虚拟现实技术对脑卒中偏瘫患者平衡功能的疗效①

孙然，张通,2，赵军,2，刘丽旭,2

虚拟现实技术对脑卒中偏瘫患者平衡功能的疗效①

孙然1，张通1,2，赵军1,2，刘丽旭1,2

目的比较基于虚拟现实技术(VR)的平衡训练和传统平衡训练对脑卒中偏瘫患者静态和动态平衡功能的效果。方法20例脑卒中偏瘫患者，随机分为实验组(n=10)和对照组(n=10)。两组患者均进行常规神经内科药物治疗和康复训练。实验组接受“城市驾车”“驾船”“小径遭遇”等3种VR游戏训练，对照组接受传统平衡训练。分别于训练前、训练4周后采用Berg平衡量表(BBS)、“起立-行走”计时测试(TUGT)评定，采用平衡测试仪对患者的姿势稳定性和稳定极限进行测量。结果训练后，两组BBS和TUGT评分均较训练前显著改善(P＜0.001)，实验组显著优于对照组(P＜0.001)。训练后两组患者部分姿势稳定性和稳定极限参数均较训练前改善(P＜0.05)，实验组优于对照组(P＜0.05)。结论基于VR的平衡训练较传统的平衡训练能更有效地提高脑卒中偏瘫患者的动静态平衡功能。

脑卒中；偏瘫；虚拟现实；平衡功能；康复

[本文著录格式] 孙然，张通，赵军，等.虚拟现实技术对脑卒中偏瘫患者平衡功能的疗效[J].中国康复理论与实践,2014,20 (5):458-463.

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，脑卒中的发病率呈逐年增加趋势。由于现代医学的进步，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，它是导致脑卒中患者跌倒风险增加的主要因素[1]。有报道显示，脑卒中患者跌倒的发生率为25%～75%[1]，其中10%～25%的跌倒会导致严重的后遗症[2]，极大地影响患者的活动水平、功能独立及生活质量，从而带来显著的经济和社会负担[3]。平衡功能康复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，成为脑卒中康复的焦点之一。

传统的平衡训练主要是某一具体动作的重复练习，许多患者认为它们既无目的性，又缺乏趣味性，导致训练积极性和依从性下降[4]。近年来，虚拟现实技术(virtual reality,VR)已逐渐应用于脑卒中康复的多个领域，包括平衡功能康复，并取得一定的疗效。本研究观察脑卒中偏瘫患者基于VR平衡训练前后静态和动态平衡功能的变化，并与传统平衡训练进行比较。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2013年1月～2014年2月在北京博爱医院神经康复科和神经内科住院的脑卒中偏瘫患者20例，采用Minimize软件随机分为实验组10例和对照组10例。患者均符合全国第四届脑血管病学术会议制定的脑卒中诊断标准[5]，并经头颅CT或MRI确诊为脑梗死或脑出血。

纳入标准：①首次发病，单侧颈内动脉系统病变，病程＜6个月；②年龄18～70岁，生命体征平稳，病情稳定；③没有半侧空间忽略或偏盲；④意识清楚，能够听懂指令并遵照执行，简易精神状态检查(Mini-mental State Examination,MMSE)评分≥24分；⑤Fugl-Meyer平衡功能检查评分≥10分，在室内监护下能够步行10 m；⑥患侧下肢肌张力改良Ashworth分级≤1级；⑦未使用影响平衡功能的药物，如抗癫痫药物或镇静安眠药等；⑧签署知情同意书。

排除标准：①因脑干、小脑、前庭、周围神经病变或下肢骨关节疾患而影响平衡功能；②严重的视觉、听觉或认知言语障碍，不能配合；③双侧大脑半球均可见明显病变；④并发肝肾功能不全、充血性心力衰竭、恶性肿瘤或高血压未得到控制。

两组患者的年龄、病程、性别、受教育程度、身高、体重、患侧足底浅感觉及踝关节深感觉功能、偏瘫侧别及病种比较均无显著性差异(P＞0.05)。见表1。

1.2 仪器

STABLE-稳定性平衡学习环境(Dexin-Stable. March 2012 version，荷兰Motek Medical公司)适用于有平衡功能障碍的神经系统疾病、骨关节疾病患者以及老年人。STABLE系统硬件由以下5部分组成。①投影仪和2×1.5 m屏幕：显示VR游戏场景，并将现实中患者的身体运动反馈出来。②立体声环绕系统：模拟现实环境中的听觉刺激。③1×0.5 m测力板2块：每块测力板的中心分别安装一个压力感受器，感知患者的脚在垂直平板方向上施加压力的变化，分析人体压力中心(centre of pressure,COP)的位置和移动情况，COP可以间接代表重心。④两个运动捕捉摄像机：收集三维运动数据。⑤2台计算机和1个操纵台：一台计算机运行FrontEnd软件的D-Flow，一台运行运动捕捉软件的运动捕捉计算机。FrontEnd软件含有平衡功能评定和训练两套应用程序。评定程序类似于平衡测试仪，可以获得的关于患者姿势稳定性和稳定极限的测量数据；训练程序提供VR游戏项目，并在每次训练结束后实时反馈患者的表现情况。训练程序包括6种游戏项目，分别为迷宫圈、城市驾车、二维迷宫、纸飞机、驾船和小径遭遇，分别训练患者的姿势稳定性和稳定极限。本系统受试者不需要穿戴头盔式录相机(head-mounted device,HMD)、数据手套或其他与电脑相连的外围设备。受试者可以通过在现实世界里自由地移动来操纵虚拟环境里的虚拟物体。

表1 两组一般资料比较

1.3 方法

所有患者均进行神经内科常规药物治疗及常规康复训练，包括运动疗法(PT)和作业疗法(OT)，每次45 min，每天2次，每周5 d，共4周。此外，实验组接受基于VR的平衡训练，对照组接受传统平衡训练，每天30 min(3种VR游戏各10 min)，每周5 d，共4周。

1.3.1 基于VR的平衡训练 采用STABLE系统中“小径遭遇”“城市驾车”和“驾船”。

1.3.1.1 小径遭遇 患者脱鞋，面向屏幕站在测力板中间，双脚分开与肩同宽，双上肢前伸与肩同高，Bobath握手。双手背各戴一个能够被摄像机捕捉的球形标记物，在屏幕上显示为两个半透明的球体。VR场景为患者在一条高低起伏、蜿蜒曲折的森林小径上行走，健手带动患手把迎面飞来的虫子和鸟击落。患者需在保持平衡的同时尽可能多地击中虫子和鸟。可以通过增加场景的视觉干扰以及减小球的大小增加游戏难度。游戏难度分为容易、中等、困难3个等级。为防止患者跌倒，研究者站在患者旁边，距离为手能够够到患者。训练过程中允许患者脚有移动，或手扶悬吊架以保持平衡。

1.3.1.2 城市驾车 患者脱鞋，面向屏幕站在测力板中间，双脚分开与肩同宽，两手自然下垂，置于身体两侧。VR场景为患者在城市马路上驾驶汽车前行。马路两旁有模拟的高楼和城市基础设施，有迎面驶来的其他汽车。汽车行驶由患者COP控制，COP前后移动可使虚拟汽车加减速，左右移动使虚拟汽车左右转弯，避让迎面驶来的其他汽车，发生碰撞会导致汽车的速度减为零。要求患者在规定的时间内行驶尽可能远的距离。

1.3.1.3 驾船 患者脱鞋，面向屏幕站在测力板中间，双脚分开与肩同宽，两手自然下垂，置于身体两侧。VR场景为群山环绕的大海，海上有数座岛屿和21个浮标球，患者按照浮标球上方箭头指示的路线在大海中驾船前行。船的行驶由患者COP控制，COP前后移动使虚拟船加减速，左右移动可以使船左右转弯，按规定路线行驶，同时避让浮标球和岛屿。患者需花费最短时间到达终点。

在训练的过程中，治疗师可用言语指导患者上半身尽量保持稳定，学习采取踝关节策略移动COP。游戏的难度也可以根据患者的训练情况进行调整。

1.3.2 传统平衡训练 所有患者的训练均由同一名专业物理治疗师实施。治疗师利用平衡垫、平衡板、训练球或在平行杠内对患者进行训练，依据支撑面积由大到小，稳定性由高到低，质地由硬到软，平衡控制范围由小到大，由睁眼到闭眼，静态平衡-自动态平衡-他动态平衡，由在注意下保持平衡到在不注意下保持平衡的原则，循序渐进地训练平衡功能。治疗师可用触觉、言语指导及姿势镜提供的视觉反馈训练患者姿势控制和重心转移能力[6]。

1.4 评定方法

两组患者在训练前、4周训练结束时进行评定。评定过程中患者不允许使用辅助设备。

1.4.1 Berg平衡量表(Berg Balance Scale,BBS) 包括从坐到站起、无支撑站立、无支撑坐位、转移、闭眼站立、上臂前伸、弯腰拾物、双足交替踏台阶等14项与平衡相关的功能性活动，每项评分0～4分，0分代表无法完成动作，4分代表可正常完成动作，最高分56分。得分越高表明平衡功能越好，得分在40分以下，提示有跌倒的危险。

1.4.2 “起立-行走”计时测试(Timed Up and Go Test，TUGT) 患者在一个有扶手的椅子上(座高约45 cm，扶手高约20 cm)由坐位独立站起，站稳后，按平时走路时的步态行走3 m，转身返回，再转身坐下。用秒表计时，从脊柱离开椅子靠背开始计时，返回到同一位置时结束。共测试3次，中间休息1 min，取平均值。正式测试前，允许患者练习1～2次，以确保患者理解整个测试过程。

1.4.3 STABLE系统评定

1.4.3.1 姿势稳定性测试 该测试评价4种站立条件下患者COP的摆动程度：①睁眼双足站立；②闭眼双足站立；③睁眼足尖对足跟(患足在前，健足在后)站立；④睁眼单足(健足)站立。测量参数包括4种站立姿势下COP偏移距离的标准差(cm)。

1.4.3.2 稳定极限测试 该测试评价患者向各方向主动转移COP的能力，包括包络的稳定极限、前后方向的稳定极限和左右方向的稳定极限3项测试。测量参数包括COP移动轨迹的包络面积(cm2)，COP 8个方向的平均移动距离(cm)，平均反应时间(s)，平均移动速度(cm/s)，平均误差以及COP前、后、左、右方向上的移动距离(cm)。

1.5 统计学分析

采用SPSS 17.0统计软件进行数据分析，各组数据均以(±s)表示。各组数据经K-S正态性检验后，符合正态分布者采用t检验(组间比较采用独立样本t检验，训练前后比较采用配对样本t检验)，非正态分布者采用Wilcoxon秩和检验，计数资料采用χ2检验(Fisher's确切概率法)。显著性水平α=0.05。

2 结果

2.1 BBS和TUGT

训练前两组患者BBS评分、TUGT测量值无显著性差异(P＞0.05)。训练后两组患者BBS评分、TUGT值均较训练前显著改善(P＜0.001)，实验组显著优于对照组(P＜0.001)。见表2～表3。

表2 两组训练前后BBS评分比较

表3 两组训练前后TUGT结果比较(s)

2.2 姿势稳定性

训练前两组患者睁眼双足站立下COP偏移距离的标准差(EO2)、闭眼双足站立下COP偏移距离的标准差(EC2)、睁眼足跟对足尖站立下COP偏移距离的标准差(EOTS)、睁眼单足站立下COP偏移距离的标准差(EO1)均无显著性差异(P＞0.05)。训练后两组患者EO2、EC2、EOTS、EO1均较训练前改善(P＜0.05)，实验组EOTS较对照组改善(P＜0.05)，EO2、EC2、EO1两组间无显著性差异(P＞0.05)，EC2和EO1训练前后差值(训练前-训练后)实验组较对照组更大(P＜0.05)。见表4～表7。

表4 两组训练前后EO2结果比较(cm)

表5 两组训练前后EC2结果比较(cm)

表6 两组训练前后EOTS结果比较(cm)

表7 两组训练前后EO1结果比较(cm)

2.3 稳定极限测试

2.3.1 包络稳定极限 训练前两组患者COP移动轨迹的包络面积、COP 8个方向移动的平均距离、平均反应时间、平均移动速度、平均误差无显著性差异(P＞0.05)。训练后，实验组上述5个指标均较训练前明显改善(P＜0.01)，对照组包络面积、平均距离、平均反应时间较训练前改善(P＜0.05)；实验组包络面积、平均距离、平均反应时间、平均速度与对照组相比有显著性差异(P＜0.05)；平均误差较对照组无显著性差异(P=0.958)，但实验组训练前后差值(训练前-训练后)更大(P＜0.001)。见表8～表12。

表8 两组训练前后包络面积比较(cm2)

表9 两组训练前后8向平均距离结果比较(cm)

表10 两组训练前后反应时间比较(s)

表11 两组训练前后平均速度比较(cm/s)

表12 两组训练前后平均误差比较

2.3.2 前后左右方向的稳定极限 训练前两组患者前、后、左、右向COP移动距离无显著性差异(P＞0.05)。训练后，实验组各方向移动距离均较训练前明显改善(P＜0.01)。对照组前、后、左向移动距离较训练前改善(P＜0.05)，右向移动距离较训练前无显著性差异(P＞0.05)。实验组前、后及右向移动距离与对照组相比有显著性差异(P＜0.05)，左向移动距离与对照组无显著性差异(P=0.103)，但实验组训练前后差值(训练后-训练前)更大(P＜0.01)。见表13～表16。

表13 两组训练前后前向移动距离比较(cm)

表14 两组训练前后后向移动距离比较(cm)

表15 两组训练前后左向移动距离比较(cm)

表16 两组训练前后右向移动距离比较(cm)

3 讨论

脑卒中后患者的运动或感觉通路发生障碍，导致肌张力和肌力异常及运动控制障碍，最终产生平衡功能障碍[7]。随着计算机技术在医学领域中的广泛应用，VR为脑卒中偏瘫患者平衡功能评定和训练提供一种新途径。VR利用计算机专业软硬件和外围设备，形成逼真的三维视、听、触等感觉，使人作为参与者通过适当装置，与虚拟世界进行体验和交流[8]。国外有研究表明，在传统康复训练的基础上增加VR游戏平衡训练，比单独进行传统康复训练能够更有效地改善脑卒中偏瘫患者的动态平衡功能和功能性步行能力，但患者的静态平衡功能并未得到改善[9-11]。

本研究显示，基于VR的平衡训练和传统平衡训练均能减少患者立位下重心摆动，促进本体感觉恢复，提高静态平衡功能，基于VR的平衡训练疗效优于传统平衡训练。

VR的姿势稳定性训练融合了感觉干扰训练和双重任务训练两种元素。Horlings等的研究提示，VR场景是一种视觉干扰，会降低姿势的稳定性[12]。Yen等的研究显示，在本体感觉和视觉输入均不可靠的情况下，增加VR技术的平衡训练能够显著提高前庭觉信息的中枢组织和整合能力，从而提高患者的姿势稳定性[13]。本研究的姿势稳定性训练(小径遭遇)中，当患者的视觉信息受到VR场景的干扰后，患者能够更容易地掌握选择更可靠、更有效的感觉信息参与姿势控制，提高姿势平衡的感觉补偿机制，重新建立偏瘫患者3种感觉在维持姿势稳定性发挥的作用，达到提高静态平衡功能的目的。此外，该项姿势稳定性训练还是一种双重任务训练，患者的注意力需同时分配到姿势维持和完成击落虫子和鸟的任务两个方面；目标物在屏幕中出现的位置是随机的，这意味着该项任务属于不定任务。肖春梅的研究比较了单项平衡训练、固定双重任务(FP)与不定双重任务(VP)训练对老年人平衡功能的训练效果，结果显示FP训练比单项平衡训练能更有效地提高老年人的平衡功能；在FP条件下，受试者对两项任务分配相同的注意力，而在VP条件下，受试者的注意力在两项任务间不停转换，结果显示不定任务训练的效果要优于固定任务[14]。

本研究显示，两种平衡训练均能提高患者的动态平衡功能，表现在BBS、TUGT评分及重心转移的幅度(COP包络面积、移动距离)均较训练前提高，但VR平衡训练同时能提高患者重心转移的灵活性(平均反应时间、平均速度)及重心转移的准确性(平均误差)，而传统平衡训练则不能。

VR的稳定极限训练(驾车与驾船)融合视觉反馈和任务导向两种元素。首先，VR为患者提供实时的视觉反馈，患者从屏幕中汽车、船的移动轨迹可以获知自己COP的移动轨迹。叶阗芬的研究表明，视觉反馈可强化视觉在脑卒中康复过程中的作用，可使患者身体重心的转移及患侧下肢的负重得到一定程度锻炼[15]。增加的视觉信息可以帮助患者获知自身在空间里的定位及运动方向，对身体重心的视觉反馈可以让患者在静态和活动状态下整合躯体感觉和视觉信息[16]。其次，该稳定极限训练还是一种任务导向性训练(task-oriented training,TOT)。TOT根据患者的功能障碍状况，客观地分析影响功能障碍的因素，然后有针对性地改善或改变这些影响因素[17]。“城市驾车”和“驾船”游戏中，都为患者设置了具体的任务和目标。与传统的平衡训练单纯让患者进行重心转移相比，设置任务和目标更能促使患者有针对性地完成动作。TOT中设置具体的任务，操作时涉及感觉输入，大脑对信息的判断和整合，神经对运动的有效支配等，在完成任务过程中，患者不断得到失败和成功的反馈，促使运动模式不断调整，从而形成优化的神经网络和运动程序[18]。Leroux等的研究也表明通过对脑卒中患者进行持续8周的TOT后，其平衡功能较训练前显著改善[19]。

此外，VR康复能够阶梯性地设计出量化的训练计划，即时调整训练难度；能够提供丰富的环境和增加训练的趣味性，使患者的依从性增加，降低对其疲劳的感受。与传统的平衡训练相比，它从多方面、多角度刺激患者，因此对提高脑卒中偏瘫患者的动静态平衡功能有更好的疗效。

[1]Nyberg L,Gustafson Y.Fall prediction index for patients in stroke rehabilitation[J].Stroke,1997,2(8):716-721.

[2]Baker SP,Harvey AH.Fall injuries in the elderly[J].Clin Geriatr Med,1985,1(3):501-512.

[3]Belgen B,Beninato M,Sullivan PE,et al.The association of balance capacity and falls self-efficacy with history of falling in community-dwelling people with chronic stroke[J].Arch Phys Med Rehabil,2006,87(4):554-561.

[4]Gil-Gómez JA,Lloréns R,Alcañiz M,et al.Effectiveness of a Wii balance board-based system(eBaViR)for balance rehabilitation:a pilot randomized clinical trial in patients with acquired brain injury[J].J Neuroeng Rehabil,2011,8:30.

[5]中华神经内科学会.脑卒中患者神经功能缺损程度评分标准(1995)[J].中华神经内科杂志,1996,29(6):381.

[6]纪树荣.运动疗法技术学[M].北京:华夏出版社,2011: 112-123.

[7]张盘德,刘翠华,皮周凯,等.应用平衡功能检测训练系统改善脑卒中患者平衡功能的疗效观察[J].中华物理医学与康复杂志,2005,27(9):530-533.

[8]刘光然.虚拟现实技术[M].北京:清华大学出版社,2011.

[9]Kim JH,Jang SH,Kim CS,et al.Use of virtual reality to enhance balance and ambulation in chronic stroke:A double-blind,randomized controlled study[J].Am J Phys Med Rehabil,2009,88(9):693-701.

[10]Cho KH,Lee KJ,Song CH.Virtual-reality balance training with a video-game system improves dynamic balance in chronic stroke patients[J].Tohoku J Exp Med,2012,228(1):69-74.

[11]Rajaratnam BS,Gui Kaien J,Lee Jialin K,et al.Does the inclusion of virtual reality games within conventional rehabilitation enhance balance retraining after a recent episode of stroke?[J].Rehabil Res Pract,2013,2013:649561.

[12]Horlings CG,Carpenter MG,Küng UM,et al.Influence of virtual reality on postural stability during movements of quiet stance[J].Neurosci Lett,2009,451(3):227-231.

[13]Yen CY,Lin KH,Hu MH,et al.Effects of virtual reality-augmented balance training on sensory organization and attentional demand for postural control in people with Parkinson disease:a randomized controlled trial[J].Phys Ther,2011,91(6): 862-874.

[14]肖春梅.单项任务与双重任务条件下平衡训练提高老年人平衡能力比较研究[J].中国体育科技,2012,48(3):100-103.

[15]叶阗芬.视觉干预康复训练对脑卒中后平衡控制及步行能力的影响[D].苏州:苏州大学,2011.

[16]Yavuzer G,Eser F,Karakus D,et al.The effects of balance training on gait late after stroke:a randomized controlled trial[J].Clin Rehabil,2006,20(11):960-969.

[17]张大威,叶祥明,林坚,等.下肢任务导向性训练对慢性期脑卒中患者步行能力的影响[J].中国康复医学杂志,2011,26(8): 768-770.

[18]郭丽云,田泽丽,王潞萍,等.任务导向性训练结合肌力训练对脑卒中后遗症期偏瘫患者运动功能的影响[J].中国康复医学杂志,2013,28(7):643-644.

[19]Leroux A,Pinet H,Nadeau S.Task-oriented intervention in chronic stroke:changes in clinical and laboratory measures of balance and mobility[J].Am J Phys Med Rehabil,2006,85 (10):820-830.

Effect of Virtual Reality Rehabilitation on Balance Function in Stroke Patients with Hemiplegia

SUN Ran,ZHANG Tong,ZHAO Jun,et al.Capital Medical University School of Rehabilitation Medicine,Department of Neurological Rehabilitation,Beijing Bo'ai Hospital,China Rehabilitation Research Center,Beijing 100068,China

ObjectiveTo compare the effect of virtual reality(VR)based balance training and routine balance training on static and dynamic balance function in stroke patients with hemiplegia.Methods20 stroke patients with hemiplegia were randomly divided into experimental group(n=10)and control group(n=10).Both groups received routine neurology medication and rehabilitation training.The experimental group received balance training based on 3 VR games:City Ride,The Boat and Road Encounter,while the control group received routine balance training.They were assessed with Berg Balance Scale(BBS)and Timed Up and Go Test(TUGT),and their postural stability and limits of stability were measured with STABLE system before and 4 weeks after training.ResultsThe scores of BBS and TUGT improved in both groups after training(P＜0.001),and improved more in the experimental group than in the control group(P＜0.001),as well as some of the parameters of postural stability and limits of stability(P＜0.05).ConclusionBalance training based on VR is more effective than routine balance training on the static and dynamic balance function of stroke patients with hemiplegia.

stroke;hemiplegia;virtual reality;balance function;rehabilitation

10.3969/j.issn.1006-9771.2014.05.016

R743.3

A

1006-9771(2014)05-0458-06

2014-03-25

2014-04-11)

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。