虛擬現實技術在腦卒中后康復中的研究進展

程雅卓 綜述 陳卓銘 審校

暨南大學石牌校區，廣東 廣州 510000

腦卒中是全球第三大死因，也是第一大致殘原因[1]，腦卒中常導致多方面的功能障礙，包括運動障礙、認知障礙和言語障礙，嚴重影響患者日常生活能力，加重社會和家庭的經濟負擔[2]。傳統的康復治療往往需要耗費大量的人力和金錢，效率低下，過程枯燥乏味，不利于患者的長期康復。虛擬現實技術(virtual reality，VR)作為近年來發展迅速的新興康復治療手段，能很好地解決上述問題。

1 VR的概述

VR是一種利用計算機技術和交互設備(如頭戴式顯示器、手柄、手套等)人工創建一個接近真實世界的環境，允許一個或多個用戶與虛擬環境及其三維實體進行交互的技術[3]，具有沉浸感、交互性和想象力三大特點[4]。VR技術包括兩種類型：(1)沉浸式虛擬現實，通過結合計算機、頭戴式顯示器(HMDs)模擬真實的世界，這個世界會隨著參與者的運動而自然變化。然后通過使用專門的跟蹤技術來感知用戶的位置和運動，并將信息呈現給用戶，增加多感官刺激，使用戶產生沉浸在虛擬空間中的錯覺[5]。(2)非沉浸式虛擬現實，使用具有三維圖形環境的游戲系統，用戶可以使用鍵盤、鼠標或其他游戲界面設備與屏幕上的虛擬環境進行交互和導航，執行在現實世界中難以完成的任務[6]。

2 VR在上肢康復中的應用

2.1 對近端粗大運動的影響 腦卒中患者上肢運動功能障礙通常表現為肌力下降、肌張力增高、運動模式異常等，嚴重影響患者日常生活能力。有研究提出單獨的VR治療在恢復上肢運動功能方面并不比傳統治療更有效[7-8]，這可能歸因于所使用的VR技術和設備、VR游戲的難度、鍛煉持續時間和治療方法的差異。一項納入2 470例腦卒中患者的大型薈萃分析發現，VR作為輔助訓練手段結合傳統康復療法有助于改善上肢運動功能和日常生活能力[9]。YAO等[10]發現VR訓練結合經顱直流電刺激(c-tDCS)在減少腦卒中患者運動損傷、改善上肢功能和生活質量方面明顯優于單獨VR療法或者經顱磁電刺激干預。VR技術促進卒中后上肢功能恢復的機制是近幾年研究的熱點問題。MEKBIB等[11]將沉浸式VR游戲與鏡像反饋系統相結合，12例亞急性腦卒中患者在接受常規康復的同時進行VR訓練，4周后上肢運動功能明顯恢復。同時，靜息態磁共振發現VR組雙側半球初級運動皮層M1區的連接性增強，既往的研究證實雙側M1區的連接和上肢運動功能存在顯著的統計相關性[12]。KARIM等[13]認為VR訓練能夠增加初級皮層與顳上回等區域的血流灌注，激活控制上肢運動的區域，皮層神經的可塑性發生改變，有利于中風后上肢功能的恢復，但目前具體的理論模型仍不完善，需要進一步深入研究。

2.2 對遠端精細運動影響 VR系統多數適用于上肢大關節康復[14-16]。然而，在中風后偏癱康復過程中，上肢的功能恢復通常表現為近端到遠端的梯度，這導致手功能比手臂功能差[17]，患手精細功能的恢復是目前的難點之一，同時也嚴重影響日常生活[18]。WANG等[19]設計了一款可捕捉手腕及手指精細動作的VR系統，對13例亞急性腦卒中患者進行4周的手功能訓練，結果發現偏癱側拇指的運動范圍、手指肌力及分離運動速度均明顯改善，這表明該VR系統有助于癱瘓上肢手精細功能的恢復和靈活性的提高。在腦卒中后遺癥期患手力量的提升與上肢遠端精細功能的恢復存在顯著相關性[1]。YEH等[20]利用人機互動式虛擬現實任務—拾起硬幣、轉動鑰匙、移動小木塊對24例腦卒中患者進行手功能訓練，8周后FMI、WMFT、BBT均較前明顯改善，證實VR有助于腦卒中患者偏癱側手指力量、抓握能力及夾持功能的恢復。目前VR訓練在手功能康復中的研究不多，一方面缺乏統一且有效的評估工具，其次手功能康復短期訓練效果并不顯著，發揮治療效果的最短干預時間仍有待確定。

3 VR在下肢康復中的應用

3.1 對平衡功能的影響 最初用于平衡訓練的VR設備是一臺顯示器與自行車的組合，隨著科技及娛樂行業的發展，任天堂Wii系統、Xbox Kinect體感游戲等新一代VR設備逐漸應用于臨床康復。大量研究證實，VR在神經系統患者的平衡功能康復方面具有優勢[21-24]。PORRAS等[25]采用回顧性研究方法，系統分析某大型康復中心接受VR康復治療的167例腦卒中后平衡障礙患者的臨床資料，研究表明VR在平衡功能康復中是可行和有效的。該研究有助于VR向長期臨床實施的過渡。腦卒中后常遺留姿勢控制異常及偏癱側下肢的廢用而導致平衡功能障礙，增加跌倒風險[26]。D'ANTONIO等[27]使用沉浸式VR視頻游戲平臺對腦卒中患者進行平衡訓練，同時給予視覺刺激，15例患者站在平衡儀上躲避來自不同方向、不同速度的虛擬刺激物，經過6周的訓練，患者的動態平衡及姿勢穩定性明顯改善，但是對靜態平衡影響較小。KUMAR等[22]將任天堂Wii游戲機輔助虛擬平衡訓練系統(V2Bat)用于腦卒中患者的康復，訓練4周后與最初相比偏癱側下肢CoP位移顯著增加，研究表明該系統鼓勵患者在重心轉移導向性任務中增加偏癱側下肢的使用，減少錯誤代償姿勢，進而改善平衡功能障礙。

3.2 對步態的影響 腦卒中偏癱患者的步行功能障礙常表現為左右步長不對稱，步行速度緩慢，步長、步頻的減少。卒中后常由于肌肉異常激活模式，導致膝、髖關節僵硬，下肢肌肉無力，行走姿勢異常，從而限制了步行功能的恢復，增加跌倒風險[28]。VR可以通過營造類似真實生活的訓練場景,達到從訓練到生活的良好過渡。JAFFE等[29]比較了真實和虛擬場景對卒中患者步態的影響。VR組患者在跑步機上前進并跨越各種虛擬障礙物。對照組則在平地上越過真實的障礙物。經過兩周訓練，VR組的步行速度明顯優于對照組，且安全性更高。踝關節痙攣是影響卒中后患者步態不對稱的主要原因之一[30]，LUQUE-MORENO等[31]對10例偏癱患者進行基于VR的踝關節運動訓練聯合傳統康復治療，經過3周的訓練，腦卒中患者踝關節跖屈肌肉的痙攣狀態明顯改善，同時也增加了下肢肌肉之間的協調能力及運動控制能力，提高步行功能，有助于降低患者跌倒風險。

4 VR在認知康復中的應用

腦卒中患者的主要認知障礙包括視空間、知覺、注意力、記憶力、執行能力等。研究表明，腦組織具有可塑性，神經元突觸之間存在復雜的聯系，可通過康復訓練來改善腦認知功能，在虛擬環境中，聽覺、視覺、觸覺反饋信號增強中樞神經系統的再學習能力，促進神經可塑性，從而加快認知障礙的而恢復[32]。在過去的幾年里，VR康復技術已經發展成為改善認知功能的最有希望的治療方案之一，VR療法通常將認知任務納入日常生活能力(ADL)模擬的虛擬環境對卒中后患者進行認知訓練[33]。FARIA等[34]比較了個性化紙筆認知康復計劃如數字序列、單詞搜索、迷宮、水果分類等與ADL模擬的VR康復系統對36例卒中后患者認知功能的改善，結果表明VR組在注意力和執行功能方面的表現更好。最新的研究還證實了使用VR對中風患者進行運動和認知負荷訓練雙任務的優勢[35]，然而仍然沒有足夠數量的嚴格試驗在臨床上驗證，未來可以從此方向入手進行研究。

偏盲是腦卒中后常見的認知障礙之一。LORENZ等[36]將20例腦卒中后偏盲患者置于完全沉浸式虛擬現實超市中完成購物任務，并記錄正確的購物數量、購物時間及行走軌跡，經過6周的訓練后患者的視空間記憶及視覺搜索能力明顯改善，且情緒評估量表顯示患者的焦慮抑郁癥狀在游戲后有顯著的好轉，但是在視野恢復方面效果不佳，且研究存在性別差異性，治療長期效果不確定，進一步的研究需要評估VR訓練的“劑量”及其與腦卒中發作時間的關系。

記憶力受損是卒中患者認知功能障礙的核心癥狀，因此記憶障礙的評估及康復訓練尤為重要。基于VR的記憶訓練多為情景記憶訓練。GRéGORY等[37]認為導航任務是改善情景記憶的重要方法，他們利用虛擬環境，再現了實際城市區域的空間布局，要求20例卒中患者在虛擬城市中完成三種導航路線的記憶任務：(1)尋路任務；(2)路線繪制任務；(3)場景分類任務，經過一個月的訓練，患者的空間能力及情景記憶均得到明顯改善。前瞻記憶受損比任何其他形式的記憶受損更有可能影響獨立生活，因此，對患者前瞻記憶的評估應作為認知康復訓練的重點。然而，目前由于缺乏標準化評估工具，臨床上很難對前瞻記憶進行全面評估。BROOKS等[38]利用VRT軟件構建一間虛擬房間，42例腦卒中患者及40位正常人完成家具移除任務，并在訓練結束后立即回憶上述任務指令，填寫前瞻記憶主觀問卷，結果顯示患者前瞻記憶只有在虛擬現實的記憶任務中受到損害，這表明VR記憶評估比主觀量表對前瞻性記憶損害更敏感。VR記憶訓練很少涉及到工作記憶，需要以后的研究者來填補這一空白。

VR的認知康復系統通常適用于輕度認知障礙，而對中、重度的認知障礙效果并不好。除腦卒中外，該系統還適用于多種疾病導致的認知障礙的評估與訓練，如腦癱兒童、帕金森病、阿茲海默病等。

5 VR在言語康復中的應用

言語失用是卒中后語言障礙的表現之一，通常與非流利型失語癥同時存在，明顯影響口語的恢復，逐漸引起語言學家的廣泛關注[39]。焦歡歡等[40]設計了一種基于VR的言語失用康復訓練系統，該系統包括三個板塊，學習模塊采用虛擬人發音嘴型的形式模擬漢語中26個單音節發音嘴型動畫；訓練模塊和場景模塊通過SKD語音識別系統識別詞語和句子，能準確識別患者語音錯誤，準確率達87%，從而實現語音評估的功能。目前言語失用的虛擬現實康復系統臨床應用尚不足，訓練材料不夠豐富，未來需進一步對系統進行優化及升級。

卒中后的言語康復是長期的過程，住院治療的費用高，難以負擔，家庭言語康復顯得尤為重要。虛擬遠程康復是家庭言語康復的重要組成部分[41]。虛擬遠程康復將電腦和虛擬信息技術結合，患者只需通過虛擬網絡即可與治療師開展治療，不需要治療師與患者身體間的接觸，為長期卒中康復提供更多的便利和機會[42]。GRECHUTA等[43]利用家庭遠程VR康復系統對30例失語癥患者進行語言康復訓練，經過6個月的訓練，實驗組在理解、命名、閱讀、復述和計算等方面均有改善，但在寫作方面改善不明顯。該研究表明家庭遠程VR康復系統是腦卒中后失語癥患者出院后的一種有效的治療方法，不僅增強患者語言能力，促進心理健康，同時降低康復成本。

6 不足與展望

隨著科技的發展，VR療法會越來越多地用于腦卒中后康復。近年來娛樂行業廣受歡迎的VR游戲系統，如Wii任天堂和Kinect系統，由于低成本及趣味性，已廣泛用于康復治療。但是，這些類似游戲的系統只適用于有一定肌肉力量的患者，出于安全考慮，這些系統的使用僅限于臨床，為了積極用于家庭遠程康復，未來VR系統的設計不僅應增加沉浸感及趣味性，更應注重安全性及適用性。更值得關注的是，目前腦卒中后功能的恢復機制已經成為研究的熱點之一，虛擬VR訓練可能通過視覺、聽覺反饋激活感覺運動中樞以及重復導向性訓練促進大腦皮質重組及神經的重塑以實現運動功能的恢復，但目前的理論模型仍不完善，需要進一步影像學研究來論證。

VR作為一種新型康復技術，在腦卒中的康復研究還處于初級階段，已有的系統還存在一些不足：(1)VR康復是近年來發展的新興治療技術，臨床普及較少，各種產品仍不夠完善，訓練過程中常由于沉浸感不足及關節識別的滯后性，導致患者依從性差，訓練達不到預期效果。(2)臨床上的VR產品大多訓練肢體局部功能，缺乏整體性的VR康復系統，難以完全滿足臨床訓練要求。(3)多數關于VR的臨床研究樣本量均偏小，缺乏大樣本、多中心、高質量的隨機雙盲對照臨床試驗研究，其有效性仍待進一步考證，且臨床評估量表具有天花板效應，未來的研究應該增加樣本量和開發新的評估工具。