虚拟现实康复技术对脑卒中患者上肢运动功能恢复的研究进展

金玲，张通,2，赵军,2

虚拟现实康复技术对脑卒中患者上肢运动功能恢复的研究进展

金玲1，张通1,2，赵军1,2

本文主要综述虚拟现实技术的特点、常用设备及其在康复医学中的优势，特别是在脑卒中患者上肢功能康复方面的应用及其运动功能恢复的机制，同时还包括目前国内外常用运动功能评定方法。

虚拟现实技术；脑卒中；上肢；运动功能；康复；综述

[本文著录格式]金玲，张通，赵军.虚拟现实康复技术对脑卒中患者上肢运动功能恢复的研究进展[J].中国康复理论与实践, 2014,20(10):905-907.

随着社会老龄化的加剧，脑卒中发病率呈上升趋势。上肢功能障碍是脑卒中患者最常见的临床表现之一，上肢运动功能和活动能力的改善和恢复是脑卒中患者功能结局的重要指标。85%脑卒中患者在发病一开始就表现有上肢功能的损害，发病后3～6个月，仍然有55%～75%患者存在上述问题[1]。上肢运动功能在人类日常生活中占据特殊而重要的地位。因此，上肢功能障碍会严重影响偏瘫患者的生活质量。

许多手段可以改善上肢运动功能，但多数效果不明显。探讨虚拟现实技术(virtual reality technology)对上肢运动功能恢复的作用是神经康复学新的研究方向。脑卒中偏瘫患者上肢运动康复是虚拟现实技术应用的一个新领域，国外研究机构已经利用虚拟现实技术在该领域进行许多尝试，积攒了一定临床资料，在改善治疗效果方面取得了一定成果[2]。

1 虚拟现实技术

1.1 概述

虚拟现实(virtual reality,VR)是一组技术的总称。中文译为虚拟现实、灵境、幻境、幻真等。虚拟现实是由计算机硬件和软件合成人工环境，使沉浸其中的用户产生视、听、触等感觉，并在三维视觉空间中获得人机交互体验，力求给用户造成与现实世界真实环境一样的印象。

虚拟现实系统有三个非常显著的特征：交互性(interactivity)、沉浸感(illusion of immersion)和构想(imagination)。根据患者的病情需要，医生可以选择相应的康复训练场景和任务导向式康复作业，以多种反馈形式激发和维持患者重复练习的主动性，达到传统训练无法达到的治疗效果。

虚拟现实技术多采用游戏的形式，如接球、打球、持物、爬楼梯或逛超市等。目前虚拟现实技术用于以下四个方面：功能损伤的训练、辅助技术、评估及测量和娱乐。其中功能损伤的训练包括上下肢肢体功能训练、认知障碍训练、半侧空间忽略训练等内容。

1.2 常用设备

虚拟现实技术在20世纪80年代由Jaron 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。虚拟现实技术自20世纪90年代逐渐被应用于康复和特殊教育，包括神经系统病理如脑卒中或脑外伤、孤独症、脑瘫以及认知康复和恐惧症。在这十年里应用程序和平台类型的数量急剧增长。

虚拟现实技术按照沉浸程度分为沉浸式和非沉浸式[3]。沉浸式可分为大屏幕投影(large screen projection,LSP)、头盔式显示器(head mounted display,HMD)或者视频捕捉系统(vedio capture systems)。大屏幕投影提供的虚拟环境视野较大，能够很好地把使用者与现实环境隔离开来，实现人和环境的完全融合。但是，其实现技术复杂，开发和运行费用昂贵，难以普及。头盔式显示器呈现虚拟景物的屏幕安置在头盔中，拉近到使用者眼前，扩展了使用者的视角，而头盔又把使用者与周围环境隔离开，增强其身临其境的感觉。视频捕捉系统主要采用GX或IREX系统，此系统价格便宜，操作简单、方便、安全，可在家使用，给患者提供单侧或双侧肢体平衡训练。平衡训练时，需要家属保护。非沉浸式虚拟现实系统将虚拟环境显示在电脑屏幕上，带或不带有接触装置，如鼠标、触觉装置[4]。在绝大多数研究中，两种方式在上肢功能恢复方面均有明显治疗效果。

一个虚拟现实系统由信号输入和输出反馈两个部分组成。输入设备可以是数据手套、立体鼠标、数据衣等。使用者通过输入设备以自然的技能(如手的挥动、身体的运动等)向计算机送入各种命令，并从输出反馈设备中得到视觉、听觉及触觉等多种感官的反馈。它能为接受康复训练的患者提供两种反馈，包括每次训练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。

2 虚拟现实技术在上肢功能康复的优势

上肢运动功能在人类日常生活中占据特殊而重要的地位。许多手段能改善上肢运动功能，但多数效果不明显。Turolla等的大样本研究，在3D环境中进行把杯子放到指定位置、蓝杯子套圈等游戏，经过每次2 h共20次治疗后，Fugler-Meyer评分及功能独立量表评分较常规康复训练组显著提高[5]。此项研究表明，虚拟现实系统训练提高了上肢运动功能，能够将虚拟现实训练转移到现实世界，提高生活质量。Kwon等为研究虚拟现实训练结合传统康复训练对急性脑卒中偏瘫患者上肢功能及日常生活能力的影响，进行双盲随机对照实验，结果显示，虚拟现实结合传统康复训练组Fugl-Meyer评分明显提高，两组Barthel指数均有明显提高，但组间没有显著性差异[6]。虚拟现实具有趣味性十足、依从性好、提高训练信心等优点[7]。国外已有许多研究表明，虚拟现实技术可以改善脑卒中患者上肢运动功能[8-10]。是否提高日常生活能力有待研究。还应考虑目前样本量较小、疗程短，训练时间为4周，期间训练效果达不到高峰，虚拟现实训练内容不够贴近于现实生活等原因。

3 虚拟现实与大脑重组机制研究

大脑可塑性，主要是指大脑通过自身结构和功能随着内外环境变化而不断修饰和重组的能力。目前，多数关于脑卒中患者脑功能重构机制的研究采用功能性磁共振(functional magnetic resonance imaging,fMRI)作为研究手段。脑卒中患者主要表现为同侧激活，经过康复训练后转换为对侧。

虚拟现实训练促进脑功能重构具体表现为激活初级感觉运动皮质和次级运动皮质，包括背侧运动前区和辅助运动区，以及扣带回运动区前部、前顶内皮层、颞上回等。同时，虚拟现实训练还可以使运动前区、辅助运动区等部位的异常激活消失，从而促进患者运动功能的恢复。虚拟现实训练后初级感觉运动皮质的偏侧化指数显著提高。

Jang等为研究虚拟现实训练对大脑皮质重组及运动功能恢复的效果，对5例脑卒中偏瘫患者进行4周虚拟现实训练，训练前后进行fMRI检查，训练前激活大脑皮质双侧初级感觉运动区(SM1)、对侧运动前区(PMC)、单侧辅助运动区，训练后大脑皮质只有健侧SM1区激活，虚拟现实训练介导神经可塑性与手运动恢复有密切关联。虚拟现实训练模拟真实场景，虚拟现实手运动功能易转化到日常生活中，比如用患手拿杯子或系扣子，这些活动都来自于虚拟环境[11]。Saleh等的研究中，让4例脑卒中患者在3D环境中戴上数据手套进行手指训练，训练前后行fMRI检查，结果显示手指运动过程中，同侧运动皮层和双侧感觉运动区域之间的功能连接显著增加，提示虚拟现实训练可以促进大脑的功能连接以及两侧大脑半球间的平衡重构[12]。

虚拟现实系统增加了患者康复的主动参与性，与虚拟环境的互动也强化了脑功能重组环路的建立和反馈。患侧上肢功能恢复取决于规律性和强化性训练。越来越多的证据表明，偏瘫患者上肢重复、任务相关、强化的训练可促进神经可塑性获得[13]。根据神经生理学和行为学原理，运动想象[14]、观察[15-16]、大量重复训练及模仿疗法[17]可促进自主运动产生，通过感官刺激，形成大脑皮质网络[18]。

4 虚拟现实运动临床研究

4.1 入选标准

虚拟现实训练要求患者主动参与、病情稳定、意识清醒、无言语和视力障碍、无精神病史、无大量饮酒或滥用药物[19]。Laver等分析2004年～2010年来自全世界11个国家关于评价虚拟现实对脑卒中康复疗效的文献，所有研究均选择轻至中度上肢损伤患者作为研究对象，试验分为两组，即病程＞6个月与病程≤6个月。资料显示，病程≤6个月组患者治疗效果优于病程＞6个月组。作者提出总治疗时间大于15 h获得可靠疗效，然而组间比较时没有统计学意义。大部分国外试验采用病程大于6个月患者作为研究对象，此时期并非是康复治疗最佳治疗时期[20]。Saposnik等的Meta分析中，12篇文献中9篇文献周期为4～6周，其余3篇文献训练周期为2～3周。脑卒中发病初期患者肌力弱、肌张力低，运动功能严重受限，并且病情不稳定，不适宜进行虚拟现实训练。随后患者病情稳定，肌张力增高，对无肩关节半脱位、无肩关节疼痛患者进行虚拟现实训练[21]。Susana等研究虚拟现实训练对脑卒中患者痉挛、肩关节疼痛的研究，结果显示对于慢性期及亚急性期患者的痉挛及肩关节疼痛没有明显效果[22]。绝大多数文献把严重认知功能障碍、失语症、失用症、视觉缺陷等列入排除标准。

4.2 疗效评估

虚拟现实训练采用运动学指标和临床指标来完成评估。运动学指标主要采用关节活动度、运动速度。Szturm等研究发现，患者在接受手指功能虚拟现实训练后，量化运动轨迹相似性结果显示，患者完成动作数量增加，动作幅度更大并更稳定，运动速度也可相应增加[23]。Subramanian等对16例脑卒中患者进行逛超市、拿食品、抓、握等虚拟现实训练，训练后手指末端运动速度、肩关节水平内收(9.5°)及外展(13°)活动度均明显提高，促进手指精细运动的出现[24]。

临床指标分为运动功能量表和日常生化活动能力量表。运动功能量表常用Fugl-Meyer法、简易Wolf运动功能量表(Abbreviated Wolf Motor Function Test)、上肢动作研究量表(the Action Research Arm Test)、Box and Blocks试验等评估上肢粗大运动功能及精细运动。日常生活活动评定量表包括Barthel指数、功能独立性量表、生活质量评定表等。Saposnik等的Meta分析显示，虚拟现实训练后Fugl-Meyer评分、简易Wolf运动功能量表评分、功能独立量表评分均有所提高，并与常规康复相比有统计学意义，提示患者上肢运动功能及日常生活活动能力有所改善。也有文献指出，虚拟现实训练的疗效与传统训练效果没有显著差别。出现此差异可能的原因包括受试对象人数少、实验设计不完善、评估标准不一致等[21,25]。

5 展望

目前国内常规康复训练现状如下：治疗师人数匮乏、缺乏适合早期的康复技术、亚急性期和恢复期手段缺乏系统性、训练强度不够、普及率低。

随着虚拟现实技术进入国内，不断改进，以及该技术在康复治疗领域的不断推广和深入，将成为改善脑卒中患者运动功能的一种新型有效的康复手段，应用于临床康复治疗以协助改善脑卒中患者的肢体运动功能，提高生活质量。

虚拟现实技术对脑卒中后偏瘫患者上肢运动功能恢复是有效的，但缺乏大样本随机对照实验证明其有效性和可靠性，虚拟现实训练时机选择有待于考证。

目前认为中枢神经系统可塑性是脑损伤后神经功能恢复的重要基础，但是虚拟现实训练促进偏瘫肢体功能恢复的神经机制尚不明确，缺乏客观性，仍是目前研究的热点。

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Advance in Virtual Reality Rehabilitation Technique in Upper Limbs Motor Function of Stroke Patients(review)

JIN Ling,ZHANG Tong,ZHAO Jun.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,some kinds of equipment,and the advantages of virtual reality technology in rehabilitation,especially in upper limb function rehabilitation,and its mechanism of motor function recovery after stroke.Some assessment tools commonly used for motor function were summarized.

virtual reality technology;stroke;upper extremity;motor function;rehabilitation;review

10.3969/j.issn.1006-9771.2014.10.002

R743.3

A

1006-9771(2014)10-0905-03

2013-12-30

2014-03-07)

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：金玲(1988-)，女，吉林延吉市人，硕士研究生，主要研究方向：神经康复。通讯作者：张通。E-mail:zt61611@sohu.com。