胡若愚

北京體育大學(xué) 北京 100084

引言

手是人類進(jìn)化過程中最萬能和最強(qiáng)大的產(chǎn)物之一，雙手是為我們聰明的大腦服務(wù)的完美工具。手部的損傷是很常見的，并且有些傷會(huì)留下后遺癥，這些損傷對患者造成的負(fù)擔(dān)是非常大，影響著日常生活、工作和學(xué)習(xí)。手功能的康復(fù)通常使用的是治療療程的形式，需要專業(yè)康復(fù)師來進(jìn)行，有局限性。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)開始在這一領(lǐng)域使用，不僅易于開展，而且可以取得良好的康復(fù)效果。

1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)技術(shù)的基本現(xiàn)狀

近年來，與臺(tái)式電腦和智能手機(jī)應(yīng)用程序相結(jié)合的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)和虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)訓(xùn)練系統(tǒng)已被用作傳統(tǒng)康復(fù)的輔助手段。這些技術(shù)提供了新的增加交互應(yīng)用中沉浸感的機(jī)會(huì)，這可以與其他游戲開發(fā)技術(shù)相結(jié)合，提高用戶黏性，最終使得整體體驗(yàn)大大改善[1]。

在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，計(jì)算機(jī)生成的圖形疊加在用戶的真實(shí)世界視圖上，為用戶提供關(guān)于所見物體的更多信息。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)通常通過特定用途的眼鏡提供，這些眼鏡被稱為智能眼鏡。有時(shí)也可以任何帶有屏幕和攝像頭的設(shè)備，如平板電腦或智能手機(jī)來實(shí)現(xiàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓觀察者沉浸在一個(gè)完全模擬的虛擬世界中，可以通過頭戴式顯示器、投影屏幕自動(dòng)虛擬環(huán)境來實(shí)現(xiàn)。更普遍地說，虛擬現(xiàn)實(shí)可以定義為任何基于計(jì)算機(jī)的設(shè)備，在顯示器或墻壁屏幕上提供視覺刺激，如電子游戲。與頭戴式顯示器相比，這些虛擬環(huán)境的沉浸度較低。AR/VR在治療多種臨床病癥方面的應(yīng)用迅速增長，這也表明，將AR或VR技術(shù)應(yīng)用于手部物理治療的將會(huì)變得更普遍。

2 手功能康復(fù)的主要受眾人群

在手功能康復(fù)中，大多數(shù)手功能受限的原因來自于：燒傷、中風(fēng)、骨折、擠壓傷、肌腱損傷、幼年特發(fā)性關(guān)節(jié)炎(JIA)、腦癱(CP)、臂叢神經(jīng)損傷、多發(fā)性硬化癥等，其中中風(fēng)更是占據(jù)了相當(dāng)?shù)谋壤?。這些損傷/疾病的嚴(yán)重程度介于中度和重度手臂損傷之間。其中大部分的康復(fù)對象為成人，且年齡偏大。一方面原因是，青少年兒童相比于成年人總是被保護(hù)得比較好，而成年人往往會(huì)進(jìn)行更多的勞動(dòng)，手部發(fā)生意外和損傷的風(fēng)險(xiǎn)較高。另一方面，中風(fēng)作為手功能障礙的主要來源之一，多發(fā)于成年人，在兒童當(dāng)中較為罕見[2]。

3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在手功能康復(fù)中的應(yīng)用

對于受到創(chuàng)傷或手術(shù)后恢復(fù)過程中功能受損的患者，康復(fù)極為重要。成功的康復(fù)方法需要適當(dāng)?shù)腻憻捄椭委熃M合進(jìn)行，以改善關(guān)節(jié)動(dòng)員和增強(qiáng)肌肉的能力，以恢復(fù)身體機(jī)能?？祻?fù)計(jì)劃是在醫(yī)院手術(shù)后立即開始的，出院后在私人/家庭環(huán)境中進(jìn)行。當(dāng)前的康復(fù)方式包括有監(jiān)督的鍛煉和無監(jiān)督的鍛煉，但是技術(shù)的進(jìn)步為該領(lǐng)域開辟了新的視野。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)，游戲化和遠(yuǎn)程康復(fù)正在吸引更多的手功能障礙人群進(jìn)入其中。

3.1 遠(yuǎn)程康復(fù)

傳統(tǒng)手部功能康復(fù)通常采取治療療程的形式。醫(yī)院康復(fù)的過程中，患者在物理治療師的指導(dǎo)下進(jìn)行固定時(shí)間的特定鍛煉。傳統(tǒng)療法的主要成本在于，需要專業(yè)人員陪同，在醫(yī)院，需要特定的儀器，預(yù)約特定的時(shí)間，大量精力耗費(fèi)在交通、排隊(duì)等過程當(dāng)中，同時(shí)治療的機(jī)會(huì)受限。因此，可能需要一個(gè)可擴(kuò)展的解決方案，也就是遠(yuǎn)程康復(fù)，基于家庭的技術(shù)已經(jīng)被提出來幫助病人進(jìn)行在家康復(fù)。在沒有任何專業(yè)人士現(xiàn)場支持的情況下，遠(yuǎn)程必須容易被患者理解和執(zhí)行。這通常會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)程康復(fù)中患者需要執(zhí)行一些簡單的重復(fù)練習(xí)。對于這種干預(yù)，患者進(jìn)行鍛煉的動(dòng)機(jī)是至關(guān)重要的。一旦患者無法堅(jiān)持，長期的康復(fù)可能無法實(shí)現(xiàn)。然而，有強(qiáng)有力的證據(jù)表明，這些限制可以通過一種更有趣、更吸引人、更愉快的形式來緩解。

3.2 游戲化

游戲化被定義為“在非游戲環(huán)境中使用游戲設(shè)計(jì)元素”，是一種很有前途的技術(shù)，已成功地用于在不同環(huán)境中驅(qū)動(dòng)動(dòng)機(jī)。電子游戲已經(jīng)被戰(zhàn)略性地用于多種疾病的治療，如惡心和小兒癌癥、焦慮管理、物理治療和身體健康、燒傷疼痛、糖尿病、哮喘、膀胱和腸道功能障礙。商業(yè)電子游戲在各種病理?xiàng)l件下的物理康復(fù)中的應(yīng)用，包括中風(fēng)、腦癱、帕金森病、平衡訓(xùn)練、體重減輕和衰老。電子游戲可以防止患者感到單調(diào)和無聊，增加動(dòng)力，提高對治療的堅(jiān)持，提供直接反饋，并且加大治療的訓(xùn)練量。

3.3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)采用的技術(shù)和設(shè)備

VR和AR旨在通過使患者相信他們不在真實(shí)的地方來欺騙患者的大腦。在VR中，患者可以與虛擬環(huán)境互動(dòng)并模擬現(xiàn)實(shí)生活中的活動(dòng)。除了傳統(tǒng)的頭戴式顯示器、投影屏幕或自動(dòng)虛擬環(huán)境外，大量的治療當(dāng)中還使用了不那么沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)和2D屏幕是最常用的。事實(shí)上，大部分的治療手段都使用了較少沉浸式的AR/VR系統(tǒng)。主要原因?yàn)檫@些系統(tǒng)方便、易于使用、不需要帶線的眼鏡或耳機(jī)、價(jià)格較低、更容易獲得。 完全身臨其境的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)仍然較少，而且價(jià)格昂貴，而顯示器相對便宜，易于使用。

每個(gè)病人都是不同的，需要特定的治療來滿足他們各自的需要。上述提到的大多數(shù)游戲都整合了類似的動(dòng)作，即：手指彎曲/伸展，手指外展/內(nèi)收，抓住和釋放物體的捏合和手腕彎曲/伸展。物理治療師的作用是確定每項(xiàng)運(yùn)動(dòng)正確的強(qiáng)度、重復(fù)次數(shù)和數(shù)量。

手部運(yùn)動(dòng)跟蹤是通過四種不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)的：智能手套、觸覺手套、攝像機(jī)和觸覺設(shè)備。隨著時(shí)間的推移，從使用遠(yuǎn)程控制器到使用提供自由手部運(yùn)動(dòng)的設(shè)備的演變是很明顯的。這些手部運(yùn)動(dòng)跟蹤器可以實(shí)現(xiàn)自然交互。它們允許與可視對象相關(guān)的動(dòng)作，通過指向感興趣的對象來代替鍵入的命令，并讓患者控制技術(shù)，避免復(fù)雜的指令使交互復(fù)雜化。

3.4 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與遠(yuǎn)程康復(fù)、游戲的結(jié)合

早年的遠(yuǎn)程康復(fù)局限在醫(yī)囑、電話、電子郵件以及視頻會(huì)議等形式當(dāng)中，手功能障礙的患者在康復(fù)的過程中往往會(huì)根據(jù)治療師的指示進(jìn)行一些簡單的抓握、伸展以及力量練習(xí)，較為枯燥，難以堅(jiān)持。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，可以將遠(yuǎn)程康復(fù)游戲化?；颊咴诩抑惺褂锰摂M手套進(jìn)行康復(fù)性質(zhì)的游戲。這些游戲的設(shè)計(jì)往往是有意義且具有挑戰(zhàn)性的，系統(tǒng)可以根據(jù)參與者的表現(xiàn)來調(diào)整任務(wù)的難度。這種挑戰(zhàn)在完成任務(wù)時(shí)提供了一種更好的成就感，并使得患者的積極性得到強(qiáng)化[3]。

這些技術(shù)減少了患者的住院時(shí)間和成本，并增加了可以同時(shí)治療的患者人數(shù)。這些康復(fù)模式的另一個(gè)的影響是患者與治療師之間可以直接地持續(xù)互動(dòng)。研究表明，遠(yuǎn)程虛擬康復(fù)可增強(qiáng)患者的動(dòng)機(jī)，從而改善對治療的依從性。

4 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行手功能康復(fù)的優(yōu)勢與局限性

研究發(fā)現(xiàn)在AR/VR干預(yù)下，患者的手功能有顯著改善。一部分的患者增加了拇指關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍，捏力和握力。一部分患者的改善表現(xiàn)在麻痹手臂的速度，運(yùn)動(dòng)的精確性，運(yùn)動(dòng)耐力和在執(zhí)行某些功能性日?；顒?dòng)的時(shí)候的效率。有少部分患者發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練后的上肢有改善，但在現(xiàn)實(shí)生活活動(dòng)中沒有。在過去的幾年里，有越來越多的研究報(bào)告了患者在許多臨床條件下使用VR的積極結(jié)果。

盡管患者的平均年齡較大，但很少有研究報(bào)告說玩游戲和物理治療師所建議的治療有困難。較年輕的患者比其他患者更愿意接受游戲訓(xùn)練，并傾向于經(jīng)常玩訓(xùn)練用游戲，以獲得更好的功能效果。有時(shí)候即使最初患者會(huì)猶豫是否要進(jìn)行游戲訓(xùn)練，親身體驗(yàn)后，幾乎所有的患者都想繼續(xù)玩。

4.1 優(yōu)勢

相比于傳統(tǒng)的手功能康復(fù)手段，虛擬技術(shù)的優(yōu)勢在于，一方面，作為媒介，它增加了患者與治療師的溝通，使得治療師指導(dǎo)的動(dòng)作能更準(zhǔn)確地在患者身上進(jìn)行。同時(shí)，它的趣味性可以吸引患者在治療當(dāng)中花費(fèi)更多的精力和時(shí)間在治療上。在效率和治療量上的提升，使得患者在手功能的康復(fù)上有著良好的效果。另一方面，虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程醫(yī)療，使得患者在家就可以進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，節(jié)約了用在交通上的時(shí)間和金錢，甚至可以做到一個(gè)治療師同時(shí)對多個(gè)患者進(jìn)行康復(fù)，這也節(jié)約了人力資源成本[4]。

4.2 局限性

虛擬技術(shù)應(yīng)用的局限性在于，雖然患者并不排斥使用游戲來進(jìn)行康復(fù)治療，但是大量老年人患者，在手部功能本身就受限的情況下，更不容易使用新技術(shù)，對它們的適應(yīng)性較差。這也是VR，AR，游戲化和遠(yuǎn)程康復(fù)的普及在高齡患者中受到限制的主要原因。主要的挑戰(zhàn)是改進(jìn)這些技術(shù)，使其易于使用并適合該人群。他們的技術(shù)應(yīng)該有針對性，經(jīng)驗(yàn)應(yīng)簡化以吸引患者。通過使用機(jī)器學(xué)習(xí)，可以根據(jù)患者的需求和能力定制鍛煉。此外，直觀的界面可以促進(jìn)虛擬技術(shù)的使用。

再有，觀看立體視像/游戲引起的暈動(dòng)病和不良事件也曾發(fā)生。最常見的癥狀是視覺疲勞、視覺不適、眼疲勞、視力模糊、頭痛、頭暈、意識(shí)混亂和定向障礙。曾經(jīng)也有患者因?yàn)轭^暈而退出。目前應(yīng)用在康復(fù)中的游戲大多較為簡單，完成的手部動(dòng)作較為相似，其中最頻繁的是抓握和釋放動(dòng)作，這可能也與暈動(dòng)病有關(guān)[5]。

5 結(jié)束語

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)并不是唯一的治療方法，而是可以用來增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)康復(fù)的新技術(shù)工具。在過去的十年里，AR和VR的應(yīng)用取得了一些顯著的成功。然而，用于手部康復(fù)的AR和VR系統(tǒng)還缺乏實(shí)驗(yàn)室內(nèi)外的研究和實(shí)踐。需要通過試點(diǎn)研究和對照試驗(yàn)進(jìn)行研究，使這些輔助性康復(fù)系統(tǒng)更加嚴(yán)格，并提高其臨床意義。期待增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在手功能的康復(fù)中扮演更為重要的角色。