增强现实技术在卒中后上肢功能康复中的研究进展

李冲，田石榴，刘向云，贾杰，2

卒中作为常见的脑血管疾病，具有高发病率、高死亡率、高致残率的特点[1]。全球每年有1700万人罹患卒中，给社会、家庭造成了沉重的经济负担[2]。85%的卒中患者会存在上肢功能障碍，严重影响患者的日常生活，其中只有11%～14%的患者上肢功能可完全恢复，因此，需要有效的康复治疗对患者上肢功能进行重塑[3-4]。随着科技的进步，许多新的康复技术得以发展，增强现实（augmented reality，AR）技术就是其中之一，不过其在卒中后上肢功能康复中的研究和应用尚处于萌芽阶段[5-7]。本文对AR技术促进卒中后上肢功能康复的原理、发展现状和趋势进行综述。

1 增强现实技术

1.1 增强现实技术定义 AR技术是一种将虚拟世界和真实世界进行交互融合的技术，它将虚拟信息在现实场景增强后呈现给使用者，增强使用者对现实世界的感知和交互能力[8]。1966年，Sutherland发明了头盔显示器，并在1968年创建了第一个AR系统[9]。目前对于AR技术有两种较为权威的定义：第一种是Milgram和Kishino[10]于1994年提出的“现实-虚拟连续体”概念，对虚拟和现实相结合的显示环境进行分类，真实环境和虚拟环境分布在两端，靠近真实环境的是增强现实，靠近虚拟环境的是虚拟现实，而在中间的部分称为混合现实。第二种定义是Azuma[8]于1997年提出，认为AR技术应具备三个特征：①虚实结合，在真实环境中结合真实和虚拟信息；②实时交互；③三维注册，实现真实场景和虚拟信息的融合。

1.2 增强现实关键技术 增强现实关键技术一般包括跟踪注册技术、显示技术和交互技术。其中，根据跟踪的对象可将跟踪注册技术分为两类：①跟踪对象为摄像机，又可以分为基于硬件传感器的跟踪技术和基于计算机视觉的跟踪技术[11]。基于硬件传感器的跟踪技术通过传感器的信号发送器和感知器来获取相关位置、移动数据，从而达到跟踪注册的目的。目前常用的基于硬件传感器的跟踪技术有全球定位系统（global positioning system，GPS）、惯性跟踪器和磁感应传感器等[12-13]。基于计算机视觉的跟踪技术利用计算机视觉的相关算法将虚拟信息和真实场景进行融合，该技术的精确度较高，常应用于临床医学[14]。②跟踪对象为人，以使用者及周边信息作为被跟踪对象，对周围环境建模从而加载虚拟场景。

显示技术的作用是将计算机生成的虚拟信息与真实场景进行融合。常见的AR显示技术有头戴式显示器、手持式显示器、投影式显示器。头戴式显示器的沉浸感最强；手持式显示器是使用者可以手持的显示技术，避免了使用者佩戴头戴式显示器的不舒适感，同时体积小、易于携带，但其减弱了使用者的沉浸感；投影式显示器是将虚拟信息直接投影到真实场景中需要增强的真实物体上，该技术投影范围大，效果稳定，但该技术设备体积一般较大，不易携带[13-15]。

交互技术的作用是实现人机交互。常见的交互技术包括：基于传统的硬件设备，如鼠标、键盘等通过选择图像中的某个点并对该点对应的虚拟物体进行按、点等操作来实现交互；手势交互，这种交互方式能降低人机交互成本；另外，还包括便携式投影互动技术[16]。

1.3 增强现实技术促进上肢功能康复的原理 左右制衡模式是上肢发挥正常功能的重要机制，制衡模式的异常是卒中后患者上肢和手功能障碍的重要机制[17]。卒中后神经功能的康复主要依赖于脑的可塑性和功能重组，而高强度、可重复、任务导向性、有反馈的康复训练可促进脑的重塑和功能重组[18-20]。有效的康复训练能促进患者的神经系统对感觉信号重新适应，增强中枢神经系统对上肢运动功能的控制，抑制原始、异常的反射活动，从而重塑正常的左右制衡模式。AR技术以日常生活中常用动作为基础，提供高强度、可重复、任务导向性的功能性运动，从而有效地促进损伤脑区周围正常神经元参与运动，重建外周到中枢的感觉反馈，促进神经中枢对动作进行修正，恢复神经中枢对外周的控制，最终恢复原有功能或实现功能代偿[21-22]。同时，AR技术能有效地提高患者的心肺体适能，有助于提高患者的生活质量。基于视触觉的AR技术将增强现实技术和视触觉反馈技术相结合，通过患者与AR场景中的虚拟物体进行交互，并通过触觉等感觉反馈促进大脑高级中枢进行整合，建立新的信息接收和处理通路，从而达到功能重塑的目的[23-25]。

2 卒中后上肢康复常用的增强现实技术

2.1 视觉增强现实技术 视觉AR技术是最常见的训练技术，在康复训练中，该技术常与作业治疗、镜像疗法等技术相结合。Mousavi等[26]开发了一款基于视觉的AR技术康复系统。该系统采用投影式显示器，治疗时，患者坐在治疗桌前，投影式显示器将虚拟背景投影在治疗桌上，患者使用实际物体与虚拟环境进行交互。Colomer等[27]对30例慢性期卒中患者进行了常规康复-AR技术-常规康复的交替训练，结果显示，视觉AR康复系统能满足运动学习原则，并能促进患者上肢功能的康复。Da Gama等[28-29]开发的另一款基于视觉的AR技术上肢康复训练系统能与镜像疗法相结合。研究者采用该系统分别对卒中患者、物理治疗师和软件开发人员进行队列评估，方式为肩部外展治疗练习，每次训练时分为三个连续的子项目：①使用者在没有系统帮助的情况下进行练习直到感到疲劳；②使用镜像激励和指导进行相同的练习；③使用者在没有系统帮助的情况下再次进行练习。以使用者初次在没有系统帮助的情况下进行运动的数据作为基线，结果发现，使用该系统进行训练后，患者正确练习率从69.02%提高到93.73%，运动重复次数由34.06次提高至66.09次，提示使用者的康复动力增加。

目前关于视觉AR技术与其他技术结合的研究较少，未来需要开发相关设备并进行高质量的研究进一步验证其对卒中后上肢功能康复的影响。

2.2 触觉增强现实技术 触觉AR技术是在常规AR技术基础上增加触觉反馈，能有效增加患者训练时的感觉反馈，增强外周环境与中枢控制之间的联系，对同时存在感觉和运动功能障碍的患者更有帮助。Luo等[30]开发了一款AR与压力辅助设备相结合的康复系统，该系统的辅助设备包括身体动力矫形器或气动装置，患者佩戴该辅助设备进行抓取虚拟物体训练时，该系统会判断患者的手是否处于合适的位置，辅助设备会产生一定的压力帮助患者完成抓握物体动作。研究者对1例卒中患者使用该系统进行6周训练后，用箱盒测试评估患者上肢功能，结果显示该系统能明显改善患者手的抓握能力。Hossain等[31]开发了一款AR结合无线振动触觉设备的康复训练系统，振动触觉设备放置在训练时所用的物品内为患者提供感觉反馈。研究者对10例卒中患者使用该设备进行训练，每例患者进行一次训练且训练时间至少1 h，训练后对患者进行问卷调查，结果显示多数患者认为该系统能增加康复训练的乐趣且具有挑战性，但有2例患者训练时有挫败感，另外有2例患者出现上肢的疲劳。Zhao等[32]开发了一款AR结合触觉振动腕带的康复系统，19例卒中患者使用该系统进行了25 d的抓握和移动物体训练，结果显示有2例年龄较大的女性患者手功能没有明显改善，4例患者手伸展功能有明显改善。

目前常见的触觉反馈设备有桌面式、手持式和自制式等几种。Geomagic Touch等设备精确度高，提供的触觉反馈较明显，但其成本高，对于需要居家进行康复训练的卒中患者，可以采用国产触觉康复装置[33-34]。

2.3 镜像增强现实技术 镜像疗法最初用于减轻截肢后幻肢痛，近年来在卒中上肢功能康复治疗中的应用越来越广泛。Assis等[35]开发了一款康复设备（NeuroR），使用者通过屏幕看到自己上肢的镜像，用虚拟手臂模拟瘫痪手臂，通过移动未受伤的手臂和偏瘫的手臂来完成所需的任务，并由标记信号触发虚拟手臂动画。8例卒中患者参与该研究，随机分为试验组（使用NeuroR进行康复治疗）和对照组（常规康复治疗），经过4周康复训练后，试验组的Fugl-Meyer上肢功能量表评分较对照组有显著提高，证明使用该设备能有效改善卒中患者的上肢功能。Hoermann等[36]开发了一款相对经济的AR技术（增强反射技术）系统，该系统将计算机镜像疗法与AR技术结合。训练时患者将双手放在治疗桌上，屏幕上只有经过镜像的健侧手，给患者一种视错觉，即镜像到屏幕另一边的健侧手是真正恢复功能的患侧手。研究纳入了12例亚急性期卒中患者，治疗前后对患者进行九孔柱、握力和Fugl-Meyer上肢功能量表评估，结果发现该技术有助于激发患者的康复潜力。

AR技术和镜像技术结合对传统的二维镜像疗法进行了创新，通过AR技术对患者进行三维镜像治疗，可促进患者上肢功能的康复，但该系统需要的头戴式显示器或设备体积较大，成本较高且不易携带，限制了该系统的临床应用[37-38]。

2.4 手机增强现实技术 基于手机的AR技术利用手机作为显示技术完成患者训练时的交互过程。Lapiana等[39]开发了一款基于手机的AR游戏康复系统，该系统将手机和头戴式显示器结合，利用标识物、固定盒对患者进行训练。该研究为探索性研究，主要测试患者对该系统的接受程度。5例卒中患者使用该系统进行3次治疗，治疗后的问卷调查结果显示，患者认为这款基于手机的AR康复系统可以帮助他们达到康复的目标，但有患者反馈使用该系统训练容易疲劳。Song等[40]开发的另一款更简单的（手机和可穿戴手套）基于手机游戏的AR康复系统，也更经济且便携。研究者对8例卒中患者使用该设备进行一次训练，采集患者训练前后运动功能得分并对患者进行问卷调查，结果显示该康复系统能明显改善患者上肢功能且患者对该系统接受程度良好，但有一例患者认为这款系统对上肢功能康复没有作用。

基于手机的AR系统近几年才开始应用于卒中后上肢功能的康复训练，该类系统和其他AR技术系统相比更加经济、便捷，可以作为患者居家康复训练的一种选择，但该类系统的交互技术往往较其他系统弱，患者的沉浸感较差。

3 总结与展望

综上所述，目前AR系统在卒中后上肢功能康复研究中的可行性已经得到证实[36-38]。应用于上肢功能康复的AR技术能将传统训练方式与虚拟现实结合，利用计算机图形学技术、计算机视觉技术实现人机交互，并可实时记录相关的康复数据，分析康复进展情况，让康复训练更加高效。同时，AR技术也存在许多不足之处，包括：①部分AR康复设备（如投影式显示器和传感器装置）比较昂贵，不能满足低收入家庭的康复需求；②设备穿戴较烦琐，可穿戴设备虽然沉浸感强且能带来实时交互，但穿戴时有不舒适的感觉，降低了患者训练的积极性；③训练场景沉浸感不强，如通过投影式显示器在治疗台上进行投影，增强效果不明显，患者康复积极性得不到提高；④游戏难度设置存在问题，尚不能完全按照患者功能状况进行针对性训练，降低了康复治疗的效果。

AR技术正在康复领域逐渐发挥其强大的力量，未来的AR技术发展有以下趋势：①增强系统软硬件的通用性，降低开发成本，从而使应用人群更加广泛；②场景设计和游戏设计更加全面和多元化，对虚拟信息的形成机理和模型研究更加深入；③系统训练应将康复评估、治疗方案、康复训练等结合，满足患者的周期性康复需求；④增加训练时感觉反馈的形式和种类，优化游戏难度设置。

【点睛】增强现实技术通过虚拟世界和真实世界的融合，增强使用者对现实世界的感知和交互能力，其在卒中患者上肢功能康复中有较大的应用价值和前景。