虚拟现实技术在脑卒中患者康复中的应用进展

王佳乐，杨巧红

（暨南大学护理学院，广东 广州 510632）

在我国，脑卒中是致残率和致死率最高的疾病［1］，也是当今世界危害人类生命健康最主要的疾病之一［2］。 据统计，中国每年新发脑卒中患者约200 万人，其中70%～80%的患者因残疾而不能独立生活，给家庭和社会带来了沉重的负担［3］。 研究显示，由于康复治疗资源有限， 加上部分患者和家属的康复意识欠缺及疾病恢复期漫长，导致脑卒中患者得不到及时、长期及有效的康复治疗［4］。 20 世纪 90 年代， 虚拟现实（virtual rea-lity, VR）技术被开发，并作为一种康复评估和治疗的工具［5］。 VR 技术具有安全性、趣味性、康复治疗个体化等优势［6］，成为康复领域研究的热点，且在脑卒中康复治疗中应用最广泛［7］。本研究就VR 技术在脑卒中患者康复中的应用进行分析总结， 以期为VR 技术在我国的进一步发展提供参考依据。

1 VR 技术概述

1.1 VR 技术定义VR 技术是利用仿真技术与计算机图形学、 人机接口技术和多媒体技术等多种尖端技术建立一个三维的虚拟世界，让用户“投入”到该环境中，通过一个媒介（手套、操纵杆、鼠标）或用户的手势、动作、表情、语音，甚至眼球或脑电波实现与虚拟信息进行交互，产生多感官的反馈［8］。

1.2 VR 技术在脑卒中患者康复中的应用原理VR技术可以模拟出现实中的场景，如厨房、超市等。 患者在此场景中完成各种任务，如整理壁橱、进行手指/腕及肩关节等部位的功能训练、物品识别归类、注意力的认知训练等。 患者在训练过程中可以看到自己肢体的动作，并以此来强化对训练动作的认知。脑卒中康复治疗是基于中枢神经系统的可塑性和大脑皮质重组理论， 即高强度及重复训练可以使原本休眠的高阈值突触处于活化状态，周围神经组织通过轴突的侧支芽生，形成新的神经通路， 使临近失神经支配的组织重新获得支配［9］。 在磁力共振成像中发现，通过 VR 训练可以刺激脑卒中患者皮质重组来提高其运动能力， 分析原因可能与VR 训练过程中产生的视觉、 前庭及本体感觉动态反馈调节前运动及顶叶皮层的神经网络等产生即时的自我校正，进而激活镜像神经元有关［10-11］。 研究发现，VR 技术基于运动学习理论的康复治疗方法，相比人工主导的传统治疗，更容易满足高强度、重复性和特异性为导向的运动学习原则［10］，特别在重复、反馈和动机3 个关键环节上， 虚拟现实环境能带给患者足够的沉浸感，让其获得包括视觉、听觉、触觉在内的实时反馈，并不断激励患者接受挑战，提高其运动、学习效率和积极性。

2 VR 技术在住院脑卒中患者康复中的应用进展

VR 技术主要用于脑卒中患者的功能评定和康复治疗，其中关于改善认知、平衡、上肢功能和增加肌力方面的研究较多。下面就脑卒中患者各功能障碍的VR技术评估和治疗进行阐述。

2.1 认知功能障碍认知障碍泛指各种原因引起的记忆力、计算力、视空间定向力、执行能力等至少一个认知域损害。 脑卒中后认知障碍的发病率达80.97%［12］，是脑卒中患者常见的后遗症之一。

2.1.1 认知功能评估指南推荐对主诉认知功能损害的就诊者， 选择MMSE 量表和MoCA 量表或类似的筛查量表组合进行初步筛查并评估［13］。 朱亚平等［14］将认知的量表内容转化为3D 画面， 让患者在虚拟显示器中身临其境完成评定。 而黄延焱等［15］研发的认知能力评估系统是基于光学动作捕捉设备和具有按键交互功能的虚拟现实手柄，利用手柄操作，实现与虚拟环境交互。 模拟的环境是超市购物，包括四大任务，分别是购物清单记忆、 根据清单在货架找寻物品、 在收银台结算、购买商品。根据使用者的任务表现、神经传感数据、反应时间等进行记忆能力、执行能力、运算能力、视觉空间能力的评估， 并利用统计分析技术综合评估受测者的认知执行能力。 类似任务的VR 系统也常用作进行认知功能训练和日常生活能力的训练。

2.1.2 认知功能训练一项研究招募了42 例脑卒中急性期患者，对照组采用计算机辅助训练，干预组在对照组的基础上采用VR 训练，即HMD 头盔沉浸式虚拟现实训练［16］。 HMD 头盔是由护目镜、主体和摄像头组成的头戴式显示设备。该训练主要包括2 个程序：钓鱼和图片匹配。钓鱼是患者利用上肢动作捕鱼，同时记忆鱼的数量来完成任务； 图片匹配是让患者先记忆1 张图片，之后再给8 张图片，显示几秒翻转，让患者选择记忆的那张图片。以上任务均锻炼了患者的上肢功能、记忆力、注意力、执行力等。研究结果发现，接受计算机辅助训练联合VR 训练的患者在学习、 延迟记忆和空间、时间定向力方面有显著改善，且在认知功能和日常生活表现方面比单独使用计算机辅助训练效果更好。肖湘等［17］研究纳入34 例脑卒中住院患者，对照组采用常规的认知训练， 观察组采用基于Kinect 体感交互技术的游戏训练，训练方式采用打网球和切水果。研究结果发现， 观察组患者比对照组患者在视空间与执行功能、注意力、定向力和日常生活能力方面有明显改善，且观察组神经电生理技术事件诱发电位P300 的潜伏期比对照组及训练前均缩短， 说明VR 训练有助于认知功能神经的重塑。

2.2 运动功能障碍国外研究统计约有80%的脑卒中患者存在运动障碍， 主要表现为病灶半球对侧肢体完全或部分性软瘫或无力， 是脑卒中后最常见的功能障碍，也是目前患者康复的重点及热点［11］。 研究发现，目前VR 技术较多的应用于改善平衡功能、 上肢功能以及步态步行能力［18］。

2.2.1 运动功能评估临床上关于运动功能评估量表很多， 常用的有Fugl-Meyer 评定量表（Fugl-Meyer Assessment，FMA）、Brunnstrom 偏瘫分级等， 主要用于评估肢体运动功能、平衡能力等。 Adams 等［19］基于 VR技术研发了上肢功能评估系统。 该系统的关键设备是一种在手指、 手腕装有运动跟踪传感器的商用手套矫形器，以及光学动作捕捉设备。上肢功能评估系统的主要任务包括3 个部分：园地丰收、整理壁橱及球放入盒子活动，评估系统通过捕捉患者在活动中的抓、取、放置等动作，计算出关节活动的角度及手指、手腕、肘部活动时的速度等，并将其作为评价指标。将评价指标得出的结果与标准评价指标得出的结果进行对比发现两种评价结果之间存在高度相关性， 表明上肢功能评估系统可以有效地反映患者上肢运动功能的情况及在真实世界中的功能状态。 梁爽等［20］研发出运动训练评估方法,通过脑-机接口系统建立三维运动训练场景，将受试者在执行有触觉反馈和无触觉反馈的运动训练时在大脑感觉运动皮层区域产生的脑电信号数据代入预建的脑电信号时频特征模型，并进行定量化评估。

2.2.2 平衡功能、 步态步行能力训练平衡功能是完成运动行走的基础功能， 对预防和减少跌倒有重要作用。 Porras 等［21］研究回顾性分析了在大型康复中心接受VR 康复治疗的167 例患者3 年内的临床记录。 该研究涉及4 个VR 系统和23 个VR 环境， 在有关平衡功能、步态步行能力的VR 训练中，常用的模拟场景及任务包括：“船”-重心转移任务、“道路”-行走任务、“路障”-障碍策略任务、“路牌”-视空间训练任务、“摇篮范围”-重心控制任务。 该研究使用运动捕捉系统跟踪患者身体上的标记区域。 研究结果显示，利用多个VR 系统和VR 环境有助于制订高度个性化的干预方案，并对患者进行针对性的治疗； 在临床上实施基于VR 技术的康复治疗方案是可行和有效的， 能够显著改善患者的平衡和步态步行能力。 患者的步态步行能力可通过起立行走试验、Berg 平衡量表和简易平衡评定系统等进行测试。

2.2.3 上肢功能训练脑卒中后上肢功能障碍是常见后遗症之一，严重影响患者日常生活能力，降低其生活质量。 Cochrane 系统评价结果显示虚拟现实训练能有效改善脑卒中患者上肢功能障碍［18］。 Brunner 等［22］研究把5 家康复机构患有上肢功能障碍的亚急性期患者120 例作为研究对象。 实验组采用You Grabber 系统的VR 训练。 该训练包括的游戏任务均涉及放置、抓取练习、选择性手指运动、旋前旋后、全臂运动、单侧或双侧运动等，并在屏幕上增加视觉反馈。 干预4 周后，采用手臂动作调查测试表评定患者的上肢运动功能， 结果显示采用You Grabber 系统的VR 训练产生的结果和采用常规康复产生的结果一致， 证实VR 训练可作为标准康复的一种补充。 基于游戏的虚拟现实训练能激发患者不断接受挑战， 同时治疗师可根据患者情况实时调整游戏难度，可减少患者的挫败感，提高其积极性及依从性。

2.3 日常生活能力训练VR 技术可以模拟出很多日常生活中的场景并提供多感官刺激，如超市购物、模拟厨房、家庭虚拟环境、银行取钱等，且患者在虚拟环境中可以进行反复演练并转化到现实生活中。 有研究发现脑卒中患者进行VR 训练后在自我护理、洗澡、穿衣和肌力控制方面有明显改善， 生活质量也有显著提高［16］。 2017 年 Cochrane 系统评价表明，增加虚拟现实训练时间可显著改善患者的日常生活活动功能， 提高日常生活能力，值得临床推广应用［18］。

3 VR 技术在社区、家庭脑卒中患者康复中的应用进展

调查发现，74.3%的患者表示愿意在社区接受康复治疗服务，但有调查发现仅有8.3%患者在社区接受过康复治疗［23］。分析原因可能为天气、交通、距离、人力等问题限制了患者反复去医院接受规律的康复治疗。 而基于VR 技术的康复治疗提供了一种理想的治疗方案，确保了患者康复的连续性。区永康等［24］研发了一项实现前庭康复的家庭、 医院两用的便携式康复训练系统及方法。 该系统包括量表评估模块、虚拟现实设备、定位传感器、训练自评模块和训练存储模块。使用量表评估模块与平衡障碍量表评估受训者， 进而得到评估分数及相对应的病情级别（共十级）,虚拟现实设备根据病情级别匹配相对应的训练视频（共35 个视频）。受训者根据训练视频进行康复训练， 同时定位传感器感测受训者的康复训练结果， 并将训练结果传输给训练自评模块以完成自评评分， 并将评分保存于训练储存模块。 结果显示，通过使用该系统，受训者的平衡协调能力、 肢体功能及姿态控制能力等均得到锻炼。Triandafilou 等［25］也研发了类似上肢康复的家用 VR 系统， 结果显示超过66%的患者表示非常愿意在家接受治疗，100%的患者表示每周至少进行了2～3 次训练。但目前关于VR 技术应用于家庭、 社区脑卒中患者康复后效果评价的研究鲜有报道。

4 存在的问题及展望

在康复人员不变的情况下， 虚拟现实训练在增加康复训练时间、远程监控指导、安全性、趣味性及可重复性等方面有独特的优势。 有足够的证据可以说明虚拟现实训练在认知康复、 运动康复及提高日常生活能力方面有效， 但还无法证实其是否比传统康复方法更有效及是否可以替代传统治疗［21,26-27］。 目前现有研究存在局限性［9,18,22,26］。 ①关于 VR 技术康复治疗的研究缺乏大样本、多中心等高质量分层随机对照试验。 ②VR 技术康复治疗的强度和治疗时间存在差异。有研究表明治疗强度、训练时间与康复效果呈正相关，但缺乏最佳强度及频率的证据，且有益阈值也不明确。③对于VR 训练是否有效，各研究选择的量表和评价指标不一致，且评价过程中存在一定主观因素，缺少关于机制和脑成像的客观证据。④研究时间较短，缺乏干预后长期的随访，无法确定VR 训练的远期影响。 ⑤部分研究采用的VR 系统不是针对脑卒中患者设计， 仅是简单的视频游戏系统。 ⑥已有的VR 技术仅应用于脑卒中患者某方面的功能障碍， 而脑卒中患者功能障碍往往是多方面的。 后续建议在人员方面， 加强多学科团队合作；技术方面，不断提高跟踪定位的精准性；硬件设备方面，有待降低成本，且设备应更加轻便携带；软件功能方面，操作应更简便、内容更丰富及个体化。