虚拟现实技术在预防老年跌倒中的应用研究

陈美玲，潘志庚，宋建文，安 辉，汤庆丰

(1.杭州师范大学 医学院，浙江 杭州 311121；2.浙江中医药大学 人文与管理学院，浙江 杭州 310053；3.中国美术学院 文创设计制造业协同创新中心，浙江 杭州 310024)

跌倒是指突发的、不自主的、非故意的体位改变，倒在地上或更低的平面上。根据2014年全国疾病监测系统死因监测结果显示，≥65岁老年人跌倒死亡率为50.02/10万，因跌倒死亡是该年龄人群因伤害致死的第一位死因。另据国外研究数据显示，在≥65岁的老年人中，每年有1/3的老年人有过跌倒经历，在≥85岁的老年人中，跌倒比例达到了1/2[1]。意外跌倒和跌倒损伤的概率会随着年龄的增加而增加，它会导致死亡、残疾、生活质量下降、个人及社会医疗支出增加等问题。老年人群跌倒的高发生率、高疾病负担和可预防性特点使得开展其预防和干预工作显得尤为重要和必要。

跌倒预防已成为一个迫切需要解决的公共卫生挑战[2]。随着科技的发展，一些新兴的技术开始用于老年康复领域，其中以虚拟现实技术最为典型。虽然虚拟现实(virtual reality,VR)技术早在上世纪80年代就开始应用于娱乐应用，但是直到90年代才开始用于康复领域。VR技术通过提供精确的测评、辅助、监督、训练等手段，保证了运动康复训练的趣味性和有效性、患者参与康复训练的积极性和主动性，克服了传统运动训练的局限。本文就虚拟现实技术在老年跌倒预防中的应用综述如下。

1 概述

1.1 虚拟现实技术 虚拟现实是指采用以计算机为核心的现代高科技手段生成的逼真的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等一体化的虚拟环境，用户借助一些特殊的输入输出设备，采用自然的方式与虚拟世界的物体进行交互、相互影响，从而产生亲临真实环境的感觉和体验。虚拟现实技术具有以下特点，即想象性(imagination)、交互性(interactivity)和沉浸性(immersion)[3]。想象性是指通过虚拟现实技术可以将人类的想象力和创造思维最大程度地显现出来。交互性是指参与模拟者可以通过模拟设备实现人与虚拟世界之间的完整交流互动。沉浸性是指通过模拟，可以让参与者有更好的投入感，能够全身心的投入到虚拟的环境当中。VR技术在沉浸水平上可分为三类：沉浸式、非沉浸式和半沉浸式[4]。常见的沉浸式输出设备有外接式头戴显示器、一体式头戴显示器、头戴手机盒子等，输入设备有游戏手柄、动作捕捉设备、手势识别设备、跑步机、方向盘等。

1.2 老年人跌倒

1.2.1 危险因素 老年人跌倒的主要危险因素包括生理因素、病理因素、心理因素、药物因素、环境因素等。生理因素中可以改变的主要危险因素有肌力下降、步态障碍、平衡能力下降、认知缺陷等。①肌力，尤其是下肢肌力的下降是引起老年人跌倒具有临床与统计学意义的最重要也是最直接的危险因素[5]，有研究显示下肢虚弱的老年人跌倒危险性可增加5倍。②步态障碍。15%～20%的社区老年人有平衡和步态障碍问题。特别是步速慢的老年人，跌倒的几率会显著升高。③平衡能力与跌倒有密切关系，老年人进行平衡能力评测可以有效预防跌倒风险。④绝大多数研究认为认知缺陷是跌倒的一个危险因素，其中的短时记忆能力最能反映认知与跌倒之间的关系，对于>75岁经常跌倒的老年人来说是个独立的危险因素。除上述因素外，还有相关疾病、感觉系统受损、维生素D缺乏、混杂用药、近期跌倒史、环境因素等都是老年跌倒的危险因素。

1.2.2 干预方法 国内外学者多采用功能性评估量表、简易平衡及移动能力的测评对跌倒风险进行评价，如计时起立行走测试(TUGT)、Berg平衡量表(BBS)、跌倒功效量表(FES)、特异性活动平衡自信量表(ABC)、Tinetti平衡与步态量表(Tinetti POMA)、活动步态指数(DGI)、四方步测试(FSST)、功能性步态评价(FGA)等。根据已有研究显示，传统的运动，如伸展、力量训练、平衡运动和跑步机训练、太极拳等，可以降低老年的跌倒风险。2017年中国康复医学会老年康复专业委员会专家共识组、上海市康复医学会专家共识组发布了《预防老年人跌倒康复综合干预专家共识》，共识指出预防老年跌倒的主要手段包括认知训练、肌力训练、平衡、步态功能训练、运动锻炼、维生素D的补充、药物的合理应用、改善居住环境等[6]。2018年美国预防医学工作组(USPSTF) 对2012年USPSTF预防社区老年人跌倒建议进行了更新，发布了关于社区老年人跌倒的预防措施建议，USPSTF建议对≥65岁的社区老年人进行运动干预以预防跌倒(B级推荐)，同时也强调了多因素干预[7]。

2 VR技术用于预防老年跌倒的主要领域

2.1 降低老年跌倒风险的运动训练 肌力下降与老年人耐力差，身体不活动，步态过缓和行动不足有关，下肢肌肉无力会使老年人跌倒的概率增加2～3倍[8]。世界卫生组织建议65岁以上的老年人每周应该进行150分钟中等强度或75分钟高等强度的体力活动[9]。Liao等[10]通过随机对照实验得出，基于VR技术的健身游戏和与传统的运动训练在增强患有帕金森病的老年人的肌肉力量、感觉统合能力和行走能力具有同样的效果。在Hasselmann等[11]的研究中，跟传统运动训练组相比，VR训练组显著改善髋关节肌力和平衡控制。

基于VR的运动干预手段主要有：行走训练、平衡训练、有氧训练、平衡加有氧训练[2]。Mirelman[12]设计了用于降低老年跌倒风险的跑步机VR训练系统。VR系统包括运动捕捉摄像机和计算机仿真投影，虚拟场景是专门为降低老年人跌倒风险而设计的，内容是日常生活中的各种障碍物，老年人需要不断调整步伐才可躲避干扰物。干预主要通过调节虚拟障碍物的尺寸和出现的频率、跑步机的速度、训练持续的时间等实现，参与者行走时戴安全带防止在训练中跌倒。

老年跌倒预防运动干预的VR装置主要有手持式惯性传感设备(如Wii)、带有压力传感器的平衡板(如Wii Fit)、摄像机运动捕捉系统(如Kinect)等。①Wii是日本任天堂公司 2006年推出的家用游戏主机，已经被一些医生用于损伤的辅助治疗，但是直接使用Wii游戏用于康复训练会存在难度过高、缺乏对任务定制、分级和定量测量的问题[13]。②Wii Fit能够检测使用者产生的压力，从而得到重量、平衡状态等各方面数据，通过无线方式与Wii主机进行通信。③Kinect不需要使用任何控制器，它依靠相机捕捉三维空间中玩家的运动，由于它不需要传统的游戏手柄，所以可能更适合老年人。Wii是早期用于VR运动训练的最常见设备，现在的VR系统用的比较多的装置是Wii Fit和Kinect。

图1 基于Kinect的VR训练系统体系结构图

图1为基于Kinect的VR训练系统的体系结构图。体系结构主要分为硬件设备、开发接口、应用程序三个层次。Wiemeyer等[14]指出针对老年人开发的健身游戏需要注意选择适合老年人的游戏、选择合适的装置、设计合适的游戏强度等问题。Webster[15]指出kinect设备在老年人群中的应用主要在跌倒监测、跌倒风险降低和疾病的康复训练。商业化的健身游戏具有低成本、易扩散等特点，很适合应用于个人居家环境中。

2.2 老年跌倒恐惧症治疗 害怕跌倒(fear of falling，FOF)，也称恐惧跌倒症，是指在进行某些活动时为了避免跌倒而出现的自我效能或信心降低[16]。跌倒恐惧症在老年人中非常的常见，普通老年人的患病率为24%～55%，在有跌倒史的老年人中，患病率提高至24%～92%。FOF会引起老年人日后跌倒、活动受限及躯体功能下降、焦虑和抑郁、生活质量降低等[17]。根据Jung等[18]的Meta分析，FOF的传统干预方法主要通过运动训练、髋部保护装置、联合干预等。这些干预方法主要侧重于对跌倒恐惧的平衡维度，而不考虑心理维度。Levy等[17]认为害怕跌倒是一种焦虑症，应该进行认知行为治疗。多项实验已表明虚拟现实暴露疗法(reality exposure therapy，VRET)是一种治疗各种心理障碍如陌生环境恐怖症、体像障碍、飞行恐惧症，特别是治疗战斗有关的创伤后应激障碍有用的治疗工具，VRET在老年群体中的应用首先要解决的评估这些技术在老年群体中的可行性和耐受性[19]。

Marivan等[20]在2015年首次评估了老年人跌倒后心理康复VR训练系统的可行性和可接受性，他们在专业的心理学家和精神治疗师指导下设计了用于跌倒恐惧症治疗的VR场景。在该场景中，两边的墙壁会不断往后退，前面没有尽头，老年人需要通过操纵杆控制虚拟人平稳地走过长长的走廊。受试者对该VR系统给出了积极的反应，VR系统的易操作性、真实性、有用性受到了认可，但是该研究并未对VR技术用于跌倒后应激障碍的心理治疗效果展开讨论。Levy 等[17]通过实验评估了融合严肃游戏和VR技术的VR暴露疗法在治疗跌倒恐惧症的有效性。有跌倒恐惧症的老年人被随机分成实验组和对照组，实验组进行了为期12周的VR暴露治疗，对照组采用传统的干预方法。结果表明实验组的FFM(害怕跌倒测量表)得分明显低于对照组，但是该研究总样本量比较少(16人)，同时没有解释其潜在机制。

3 VR技术预防老年跌倒的工作机制和优势

3.1 工作机制 VR技术用于预防老年跌倒的工作机制与用于康复治疗的工作机制类似，主要包含重复、反馈和动机3个关键环节[21]。重复是学会一项运动最基本的素质，但是仅仅重复的动作是不够的，还必须获得成功的反馈和体验。视觉和本体感觉给予的反馈可以很好地强化练习者的正确行为，维持练习者的行动水平和积极性，并且可以得到很好的成功情绪体验，使其不断地练习最终掌握。

3.2 优势 虚拟现实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，与传统运动训练相比，具体独特的优势。首先，沉浸感提高了运动训练的趣味性和安全性。传统康复机构的运动训练受到时间、空间、人力和费用等方面的限制，而虚拟现实可以不受时空的限制并且可以提供很强的沉浸感，常用于一些复杂的、高风险的、高成本的任务训练[22]。基于VR技术的健身游戏不仅可以实现传统运动训练的效果或者更好的效果，还增加了整个康复过程的趣味性和安全性，在虚拟环境中老人在运动中由于失误造成的自身危险性大大降低。

其次，及时的反馈和监督增加了参与者的依从性。监督和反馈在康复运动过程中非常重要，它会直接影响康复的效果。Pompeu等[23]指出，很多慢性病的物理治疗指南建议物理康复应该长期进行，但是因为重复性的物理训练是很乏味的，这可能会影响病人对治疗的依从性，因此VR训练可以成为一个很好的替代。VR技术的反馈即包括训练时的实时反馈也包括训练后的成绩反馈，这两种形式的反馈有利于提高老年人对结果的知晓感。Hasselmann等[11]比较了在无监督的状态下，康复机构的老年人传统运动练习与VR技术的健身游戏在运动量平衡能力提高的差异，结论是健身游戏练习能够以形式多样的反馈不断激发并维持老年人重复练习的动机，进而增加了训练量、提高了平衡能力，它跟传统的自主练习相比，拥有更大的优势。

再次，多重因素干预提高了老年跌倒预防的有效性。传统的运动疗法多为单因素干预，而虚拟现实疗法可以进行运动和认知等多因素的干预，多重因素干预提高了老年跌倒预防的有效性。Mirelman等[12]采用随机对照试验在五个国家的五个临床中心进行研究发现，与仅跑步机训练相比，同时改善机体运动和认知障碍的非沉浸式虚拟现实(VR)联合跑步机训练身体跌倒的发生几率更低。该研究将五个临床中心的302名前6个月内跌倒≥2次的60～90岁高风险的老年人随机分配为跑步机训练加VR组和跑步机训练组，两组患者均进行为期6周、每周3次、每次45分钟的训练。训练前，两组的跌倒事件发生率相似。训练6个月后，跑步机训练加VR组患者的跌倒发生率明显低于训练前，而仅跑步机训练组改善不明显[12]。

4 存在问题与展望

4.1 现有研究普遍存在方法学问题 虽然虚拟现实技术用于老年跌倒预防的可行性、有效性已经得到初步的证实，但是现有研究还是存在比较大的方法学问题。文中所列的相关文献中，纳入的样本量最大的有302人[12]，样本量最小的只有8人[20]，样本量过低、质量不高是一个共性的问题。真正满足随机对照试验(RCT)这个国际上公认为临床防治性研究方法的金标准的文章非常少，其效果的推广存在一定的局限；大多数的研究对象是有障碍或疾病的老年人，纯粹关注健康老人的研究很少[24]；在VR干预方案的设计上理论依据不足，干预的时间设置比较随意，干预时间长的有12周[17]，短的仅有10天[20]，缺乏规范化、系统化的跌倒预防的锻炼措施，锻炼的时间、频率与强度没有规范化的标准。未来的研究很有必要进行高质量的实验，以充分显示各组间跌倒率的差异、跌倒预防的效果、干预措施的成本效益等问题。

4.2 VR系统的适老化设计研究不足 老年人对于VR系统的使用跟年轻人相比有着特殊的需求，比如简单的启动按钮和菜单导航[13]、导航速度的调节、随时可以中断或重启游戏的按钮、跟现实世界密切相关等[25]。Mendes等[8]指出患者在进行VR运动训练后学习、记忆、学习迁移能力的提升主要依赖于游戏本身对参与者需要投入的要求、特别是认知方面的要求，所以在进行基于虚拟现实的运动训练过程中，游戏本身的选择显得尤为重要。Liao等[10]、Mendes等[8]、Pompeu等[23]的研究中都使用了常见的VR健身游戏对老年人进行干预，这些健身游戏会存在适老化设计不足、康复目的性不强等问题。基于老年的VR系统需要健壮且易于操作的用户界面、科学严谨的康复功能开发，这些系统的设计需要多学科研究团队的参与，包括工程师、临床医生、人类学专家和认知心理学专家等，以应付这些VR系统开发工作所带来的挑战[15]。