虛擬現實技術在預防老年跌倒中的應用研究

陳美玲，潘志庚，宋建文，安 輝，湯慶豐

(1.杭州師范大學 醫學院，浙江 杭州 311121；2.浙江中醫藥大學 人文與管理學院，浙江 杭州 310053；3.中國美術學院 文創設計制造業協同創新中心，浙江 杭州 310024)

跌倒是指突發的、不自主的、非故意的體位改變，倒在地上或更低的平面上。根據2014年全國疾病監測系統死因監測結果顯示，≥65歲老年人跌倒死亡率為50.02/10萬，因跌倒死亡是該年齡人群因傷害致死的第一位死因。另據國外研究數據顯示，在≥65歲的老年人中，每年有1/3的老年人有過跌倒經歷，在≥85歲的老年人中，跌倒比例達到了1/2[1]。意外跌倒和跌倒損傷的概率會隨著年齡的增加而增加，它會導致死亡、殘疾、生活質量下降、個人及社會醫療支出增加等問題。老年人群跌倒的高發生率、高疾病負擔和可預防性特點使得開展其預防和干預工作顯得尤為重要和必要。

跌倒預防已成為一個迫切需要解決的公共衛生挑戰[2]。隨著科技的發展，一些新興的技術開始用于老年康復領域，其中以虛擬現實技術最為典型。雖然虛擬現實(virtual reality,VR)技術早在上世紀80年代就開始應用于娛樂應用，但是直到90年代才開始用于康復領域。VR技術通過提供精確的測評、輔助、監督、訓練等手段，保證了運動康復訓練的趣味性和有效性、患者參與康復訓練的積極性和主動性，克服了傳統運動訓練的局限。本文就虛擬現實技術在老年跌倒預防中的應用綜述如下。

1 概述

1.1 虛擬現實技術 虛擬現實是指采用以計算機為核心的現代高科技手段生成的逼真的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等一體化的虛擬環境，用戶借助一些特殊的輸入輸出設備，采用自然的方式與虛擬世界的物體進行交互、相互影響，從而產生親臨真實環境的感覺和體驗。虛擬現實技術具有以下特點，即想象性(imagination)、交互性(interactivity)和沉浸性(immersion)[3]。想象性是指通過虛擬現實技術可以將人類的想象力和創造思維最大程度地顯現出來。交互性是指參與模擬者可以通過模擬設備實現人與虛擬世界之間的完整交流互動。沉浸性是指通過模擬，可以讓參與者有更好的投入感，能夠全身心的投入到虛擬的環境當中。VR技術在沉浸水平上可分為三類：沉浸式、非沉浸式和半沉浸式[4]。常見的沉浸式輸出設備有外接式頭戴顯示器、一體式頭戴顯示器、頭戴手機盒子等，輸入設備有游戲手柄、動作捕捉設備、手勢識別設備、跑步機、方向盤等。

1.2 老年人跌倒

1.2.1 危險因素 老年人跌倒的主要危險因素包括生理因素、病理因素、心理因素、藥物因素、環境因素等。生理因素中可以改變的主要危險因素有肌力下降、步態障礙、平衡能力下降、認知缺陷等。①肌力，尤其是下肢肌力的下降是引起老年人跌倒具有臨床與統計學意義的最重要也是最直接的危險因素[5]，有研究顯示下肢虛弱的老年人跌倒危險性可增加5倍。②步態障礙。15%～20%的社區老年人有平衡和步態障礙問題。特別是步速慢的老年人，跌倒的幾率會顯著升高。③平衡能力與跌倒有密切關系，老年人進行平衡能力評測可以有效預防跌倒風險。④絕大多數研究認為認知缺陷是跌倒的一個危險因素，其中的短時記憶能力最能反映認知與跌倒之間的關系，對于>75歲經常跌倒的老年人來說是個獨立的危險因素。除上述因素外，還有相關疾病、感覺系統受損、維生素D缺乏、混雜用藥、近期跌倒史、環境因素等都是老年跌倒的危險因素。

1.2.2 干預方法 國內外學者多采用功能性評估量表、簡易平衡及移動能力的測評對跌倒風險進行評價，如計時起立行走測試(TUGT)、Berg平衡量表(BBS)、跌倒功效量表(FES)、特異性活動平衡自信量表(ABC)、Tinetti平衡與步態量表(Tinetti POMA)、活動步態指數(DGI)、四方步測試(FSST)、功能性步態評價(FGA)等。根據已有研究顯示，傳統的運動，如伸展、力量訓練、平衡運動和跑步機訓練、太極拳等，可以降低老年的跌倒風險。2017年中國康復醫學會老年康復專業委員會專家共識組、上海市康復醫學會專家共識組發布了《預防老年人跌倒康復綜合干預專家共識》，共識指出預防老年跌倒的主要手段包括認知訓練、肌力訓練、平衡、步態功能訓練、運動鍛煉、維生素D的補充、藥物的合理應用、改善居住環境等[6]。2018年美國預防醫學工作組(USPSTF) 對2012年USPSTF預防社區老年人跌倒建議進行了更新，發布了關于社區老年人跌倒的預防措施建議，USPSTF建議對≥65歲的社區老年人進行運動干預以預防跌倒(B級推薦)，同時也強調了多因素干預[7]。

2 VR技術用于預防老年跌倒的主要領域

2.1 降低老年跌倒風險的運動訓練 肌力下降與老年人耐力差，身體不活動，步態過緩和行動不足有關，下肢肌肉無力會使老年人跌倒的概率增加2～3倍[8]。世界衛生組織建議65歲以上的老年人每周應該進行150分鐘中等強度或75分鐘高等強度的體力活動[9]。Liao等[10]通過隨機對照實驗得出，基于VR技術的健身游戲和與傳統的運動訓練在增強患有帕金森病的老年人的肌肉力量、感覺統合能力和行走能力具有同樣的效果。在Hasselmann等[11]的研究中，跟傳統運動訓練組相比，VR訓練組顯著改善髖關節肌力和平衡控制。

基于VR的運動干預手段主要有：行走訓練、平衡訓練、有氧訓練、平衡加有氧訓練[2]。Mirelman[12]設計了用于降低老年跌倒風險的跑步機VR訓練系統。VR系統包括運動捕捉攝像機和計算機仿真投影，虛擬場景是專門為降低老年人跌倒風險而設計的，內容是日常生活中的各種障礙物，老年人需要不斷調整步伐才可躲避干擾物。干預主要通過調節虛擬障礙物的尺寸和出現的頻率、跑步機的速度、訓練持續的時間等實現，參與者行走時戴安全帶防止在訓練中跌倒。

老年跌倒預防運動干預的VR裝置主要有手持式慣性傳感設備(如Wii)、帶有壓力傳感器的平衡板(如Wii Fit)、攝像機運動捕捉系統(如Kinect)等。①Wii是日本任天堂公司 2006年推出的家用游戲主機，已經被一些醫生用于損傷的輔助治療，但是直接使用Wii游戲用于康復訓練會存在難度過高、缺乏對任務定制、分級和定量測量的問題[13]。②Wii Fit能夠檢測使用者產生的壓力，從而得到重量、平衡狀態等各方面數據，通過無線方式與Wii主機進行通信。③Kinect不需要使用任何控制器，它依靠相機捕捉三維空間中玩家的運動，由于它不需要傳統的游戲手柄，所以可能更適合老年人。Wii是早期用于VR運動訓練的最常見設備，現在的VR系統用的比較多的裝置是Wii Fit和Kinect。

圖1 基于Kinect的VR訓練系統體系結構圖

圖1為基于Kinect的VR訓練系統的體系結構圖。體系結構主要分為硬件設備、開發接口、應用程序三個層次。Wiemeyer等[14]指出針對老年人開發的健身游戲需要注意選擇適合老年人的游戲、選擇合適的裝置、設計合適的游戲強度等問題。Webster[15]指出kinect設備在老年人群中的應用主要在跌倒監測、跌倒風險降低和疾病的康復訓練。商業化的健身游戲具有低成本、易擴散等特點，很適合應用于個人居家環境中。

2.2 老年跌倒恐懼癥治療 害怕跌倒(fear of falling，FOF)，也稱恐懼跌倒癥，是指在進行某些活動時為了避免跌倒而出現的自我效能或信心降低[16]。跌倒恐懼癥在老年人中非常的常見，普通老年人的患病率為24%～55%，在有跌倒史的老年人中，患病率提高至24%～92%。FOF會引起老年人日后跌倒、活動受限及軀體功能下降、焦慮和抑郁、生活質量降低等[17]。根據Jung等[18]的Meta分析，FOF的傳統干預方法主要通過運動訓練、髖部保護裝置、聯合干預等。這些干預方法主要側重于對跌倒恐懼的平衡維度，而不考慮心理維度。Levy等[17]認為害怕跌倒是一種焦慮癥，應該進行認知行為治療。多項實驗已表明虛擬現實暴露療法(reality exposure therapy，VRET)是一種治療各種心理障礙如陌生環境恐怖癥、體像障礙、飛行恐懼癥，特別是治療戰斗有關的創傷后應激障礙有用的治療工具，VRET在老年群體中的應用首先要解決的評估這些技術在老年群體中的可行性和耐受性[19]。

Marivan等[20]在2015年首次評估了老年人跌倒后心理康復VR訓練系統的可行性和可接受性，他們在專業的心理學家和精神治療師指導下設計了用于跌倒恐懼癥治療的VR場景。在該場景中，兩邊的墻壁會不斷往后退，前面沒有盡頭，老年人需要通過操縱桿控制虛擬人平穩地走過長長的走廊。受試者對該VR系統給出了積極的反應，VR系統的易操作性、真實性、有用性受到了認可，但是該研究并未對VR技術用于跌倒后應激障礙的心理治療效果展開討論。Levy 等[17]通過實驗評估了融合嚴肅游戲和VR技術的VR暴露療法在治療跌倒恐懼癥的有效性。有跌倒恐懼癥的老年人被隨機分成實驗組和對照組，實驗組進行了為期12周的VR暴露治療，對照組采用傳統的干預方法。結果表明實驗組的FFM(害怕跌倒測量表)得分明顯低于對照組，但是該研究總樣本量比較少(16人)，同時沒有解釋其潛在機制。

3 VR技術預防老年跌倒的工作機制和優勢

3.1 工作機制 VR技術用于預防老年跌倒的工作機制與用于康復治療的工作機制類似，主要包含重復、反饋和動機3個關鍵環節[21]。重復是學會一項運動最基本的素質，但是僅僅重復的動作是不夠的，還必須獲得成功的反饋和體驗。視覺和本體感覺給予的反饋可以很好地強化練習者的正確行為，維持練習者的行動水平和積極性，并且可以得到很好的成功情緒體驗，使其不斷地練習最終掌握。

3.2 優勢 虛擬現實技術提供了重復練習、成績反饋和維持動機3個關鍵要素的技術手段，與傳統運動訓練相比，具體獨特的優勢。首先，沉浸感提高了運動訓練的趣味性和安全性。傳統康復機構的運動訓練受到時間、空間、人力和費用等方面的限制，而虛擬現實可以不受時空的限制并且可以提供很強的沉浸感，常用于一些復雜的、高風險的、高成本的任務訓練[22]。基于VR技術的健身游戲不僅可以實現傳統運動訓練的效果或者更好的效果，還增加了整個康復過程的趣味性和安全性，在虛擬環境中老人在運動中由于失誤造成的自身危險性大大降低。

其次，及時的反饋和監督增加了參與者的依從性。監督和反饋在康復運動過程中非常重要，它會直接影響康復的效果。Pompeu等[23]指出，很多慢性病的物理治療指南建議物理康復應該長期進行，但是因為重復性的物理訓練是很乏味的，這可能會影響病人對治療的依從性，因此VR訓練可以成為一個很好的替代。VR技術的反饋即包括訓練時的實時反饋也包括訓練后的成績反饋，這兩種形式的反饋有利于提高老年人對結果的知曉感。Hasselmann等[11]比較了在無監督的狀態下，康復機構的老年人傳統運動練習與VR技術的健身游戲在運動量平衡能力提高的差異，結論是健身游戲練習能夠以形式多樣的反饋不斷激發并維持老年人重復練習的動機，進而增加了訓練量、提高了平衡能力，它跟傳統的自主練習相比，擁有更大的優勢。

再次，多重因素干預提高了老年跌倒預防的有效性。傳統的運動療法多為單因素干預，而虛擬現實療法可以進行運動和認知等多因素的干預，多重因素干預提高了老年跌倒預防的有效性。Mirelman等[12]采用隨機對照試驗在五個國家的五個臨床中心進行研究發現，與僅跑步機訓練相比，同時改善機體運動和認知障礙的非沉浸式虛擬現實(VR)聯合跑步機訓練身體跌倒的發生幾率更低。該研究將五個臨床中心的302名前6個月內跌倒≥2次的60～90歲高風險的老年人隨機分配為跑步機訓練加VR組和跑步機訓練組，兩組患者均進行為期6周、每周3次、每次45分鐘的訓練。訓練前，兩組的跌倒事件發生率相似。訓練6個月后，跑步機訓練加VR組患者的跌倒發生率明顯低于訓練前，而僅跑步機訓練組改善不明顯[12]。

4 存在問題與展望

4.1 現有研究普遍存在方法學問題 雖然虛擬現實技術用于老年跌倒預防的可行性、有效性已經得到初步的證實，但是現有研究還是存在比較大的方法學問題。文中所列的相關文獻中，納入的樣本量最大的有302人[12]，樣本量最小的只有8人[20]，樣本量過低、質量不高是一個共性的問題。真正滿足隨機對照試驗(RCT)這個國際上公認為臨床防治性研究方法的金標準的文章非常少，其效果的推廣存在一定的局限；大多數的研究對象是有障礙或疾病的老年人，純粹關注健康老人的研究很少[24]；在VR干預方案的設計上理論依據不足，干預的時間設置比較隨意，干預時間長的有12周[17]，短的僅有10天[20]，缺乏規范化、系統化的跌倒預防的鍛煉措施，鍛煉的時間、頻率與強度沒有規范化的標準。未來的研究很有必要進行高質量的實驗，以充分顯示各組間跌倒率的差異、跌倒預防的效果、干預措施的成本效益等問題。

4.2 VR系統的適老化設計研究不足 老年人對于VR系統的使用跟年輕人相比有著特殊的需求，比如簡單的啟動按鈕和菜單導航[13]、導航速度的調節、隨時可以中斷或重啟游戲的按鈕、跟現實世界密切相關等[25]。Mendes等[8]指出患者在進行VR運動訓練后學習、記憶、學習遷移能力的提升主要依賴于游戲本身對參與者需要投入的要求、特別是認知方面的要求，所以在進行基于虛擬現實的運動訓練過程中，游戲本身的選擇顯得尤為重要。Liao等[10]、Mendes等[8]、Pompeu等[23]的研究中都使用了常見的VR健身游戲對老年人進行干預，這些健身游戲會存在適老化設計不足、康復目的性不強等問題。基于老年的VR系統需要健壯且易于操作的用戶界面、科學嚴謹的康復功能開發，這些系統的設計需要多學科研究團隊的參與，包括工程師、臨床醫生、人類學專家和認知心理學專家等，以應付這些VR系統開發工作所帶來的挑戰[15]。