半沉浸式虚拟现实技术在脑卒中上肢运动功能康复的应用*

新乡医学院医学工程学院 陈怡然 杨冰彦 李玉 何星宇 孟怡辰 高智贤

脑卒中会引发上肢运动功能障碍，若不及时恢复会严重影响患者的日常生活和社会参与度。半沉浸式虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）减少了对患者肢体的束缚，对患者运动能力要求低，可以实现与虚拟环境安全的自然式交互，而且易于与其他康复疗法联合，为个性化康复方案的实现提供了更高的安全性和灵活性。半沉浸式VR 已在卒中上肢运动功能康复中取得了诸多成效，作为一种康复训练的补充策略，为脑卒中患者的康复带来了全新的治疗手段。

脑卒中是我国致残、致死率最高的疾病[1]，每年新增脑卒中病人约240 万人[2]。如果得不到及时康复，会严重限制患者的日常活动和社会参与度。传统康复训练依赖医师经验，强调动作分解练习，虽使患者获得一定的协调和运动能力，但缺少实践意义的导向性任务需求，不利于实现运动功能迁移。加之，训练模式单一枯燥，缺乏患者生理信息反馈，使患者康复效果受限。虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术借助计算机系统、建模技术和反馈装置等构建出可提供用户视、听、触等多种感觉逼真的富集环境。2016 年，发布《成人脑卒中康复指南》，建议VR 在脑卒中后上肢功能康复中的应用为Ⅱa 类推荐、B 级证据[3]。这是因为基于VR 技术的卒中康复干预符合康复的四项指导原则：特定任务训练、强度、动机和生物反馈[4]。通过引导患者在游戏场景中完成虚拟任务，针对性促进运动功能恢复；根据患者康复需求和运动能力，为康复训练提供个性化模式和难度选择；利用实时的视觉、听觉或触觉等多种反馈，增加患者的积极性和主动性；与多种设备结合，实时跟踪记录患者的康复训练数据和运动情况，为诊疗方案改进提供科学可靠的依据，提升康复效率。因此，VR 技术作为一种新兴的辅助治疗手段，在脑卒中的临床康复训练中得到了越来越广泛的应用。

1 半沉浸式VR 技术及优势

根据沉浸程度, VR 可分为沉浸式和半沉浸式两大类。沉浸式VR 康复训练系统通常借助头戴显示器、多功能控制手柄、立体耳机等外部设备来为患者构建一个完全虚拟、逼真的虚拟场景和交互。这种系统要求使用者具有较强的适应能力和较好的精细运动操控能力，限制了其在卒中患者上肢康复中的应用。首先，头戴显示器将视觉与真实环境完全脱离，视觉的相对运动和前庭器官的相对静止易引起相对运动错觉，引发晕动症。其次，精准操控手柄超出了具有上肢运动功能障碍的卒中患者能力范围。与沉浸式VR 不同，半沉浸式VR 系统通过显示器、投影设备等输出设备呈现影像，允许用户以观察者的身份体验虚拟环境。这种开放性有效减少了患者眩晕症状产生，保证了训练安全。另外，半沉浸式VR 系统是通过深度传感相机或穿戴式传感器等捕捉患者动作识别运动指令，减少了肢体束缚，降低了运动能力要求，可实现患者与虚拟环境的自然式交互。特别是，半沉浸式VR 训练设备可灵活地结合多种康复疗法，便于制定安全有效的个性化康复方案。

根据用途，半沉浸式VR 系统有专用虚拟环境（Virtual Environments，VE）和商业游戏（Commercial Gaming，CG）两大类。卡伦系统是VE 系统典型代表，主要针对患者康复训练设计，将全面的运动测评和训练融为一体，能够满足训练者在不同环境下的训练要求和能力测试。卡伦系统采用全方位投影体系，巨大的球形屏幕能够实现360°全景屏幕投影，训练者在训练过程中可全视角范围内看到卡伦系统的虚拟场景。此外，双带自适应跑台和六自由度活动平台可让训练者从本体感觉及前庭感觉上真正体验各种生活场景。其中，特色双跑带自适应跑台可根据训练者实际的行走速度自动调整运转速度，高度还原训练者在地面行走的感觉。而六自由度活动平台可以实现x、y、z 轴方向位移，坡角变化、水平转角变化和倾斜角变化，即进行上下、左右、前后等单一方向或叠加方向的运动。运动跑台的六个自由度运动辅以虚拟环境的视觉、听觉效果，极大地增强了患者的沉浸感，可逼真地模仿崎岖的山路、摇晃的吊桥、颠簸的海浪等自然环境，给人以身临其境的感觉。卡伦系统通过红外摄像机来跟踪、记录训练者身上的反光点（Marker）以获取运动信息。使用计算机构建人体模型，结合传感技术来实时呈现训练者运动肌肉的激活状态。在此过程中，系统通过D-Flow 软件处理可为训练者和康复师提供实时反馈，其中包含了患者在虚拟环境中完成治疗时的所有信息和相关身体参数。训练过程中，康复医师可根据病人情况，及时个性化地调整训练参数，并留存训练数据以供追踪。此外，卡伦系统支持多种外接设备、各种科室评定和治疗需求。但目前专业VE 系统多处于研究阶段，不仅价格昂贵，且场地要求高，不便于普及。

相比之下，CG 系统成本低、易获取，可面向家庭、社区使用。其中，Kinect 使用较为普遍的一款商业人体动作感知设备。该设备主要通过红外摄像头和RGB 摄像头来感知识别玩家及其动作，操控游戏人物，实现交互。先使用红外摄影机投射近红外照射人体和物体，红外摄像头读取其散斑，创建人体和物体的深度图像；再利用计算机图形视觉技术从中区分出人体和背景环境，利用机器学习算法进一步识别出人体部位，定出人体的20 个主要关节点，最终生成骨架系统，构造丰满的肢体，在屏幕上呈现出虚拟人。使用者通过肢体运动即可控制VR 游戏中的人物运动，而且，根据获取的关节点位置信息，可计算出关节活动度、速度等运动信息，供运动功能量化评估使用。

2 半沉浸式VR 技术在上肢运动功能康复中的应用

由于半沉浸式VR 的开放性、安全性以及灵活性，常被用在卒中上肢运动功能康复训练系统中。例如，基于商用虚拟设备（如Kinect、Wii 等）预留的接口，可针对性地开发设计出灵活多样的上肢康复任务，提升患者上肢关节活动度、运动灵活度和肌肉协同程度。针对卒中后患者普遍存在向前取物、够物困难的问题，麦王向[5]等人使用Kinect 设计了切食物和射击训练场景，引导患者完成屈肩、伸肘、内收和外展等组合动作训练，实验组在肩关节前屈、外展和肘关节屈曲互补角度关节活动度方面显著高于接受对照组。Mouawad 等人[6]利用Wii 游戏设备引导患者进行网球、高尔夫、拳击、保龄球和棒球训练,发现上肢主、被动关节活动度均有所增加。此外，官娉等[7]发现经10 天的VR 厨房任务训练后，患者肘屈伸力矩明显改善，且肘屈曲时肱二、三头肌的协同收缩率明显降低。这可能是因为VR 促使患者用患侧进行反复训练，神经突触连接增强，诱导神经运动通路皮质重组。随着VR 康复训练的有效性和优势被不断证实，VR 技术已被纳入卒中康复的七大重要技术之列。

半沉浸式VR 康复训练系统可灵活地与其他康复手段联用，利用VR 多感官刺激的优势，可以促进患者的大脑功能连接恢复和改善，增强大脑对肢体的控制，进而提高康复疗效。目前常联用的康复方法有镜像疗法、重复经颅磁刺激和经颅直流电刺激等。

（1）镜像疗法利用镜像视错觉，将健侧肢体运动影像反馈至患侧，产生具身化体验。通过强化对患侧肢体的意识，易化患侧运动皮质兴奋性，再建卒中后大脑半球间兴奋性平衡，重塑神经结构与功能，改善受损上肢的运动功能和运动表现。借助于VR 的多感官刺激，增强了具身化体验的切实性，唤起镜像神经元系统和行为观察机制，从而更好地发挥镜像疗法功效。Choi[8]等人使用半沉浸式LEAP 设备的手势识别功能，实现了手势识别镜像疗法（GR 镜像疗法），发现治疗组手功能评分和SF-8 量表评分显著高于常规镜像疗法组和对照组，且运动执行的速度和准确性也有所提高。

（2）重复经颅磁刺激（rTMS）利用强脉冲磁场连续规律地重复刺激大脑皮质，引发大脑兴奋性变化，调整皮质兴奋性异常，重塑大脑半球间平衡。然而，仅靠调控皮质兴奋性对于上肢康复是不够的，还需联合运动锻炼产生行为学效应。崔海超等[9]使用低频刺激健侧初级运动皮质，与半沉浸式VR 康复设备诱导的重复性运动训练结合，训练后患者的Brunnstrom 分期，Fugl-Meyer 上肢运动功能、简易上肢功能、改良Barthel 指数评分均显著提高，有效改善了患者的上肢运动功能。

（3）经颅直流电刺激（tDCS）使用直流电流来调节皮质区神经元静息电位阈下电位，改变初级运动皮质兴奋性。借助VR 的重复性外周训练，增强中枢正性反馈和输入，利用面向任务训练，促进皮质重组、提高神经系统可塑性，促进上肢功能改善。有研究使用tDCS 联合半沉浸式VR 智能手套进行训练，患者的盒块测试和Jebsen-Taylor 手功能评分、手灵巧度和日常生活手功能显著提升，而且认知和执行功能也得到有效提高[10]。

3 总结与展望

半沉浸式VR 技术能够为卒中患者提供安全有效的多感官富集交互环境，通过拟实的生活场景和有趣的训练任务，提升患者训练主动性和依从性。该技术的开放性使其可与多种康复手段联用，达到更好的康复效果，具有良好的应用前景。目前VR 康复技术仍处于探索阶段，临床干预结果差异性较大，且缺少评估VR 康复训练效果的特异性指标和行业统一标准。因此，需要进一步深入研究VR 在卒中后上肢康复中的作用机制，从而确定与卒中各时期运动能力相适应的规范化训练方案，以及与其他康复手段联用的最佳方式，提高康复疗效。