虚拟现实技术在脑卒中患者平衡功能康复的应用①

孙然，张通

·综述·

虚拟现实技术在脑卒中患者平衡功能康复的应用①

孙然，张通

本文简要回顾了虚拟现实技术的特点、起源与发展及在康复中的应用，重点介绍其在脑卒中患者平衡功能康复方面的应用及其疗效，同时简要介绍目前国内外常用的平衡功能的评定方法。

脑卒中；虚拟现实技术；平衡功能；康复；综述

[本文著录格式]孙然，张通.虚拟现实技术在脑卒中患者平衡功能康复的应用[J].中国康复理论与实践,2014,20(1):37-40.

脑卒中是中老年人的多发病，也是最常见威胁生命的疾病之一。调查显示，随着我国人口老龄化进程的加快和脑血管病危险因素的增多，脑卒中的发病率在我国呈逐年递增的趋势。由于诊治水平的提高，急性脑卒中的死亡率显著下降，但致残率高达80%以上。平衡功能障碍是脑卒中患者最常见的功能问题之一，平衡功能的恢复程度对患者步行能力及日常生活活动能力的提高具有重要意义。本文重点就虚拟现实技术(virtual reality,VR)在脑卒中患者平衡功能康复中的应用进行综述。

1 概述

1.1 VR的特点

VR是一种新兴且迅速发展的技术，属于跨学科综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等多个领域。它利用计算机的专业软硬件和外围设备，形成逼真的三维视、听、触、嗅等感觉，使人作为参与者通过适当装置，与虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时，计算机可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感[1]。VR系统具有沉浸(immersion)、交互(interaction)和想象(imagination)三大特点。沉浸是VR系统的核心特点，表示用户能够投入到由计算机生成的虚拟场景中，即用户在虚拟场景中有身临其境之感。交互是人机和谐的关键因素，表示用户与虚拟场景中各种对象之间的相互作用。交互性包括对象的可操作程度、用户从环境中得到反馈的自然程度，以及虚拟场景中对象依据物理学规律运动的程度等。VR不仅是一个用户与终端的接口，而且可使用户沉浸于此环境中获取新的知识，提高其感性和理性认识，产生新的想象。在计算机模拟的虚拟环境中，用户会有身临其境之感，通过传感设备接受来自该环境的信号。与此同时，计算机可以精确记录用户的信息，并据此对虚拟环境进行调整，实现人机的交互作用[2]。

1.2 VR的发展

VR在20世纪80年代由Lanier提出，其在医学上的应用包括虚拟内窥镜、计算机辅助手术治疗、手术的方针与训练、医学教学等[3]。进入90年代，VR开始在神经科学及心理治疗方面有了较多的应用研究与发展。已有大量文献提到VR对疼痛[4]，焦虑障碍如社交恐怖症[5-7]、广场恐怖症[8]、创伤后应激障碍[9-10]及其他特殊恐惧症包括恐高症[11-12]、惧飞症[13-14]和蜘蛛恐惧症[15]等取得很好疗效。

VR也已经被广泛应用于康复评定和治疗的各个方面。Holden等最早报道在脑卒中患者康复训练中使用VR[16]。他们为1例脑卒中后上肢功能障碍的患者制作了康复设备，包括1个运动跟踪装置、桌面显示器和用于产生不同难度3D任务的软件系统。在脑卒中患者的康复评定和治疗中引入VR，为脑卒中患者提供一个与现实生活相关的环境，在这种环境中，患者能够进行有意义、有目的的训练。这种训练不是被动的，而是患者主动参与并与计算机进行互动，从而获得运动技能的过程。目前，VR在国内外主要应用于改善脑卒中患者的上肢功能[17-18]，步行能力[19-22]及认知功能[23]，例如注意力缺陷、记忆障碍、半侧空间忽略等，在脑卒中后平衡功能康复方面的研究较少，需要进一步研究。

1.3 VR用于康复训练的优势

VR可以提供多种治疗场景和刺激，患者可以在安全的环境中进行康复治疗。例如训练患者的社区功能性步行时，患者无需去真正的社区。

VR系统可以根据患者的实际情况进行治疗过程设计，构建不同难度的康复训练虚拟环境；同样的场景和任务可以重复进行。

VR系统能为接受康复训练的患者提供两种反馈，包括每次练习结果的实时反馈和一组练习后的成绩反馈，可以提高患者对结果的知晓感[24]。

VR系统给患者提供了极富真实性的虚拟环境，使其有身临其境的感受，增加了任务的趣味性，提高了患者参与康复的积极性和主动性，以多种反馈形式激发和维持患者重复练习的动机。

VR技术提供了重复练习、成绩反馈和维持动机3个关键要素的技术手段。大量研究结果表明，患者能在虚拟环境中学会运动技能，并能将习得的运动技能迁移到现实世界的真实环境中。

2 针对平衡功能训练的VR设备

最早用于平衡训练的VR系统包括一辆固定的自行车和提供视觉虚拟环境的平面显示器；研究发现在虚拟视觉空间骑行训练一段时间后，患者姿势控制水平有很大提高[25]。虽然该系统为患者提供了一种相对安全的训练技术，但由于技术方面的不足，还存在自行车运动和视觉、听觉等线索信息不匹配的问题。随着技术的逐渐发展，现阶段的VR设备已越来越趋向于成熟。现介绍两种国外应用较多的VR设备。

2.1 IDEX[20,26]

这一系统由显示器、视频摄像机、红外手套、虚拟物体、虚拟场景及大屏幕组成。视频摄像机捕捉和追踪身体的影像，受试者能沉浸于VR场景里，并与其中的虚拟环境和物体相互作用。这个系统优于当前其他类型的VR系统，因为受试者不需要穿戴沉重的头盔式录像机(head-mounted device,HMD)、数据手套或其他与电脑相连的外围设备以获取数据。受试者可以通过在自由移动来操纵虚拟环境里的虚拟物体。

该系统有3种可选环境，包括上下楼梯(step up/down)、躲避鲨鱼(sharkbait)和滑雪板(snowboard)游戏。虚拟上下楼梯的游戏用于训练患侧髋关节的屈、伸、内收及外展运动，体重转移以及单腿站立平衡。躲避鲨鱼和电鳗的同时摘得星星的游戏用于训练体重转移、迈步，保护策略及重心下移等平衡功能。跳跃障碍滑雪下山的游戏用于训练躯干的活动性和灵活性，以及体重向对侧转移的控制能力。在每次游戏结束时，系统都会提供训练结果、重量(抵抗力)增加的数值以及完成情况(例如运动质量)的反馈。

2.2 Nintendo Wii Fit Plus[27-28]

该系统由一个平衡板游戏系统、一个操纵台(通过一个听视觉电缆将它连接到一台液晶显示器上)、一个测力板(含有4个力传感器)，以及一个加速仪(以控制器的形式)组成。它们在训练过程中可以提供压力中心(centre of pressure,COP)实时的视觉和听觉反馈。平衡板游戏系统和显示器之间的联系通过蓝牙协议建立。当受试者站在装有压力传感器的平衡板上时，显示器上就会出现代表受试者位置的标记，并且追踪受试者的活动，以此来提供视觉和听觉的反馈。除此之外，它还提供多种运动和反应的触觉反馈。该系统中用于平衡训练的游戏包括平衡水泡(balance bubble)、障碍滑雪(ski slalom)、跳跃滑雪(ski jump)、头球(soccer heading)、面铺瓦(table tiling)以及企鹅滑动(penguin slide)，这些游戏涉及了向多个方向的体重转移。

此外，还有一种VR平板训练[29]。它由普通平板、用于VR程序运行和图像显示的带有液晶显示投影仪的台式电脑，以及类似于视频游戏的VR训练程序等组成，主要用于提高患者步行过程中的单腿负重及体重转移能力。

3 VR对脑卒中患者平衡功能恢复的效果

脑卒中患者的平衡功能障碍主要体现在：静止站立时重心摆动增加[30-31]；双下肢负重模式不对称[32-33]；根据具体任务的需要，身体重心自主有效地向各方向移动困难[33-34]。脑卒中后偏瘫患者静止站立时，大部分体重都由健侧下肢负担；在日常需要双下肢同时和对称参与的活动，如步行、上下楼梯时，患者尽力避免或不能将其体重由健侧转移到患侧。已经证实这些障碍是导致脑卒中患者跌倒风险增加的主要因素[35]。

Kim等应用IREX系统激发脑卒中患者(病程≥1年)的训练积极性，提高与步行相关的静态和动态平衡能力。结果显示，VR训练与传统的物理治疗相结合与单独进行物理治疗相比，前者能够显著改善患者动态平衡功能和步行能力[26]。但因为最初设计这些游戏的目的是刺激患者动态姿势控制，患者静态平衡能力提高不显著。

Cho等通过对22例慢性脑卒中患者(病程≥6个月)进行的一项随机对照研究显示，每次30 min、每周6次、持续6周的训练结束后，接受在传统康复治疗的基础上增加有Wii Fit平衡板VR平衡训练的11例患者与仅接受传统康复治疗的11例患者相比，动态平衡能力有显著的提高[27]。但该研究未能证明VR游戏对静态平衡功能的康复效果。

该项研究中采用VR平衡训练涉及了向多个方向的体重转移。Yang等发现，在动态挑战中习得的姿势控制技能可能并不适用于维持静态的姿势稳定性[29]。Winstein等的研究显示，脑卒中患者在站位下控制姿势时，需要使他们的运动减到最小，并一再努力维持质心的位置[36]。因此，VR平衡训练并不能减少静止站立时患者的姿势晃动，即无法训练患者的静态平衡功能。此外，该项研究无法得出VR游戏是否比传统康复更有效的结论，并且也没有采用定量的指标评价患者的动态平衡能力。

Yang等选择14例发病后即参加常规物理和作业治疗的慢性脑卒中患者(病程≥6个月)作为研究对象，分为接受装有VR场景的跑台训练的实验组和接受传统跑台训练的对照组，结果显示，VR跑台训练可以改善脑卒中患者坐-站体位变换时的平衡功能；相较于传统的跑台训练，VR跑台训练更能够提高平地步行时患腿的负重能力[29]。但同样，该训练也不能改善患者站立下的静态平衡功能。

4 脑卒中患者平衡功能评定

目前评价脑卒中患者平衡功能的方法主要包括量表评定法和平衡测试仪评定法两种。

量表评定不需要专门的设备，操作简易，容易掌握；主要缺点是结果受评定者的主观判定的影响。目前国内外临床上常用的平衡量表主要有Berg平衡量表(Berg Balance Scale,BBS)、“起立-行走”计时测试(Timed Up and Go test,TUGT)、Fugl-Meyer平衡量表、Tinetti量表(Performance-oriented Assessment of Mobility)、Lindmark运动功能评估表、脑卒中患者姿势评定量表(Postural Assessment Scale for Stroke Patients,PASS)等。此外，Rivermead运动指数(RMI)、Carr-shepherd平衡评定表、上田敏平衡反应试验、功能性前伸测试(Functional Reach Test,FRT)、跌倒危险指数(Fall Risk Index,FRI)等也可用于平衡功能的评定。

平衡仪评定是近年研究较多的定量测定平衡功能的评定方法。它是一种通过测量受试者在不同状态下各种平衡指标的变化，并据此分析其平衡水平的一种测试设备，包括静态平衡仪和动态平衡仪，分别评定人体静态平衡能力和动态平衡能力。目前在国内外较常用的平衡测试仪主要有美国的Balance Performance Monitor(BPM)、Balance Master、Equitest Balance Master等，其中后两者不但可以对平衡功能进行静态、动态测试，而且可以对具有平衡功能障碍的患者进行训练，但由于价格过高，其在临床上的推广应用受到限制。比较而言，BPM价格适中，性能稳定，操作方便，具有较广泛的应用前景。

平衡测试仪为人体平衡功能的综合判断提供可靠而直观的评定指标，不但可以判断平衡功能损害的病因及其程度，还可以评价治疗和康复的效果，是目前平衡功能评定的理想工具[37]。应用VR康复的文献所涉及的技术设备仅包含平衡训练项目，无法同时对患者的平衡功能进行评定。

5 问题与展望

目前认为，脑卒中恢复早期(发病后1～3个月)和恢复中期(发病后3～6个月)是功能恢复的最佳时期。恢复后期(发病后6个月～2年)功能恢复缓慢或停滞不前。因此我们需要进一步选取病程1～6个月的脑卒中患者进行研究。此外，现阶段大多数较严谨的文献中应用的VR技术，其设计目的是为了提高患者的功能性步行能力，因此在改善患者体重转移能力等动态平衡功能方面的作用较为显著。近10年没有文献显示出VR平衡训练对静止站立时脑卒中患者的姿势稳定性有显著的改善。另外，由于相关的对照研究均是VR组与非VR组对照，或在传统康复的基础上增加VR训练，而无关于VR训练与传统康复方法的直接对照，无法得出VR训练是否比传统康复更有效的结论，目前只能认为在传统康复的基础上增加VR可获得更好的康复效果。今后的研究还应该扩大样本量，使结果更具说服力。

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Application of Virtual Reality in Balance Rehabilitation for Stroke(review)

SUN Ran,ZHANG Tong.Capital Medical University School of Rehabilitation Medicine,Department of Neurological Rehabilitation,Beijing Bo′ai Hospital,China Rehabilitation Research Centre,Beijing 100068,China

This paper briefly introduced the characteristics,origin and development of virtual reality,and the value for rehabilitation;reviewed the application of virtual reality in the rehabilitation of balance function after stroke.Some assessment commonly used for balance function were summarized.

stroke;virtual reality;balance;rehabilitation;review

R743.3

A

1006-9771(2014)01-0037-04

2013-10-14

2013-11-07)

中国康复研究中心科研项目(No.2013-16)。

1.首都医科大学康复医学院，北京市100068；2.中国康复研究中心北京博爱医院神经康复科，北京市100068。作者简介：孙然(1989-)，女，汉族，江苏盐城市人，硕士研究生，主要研究方向：神经康复。通讯作者：张通，男，北京市人，博士，博士生导师，主任医师。

10.3969/j.issn.1006-9771.2014.01.010