孫然，張通

·綜述·

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在腦卒中患者平衡功能康復(fù)的應(yīng)用①

孫然，張通

本文簡(jiǎn)要回顧了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)、起源與發(fā)展及在康復(fù)中的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹其在腦卒中患者平衡功能康復(fù)方面的應(yīng)用及其療效，同時(shí)簡(jiǎn)要介紹目前國(guó)內(nèi)外常用的平衡功能的評(píng)定方法。

腦卒中；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；平衡功能；康復(fù)；綜述

[本文著錄格式]孫然，張通.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在腦卒中患者平衡功能康復(fù)的應(yīng)用[J].中國(guó)康復(fù)理論與實(shí)踐,2014,20(1):37-40.

腦卒中是中老年人的多發(fā)病，也是最常見(jiàn)威脅生命的疾病之一。調(diào)查顯示，隨著我國(guó)人口老齡化進(jìn)程的加快和腦血管病危險(xiǎn)因素的增多，腦卒中的發(fā)病率在我國(guó)呈逐年遞增的趨勢(shì)。由于診治水平的提高，急性腦卒中的死亡率顯著下降，但致殘率高達(dá)80%以上。平衡功能障礙是腦卒中患者最常見(jiàn)的功能問(wèn)題之一，平衡功能的恢復(fù)程度對(duì)患者步行能力及日常生活活動(dòng)能力的提高具有重要意義。本文重點(diǎn)就虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(virtual reality,VR)在腦卒中患者平衡功能康復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 概述

1.1 VR的特點(diǎn)

VR是一種新興且迅速發(fā)展的技術(shù)，屬于跨學(xué)科綜合集成技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等多個(gè)領(lǐng)域。它利用計(jì)算機(jī)的專(zhuān)業(yè)軟硬件和外圍設(shè)備，形成逼真的三維視、聽(tīng)、觸、嗅等感覺(jué)，使人作為參與者通過(guò)適當(dāng)裝置，與虛擬世界進(jìn)行體驗(yàn)和交互作用。使用者進(jìn)行位置移動(dòng)時(shí)，計(jì)算機(jī)可以立即進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，將精確的3D世界影像傳回產(chǎn)生臨場(chǎng)感[1]。VR系統(tǒng)具有沉浸(immersion)、交互(interaction)和想象(imagination)三大特點(diǎn)。沉浸是VR系統(tǒng)的核心特點(diǎn)，表示用戶能夠投入到由計(jì)算機(jī)生成的虛擬場(chǎng)景中，即用戶在虛擬場(chǎng)景中有身臨其境之感。交互是人機(jī)和諧的關(guān)鍵因素，表示用戶與虛擬場(chǎng)景中各種對(duì)象之間的相互作用。交互性包括對(duì)象的可操作程度、用戶從環(huán)境中得到反饋的自然程度，以及虛擬場(chǎng)景中對(duì)象依據(jù)物理學(xué)規(guī)律運(yùn)動(dòng)的程度等。VR不僅是一個(gè)用戶與終端的接口，而且可使用戶沉浸于此環(huán)境中獲取新的知識(shí)，提高其感性和理性認(rèn)識(shí)，產(chǎn)生新的想象。在計(jì)算機(jī)模擬的虛擬環(huán)境中，用戶會(huì)有身臨其境之感，通過(guò)傳感設(shè)備接受來(lái)自該環(huán)境的信號(hào)。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)可以精確記錄用戶的信息，并據(jù)此對(duì)虛擬環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)人機(jī)的交互作用[2]。

1.2 VR的發(fā)展

VR在20世紀(jì)80年代由Lanier提出，其在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用包括虛擬內(nèi)窺鏡、計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)治療、手術(shù)的方針與訓(xùn)練、醫(yī)學(xué)教學(xué)等[3]。進(jìn)入90年代，VR開(kāi)始在神經(jīng)科學(xué)及心理治療方面有了較多的應(yīng)用研究與發(fā)展。已有大量文獻(xiàn)提到VR對(duì)疼痛[4]，焦慮障礙如社交恐怖癥[5-7]、廣場(chǎng)恐怖癥[8]、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙[9-10]及其他特殊恐懼癥包括恐高癥[11-12]、懼飛癥[13-14]和蜘蛛恐懼癥[15]等取得很好療效。

VR也已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于康復(fù)評(píng)定和治療的各個(gè)方面。Holden等最早報(bào)道在腦卒中患者康復(fù)訓(xùn)練中使用VR[16]。他們?yōu)?例腦卒中后上肢功能障礙的患者制作了康復(fù)設(shè)備，包括1個(gè)運(yùn)動(dòng)跟蹤裝置、桌面顯示器和用于產(chǎn)生不同難度3D任務(wù)的軟件系統(tǒng)。在腦卒中患者的康復(fù)評(píng)定和治療中引入VR，為腦卒中患者提供一個(gè)與現(xiàn)實(shí)生活相關(guān)的環(huán)境，在這種環(huán)境中，患者能夠進(jìn)行有意義、有目的的訓(xùn)練。這種訓(xùn)練不是被動(dòng)的，而是患者主動(dòng)參與并與計(jì)算機(jī)進(jìn)行互動(dòng)，從而獲得運(yùn)動(dòng)技能的過(guò)程。目前，VR在國(guó)內(nèi)外主要應(yīng)用于改善腦卒中患者的上肢功能[17-18]，步行能力[19-22]及認(rèn)知功能[23]，例如注意力缺陷、記憶障礙、半側(cè)空間忽略等，在腦卒中后平衡功能康復(fù)方面的研究較少，需要進(jìn)一步研究。

1.3 VR用于康復(fù)訓(xùn)練的優(yōu)勢(shì)

VR可以提供多種治療場(chǎng)景和刺激，患者可以在安全的環(huán)境中進(jìn)行康復(fù)治療。例如訓(xùn)練患者的社區(qū)功能性步行時(shí)，患者無(wú)需去真正的社區(qū)。

VR系統(tǒng)可以根據(jù)患者的實(shí)際情況進(jìn)行治療過(guò)程設(shè)計(jì)，構(gòu)建不同難度的康復(fù)訓(xùn)練虛擬環(huán)境；同樣的場(chǎng)景和任務(wù)可以重復(fù)進(jìn)行。

VR系統(tǒng)能為接受康復(fù)訓(xùn)練的患者提供兩種反饋，包括每次練習(xí)結(jié)果的實(shí)時(shí)反饋和一組練習(xí)后的成績(jī)反饋，可以提高患者對(duì)結(jié)果的知曉感[24]。

VR系統(tǒng)給患者提供了極富真實(shí)性的虛擬環(huán)境，使其有身臨其境的感受，增加了任務(wù)的趣味性，提高了患者參與康復(fù)的積極性和主動(dòng)性，以多種反饋形式激發(fā)和維持患者重復(fù)練習(xí)的動(dòng)機(jī)。

VR技術(shù)提供了重復(fù)練習(xí)、成績(jī)反饋和維持動(dòng)機(jī)3個(gè)關(guān)鍵要素的技術(shù)手段。大量研究結(jié)果表明，患者能在虛擬環(huán)境中學(xué)會(huì)運(yùn)動(dòng)技能，并能將習(xí)得的運(yùn)動(dòng)技能遷移到現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)環(huán)境中。

2 針對(duì)平衡功能訓(xùn)練的VR設(shè)備

最早用于平衡訓(xùn)練的VR系統(tǒng)包括一輛固定的自行車(chē)和提供視覺(jué)虛擬環(huán)境的平面顯示器；研究發(fā)現(xiàn)在虛擬視覺(jué)空間騎行訓(xùn)練一段時(shí)間后，患者姿勢(shì)控制水平有很大提高[25]。雖然該系統(tǒng)為患者提供了一種相對(duì)安全的訓(xùn)練技術(shù)，但由于技術(shù)方面的不足，還存在自行車(chē)運(yùn)動(dòng)和視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等線索信息不匹配的問(wèn)題。隨著技術(shù)的逐漸發(fā)展，現(xiàn)階段的VR設(shè)備已越來(lái)越趨向于成熟。現(xiàn)介紹兩種國(guó)外應(yīng)用較多的VR設(shè)備。

2.1 IDEX[20,26]

這一系統(tǒng)由顯示器、視頻攝像機(jī)、紅外手套、虛擬物體、虛擬場(chǎng)景及大屏幕組成。視頻攝像機(jī)捕捉和追蹤身體的影像，受試者能沉浸于VR場(chǎng)景里，并與其中的虛擬環(huán)境和物體相互作用。這個(gè)系統(tǒng)優(yōu)于當(dāng)前其他類(lèi)型的VR系統(tǒng)，因?yàn)槭茉囌卟恍枰┐鞒林氐念^盔式錄像機(jī)(head-mounted device,HMD)、數(shù)據(jù)手套或其他與電腦相連的外圍設(shè)備以獲取數(shù)據(jù)。受試者可以通過(guò)在自由移動(dòng)來(lái)操縱虛擬環(huán)境里的虛擬物體。

該系統(tǒng)有3種可選環(huán)境，包括上下樓梯(step up/down)、躲避鯊魚(yú)(sharkbait)和滑雪板(snowboard)游戲。虛擬上下樓梯的游戲用于訓(xùn)練患側(cè)髖關(guān)節(jié)的屈、伸、內(nèi)收及外展運(yùn)動(dòng)，體重轉(zhuǎn)移以及單腿站立平衡。躲避鯊魚(yú)和電鰻的同時(shí)摘得星星的游戲用于訓(xùn)練體重轉(zhuǎn)移、邁步，保護(hù)策略及重心下移等平衡功能。跳躍障礙滑雪下山的游戲用于訓(xùn)練軀干的活動(dòng)性和靈活性，以及體重向?qū)?cè)轉(zhuǎn)移的控制能力。在每次游戲結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)都會(huì)提供訓(xùn)練結(jié)果、重量(抵抗力)增加的數(shù)值以及完成情況(例如運(yùn)動(dòng)質(zhì)量)的反饋。

2.2 Nintendo Wii Fit Plus[27-28]

該系統(tǒng)由一個(gè)平衡板游戲系統(tǒng)、一個(gè)操縱臺(tái)(通過(guò)一個(gè)聽(tīng)視覺(jué)電纜將它連接到一臺(tái)液晶顯示器上)、一個(gè)測(cè)力板(含有4個(gè)力傳感器)，以及一個(gè)加速儀(以控制器的形式)組成。它們?cè)谟?xùn)練過(guò)程中可以提供壓力中心(centre of pressure,COP)實(shí)時(shí)的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)反饋。平衡板游戲系統(tǒng)和顯示器之間的聯(lián)系通過(guò)藍(lán)牙協(xié)議建立。當(dāng)受試者站在裝有壓力傳感器的平衡板上時(shí)，顯示器上就會(huì)出現(xiàn)代表受試者位置的標(biāo)記，并且追蹤受試者的活動(dòng)，以此來(lái)提供視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)的反饋。除此之外，它還提供多種運(yùn)動(dòng)和反應(yīng)的觸覺(jué)反饋。該系統(tǒng)中用于平衡訓(xùn)練的游戲包括平衡水泡(balance bubble)、障礙滑雪(ski slalom)、跳躍滑雪(ski jump)、頭球(soccer heading)、面鋪瓦(table tiling)以及企鵝滑動(dòng)(penguin slide)，這些游戲涉及了向多個(gè)方向的體重轉(zhuǎn)移。

此外，還有一種VR平板訓(xùn)練[29]。它由普通平板、用于VR程序運(yùn)行和圖像顯示的帶有液晶顯示投影儀的臺(tái)式電腦，以及類(lèi)似于視頻游戲的VR訓(xùn)練程序等組成，主要用于提高患者步行過(guò)程中的單腿負(fù)重及體重轉(zhuǎn)移能力。

3 VR對(duì)腦卒中患者平衡功能恢復(fù)的效果

腦卒中患者的平衡功能障礙主要體現(xiàn)在：靜止站立時(shí)重心擺動(dòng)增加[30-31]；雙下肢負(fù)重模式不對(duì)稱[32-33]；根據(jù)具體任務(wù)的需要，身體重心自主有效地向各方向移動(dòng)困難[33-34]。腦卒中后偏癱患者靜止站立時(shí)，大部分體重都由健側(cè)下肢負(fù)擔(dān)；在日常需要雙下肢同時(shí)和對(duì)稱參與的活動(dòng)，如步行、上下樓梯時(shí)，患者盡力避免或不能將其體重由健側(cè)轉(zhuǎn)移到患側(cè)。已經(jīng)證實(shí)這些障礙是導(dǎo)致腦卒中患者跌倒風(fēng)險(xiǎn)增加的主要因素[35]。

Kim等應(yīng)用IREX系統(tǒng)激發(fā)腦卒中患者(病程≥1年)的訓(xùn)練積極性，提高與步行相關(guān)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)平衡能力。結(jié)果顯示，VR訓(xùn)練與傳統(tǒng)的物理治療相結(jié)合與單獨(dú)進(jìn)行物理治療相比，前者能夠顯著改善患者動(dòng)態(tài)平衡功能和步行能力[26]。但因?yàn)樽畛踉O(shè)計(jì)這些游戲的目的是刺激患者動(dòng)態(tài)姿勢(shì)控制，患者靜態(tài)平衡能力提高不顯著。

Cho等通過(guò)對(duì)22例慢性腦卒中患者(病程≥6個(gè)月)進(jìn)行的一項(xiàng)隨機(jī)對(duì)照研究顯示，每次30 min、每周6次、持續(xù)6周的訓(xùn)練結(jié)束后，接受在傳統(tǒng)康復(fù)治療的基礎(chǔ)上增加有Wii Fit平衡板VR平衡訓(xùn)練的11例患者與僅接受傳統(tǒng)康復(fù)治療的11例患者相比，動(dòng)態(tài)平衡能力有顯著的提高[27]。但該研究未能證明VR游戲?qū)o態(tài)平衡功能的康復(fù)效果。

該項(xiàng)研究中采用VR平衡訓(xùn)練涉及了向多個(gè)方向的體重轉(zhuǎn)移。Yang等發(fā)現(xiàn)，在動(dòng)態(tài)挑戰(zhàn)中習(xí)得的姿勢(shì)控制技能可能并不適用于維持靜態(tài)的姿勢(shì)穩(wěn)定性[29]。Winstein等的研究顯示，腦卒中患者在站位下控制姿勢(shì)時(shí)，需要使他們的運(yùn)動(dòng)減到最小，并一再努力維持質(zhì)心的位置[36]。因此，VR平衡訓(xùn)練并不能減少靜止站立時(shí)患者的姿勢(shì)晃動(dòng)，即無(wú)法訓(xùn)練患者的靜態(tài)平衡功能。此外，該項(xiàng)研究無(wú)法得出VR游戲是否比傳統(tǒng)康復(fù)更有效的結(jié)論，并且也沒(méi)有采用定量的指標(biāo)評(píng)價(jià)患者的動(dòng)態(tài)平衡能力。

Yang等選擇14例發(fā)病后即參加常規(guī)物理和作業(yè)治療的慢性腦卒中患者(病程≥6個(gè)月)作為研究對(duì)象，分為接受裝有VR場(chǎng)景的跑臺(tái)訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)組和接受傳統(tǒng)跑臺(tái)訓(xùn)練的對(duì)照組，結(jié)果顯示，VR跑臺(tái)訓(xùn)練可以改善腦卒中患者坐-站體位變換時(shí)的平衡功能；相較于傳統(tǒng)的跑臺(tái)訓(xùn)練，VR跑臺(tái)訓(xùn)練更能夠提高平地步行時(shí)患腿的負(fù)重能力[29]。但同樣，該訓(xùn)練也不能改善患者站立下的靜態(tài)平衡功能。

4 腦卒中患者平衡功能評(píng)定

目前評(píng)價(jià)腦卒中患者平衡功能的方法主要包括量表評(píng)定法和平衡測(cè)試儀評(píng)定法兩種。

量表評(píng)定不需要專(zhuān)門(mén)的設(shè)備，操作簡(jiǎn)易，容易掌握；主要缺點(diǎn)是結(jié)果受評(píng)定者的主觀判定的影響。目前國(guó)內(nèi)外臨床上常用的平衡量表主要有Berg平衡量表(Berg Balance Scale,BBS)、“起立-行走”計(jì)時(shí)測(cè)試(Timed Up and Go test,TUGT)、Fugl-Meyer平衡量表、Tinetti量表(Performance-oriented Assessment of Mobility)、Lindmark運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估表、腦卒中患者姿勢(shì)評(píng)定量表(Postural Assessment Scale for Stroke Patients,PASS)等。此外，Rivermead運(yùn)動(dòng)指數(shù)(RMI)、Carr-shepherd平衡評(píng)定表、上田敏平衡反應(yīng)試驗(yàn)、功能性前伸測(cè)試(Functional Reach Test,FRT)、跌倒危險(xiǎn)指數(shù)(Fall Risk Index,FRI)等也可用于平衡功能的評(píng)定。

平衡儀評(píng)定是近年研究較多的定量測(cè)定平衡功能的評(píng)定方法。它是一種通過(guò)測(cè)量受試者在不同狀態(tài)下各種平衡指標(biāo)的變化，并據(jù)此分析其平衡水平的一種測(cè)試設(shè)備，包括靜態(tài)平衡儀和動(dòng)態(tài)平衡儀，分別評(píng)定人體靜態(tài)平衡能力和動(dòng)態(tài)平衡能力。目前在國(guó)內(nèi)外較常用的平衡測(cè)試儀主要有美國(guó)的Balance Performance Monitor(BPM)、Balance Master、Equitest Balance Master等，其中后兩者不但可以對(duì)平衡功能進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)試，而且可以對(duì)具有平衡功能障礙的患者進(jìn)行訓(xùn)練，但由于價(jià)格過(guò)高，其在臨床上的推廣應(yīng)用受到限制。比較而言，BPM價(jià)格適中，性能穩(wěn)定，操作方便，具有較廣泛的應(yīng)用前景。

平衡測(cè)試儀為人體平衡功能的綜合判斷提供可靠而直觀的評(píng)定指標(biāo)，不但可以判斷平衡功能損害的病因及其程度，還可以評(píng)價(jià)治療和康復(fù)的效果，是目前平衡功能評(píng)定的理想工具[37]。應(yīng)用VR康復(fù)的文獻(xiàn)所涉及的技術(shù)設(shè)備僅包含平衡訓(xùn)練項(xiàng)目，無(wú)法同時(shí)對(duì)患者的平衡功能進(jìn)行評(píng)定。

5 問(wèn)題與展望

目前認(rèn)為，腦卒中恢復(fù)早期(發(fā)病后1～3個(gè)月)和恢復(fù)中期(發(fā)病后3～6個(gè)月)是功能恢復(fù)的最佳時(shí)期?；謴?fù)后期(發(fā)病后6個(gè)月～2年)功能恢復(fù)緩慢或停滯不前。因此我們需要進(jìn)一步選取病程1～6個(gè)月的腦卒中患者進(jìn)行研究。此外，現(xiàn)階段大多數(shù)較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈墨I(xiàn)中應(yīng)用的VR技術(shù)，其設(shè)計(jì)目的是為了提高患者的功能性步行能力，因此在改善患者體重轉(zhuǎn)移能力等動(dòng)態(tài)平衡功能方面的作用較為顯著。近10年沒(méi)有文獻(xiàn)顯示出VR平衡訓(xùn)練對(duì)靜止站立時(shí)腦卒中患者的姿勢(shì)穩(wěn)定性有顯著的改善。另外，由于相關(guān)的對(duì)照研究均是VR組與非VR組對(duì)照，或在傳統(tǒng)康復(fù)的基礎(chǔ)上增加VR訓(xùn)練，而無(wú)關(guān)于VR訓(xùn)練與傳統(tǒng)康復(fù)方法的直接對(duì)照，無(wú)法得出VR訓(xùn)練是否比傳統(tǒng)康復(fù)更有效的結(jié)論，目前只能認(rèn)為在傳統(tǒng)康復(fù)的基礎(chǔ)上增加VR可獲得更好的康復(fù)效果。今后的研究還應(yīng)該擴(kuò)大樣本量，使結(jié)果更具說(shuō)服力。

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Application of Virtual Reality in Balance Rehabilitation for Stroke(review)

SUN Ran,ZHANG Tong.Capital Medical University School of Rehabilitation Medicine,Department of Neurological Rehabilitation,Beijing Bo′ai Hospital,China Rehabilitation Research Centre,Beijing 100068,China

This paper briefly introduced the characteristics,origin and development of virtual reality,and the value for rehabilitation;reviewed the application of virtual reality in the rehabilitation of balance function after stroke.Some assessment commonly used for balance function were summarized.

stroke;virtual reality;balance;rehabilitation;review

R743.3

A

1006-9771(2014)01-0037-04

2013-10-14

2013-11-07)

中國(guó)康復(fù)研究中心科研項(xiàng)目(No.2013-16)。

1.首都醫(yī)科大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院，北京市100068；2.中國(guó)康復(fù)研究中心北京博愛(ài)醫(yī)院神經(jīng)康復(fù)科，北京市100068。作者簡(jiǎn)介：孫然(1989-)，女，漢族，江蘇鹽城市人，碩士研究生，主要研究方向：神經(jīng)康復(fù)。通訊作者：張通，男，北京市人，博士，博士生導(dǎo)師，主任醫(yī)師。

10.3969/j.issn.1006-9771.2014.01.010