虛擬現實技術在老年康復醫學中的應用研究進展

張麗，甕長水

21世紀是人口老齡化的時代，中國是目前世界上老年人口最多的國家。老年人患慢性病的幾率高，病情復雜，對康復醫療服務的需求迅速增長。實現從經驗型被動康復到科學型主動康復的模式轉變，對于老年人功能障礙的防治有重要現實意義。虛擬現實(virtual reality,VR)技術自20世紀90年代以來已經成為非常活躍的研究方向，為疾病診斷、康復治療、心理干預以及醫學教育培訓提供了一種新的方法，特別是在老年康復醫學領域有很大的臨床應用潛力。

1 虛擬現實技術的概念及分類

虛擬現實技術，又稱虛擬實境技術，是利用計算機系統、感覺反饋裝置及建模技術生成可直接施加于訓練者的視覺、聽覺和觸覺感受，并在專業裝備的輔助下，刺激人體對虛擬的環境或物體進行交互觀察與控制的技術[1-2]。虛擬現實技術主要包括3種技術構成[3]：①三維計算機圖形技術；②高清晰度及高更新速度的顯示技術；③采用多功能傳感器的交互式接口技術。借助這些特殊的呈現技術及輸入裝置，虛擬現實技術可以讓使用者產生身臨其境的感受。

與傳統康復設備相比，虛擬現實系統具有3個重要特征[2-3]：沉浸性(immersion)、交互性(interaction)和構想性(imagination)，強調人在虛擬現實系統中的主導作用，使信息處理系統適合人體的需要，并與人的主觀感覺相一致。

根據呈現模式的不同，虛擬現實技術可分為兩大類[2]，包括沉浸式虛擬現實(immersive virtual reality)技術(如使用頭盔式屏幕或感應式手套)和非沉浸式虛擬現實(non-immersive virtual reality)技術，后者是將影像呈現在計算機屏幕或投射到幕布上，屏幕越大，沉浸在虛擬實境中的感覺就越深刻。另外，虛擬現實系統還可根據其規模分為桌面型、頭盔型、洞空型、遙現型以及擴張型等[1]。

2 虛擬現實技術的作用特點及作用機制

康復醫學旨在通過多種手段，使患者的部分或全部功能最大限度地恢復，以獲得最大可能的生活自理、勞動和工作等能力[4]。盡管康復療法不一定能完全治愈疾病本身，但能夠改善癥狀，縮短病程，減輕患者的痛苦，已成為臨床治療中必不可少的一部分。老年康復治療的機理涉及到重復、反饋和動機3個關鍵環節[2]。依據現代動作控制與動作學習理論，人類所有的動作都具有任務取向的特點，是對環境或條件的變化做出的反應[5]。治療過程通過不同的環境下有意義的動作訓練與感覺回饋刺激，促進系統整合，進而達到康復效果[5-6]。目前常規的運動療法和作業療法一方面過于強調分解動作練習，無法提供有實踐意義的任務需求，難以訓練現實生活中的整合動作，具體表現為患者在醫院康復中學習獲得的動作能力很難適應日常生活的需求[7]；另一方面，訓練動作反復、單調、枯燥，患者很容易產生厭煩情緒，不利于治療的繼續和深入[8]；第三，康復評定是實現全面康復的前提與基礎，而現有康復設備的局限性使傳統康復治療還不能實現功能定量化測評、康復治療及心理治療的有機結合，在每次治療前，無法對受損部位的功能進行更為客觀的評定，不利于康復訓練計劃的制訂及調整[7-8]。

虛擬現實技術的優勢在于提供有意義的任務性訓練與精確的感覺回饋，可以確保受試者真實而安全的訓練環境，并包含重復練習、成績反饋和動機維持3個關鍵的訓練構成[7,9]。虛擬現實技術可以根據患者的心理狀態和病情需要，選擇相應的康復訓練場景和任務取向式康復作業，以多種反饋形式激發和維持患者重復練習的主動性，達到現實訓練中無法實現的康復效果[10]。這種接近真實而又更安全的康復訓練方式需要調動更多的注意力及思維能力，可以反映患者在執行復雜工作時可能出現的問題，緩解其恐懼緊張的心理，刺激并訓練患者的適應能力，使其更容易回歸現實生活。大量研究表明，患者能在虛擬環境中學會運動技能，并且能將其運用到現實世界的真實環境中。虛擬現實技術還可以設置虛擬的家庭化的日常生活環境，患者可如身臨其境一樣進行活動，即使在作業中出現失誤，也不會對患者的身體造成損傷[7,11]。虛擬現實技術提供的測評功能可實現康復訓練前后及訓練過程中對患者功能的量化評定，準確掌握患者的障礙現狀、殘存功能和潛在能力，有利于康復計劃和康復目標的制訂，從而保證康復訓練的有效性。虛擬現實能為患者提供兩種反饋：每次練習結果的實時反饋和一組練習結束后的成績反饋，及時進行功能測評可根據功能的改善情況實時調整訓練計劃和訓練強度，進而加強醫療人員和患者對治療效果的把握[12-13]。

總之，相較于傳統康復訓練方式，虛擬現實康復技術更接近最新康復治療觀念，不僅提供與真實世界相似的訓練環境和有意義的任務需求，還能在康復訓練前后對患者的功能狀態進行量化評估，同時能減輕醫療人員的工作強度。

3 虛擬現實技術在國內外老年康復醫學領域的應用

3.1 腦卒中 虛擬現實訓練通過在現實環境中難以控制和量化的刺激干預和任務取向性訓練，評估并增強腦卒中后老年人認知和運動康復效果，是虛擬現實技術在康復領域主要的應用方向，目前已具有相對成熟的臨床研究基礎。Yang[14]和Mirelman[15]等通過單盲隨機對照研究，支持沉浸式虛擬現實步態訓練對腦卒中患者綜合活動能力有改善作用，并證實感覺反饋的參與對康復效果有促進作用。Saposnik等通過小樣本隨機對照研究，證實腦卒中患者進行視頻游戲交互式虛擬現實模擬康復訓練的可行性、安全性和有效性[16-17]。腦卒中后患者在沉浸式虛擬現實中做跨越障礙物訓練后，步速、步長、走路耐力以及跨越障礙物的能力都有明顯進步，且實驗組在實際環境中的表現比對照組好[7,18]。對慢性腦卒中患者上肢功能進行虛擬現實康復訓練后，患者手指的關節活動度、抓握力量、精細動作及動作控制均有改善，而且治療效果可以維持20周[19-20]。通過虛擬小區環境配合力臺訓練與僅接受力臺訓練的效果比較發現，腦卒中患者在行走能力、平衡功能和心理狀態方面都進步得更加明顯[21-22]。

3.2 帕金森病 步態和認知功能異常是帕金森病患者常見的臨床表現，在完成復雜或多重任務時尤為嚴重。傳統訓練難以滿足復雜步態活動的要求。虛擬現實與動作學習理論相結合，可重現常見的居家活動環境，提供復雜環境中有意義的任務需求。Klinger通過超市場景的虛擬現實訓練，結合神經心理學評估，對帕金森癥患者及年齡匹配的受試者的認知功能進行評估和鍛煉，證實了虛擬現實評估與訓練的有效性[23]；Mirelman通過對有跌倒風險的帕金森患者進行加強型活動平板訓練結合跨越障礙的虛擬現實訓練，發現訓練后患者步速增加，認知功能評分增加，提示該訓練方案可改善患者的反應能力、步態及認知功能[24]。

3.3 平衡功能康復與跌倒預防 針對老年人的交互式虛擬現實康復方案更加注重平衡訓練中的感覺運動整合，尤其適用于感覺和認知功能受損造成的老年人平衡功能障礙[25-26]。Walker等通過功能性步態評估、Berg平衡量表和步行速度測試，證實虛擬現實平衡訓練能提供更真實的本體感覺和視覺輸入，并能有效改善患者的反應時間、姿勢穩定性、平衡和行走功能[27-29]。Suarez通過基于虛擬現實系統的平衡康復訓練6周后，26例跌倒高風險的老年人靜態和動態姿勢控制能力均有增強[30]。

3.4 其他 Riva等虛擬登山場景，用于脊髓損傷患者的康復，既訓練患者的運動功能，又增強患者的信心，取得了較好的效果[31]。而針對30例脊髓損傷患者分別進行結合或未結合虛擬現實場景的蹬車訓練，通過耐力、自感勞累分級等評估量表比較發現，基于虛擬現實技術的康復方案能有效緩解患者訓練過程中的緊張和疲勞狀態，有助于放松[32]。

我國虛擬現實技術研究始于上世紀90年代，目前已有一些探索和積累。閻麗等開發的“兒童視覺及智能虛擬現實訓練軟件”應用于弱視、斜視和學習障礙兒童的康復治療，已取得了階段性的成果[33-34]。清華大學研制的虛擬健身車以自行車騎行方式進行患肢功能康復，可量化分析患者鍛煉的效果和程度，并根據患者不同的狀態給予鼓勵、暗示、建議等不同的提示信息，有助于患者及時調整鍛煉方式，達到更好的效果[35]。

4 存在的問題及研究方向

雖然虛擬現實康復技術的可行性和有效性已得到初步證實，但現有研究大部分都是病例報道，受試者數量少，缺乏足夠的臨床隨機對照研究；研究樣本以75歲以下的中老年人居多，針對80歲以上的高齡老年人群的虛擬現實康復鮮有報道；其康復效果的長期效應也需要進一步觀察。此外，不同的臨床功能評估和疾病治療所需的場景模型和視覺元素不同，同種功能的評估和疾病的治療由于個體文化、心理狀態、認知、視覺經驗積累、年齡、性別、病情等差異，也需要不同的場景模型和視覺元素的整合。國外的虛擬現實系統需要經過修改、完善，才能滿足中國人康復治療的需要。最后，由于現有高質量的虛擬實境設備費用昂貴，體積龐大，在臨床上廣泛應用并進一步向家庭和社區推廣尚有待于多方面的努力。

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