虚拟现实技术在康复治疗中的应用*

付亏杰，孙丽楠，刘云芳，范 飞，王泽熙，姜贵云

（承德医学院附属医院康复医学科，河北承德 067000）

虚拟现实（virtual reality，VR）技术是一门新兴技术，其具有的趣味性强、安全性高、反馈及时等优点可以打破传统康复疗法的局限性，弥补其不足。近年来，脑卒中已成为一种严重危害人类健康的全球性问题，它具有高发病率、高死亡率、高致残率及高复发率等特点。据报道，全世界每年大约有67%的脑卒中生存者遗留不同程度的躯体功能障碍[1]，且近年来我国脑卒中患者的平均发病年龄呈逐渐降低趋势，比美国提早了十余年[2]，其中约1/2的患者存在不同程度的运动功能障碍，不仅严重影响了患者的生活质量，也给家庭和社会带来了沉重的经济负担[3]。目前，将VR技术应用于康复治疗是医学界的一个研究热点之一，比如在记忆障碍、注意障碍、空间忽略、言语障碍等认知功能障碍的康复治疗，焦虑、抑郁、恐惧等情绪障碍和其他精神疾患的康复治疗，以及运动不能、平衡协调性差和舞蹈症等运动障碍的康复治疗等方面都取得了很好的疗效。下面我们就其在康复治疗中的应用简要作一综述。

1 VR概述

1.1 VR技术的概念VR技术是一种利用计算机模拟真实环境，并通过多种传感器设备使使用者“投入”到该环境中，实现使用者与该虚拟环境直接进行自然交互的技术。它是一项综合集成技术，涉及人机交互技术、计算机图形技术、人工智能等，利用计算机生成逼真的三维视觉、听觉、触觉等感觉，使人作为参与者通过适当的装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互。

1.2 VR技术的特点VR技术具有3I特征[4-5]，即沉浸性（Immersion）、交互性（Interactivity）、构想性（Imagination）。沉浸性是指用户在虚拟场景中产生身临其境的感觉，如同在真实世界中一样。交互性指用户与虚拟环境中各种对象之间的相互作用，即用户可以对模拟环境中的物体进行操作，并从该环境中得到反馈。构想性可使用户沉浸于此环境中，并获取新的知识，提高其感知性和理性认识，从而产生新的想象，不仅可再现真实存在的环境，也可以构想客观不存在的环境。

1.3 VR技术的优势VR技术与传统康复治疗相比有很多优势[6-7]：（1）可以根据患者的实际情况提供不同的治疗场景和刺激，进行有针对性的训练，而且同样的场景和任务可以重复进行。（2）VR技术构建的虚拟环境安全性强，可以使患者在安全的环境中进行康复。（3）可以使患者以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互，使枯燥乏味的康复训练变得轻松有趣。（4）可以迅速得到治疗效果的反馈信息，并对治疗数据进行存储，有利于医生及时掌握患者的病情变化，并对治疗方案进行相应的调整。（5）有利于开展远程医疗，为行动不便和医疗资源匮乏地区的患者提供方便。（6）由于虚拟环境与真实环境的相似性很高，故患者在虚拟环境中习得的各项技能可以更好地运用于现实生活中。

2 VR技术在康复治疗中的应用

VR技术用于康复治疗的作用机制主要是重复、反馈和动机三个关键环节[8]。重复是习得一项新技能的前提，但是还必须及时获得反馈，从而维持患者的动机水平，这样才能更好地习得一项新技能。

2.1 VR技术在运动康复中的应用运动障碍是指以运动异常为特征的各种障碍，包括肌阵挛、舞蹈症、斜颈、震颤、张力障碍和运动不能等症状[9]。2008年，卒中康复执行概要循证回顾(Evidence-Based Review of Stroke Rehabilitation Executive Summary，EBRSR)建议使用VR改善脑卒中患者的运动功能障碍，推荐强度为A[10]。目前，应用VR技术改善脑卒中患者的运动功能障碍已成为康复治疗领域研究的热点[11-12]。

2.1.1 平衡和协调训练：许多脑卒中患者存在不同程度的姿态和平衡方面的问题，导致患者容易跌倒而引起严重的并发症，因此，对脑卒中患者进行平衡功能训练是非常有必要的[13]。大量研究表明，VR技术能够明显改善脑卒中患者的平衡功能[14-16]。Singh等[17]选取两个社区康复中心的脑卒中患者作为实验组和对照组，对照组进行2小时的标准物理治疗练习，实验组进行1.5小时的标准物理治疗练习，并增加半个小时的VR平衡游戏作为干预，干预措施每周进行两次，总共训练6周。用Barthel指数评估干预前后的日常生活活动，结果显示6周后实验组Barthel指数评分高于对照组。说明VR平衡游戏有助于改善脑卒中患者的日常生活活动。Ding等[18]设计了一款基于VR技术的下肢平衡康复训练系统，让患者的双脚分别站立在两块平衡板上，通过双脚的力量达到动态地控制压力中心，从而操控虚拟人的运动状态。这种方法迫使患者更多地使用患肢，从而使身体的对称性能得到大幅改善。目前，我国虽有对应用VR技术进行平衡功能训练的研究成果报道[19-20]，但仍处于刚起步阶段，还有待于进一步的探索。

2.1.2 步态及步行训练：脑卒中偏瘫患者常伴有步态异常，通常表现为起步难、步长短、步速慢、步态周期延长等特点[21]。VR技术能够模拟现实环境，给患者提供一种行走于真实世界的感觉。研究表明，VR技术在改善脑卒中患者步态方面有效[22-23]。Shema等[24]回顾分析完成VR步态训练计划的前60名患者的临床记录数据，每周培训3次，每次持续约1小时，共持续5周，试验在VR跑步机上进行。主要测量定时“Up＆Go”测试（TUG）、两分钟步行测试（2MWT）、四方步测试（FSST）。结果显示：训练5周后，完成TUG的时间减少10.3%，2MWT步行距离增加9.5%，FSST性能提高13%。可见VR跑步机训练是一种有效且实用的训练方式，且可用于门诊物理治疗，这种训练导致了步态、机动性和姿势控制的改善。陈佩顺等[25]的实验结果显示，治疗后治疗组左右步长差、步速、FAC分级、下肢FMA评分及MBI均较治疗前有明显改善，差异有统计学意义（P＜0.05），且治疗组与对照组比较，评分优于对照组，有显著性差异（P＜0.01）。

2.1.3 上下肢康复训练：脑卒中偏瘫患者往往由于力量减弱和反馈能力下降，导致难以进行精细的动作，给患者的日常生活带来很多不便。VR是一种新兴的康复训练技术，被认为是改善脑卒中后运动功能障碍的一种“愉悦的”替代方案[26]。国内外已经对该领域进行了大量的研究，并且取得了一定的临床数据。Andrea等[27]招募376名脑卒中患者，这些患者意大利国立卫生研究院卒中量表（It-NIHSS）评分1～3分，并且没有神经心理障碍性问题。患者被分配到两个治疗组，接受联合VR和上肢常规（ULC）治疗或单独使用ULC治疗。治疗方案为每日治疗2小时，每周5天，共4周，结果采用Fugl-Meyer上肢（F-MUE）和功能独立性测量量表（FIM）进行测量。实验结果显示，两种治疗方法均显着改善F-MUE和FIM评分，但VR康复治疗组所获得的改善显着高于单独使用ULC治疗所获得的改善。F-MUE和FIM评分组间最小差异的估计效应大小分别为2.5±0.5（P＜0.001）和3.2±1.2（P=0.007）。可见，卒中后患者的VR康复比传统干预措施在恢复上肢运动障碍和运动相关功能能力方面更有效。国内很多学者也对上下肢康复进行了研究[28-30]。刘青等[31]将40例脑卒中后上肢功能障碍的患者随机分为治疗组和对照组，治疗组给予常规作业训练，并进行VR技术结合综合疗养康复，对照组仅给予常规作业训练，观察两组患者治疗前后运动功能Fugl-Meyer评分、日常生活能力改良Barthel指数、患侧上肢肌力评分的变化情况。结果显示，与治疗前相比，两组患者在治疗10周时Fugl-Meyer评分、改良Barthel指数、患侧上肢肌力评分均高于治疗前(P＜0.05)，且治疗组上述指标均明显高于对照组(P＜0.05)。可见，VR技术结合综合疗养康复可以显著改善脑卒中后上肢功能障碍患者的上肢运动功能、日常生活能力和上肢肌力，值得临床推广应用。

2.2 VR在认知康复中的应用认知（cognition）是指人在对客观事物的认识过程中对感觉输入信息的获取、编码、操作、提取和使用的过程，这个过程需要记忆、思维、注意、感觉、言语以及执行的参与，上述任何一个环节出现问题都会导致认知功能障碍[32]。认知障碍不仅会严重影响患者的日常生活，而且也会影响患者躯体功能的恢复，因此成了医学界面临的重要课题。将VR技术应用于认知障碍的康复，不仅可以在安全有趣的环境中进行治疗，而且可以及时地得到治疗反馈信息，表现出传统康复疗法所无法比拟的优势。Larson等[33]选取急性住院康复期的TBI患者（n=18，19～73岁），要求他们连续两天在虚拟环境中完成3D删除训练，此环境可以最大限度地减少分心，并集成了视觉和触觉刺激。研究显示，使用虚拟环境进行注意训练具有良好的耐受性和吸引力，对严重的TBI患者非常有益。Faria等[34]的实验结果也显示，基于VR技术的认知康复较传统康复治疗效果好，尤其在注意力、记忆力和视空间能力方面更显著。Caglio等[35]利用虚拟航行游戏进行训练，结果显示，此训练可以改善脑损伤患者的记忆障碍。

2.3 VR在远程康复中的应用目前，我国经济发展很不均衡，各个地区的医疗设施和医疗水平存在很大的差距，康复医疗机构主要集中在大中城市，许多中小城市和偏远地区缺乏必要的康复服务，给广大群众带来了诸多不便。将VR技术与现代网络通讯技术结合，可以将一流的医疗资源传送到较落后的地区，为康复医学的发展带来革命性的变化。Johnson等[36]利用网络通讯技术使脑卒中患者可以在家中进行康复训练。黄鹏等[37]设计了一套远程监测系统，指导全膝关节置换术(total knee arthroplasty，TKA)后患者在家进行屈膝和行走训练，该系统实现了TKA术后屈膝和行走训练的准确识别，为术后居家康复训练的远程监控和指导提供了有效方法。高修明等[38]通过网络视频互动的远程康复模式对脑卒中偏瘫出院患者进行康复，其运动功能恢复及日常活动能力均有明显改善。可见，VR技术有利于提高落后地区的医疗水平，优化医疗资源分配，推动我国社区康复的建设进程。

2.4 VR在日常生活行为康复训练中的应用VR技术与传统康复相比，可以模拟真实生活场景、提供日常生活技能训练。Lee等[39]和Tam等[40]开发的虚拟超市购物程序，均可提高患者按照购物清单采购商品的能力。Marco等[41]提出一种能够结合机器人辅助支持ADL的康复训练系统，让训练者在虚拟环境中跟着计算机程序学习诸如烹饪、倒茶、打扫、购物等日常生活行为，不仅可以保证训练方式的一致性，还能降低错误操作导致的危险。

3 总结与展望

VR技术在康复治疗方面的应用已取得了很大的进步，打破了传统训练方式的诸多局限，节省大量的人力、物力和财力，然而，目前还是存在着一些问题。比如：VR康复训练系统大多是针对某类障碍设计的，但由于患者个体因素的差异，同样的病可能需要不同的虚拟环境和训练方式；VR康复系统的建设还处在刚刚起步阶段，虚拟设备生产成本较高，难以实现大规模使用；国内的虚拟设备大多数都是模仿外国制造，很难做到真正适合中国人使用；系统受试者样本数量较少，缺乏全面的临床对照研究，很难准确评估其有效性；对认知障碍康复方面的研究还比较少等。但是我们相信，随着众多学者的不懈努力和积极探索，VR技术必将日臻成熟，并在康复治疗中发挥越来越重要的作用。

目前，VR技术在康复治疗方面如运动康复、认知康复、远程康复、日常生活行为康复等已取得一定的临床数据，但仍缺乏大样本、多中心、高质量的随机对照临床试验研究，在今后的工作中应尽量弥补此项不足。为了使VR技术更好地运用于康复治疗领域，更好地服务于人类社会，我们的研究重点应该放在设计针对脑卒中后各种障碍更加智能化的VR诊疗系统，同时配备简单、轻便的硬件系统和生动形象的3D动画角色，从而让VR技术更加普及和适合国人。