虚拟现实技术在脑卒中患者步态康复中的应用进展①

麦王向，张朝霞

·综述·

虚拟现实技术在脑卒中患者步态康复中的应用进展①

麦王向，张朝霞

虚拟现实技术是一种通过计算机产生的对真实世界的模拟技术，具有沉浸性、交互性和构想性3个特点，是目前研究应用于脑卒中后步态康复的新方法。本文介绍了虚拟现实技术的特点及其在脑卒中康复中的应用，并系统回顾了近年来国外有关虚拟现实技术在脑卒中步态康复应用的最新研究进展，主要包括虚拟现实技术的优势，应用于步态康复虚拟现实设备，以及其治疗效果。

虚拟现实；脑卒中；步态；康复；综述

［本文著录格式］麦王向，张朝霞.虚拟现实技术在脑卒中患者步态康复中的应用进展［J］.中国康复理论与实践，2016，22（4）：433-437.

CITED AS：Mai WX，Zhang ZX.Application of virtual reality in gait rehabilitation for stroke（review）［J］.Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian，2016，22（4）：433-437.

脑卒中是导致永久残疾的主要原因之一，它成为患者及其家属的重要负担。脑卒中患者在瘫痪侧的感觉、肌力、肌张力及姿势控制方面的缺陷，通常影响日常生活中的活动。步行障碍被认为是脑卒中后偏瘫患者最严重的残疾。步态的恢复是脑卒中后康复的主要目标［1］。步行能力的康复通常在脑卒中后的12周内完成。然而，步行功能的康复通常是不完全的，患者通常在出院回社区时仍遗留以不对称性模式及慢速度为特征的步态障碍。鉴于遗留的障碍，他们会因为安全的原因而限制自身的活动，因而不能完成在社区的步行。步行功能的恢复对患者脑卒中后日常生活活动能力的提高有重大意义。步行功能的恢复是目前康复研究的重点［2］。现将虚拟现实（virtual reality）技术在脑卒中患者步态康复中的研究进展进行综述。

1　简介

1.1概念

虚拟现实技术的应用开始于20世纪60年代，是一种跨学科的综合技术。它汇集了计算机图形学、多媒体技术、显示技术、人工智能、人机交互技术、传感器技术等多个领域的技术。虚拟现实技术是一种通过计算机产生的对真实世界模拟的技术，用户可以通过人机界面来与这个虚拟环境进行交互［3］。虚拟现实的目标是创造一种身临其境的感觉，通过这种感觉，用户可以投入及沉浸于虚拟的环境。虚拟现实系统的基本组成部分是：一部计算机、渲染虚拟环境的软件、进入虚拟世界的输入设备及协调所有元素的软件［4］。虚拟现实系统的3个特点是沉浸（immersion）、交互（interaction）和构想（imagination）。沉浸感是指用户能够作为主角投入到计算机产生的虚拟环境中，有身临其境的感觉。交互性是指用户对虚拟场景中对象的可操作性及用户从虚拟环境中得到反馈的自然程度。构想性是指虚拟现实技术能让用户从中取得新的知识，可以让其拓展认知的范围，进而能够萌生新的想象。

2　在步态康复中的应用

2.1在步态康复中的优势

虚拟现实技术可以模拟各种各样的真实环境，可以给患者提供行走在真实世界中的感觉，患者在室内行走的同时，可以有行走于城市街道、穿越公园或逛杂货店的体验。在这个虚拟世界中有目标、鼓励及成就感［17］，从而激励患者更好地进行真实感强、复杂性高的训练。

虚拟现实可以通过计算机模拟真实三维环境下的特定场景或情景，例如街道或商店，通过虚拟环境减少实验环境与真实环境的差异。同时可以让患者在康复过程中忽略肢体功能的障碍而进行无拘束的交互，使患者更容易接受及适应。

虽然康复治疗致力于在康复过程中的神经重塑过程，但是传统的步态康复方法并没完全达到这个目的。相反，有丰富的训练任务，模拟出一系列虚拟场景的虚拟现实系统，可以提供有意义、重复的练习，从而通过运动学习及运动康复可以使神经重塑达到最大的程度［18］。

虚拟现实技术易于收集数据，可以对患者的训练提供即时的反馈，实现设备和患者的互动，治疗师可以针对个人的情况选择最合适的运动模式，包括持续时间、强度及反馈。

2.2设备

应用于步态康复的虚拟现实设备通常由硬件、软件及患者和虚拟环境的连接组成［19］。好的硬件可以产生触觉反馈，例如鞋子的震动，当需要通过踏步清除在虚拟环境中的障碍物被接触时，产生鞋子的震动；当脚接触一个目标或在暴风雨环境中航行时与湍流撞击时，脚被往回推的感觉；或者是在扶梯上走上走下时感觉整个身体的运动。声音及触觉可以增加虚拟环境的真实感［20］。多数系统由任务型的软件组成虚拟环境，需要用户在不同的场景上行走，例如公园、街道或室内环境。有研究使用步行相关的活动，例如侧步走；或者与步行无关的活动，例如划船或开飞机。虚拟环境可以由头盔显示器产生，用户佩戴一个类似护目镜的设备，在用户的眼前产生虚拟环境；也可由台式电脑显示器、大型投影屏幕或电视产生［21］。用户与虚拟环境的交互通过数据手套、控制杆、跑步机或传感器来完成。这些设备能探测用户的运动，然后让它跟虚拟环境中的物体或角色的行为相连。主要的与环境的交互通过在踏步车上行走，使头、足或踏步车的运动与虚拟环境相联系。有一种特殊的运动捕捉系统，可以通过镜像和下肢机器人接口来获得身体位置，进而与虚拟环境联系［22］。

2.2.1虚拟现实罗格斯踝关节康复系统

虚拟现实罗格斯踝关节康复系统是有6个自由度的斯图尔特平台力反馈康复系统［23］。这一系统由显示器、传感器、计算机及控制器组成。患者通过在虚拟环境中飞行训练下肢运动，患者通过踝关节的运动而操控虚拟环境中的飞机，以躲避各处出现的障碍物。设备可以减轻患肢运动时的负重，从而使患者更易于适应训练。患者踝关节运动的位置和方位由踝关节上的传感器感知，其将踝关节运动信号传递给计算机，通过患者踝关节的运动而控制虚拟环境中物体的运动。系统中有力反馈装置，它可以根据患者训练时的用力情况提供相应的阻力或动力，协助患者更好地完成康复训练。

2.2.2步态的主被动虚拟康复训练系统

目前单一的下肢机器人康复训练系统只能对受损神经进行主动或者被动的刺激，根据大脑神经可塑性理论，信息传递形成封闭的回路可以对患者受损神经进行主动和被动的协同刺激，从而促进神经的重塑。郭晓辉等开发了步态的主被动虚拟康复训练系统，可实现患者主动及被动的协同刺激［24］。该系统由虚拟现实系统联合XYKXZFK-9型卧式下肢反馈训练系统组成。虚拟现实系统给患者提供城市生活街道的虚拟场景，患者在虚拟环境中进行行走、与人交谈等动作，通过传感器实时反馈患者的运动信息。下肢反馈训练系统可以给患者提供主动和被动运动的模式。在主动模式下，患者主动带动康复床运动，从而在虚拟环境下运动。在被动模式下下肢反馈系统会驱动患者患侧肢体的重复运动，同时在虚拟环境下刺激患者主动参与的兴趣。通过这个系统的训练，能在患者康复的过程中形成信息传递的封闭回路，从而完成对受损神经的主动被动协同刺激，能促进神经的重塑，以实现患者步态的康复。

2.2.3虚拟现实运动平板训练系统

Walker等开发了一种把虚拟现实技术和减重平板步行训练相结合的虚拟现实减重平板训练系统［25］。该系统由减重平板、大屏幕电视、计算机和传感器组成。减重平板提供重力补偿，预防患者跌倒，可以承载163 kg体质量。大屏幕电视安装在平板的前面以展示虚拟环境。有3个自由度的惯性定位追踪装置位于患者头上的棒球帽上。追踪装置可以监测患者是否维持正确姿势，并进行实时反馈。虚拟环境为城市街道，患者在街道中行走，街道中还有其他行人、车辆和建筑。该虚拟环境中还有一个头像作为患者的同伴，与患者交流，给予鼓励或祝贺的语言。当患者姿势不正确时，会有听觉反馈，提示患者纠正姿势。治疗师可以及时发现患者步态的异常，并给予纠正，更好地促进患者步态的康复。

Katsavelis等在步行机训练中增加视觉引导，患者在虚拟走廊中行走，视觉的行走速度可以进行改变，增加了步态变化的复杂性，可以增加受试者可获得的自由度［26］。Sloot等研发的虚拟现实步行机系统中，患者在虚拟的简单的无尽头的道路中行走，可以根据自己的喜好而调节步行机步行的速度，从而在虚拟环境中实现更真实的行走条件，增加步行的可变性及步态康复的可能性［27］。Paolini等把微软的三维体感摄影机Kinect与虚拟现实运动平板系统相结合，可以在步态训练时实时追踪足部位置与方向，而不需要在脚上佩戴传感器。研究证实这种方法可以有效地用于在虚拟现实及基于运动平板的步行训练系统中追踪脚步运动［28］。

2.2.4步态的虚拟现实姿势控制系统

脑卒中后常遗留姿势控制的问题，它会影响步态的康复及日常生活能力的提高［29］。姿势控制的康复是促进步态康复的重要组成部分。之前有研究表明，脑卒中患者步行能力的进步可以通过4周的基于虚拟现实的姿势控制训练来实现。Park等应用基于虚拟现实的姿势控制系统对患者进行康复训练。此系统可以让患者通过观看他们实时运动的视觉反馈来进行姿势控制。它由视觉反馈程序及头盔显示器组成，患者通过头盔显示器的输出，可以观看到他们的实时动作，从而可以及时调整姿势。同时电脑端会记录患者的姿势数据，供康复治疗师分析。研究证实脑卒中后遗症患者接受基于虚拟现实的姿势控制训练可以更好地提高步态能力。用实时信息的虚拟现实姿势控制训练，是增加脑卒中后遗症患者步态控制的有效方法［30］。

2.3在步态康复中的效果

脑卒中偏瘫患者的步行功能障碍，常表现为左右步长不对称，步行速度缓慢，步长、步频的减少。目前研究证实，虚拟现实技术在脑卒中患者步态康复中的应用有效［31］。

有研究表明，虚拟现实机器人系统对患者步行速度、爬楼梯能力和步行距离、步态对称性都有改善［32-33］。Mirelman等进行单盲随机对照试验，18例脑卒中患者随机分为虚拟现实组和对照组，虚拟现实组给予虚拟现实机器人训练系统训练，对照组给予传统的机器人步态训练，经过4周治疗后，虚拟现实组患者的步行速度及距离较对照组有明显的改善，这种改善可持续至训练结束后3个月［34］。赵雅宁等应用虚拟现实技术联合康复训练机器人对脑梗死偏瘫急性期（病程＜1个月）患者进行步态训练，患者FMA下肢运动功能评分高于常规治疗联合康复训练机器人组［35］。

近年来，虚拟现实技术与运动平板系统的联合应用在脑卒中后患者步态康复中取得较好的效果。研究表明脑卒中后偏瘫患者经过虚拟现实运动平板系统训练可以增加步态速度及改善感觉缺陷。Walker等应用虚拟现实减重平板训练系统对脑卒中患者进行步行训练，结果显示，治疗后患者的步行速度及功能性步态评价（Functional GaitAssessment，FGA）均较前提高。Shema等应用虚拟现实的运动平板训练系统对患者进行训练，患者在运动平板行走的同时躲避虚拟障碍物，通过5周的训练，患者的2 min步行测试提高9.5%，四方步测试（Four Square Step Test，FSST）提高13%，移动性及姿势控制都有明显提高［36］。陈佩顺等对80例脑卒中患者（病程15 d～6个月）进行随机对照试验显示，患者接受4周的治疗后，在传统康复治疗的基础上接受增加有虚拟现实技术结合运动平板训练的40例患者，较仅接受传统康复治疗的患者，其偏瘫下肢的运动功能、步行功能和日常生活活动能力均较对照组有明显的改善［37］。肖湘等研究证实虚拟现实同步减重训练可改善脑卒中患者的步行速度和单腿支撑时间不对称性，还可改善步长不对称性和患侧髋关节最大后伸角度［38］。

3　展望

虚拟现实技术的出现和发展，为脑卒中患者的步态康复提供了全新的治疗手段。它可以增加患者治疗的积极性，根据患者的训练情况提供实时的反馈，可根据患者的个人条件制定训练任务，有着传统的康复方法难以比拟的优势。但是目前对于虚拟现实在步态康复中的研究还有很多需要解决的问题，虚拟现实技术患者入选条件、训练的时间及强度、选择何种虚拟现实模式等，都需要进一步的研究。虚拟现实步态康复训练对患者脑功能重组的影响机制，也需要进一步采用分子生物学、生理学等方法进行探讨。患者康复的长期疗效也需要进一步证实。虚拟现实步态康复技术的设备较昂贵，较难在临床上广泛推广使用。研制出费用较低，体积小巧的虚拟现实步态康复系统，让患者可以进行社区甚至家庭康复也是今后研究的方向。相信随着科技发展，基于虚拟现实的步态康复训练系统会更进一步完善，并且在脑卒中患者的康复治疗过程中得到广泛的应用。

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

MAI Wang-xiang，ZHANG Zhao-xia
Department of Neurological Rehabilitation，Haizhu District Hospital of Traditional Chinese Medicine in Guangzhou，Guangzhou，Guangdong 510220，China
Correspondence to MAI Wang-xiang.E-mail：maiwx1985@126.com

Virtual reality is a technology to simulate the real world by computer，with 3 characteristics of immersion，interaction and imagination.It is a new method applied to gait rehabilitation after stroke.This article briefly introduced the characteristics of virtual reality，and the value for rehabilitation in stroke patients.The recent development of the studies on virtual reality in gait rehabilitation for stroke was summarized，mainly included the advantages of virtual reality technology，virtual reality hardware devices applied to the gait rehabilitation，and its therapeutic effect.

virtual reality；stroke；gait；rehabilitation；review

10.3969/j.issn.1006-9771.2016.04.013

R743.3

A

1006-9771（2016）04-0433-05

广州市海珠区中医医院康复科，广东广州市510220。

麦王向（1985-），男，汉族，广东湛江市人，硕士研究生，主要研究方向：神经康复。E-mail：maiwx1985@126.com。

1.2在脑卒中康复中的应用

随着虚拟现实技术的不断发展，软件及硬件的逐步完善，其越来越多地应用于医疗事业中。虚拟现实技术被引入脑卒中患者的评估及康复治疗，开创了康复医学治疗的一个新时代。与传统的康复方法相比，虚拟现实技术具有可以创造更真实的场景、可提供特定任务的重复训练、有更强的参与感等优点［5-6］。虚拟现实在脑卒中康复中的应用主要包括脑卒中患者步态、上肢运动功能、平衡功能及认知功能的康复治疗［7］。

1.2.1上肢运动功能障碍

在获得性脑损伤导致上肢运动功能障碍患者中，康复的主要目的是特定运动技能和日常任务的再学习［8］。这一点至关重要，因为上肢运动功能障碍通常导致生活质量的下降。Shin开发出基于虚拟现实的RehabMaster系统，该系统可以进行任务特异性的交互游戏，提高患者的注意力及沉浸感［9］。Shin等用此系统对脑卒中患者进行上肢功能训练，每天30 min，连续2周，发现训练后患者的Fugl-Meyer评分（Fugl-Meyer Assessment，FMA）及改良Barthel指数（modified Barther Index，MBI）评分均有显著提高。Camilo等开发出一个虚拟现实本体感觉康复系统，可以在上肢运动训练中阻断视觉反馈，让受试者仅依赖本体感觉反馈。Cho等通过随机对照研究证实脑卒中上肢运动功能障碍患者进行本体感觉康复的有效性和可行性［10］。

1.2.2平衡功能障碍

跌倒是脑卒中后的一个重要并发症，因此平衡功能训练对脑卒中患者是必要的［11］。Lloréns等将虚拟现实技术与传统康复疗法相结合，将20例慢性脑卒中患者随机分为实验组和常规组，以Berg平衡量表（Berg Balance Scale，BBS）及Tinetti平衡与步态量表（Performance Oriented Mobility Assessment，POMA）评分评估患者的平衡功能，结果提示虚拟现实联合传统康复疗法可显著提高脑卒中患者的平衡功能［12］。Lloréns等应用基于虚拟现实的平衡康复系统BioTrak对急性脑损伤患者进行康复治疗，结果提示患者治疗后的BBS及POMA评分均较治疗前显著提高，而且这种效果可以持续至治疗后1个月［13］。

1.2.3认知功能障碍

脑卒中后认知功能障碍是影响患者独立功能的一个重要因素［14］。严重认知功能障碍降低急性期患者参加密集康复训练的能力和动力，并影响其恢复运动技能的能力。最近，三维虚拟现实系统开始应用于认知功能的康复［15］。Kim等用三维虚拟现实系统对脑卒中患者进行认知功能训练；28例患者随机分为虚拟现实组和对照组，虚拟现实组给予虚拟现实训练及基于计算机的认知功能训练，对照组给予基于计算机的认知功能训练，经过4周的训练，虚拟现实组与对照组相比，其视觉连续作业测试有更明显的提高［16］。

（2015-12-09

2016-01-22）