson E,Contant B,Sveistrup H,et al.Functional balance and dual-task reaction times in older adults are improved by virtual reality and biofeedback training[J].Cyberpsychol Behav,2007,10(1)：16-23.

[30]Suarez H,Suarez A,Lavinsky L.Postural adaptation in elderly patients with instability and risk of falling after balancetraining using a virtual-reality system[J].Int Tinnitus J,2006,12(1)：41-44.

[31]Riva G.Virtual reality in rehabilitation of spinal cord injuries：a case report[J].Rehabil Psychol,2000,45(1)：1-8.

[32]Chen CH,Jeng MC,Fung CP,et al.Psychological benefits of virtual reality for patients in rehabilitation therapy[J].J Sport Rehabil,2009,18(2)：258-268.

[33]阎丽,胡丹丹,阎春元,等.基于感知觉学习的儿童视觉及智能虚拟现实数据库系统对弱视治疗效果的研究[J].医疗保健器具,2006,11(2)：32-33.

[34]杨素红,甘晓玲,庞琳,等.利用视觉虚拟现实训练软件治疗弱视的疗效分析[J].中国斜视与小儿眼科杂志,2004,12(1)：7-11.

[35]黄靖远,刘宏增,凌迪,等.康复用虚拟现实健身车的技术基础[J].生物医学工程学杂志,1999,14(4)：453-457.