探究增强现实、虚拟现实技术在手功能康复中的应用

胡若愚

北京体育大学 北京 100084

引言

手是人类进化过程中最万能和最强大的产物之一，双手是为我们聪明的大脑服务的完美工具。手部的损伤是很常见的，并且有些伤会留下后遗症，这些损伤对患者造成的负担是非常大，影响着日常生活、工作和学习。手功能的康复通常使用的是治疗疗程的形式，需要专业康复师来进行，有局限性。因此，虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术开始在这一领域使用，不仅易于开展，而且可以取得良好的康复效果。

1 增强现实和虚拟现实康复技术的基本现状

近年来，与台式电脑和智能手机应用程序相结合的增强现实(AR)和虚拟现实(VR)训练系统已被用作传统康复的辅助手段。这些技术提供了新的增加交互应用中沉浸感的机会，这可以与其他游戏开发技术相结合，提高用户黏性，最终使得整体体验大大改善[1]。

在增强现实技术中，计算机生成的图形叠加在用户的真实世界视图上，为用户提供关于所见物体的更多信息。增强现实通常通过特定用途的眼镜提供，这些眼镜被称为智能眼镜。有时也可以任何带有屏幕和摄像头的设备，如平板电脑或智能手机来实现。

虚拟现实技术让观察者沉浸在一个完全模拟的虚拟世界中，可以通过头戴式显示器、投影屏幕自动虚拟环境来实现。更普遍地说，虚拟现实可以定义为任何基于计算机的设备，在显示器或墙壁屏幕上提供视觉刺激，如电子游戏。与头戴式显示器相比，这些虚拟环境的沉浸度较低。AR/VR在治疗多种临床病症方面的应用迅速增长，这也表明，将AR或VR技术应用于手部物理治疗的将会变得更普遍。

2 手功能康复的主要受众人群

在手功能康复中，大多数手功能受限的原因来自于：烧伤、中风、骨折、挤压伤、肌腱损伤、幼年特发性关节炎(JIA)、脑瘫(CP)、臂丛神经损伤、多发性硬化症等，其中中风更是占据了相当的比例。这些损伤/疾病的严重程度介于中度和重度手臂损伤之间。其中大部分的康复对象为成人，且年龄偏大。一方面原因是，青少年儿童相比于成年人总是被保护得比较好，而成年人往往会进行更多的劳动，手部发生意外和损伤的风险较高。另一方面，中风作为手功能障碍的主要来源之一，多发于成年人，在儿童当中较为罕见[2]。

3 增强现实和虚拟现实技术在手功能康复中的应用

对于受到创伤或手术后恢复过程中功能受损的患者，康复极为重要。成功的康复方法需要适当的锻炼和治疗组合进行，以改善关节动员和增强肌肉的能力，以恢复身体机能。康复计划是在医院手术后立即开始的，出院后在私人/家庭环境中进行。当前的康复方式包括有监督的锻炼和无监督的锻炼，但是技术的进步为该领域开辟了新的视野。增强现实、虚拟现实，游戏化和远程康复正在吸引更多的手功能障碍人群进入其中。

3.1 远程康复

传统手部功能康复通常采取治疗疗程的形式。医院康复的过程中，患者在物理治疗师的指导下进行固定时间的特定锻炼。传统疗法的主要成本在于，需要专业人员陪同，在医院，需要特定的仪器，预约特定的时间，大量精力耗费在交通、排队等过程当中，同时治疗的机会受限。因此，可能需要一个可扩展的解决方案，也就是远程康复，基于家庭的技术已经被提出来帮助病人进行在家康复。在没有任何专业人士现场支持的情况下，远程必须容易被患者理解和执行。这通常会导致远程康复中患者需要执行一些简单的重复练习。对于这种干预，患者进行锻炼的动机是至关重要的。一旦患者无法坚持，长期的康复可能无法实现。然而，有强有力的证据表明，这些限制可以通过一种更有趣、更吸引人、更愉快的形式来缓解。

3.2 游戏化

游戏化被定义为“在非游戏环境中使用游戏设计元素”，是一种很有前途的技术，已成功地用于在不同环境中驱动动机。电子游戏已经被战略性地用于多种疾病的治疗，如恶心和小儿癌症、焦虑管理、物理治疗和身体健康、烧伤疼痛、糖尿病、哮喘、膀胱和肠道功能障碍。商业电子游戏在各种病理条件下的物理康复中的应用，包括中风、脑瘫、帕金森病、平衡训练、体重减轻和衰老。电子游戏可以防止患者感到单调和无聊，增加动力，提高对治疗的坚持，提供直接反馈，并且加大治疗的训练量。

3.3 增强现实、虚拟现实技术采用的技术和设备

VR和AR旨在通过使患者相信他们不在真实的地方来欺骗患者的大脑。在VR中，患者可以与虚拟环境互动并模拟现实生活中的活动。除了传统的头戴式显示器、投影屏幕或自动虚拟环境外，大量的治疗当中还使用了不那么沉浸式的虚拟现实系统。计算机和2D屏幕是最常用的。事实上，大部分的治疗手段都使用了较少沉浸式的AR/VR系统。主要原因为这些系统方便、易于使用、不需要带线的眼镜或耳机、价格较低、更容易获得。 完全身临其境的虚拟现实系统仍然较少，而且价格昂贵，而显示器相对便宜，易于使用。

每个病人都是不同的，需要特定的治疗来满足他们各自的需要。上述提到的大多数游戏都整合了类似的动作，即：手指弯曲/伸展，手指外展/内收，抓住和释放物体的捏合和手腕弯曲/伸展。物理治疗师的作用是确定每项运动正确的强度、重复次数和数量。

手部运动跟踪是通过四种不同的技术实现的：智能手套、触觉手套、摄像机和触觉设备。随着时间的推移，从使用远程控制器到使用提供自由手部运动的设备的演变是很明显的。这些手部运动跟踪器可以实现自然交互。它们允许与可视对象相关的动作，通过指向感兴趣的对象来代替键入的命令，并让患者控制技术，避免复杂的指令使交互复杂化。

3.4 增强现实、虚拟现实技术与远程康复、游戏的结合

早年的远程康复局限在医嘱、电话、电子邮件以及视频会议等形式当中，手功能障碍的患者在康复的过程中往往会根据治疗师的指示进行一些简单的抓握、伸展以及力量练习，较为枯燥，难以坚持。增强现实、虚拟现实技术的应用，可以将远程康复游戏化。患者在家中使用虚拟手套进行康复性质的游戏。这些游戏的设计往往是有意义且具有挑战性的，系统可以根据参与者的表现来调整任务的难度。这种挑战在完成任务时提供了一种更好的成就感，并使得患者的积极性得到强化[3]。

这些技术减少了患者的住院时间和成本，并增加了可以同时治疗的患者人数。这些康复模式的另一个的影响是患者与治疗师之间可以直接地持续互动。研究表明，远程虚拟康复可增强患者的动机，从而改善对治疗的依从性。

4 增强现实、虚拟现实技术进行手功能康复的优势与局限性

研究发现在AR/VR干预下，患者的手功能有显著改善。一部分的患者增加了拇指关节的活动范围，捏力和握力。一部分患者的改善表现在麻痹手臂的速度，运动的精确性，运动耐力和在执行某些功能性日常活动的时候的效率。有少部分患者发现训练后的上肢有改善，但在现实生活活动中没有。在过去的几年里，有越来越多的研究报告了患者在许多临床条件下使用VR的积极结果。

尽管患者的平均年龄较大，但很少有研究报告说玩游戏和物理治疗师所建议的治疗有困难。较年轻的患者比其他患者更愿意接受游戏训练，并倾向于经常玩训练用游戏，以获得更好的功能效果。有时候即使最初患者会犹豫是否要进行游戏训练，亲身体验后，几乎所有的患者都想继续玩。

4.1 优势

相比于传统的手功能康复手段，虚拟技术的优势在于，一方面，作为媒介，它增加了患者与治疗师的沟通，使得治疗师指导的动作能更准确地在患者身上进行。同时，它的趣味性可以吸引患者在治疗当中花费更多的精力和时间在治疗上。在效率和治疗量上的提升，使得患者在手功能的康复上有着良好的效果。另一方面，虚拟技术实现的远程医疗，使得患者在家就可以进行康复训练，节约了用在交通上的时间和金钱，甚至可以做到一个治疗师同时对多个患者进行康复，这也节约了人力资源成本[4]。

4.2 局限性

虚拟技术应用的局限性在于，虽然患者并不排斥使用游戏来进行康复治疗，但是大量老年人患者，在手部功能本身就受限的情况下，更不容易使用新技术，对它们的适应性较差。这也是VR，AR，游戏化和远程康复的普及在高龄患者中受到限制的主要原因。主要的挑战是改进这些技术，使其易于使用并适合该人群。他们的技术应该有针对性，经验应简化以吸引患者。通过使用机器学习，可以根据患者的需求和能力定制锻炼。此外，直观的界面可以促进虚拟技术的使用。

再有，观看立体视像/游戏引起的晕动病和不良事件也曾发生。最常见的症状是视觉疲劳、视觉不适、眼疲劳、视力模糊、头痛、头晕、意识混乱和定向障碍。曾经也有患者因为头晕而退出。目前应用在康复中的游戏大多较为简单，完成的手部动作较为相似，其中最频繁的是抓握和释放动作，这可能也与晕动病有关[5]。

5 结束语

增强现实/虚拟现实技术并不是唯一的治疗方法，而是可以用来增强运动康复的新技术工具。在过去的十年里，AR和VR的应用取得了一些显著的成功。然而，用于手部康复的AR和VR系统还缺乏实验室内外的研究和实践。需要通过试点研究和对照试验进行研究，使这些辅助性康复系统更加严格，并提高其临床意义。期待增强现实和虚拟现实技术在手功能的康复中扮演更为重要的角色。