虛擬現實在平衡康復治療中的應用及研究現狀

韋宇煒 阿熱孜古麗·吾布力 何梓秋 何漢武 王俊華

人體的平衡功能是人類極其重要的功能。當前，許多國家存在人口老齡化問題，老年人數量持續增長，其中大部分患有腦血管疾病和神經系統疾病，使得其行走和站立存在功能性障礙，無法平衡身體。此外，有一些人遭遇交通事故等安全意外，出現平衡功能障礙。針對這些患者，傳統的治療方式包括治療師按摩、治療師指導進行平衡運動訓練、利用簡單訓練器械進行治療等，訓練無趣單調，治療效率低下。

虛擬現實（Virtual Reality），是一門涉及計算機仿真、反饋傳感技術、圖形學等多門學科的綜合集成技術。它由計算機硬件和軟件合成人工環境，使沉浸在虛擬環境中的用戶產生視覺、聽覺、觸覺上的體驗，并能夠讓用戶在計算機生成的虛擬環境中進行人機交互，給其一種身臨其境的真實交互感。醫療事業在不斷進步發展，近幾年虛擬現實（VR）在醫學臨床領域上有不少研究，如注意力缺陷、感知障礙、記憶障礙等認知康復，焦慮癥、抑郁癥等精神上的情緒障礙康復，運動障礙、平衡協調性障礙與多動癥等運動障礙康復等方面。這些臨床研究中應用了虛擬現實技術，并取得了較好的療效。

腦卒中、帕金森癥、注意缺陷多動癥、獲得性腦損傷等多種原因都有可能導致平衡協調性障礙，患者無法將空間視覺、運動控制、知覺運動、任務概念、反饋信息等因素有效地進行整合，因此他們缺乏生活自理的能力，這對自己及家人而言都是一種極大的不便。患有感知缺陷或者平衡功能障礙的患者能夠通過VR技術進行康復訓練，主要治療方法包括物理療法、作業療法、技能訓練、生活訓練、語言訓練和心理咨詢等。這些康復訓練使患者的精神及身體的部分或全部功能得到最大限度的恢復，從而達到最大可能的生活自理甚至恢復勞動和工作能力。

1 虛擬現實平衡康復訓練對比傳統康復療法

虛擬現實康復療法由Wann和Turnbull在1993年首次提出。與傳統下肢康復治療相比，虛擬現實的應用能夠讓患者通過虛擬的環境，產生身臨其境的感覺，這種沉浸讓患者的訓練變得有趣，能夠給訓練體驗帶來正向的驅動力量。

將虛擬現實應用于平衡康復治療有如下特點：（1）安全性：患者不用外出便可以在VR系統中模擬真實環境進行訓練，減免了在真實環境下操作失誤引發意外的可能性；（2）趣味性：能提供給患者豐富多樣的游戲式訓練方式，以及各式各樣的訓練場景；（3）反饋性：能夠在虛擬的環境添加很多反饋信息，讓應用了虛擬現實的康復訓練變得輕松有趣的同時，也能夠使患者的康復信息得到及時的反饋；（4）真實性：在虛擬的場景中訓練，可以讓感官受到刺激，患者在虛擬的訓練環境中訓練，并且能夠將訓練過程中練習的技能應用到日常生活中；（5）獨特性：應用了虛擬現實的康復系統能夠針對患者的治療方式進行個性化設置，將訓練與評測結合起來，做到因人而異。

2 基于虛擬現實的平衡康復治療在國外的研究應用

美國的IREX（Interactive Rehabilitation Exercise）交互式康復訓練系統，能將患者的實況視頻圖像置于虛擬現實世界中，同時跟蹤上下身體的關節運動、聯合運動和全身功能運動，如圖1所示。它用于平衡性障礙患者的重心轉移訓練、邁步訓練、保護策略等平衡功能。Kim等運用IREX對病程一年以上的腦卒中患者進行康復訓練，結果顯示患者的動態平衡能力顯著提高。

圖1 IREX交互康復訓練系統

以色列特拉維夫大學的Alon Kalron等使用荷蘭Motek Medical BV研發的一款運用了虛擬現實的CAREN（Computer Assisted Rehabilitation Environment）計算機輔助康復環境系統，為平衡功能障礙患者進行康復治療。如圖2所示，該系統由一個配有安全設施的活動平臺、一套顯示設備組成。患者在活動平臺上，與虛擬的馬路環境進行互動，馬路上會不定時出現一些障礙物，需要患者通過身體運動去躲避障礙，從而逐漸達到平衡功能康復的療效。Alon Kalron把32位患者隨機分配到運用虛擬現實技術進行康復訓練的小組或傳統康復訓練小組，結果表明，使用VR設備進行康復訓練后的患者擁有更好的伸展能力。

R.Llorens等開發出的BioTrak VR系統，擁有一系列針對身體各個部位的平衡康復訓練，包括姿勢控制和站立時的動態平衡等多種項目。BioTrak可以讓患者自行定制訓練項目、訓練時間及重復次數，實現針對不同患者的個性化治療。例如，圖3所示的項目是BioTrak里一個端坐時控制肩部姿勢的訓練項目，患者在系統中的形象為一卡通人物，患者通過肩部的活動，控制卡通人物去觸碰周圍的小球，以此訓練形式去恢復端坐時身體的平衡功能。

圖2 CAREN計算機輔助康復環境系統

圖3 BioTrak端坐肩部訓練

許多研究表明，與只接受傳統平衡訓練的患者相比，接受基于虛擬現實的平衡訓練的患者的動態平衡能力得到的改善更為明顯，立位下重心擺動也有更大幅度的減少，日常生活能力也因此得到更大提高。

3 基于虛擬現實的平衡康復治療在國內的研究應用

雖然國內對基于虛擬現實的平衡康復治療的研究起步較晚，但目前也取得了一定的成績，虛擬現實技術在國內的康復治療領域也得到越來越廣泛、深入的應用。

福建中醫藥大學附屬醫院林志誠等人，把33例存在平衡功能障礙的帕金森病人按照隨機數字分成治療組（18例）和對照組（15例），對照組的患者使用常規的平衡康復訓練進行治療，實驗組采用X-BOX體感游戲軟件中與平衡相關的虛擬現實游戲進行治療訓練，其中包括躲避障礙物、模擬穿越街巷、模擬踢足球、模擬駕駛等游戲項目。在經過每天1次、每周5次、共4周的訓練之后，采用Berg平衡量表（Berg Balance Scale，BBS）評定、計時起立-行走測試（Timed Up and Go Test，TUGT）來評定平衡功能，運用BioDex 平衡測試系統來評定總體平衡功能，采用Barthel 指數（modified Barthel Index，MBI）來評定患者的日常生活自理功能，以及記錄兩組患者治療結束后6周內的跌倒次數。研究的結果顯示，接受了基于虛擬現實技術的平衡康復訓練的患者的康復效果更為樂觀，跌倒次數也更少，其原因可能與虛擬現實技術提供了豐富的仿真環境，使得患者更易于融入真實生活。

南方醫科大學謝笑等人，選取南方醫科大學附屬珠江醫院40例腦卒中患者，隨機分配平均分成試驗組（20例）和對照組（20例），兩組患者在接受相同的神經系統藥物治療的基礎上，對照組接受傳統的平衡功能訓練，試驗組接受基于BioFlex-FP姿勢控制評估與訓練系統的平衡功能訓練。如圖4所示，BioFlex-FP系統融入了先進的傳感器技術與虛擬現實技術，通過融合便攜式數據采集顯示終端X5、四點壓力板、動作捕獲傳感器、虛擬互動訓練軟件等組件，能夠提高平衡康復訓練的趣味性、交互性及反饋性。對治療后的兩組患者進行BBS評估、TUGT評估以及平衡板測試，結果顯示，基于虛擬現實的平衡康復治療效果優于傳統平衡康復治療。

圖4 BioFlex-FP姿勢控制評估與訓練系統

武漢市漢口醫院康復醫學部楊珺等人，選取主要臨床表現為平衡功能障礙的小腦卒中患者71例，隨機分為觀察組（36例）與對照組（35例）。兩組患者均接受常規藥物治療的同時，對照組患者接受常規靜態平衡訓練，以靜態站立為主。觀察組使用BioRescue平衡評定訓練系統來進行靜態平衡訓練，通過與顯視器顯示的虛擬環境交互，進行重心轉移和穩定極限訓練，包括投籃、駕車、滑雪等虛擬游戲項目。兩組患者均接受每天2次、每次30min、為期4周的訓練治療。4周后對兩組患者進行測試，兩組患者的擺動有效面積、擺動路徑長度等值相比治療前均顯著下降（均p＜0.05），患者的穩定極限范圍LOS（Limits of Stability）值均顯著提升（均p＜0.05），其中觀察組的各項指標的改善狀況明顯優于對照組，這說明基于虛擬現實的平衡康復治療對比傳統平衡康復治療有更好的療效。

4 虛擬現實在平衡康復治療中仍存在的問題及展望

目前，基于虛擬現實技術的康復治療雖已在療效上取得了令人滿意的效果，但虛擬現實技術在康復治療領域應用仍存在一些不足：（1）沒有建立完善的相關治療評估；（2）包括傳感器等的硬件技術需要提升以更符合軟件的使用，改善患者動作與信號輸入之間仍存在延遲，導致患者出現惡心、嘔吐的情況；（3）虛擬現實技術的開發人員不僅需要深刻了解虛擬現實技術相關的軟硬件技術，還需要對人體的心理、生理，以及開發所針對的病理等有一定程度的認知；（4）硬件要求較高，設備制造成本昂貴，目前仍無法大范圍普及推廣。

傳統平衡康復治療枯燥乏味并且沒有全面及時的信息反饋，在加入虛擬現實技術后，康復訓練的趣味性顯著提升，患者能夠在與仿真的環境交互中恢復各項活動能力與生活技能。隨著虛擬現實技術的不斷發展，未來將康復治療領域的需求與虛擬現實技術、人機交互技術等新型技術交叉結合，一定能夠給患者帶來更好的康復治療效果。

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