虛擬現實技術在腦卒中康復的應用

謝冬陽+管華宗+張國輝

【摘要】 本文旨在介紹虛擬現實技術在腦卒中后遺癥，包括認知障礙、平衡功能障礙、步行功能障礙和上肢功能障礙康復中的應用情況。通過綜述近十年來應用虛擬現實技術于腦卒中后康復的研究，分析了虛擬現實技術的優缺點，并對虛擬現實技術在康復醫學領域未來的發展前景進行了展望。結果表明雖然虛擬現實技術應用于康復臨床仍有值得進一步研究的地方，但近年來的一些隨機對照臨床實驗研究表明，將虛擬現實技術應用于腦卒中后的康復是有效的。

【關鍵詞】 虛擬現實； 腦卒中； 康復

【Abstract】 The aim of the review is to introduce the application of virtual reality（VR） technology on rehabilitation for stroke sequelae including cognitive impairment，balance dysfunction，walking dysfunction and upper limb dysfunction.Studies of VR application on stroke sequelae conducted over the past ten years were reviewed，compared with the traditional rehabilitation methods，analyzed the advantages and disadvantages of virtual reality technology and prospected the future development of virtual reality technology in the field of rehabilitation medicine.The few randomized controlled trials that have been completed show that some applications are effective on the rehabilitation for stroke patients by virtual reality technology although further study is needed.

【Key words】 Virtual reality； Stroke； Rehabilitation

First-authors address：Yueyang Hospital of Integrated Traditional Chinese and Western Medicine，Shanghai University of Traditional Chinese Medicine，Shanghai 200437，China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2017.29.035

腦卒中（stroke）又稱腦中風或腦血管意外（cerebrovascular accident，CVA），是指急性起病，由于腦局部血液循環障礙所導致的局限性或全功能障礙，癥狀持續時間至少達24 h或者引起死亡的臨床癥候群。我國流行病學資料顯示，腦卒中患者在人口死因順序中居第二位，全國每年新發腦卒中患者約200萬人，每年死于該病的患者約150萬人，存活的患者人數（600～700）萬，存活者中有70%以上有不同程度的功能障礙，其中40%為重度殘疾。腦卒中的具體臨床表現為認知功能障礙、運動功能障礙、言語功能障礙、情感障礙和其他功能障礙等[1]。

虛擬現實（virtual reality，VR），是一種計算機仿真系統，可以用來創建和體驗虛擬世界。VR概念最早是由美國的VPL公司創始人Jaron Lanier于1989年提出的，經過將近30年的發展，VR已經集合了仿真技術、計算機圖形學、多傳感技術、人工智能技術、網絡技術等多種計算機前沿技術，具有現場感（presence）、交互性（interactivity）、沉浸性（immersion）、構想性（Imagination）等特點，因此又被稱為人工環境（artificial environments）、虛擬環境（virtual environments）、網絡空間（cyberspace）[2]。隨著計算機信息技術和人工智能的飛速發展，VR技術在娛樂、軍事、教育、工業、建筑、醫學等領域得到了廣泛的應用[3]。在醫學方面，VR技術為醫學教育和培訓、疾病診斷和治療、疾病的康復提供了全新的方法[4]。在康復醫學中，VR技術目前主要應用于腦卒中后的認知功能康復、平衡功能康復和上肢運動功能康復。

1 VR在腦卒中認知功能康復中的應用

認知功能障礙主要包括記憶障礙、失語、失用、失認、失讀、視空間障礙等[5]，是見于腦卒中、腦損傷、腦癱等腦部疾病的后遺癥，其中記憶障礙占45.4%[6]。傳統的認知功能康復方法，如運動療法、作業療法、物理治療、藥物治療和針灸治療等[7]。VR技術作為一種新的計算機虛擬工具，為腦卒中患者認知功能的康復提供了全新的治療思路與方法。

國外較早開展了VR在腦卒中患者認知康復方面的應用。Faria等[8]選擇了18名腦卒中患者進行對照研究，結果發現VR對腦卒中患者的認知功能康復是有效的。也有學者嘗試將VR應用在認知康復和其他方面的結合上，如Monica等研究將情感認知融入到VR運動康復訓練中，通過VR設備讓腦卒中患者用肢體的運動去完成在數張圖像中選擇出目標圖像并進行回憶任務。目標圖像對應著不同的情感特征，有積極的、中性的和消極的，有10名腦卒中患者參加了實驗，結果發現與中性圖像相比，帶有消極情感特征的圖像更加難以引起腦卒中患者的注意力，消極情感特征的圖像更加難以被正確地回憶，能夠獲得更多關于腦卒中患者情感和認知關系方面的信息[9]。endprint

國內最近也開始將VR應用在腦卒中患者的認知康復中，取得了不錯的效果。王大為等[10]應用Anokan-VR虛擬現實康復訓練系統對輕度認知功能障礙患者60例進行對照研究，結果發現VR在治療輕度認知功能障礙方面有一定作用。

國內在應用VR進行腦卒中認知康復的同時，還嘗試對其機制進行了探索和研究。如溫鴻源等[11]研究發現3DVR訓練能夠促進腦卒中記憶功能障礙患者海馬區腦組織代謝的改善。海馬是大腦記憶功能的重要結構，研究顯示海馬左側中的H-MRS與記憶功能障礙有一定聯系，這說明VR訓練可能通過改善大腦記憶功能的結構海馬組織來改善大腦記憶功能。

2 VR在腦卒中步行功能康復中的應用

步行能力是腦卒中偏癱患者運動功能的重要體現[12-13]，其中步行速度和穩定性則體現了步行能力的兩個方面[14]。腦卒中患者的康復目的之一就是恢復正常的步態和步行能力。

國外許多研究組織早已成功運用虛擬現實技術對卒中后的患者進行運動康復訓練，取得了一定的臨床資料和治療成果。如Dickstein[15]最先運用虛擬現實“虛擬人”對卒中后的患者進行運動康復訓練，結果表明提高了患者的康復速度。Deutsch等[16]開發了由腳踝關節運動控制的虛擬康復訓練程序，經過研究發現，利用虛擬現實技術使患者腳踝運動功能的康復速度得到了提高。You等[17]利用虛擬游戲系統來訓練患者的步行能力，結果發現，步行速度、社區中的行走距離，以及跨越的臺階數均有明顯增加。

國內將虛擬現實技術應用于運動康復中的研究也越來越多，并將VR康復與傳統康復的效果進行了對比。文獻[18-19]選取腦卒中后偏癱患者進行隨機對照實驗，對照組采用傳統運動康復療法，實驗組用VR進行康復，結果發現VR康復治療可有效改善由腦血管疾病造成的軀體、肢體運動功能障礙，提高患者的日常生活能力。

國內也有學者嘗試將VR訓練結合其他訓練同時進行，發現VR結合運動康復訓練也能取得很好的效果。林玲等[20]通過研究發現，VR結合減重平板訓練對腦卒中患者步行功能的改善作用優于常規步態訓練，并推測VR系統可能是通過激活并建立前額葉皮層與各運動皮層的神經連接來幫助患者加快了運動功能的康復。肖湘等[21]通過研究發現，VR結合同步減重訓練可改善亞急性期腦梗死患者步態的時間不對稱性和下肢Fugl-Meyer評分。金怡等[22]研究發現，應用VR技術輔助腦血管患者進行八段錦訓練，讓患者跟著圖形影音訓練的療效要優于常規步行訓練，改善了腦卒中患者的步行能力。說明VR輔助下的體育運動康復訓練增強了訓練效果，改善了腦卒中患者的運動功能。

3 VR在腦卒中平衡功能康復中的應用

平衡功能障礙是影響腦卒中患者恢復正常運動功能的多種障礙之一，腦卒中患者中50%～80%遺留有平衡功能障礙[23]，這是因為腦卒中患者由于高位中樞病變失去了對低位中樞的控制，常出現肌張力異常及運動不協調，從而影響軀干控制可站立位平衡恢復。平衡訓練可以改善腦卒中患者平衡和步行功能[24-25]，故平衡能力對于腦卒中患者運動功能的恢復十分重要。

國外的一些研究發現VR在腦卒中患者平衡能力康復方面可以取得不錯的效果。Yang等[26]研究發現VR結合跑臺訓練比單純的跑臺訓練在改善患者平衡能力方面可以取得更好的效果。Kim等[27]應用VR系統與傳統康復方法進行研究對比發現VR在改善患者平衡能力方面可以取得更好的效果。Cho等[28]通過對22名腦卒中患者進行隨機對照發現，參與VR平衡訓練的患者比接受傳統康復治療的患者在動態平衡能力方面取得了顯著的提高。

國內也有不少學者對VR平衡訓練與傳統康復訓練的效果進行了對比研究，文獻[29-31]對腦卒中患者進行隨機對照研究發現，基于VR的平衡訓練能有效提高腦卒中患者的站立平衡功能，尤其在長期的站立平衡功能上有顯著的促進作用，說明虛擬游戲訓練有助于改善腦卒中患者的平衡功能，可以作為腦卒中患者恢復平衡功能的訓練方法。

4 VR在腦卒中上肢運動功能康復中的應用

腦卒中后的上肢肢體功能障礙是患者及其家屬在后期康復中需要解決的主要問題之一。腦卒中后遺癥中最常見的是中風后的偏癱，痙攣性偏癱是常見的腦性癱瘓之一，占偏癱發病的36%，一般步行能力良好，主要遺留有單側上肢功能障礙。85%腦卒中患者在發病的開始就有手功能障礙，30%～36%的腦卒中患者在發病6個月時仍遺留有手功能障礙[32]，這對患者運動功能的康復十分不利，給患者的日常活動帶來了諸多不便，影響了患者正常的生活。

國外許多研究機構對虛擬現實技術應用于腦卒中患者上肢運動功能康復訓練進行了探索和研究。Jack等[33]開發出基于PC的桌面虛擬環境系統，并根據手部運動的具體參數設計出交互式的虛擬游戲應用于腦損傷患者手部功能訓練，3名腦卒中患者接受了臨床實驗，取得了很好的效果。Connelly等[34]利用VR結合充氣手套對腦卒中后手功能患者康復訓練，實驗結果表明患者在手腕關節活動和手掌收縮方面有所改善。Kayyali等[35]開發了一套針對腦卒中患者的虛擬康復系統，該系統結合有觸覺反饋作用的收據手套，并設計了不同的訓練場景來滿足不同的訓練需求。Godfrey[36]利用VR結合手部外骨骼機器人，對慢性腦卒中后手部痙攣患者進行康復訓練，結果表明患者的手指關節活動度都有一定程度的改善。

國內也有學者嘗試開發應用于腦卒中患者上肢功能康復的VR系統，如華南理工大學的伍平平[37]開發了一套針對腦卒中恢復期患者偏癱上肢運動功能康復的虛擬現實系統，該系統利用3DMAX構建了虛擬超市場景模型和虛擬手模型，并選擇了20例偏癱恢復期且有上肢運動功能障礙患者進行臨床實驗，臨床實驗結果表明虛擬現實系統對恢復期患者上肢的運動功能的恢復有很大的改善作用，能有效的提高患者的日常生活能力。endprint

VR在上肢功能康復的臨床應用效果方面，國內也進行了一些嘗試，如程秀艷[38]進行隨機對照研究發現，虛擬現實技術配合手功能訓練比單獨進行手功能訓練治療的痙攣型偏癱患兒的上肢功能的療效更好，可以更好地改善偏癱患者上肢功能和日常生活自理能力。

5 VR的優勢與不足

相對于傳統運動康復訓練的枯燥和單一，VR技術在康復領域中有如下優勢：（1）身臨其境感，投入感強。VR技術的特點之一就是沉浸性，可以讓患者在訓練時有身臨其境的感覺，這樣就能夠更加專注的投入到康復訓練中，從而提高訓練的效率。（2）輕松有趣。VR康復技術使用的各種康復訓練游戲，能讓患者在輕松愉悅的心理狀態下進行康復訓練，這能讓原本枯燥乏味的康復訓練變的更為生動有趣，同時VR康復系統也可以不斷開發新的程序，大大增強了康復訓練的樂趣，這對于減輕患者由于疾病帶來的心理問題，也是十分有益的。（3）便利性。VR訓練設備可以移動，方便患者在家中訓練，這對于開展社區康復和家庭康復十分便利，從而減輕了康復患者對醫護人員和家屬的依從性，節約了醫療資源。（4）訓練直觀，便于操作。VR康復系統通過形象直觀的圖像來引導患者進行任務訓練，這對于患者理解訓練內容和任務十分有利，尤其是對于有語言理解障礙的患者，減輕了醫患之間的溝通難度，從而使得康復訓練能夠更加順利的進行。不足：（1）多是局部訓練，缺少針對整體功能的產品開發。目前用于康復訓練的VR系統，多數只是針對患者某一種運動功能進行設計和應用，還沒有涵蓋整體功能方面的產品。（2）交互性和沉浸感不足。用于康復的VR系統交互模式還比較單調，沉浸感設計方面的模式也較為單一，互動體驗模式也不夠豐富。（3）臨床應用較少，還處于產品研發階段。作為一種新興的技術，VR康復系統在臨床上的應用才剛剛開始，多數產品還在研發階段，臨床應用方面還有待推廣。（4）對環境的安全性要求高，VR訓練設備多需佩戴特殊的頭戴式眼鏡，這就使患者對真實的環境信息的識別和確認存在一定的風險，加上腦卒中患者多伴有運動功能障礙，因此就需要在陪護者的輔助下進行訓練，以免發生危險事故。

6 VR在康復醫學中的前景

隨著人工智能技術和計算機虛擬網絡技術的發展，以及越來越多的老齡化人口和日益增多的康復患者，VR技術的優勢使其將在運動康復、神經康復、肢體功能康復等領域大有可為。高盛預測報告顯示，到2025年，VR市場規模將高達800億美元，其中醫療健康領域將占51億美元，用戶數約320萬。基層康復醫療資源的短缺，尤其是康復醫生的不足和康復技術的短缺，為VR在康復中的應用提供了廣闊的前景。社區康復和居家康復的開展與推廣，也為VR的應用提供了充足的空間。除了康復的臨床需求，康復醫學生的學習需求，尤其是康復醫學對于從業者在操作技能方面的熟練掌握，也使得VR在康復醫學院校和康復專業的教育方面的應用前景十分廣闊。相信隨著技術的進步，資金的投入和康復市場的不斷擴大，VR將在康復醫學中發揮越來越廣闊的作用。

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（收稿日期：2017-08-09） （本文編輯：程旭然）endprint