虛擬現實在腦卒中康復中的應用及展望

陳雪婷 姚黎清 李旺祥 李政超 毛銳濤

昆明醫科大學第二附屬醫院康復醫學科，云南昆明 650000

腦卒中是我國致死率和致殘率最高的疾病，在全球范圍也分別位列第二和第三位[1]。腦卒中后常遺留運動、感覺、認知、言語和吞咽等多種功能障礙；康復醫療在我國起步較晚，多數地區康復手段還較為單一，各級醫院康復資源有限，亞專科覆蓋面較窄且住院周期短暫導致患者在漫長的恢復期中很難得到連續規范有效的康復訓練，日常生活不同程度受限，給家庭和社會帶來沉重的負擔。

虛擬現實（virtual reality，VR）技術，又稱靈境技術，是20 世紀發展起來的全新的實用技術，它將計算機、電子信息、仿真技術結合一體，使虛擬環境具有與真實環境相似的沉浸感[2]。近年來，VR 技術被認為是康復治療領域中最具潛力的新技術之一，現已嘗試用于促進腦卒中患者多方面的功能康復。本文將結合目前VR 技術在腦卒中康復中的應用進展，探討運動和認知在腦卒中后高級運動功能恢復中的關聯，繼而根據現階段的相關研究提出一些意見與建議。

1 VR 技術

1.1 VR 技術與康復

VR 技術早期主要應用于軍事領域，供士兵在虛擬環境內進行戰術和團隊協作等科目訓練。目前，民用方面可提供此技術且較為成熟的廠商和設備包括任天堂（Nintendo Wii）、微軟（Xbox Kinect）、索尼（PlayStation VR）及宏達（HTC VIVE）等。近年來康復醫學領域開始嘗試利用VR 技術促進腦卒中患者的功能恢復[3]。一套VR 系統通常由特定的軟件程序、輸入/輸出及外圍設備組成，利用仿真技術與計算機圖形學、人機接口技術和多媒體技術等讓用戶通過輸出設備接收到由計算機程序所構建的虛擬環境，再通過捕捉設備（體感手套、操縱桿、鼠標）將用戶的手勢、動作、表情、語音，甚至眼球或腦電波等人體產生的反應由輸入設備傳入電腦，電腦重新計算并依據真實世界規則對虛擬環境進行調整，再傳遞給用戶實現實時互動，如此反復使用戶感受到身臨其境般的沉浸式體驗。已有研究顯示，在功能改善方面VR 技術較傳統康復治療具有更佳的促進效果[4-5]。

1.2 VR 技術的優勢

1.2.1 適合我國目前的腦卒中康復現狀 VR 技術的使用和操作較傳統康復治療技術簡單，并有一定趣味性和激勵作用，在獲得訓練相關參數反饋后及時做出相應調整，可輔助或替代部分人工治療。隨著5G 通信技術的推廣，可以利用智能手機、平板電腦、遠程醫療中心等多媒體通信設備，將患者、照護者與專業的康復團隊聯系起來，提供個性化的VR 家庭治療方案，通過實時監控來滿足腦卒中康復治療需要重復、強化、以目標為導向等要求[6]；從而弱化目前普遍存在的住院周期短，康復從業人員水平參差不齊的現實壁壘，讓患者出院后能繼續接受持續有效的康復治療。

1.2.2 患者高參與度，訓練效率提升 在澳大利亞和國際卒中指南中VR 技術被推薦作為改善運動和功能結局的可行輔助治療[7]。與傳統康復治療手段比較，使用VR 技術進行功能訓練的患者具有更高的參與度[8]。VR 技術能夠讓患者在更高強度的治療下參與功能任務的模擬實踐，隨著時間的推移自動評估運動表現，靈活地縮放任務限制，以及各種獎勵模式，幫助患者保持較高的依從性[9]，并通過改善患者的參與水平和自主性培養治療過程中的幸福感[10]。此外，VR 技術可以改善大腦皮層功能或再激活，并優化感覺皮層的信息處理功能[11-12]。

2 VR 技術在腦卒中康復中的應用

2.1 上肢運動功能

統計顯示，約50%的腦卒中患者其功能障礙會伴隨終生，約40%的腦卒中患者個體日常生活為重度依賴[6,13]。由于大腦皮層控制區對人體各部位包括運動精細程度在內的多種功能調控存在差異，以及上下肢功能需求的不同，上肢通常比下肢更難恢復。Choi 等[6]開發了一種運動類的VR 游戲程序來替代一部分由作業治療師進行的常規作業治療以促進上肢運動功能的康復，治療兩周后，偏癱上肢的運動功能和患者滿意度較傳統訓練模式顯著提高。Ikbali 等[14]利用微軟Xbox 360 Kinect 地VR 視頻游戲進行試驗發現，4 周后實驗組上肢Brunnstrom 分期和Box&Block Test（箱塊測試）改善明顯高于對照組。Lee 等[15]利用基于劃艇游戲的VR 系統為亞急性期腦卒中患者進行康復訓練，5 周后實驗組的改良功能性前伸測試、手功能測試均有顯著改善。相反，?gün 等[16]利用基于上舉（特指上肢在空中擺動的動作）的VR 游戲對缺血性腦卒中患者進行上肢功能訓練，包括融入了日常生活活動能力任務導向性的四項訓練：①抓握游戲；②融合上舉動作的游戲，如用樹葉和水果裝飾一棵樹；③廚房體驗，如炒菜、加入調味品等任務；④擊鼓游戲（訓練上肢屈曲和伸展）。結果顯示，VR 似乎能夠改善上肢功能和自我照護技能，但對功能獨立性沒有明顯改善。Brunner 等[17]研究發現，在亞急性期腦卒中患者上肢功能恢復方面VR 訓練并不優于額外的常規治療，但二者具有同樣的效果，VR 可以作為常規康復治療的一種輔助或替代手段，有著節省人力、物力，增加患者主動性、安全性、趣味性兼具治療方案個性化的優勢，可以實現患者出院回歸社區后繼續獲得專業有效的訓練以改善功能，提高獨立生活能力和社會參與度。

2.2 平衡功能和步態

腦卒中后本體感覺、姿勢控制和平衡等功能障礙導致患者出現中至重度的跌倒風險，嚴重影響其日常生活和社會參與能力。de Rooij 等[18]研究顯示，加入VR 訓練較傳統的平衡、步態訓練更具改善效果；另一項研究通過觀測10 米步行試驗、計時起立行走測試、Berg 平衡量表和Mini BESTest 等指標，證明VR較傳統康復治療對腦卒中患者的平衡和步態有顯著改善[19]。一方面用VR 訓練代替部分或全部傳統訓練在步速、平衡和綜合運動功能方面均有明顯改善；另一方面VR 用于康復的后續成本較少，就社會層面而言，VR技術節省了大量人工和時間，提供了便捷且較為正規的康復治療；就患者家庭而言，VR 技術降低了后續治療的經濟成本且不受時間場地限制，個性化的訓練方案正向促進康復進程[20]。與此相反，也有研究表示與傳統的物理治療比較，VR 技術在改善亞急性期和恢復期腦卒中患者的動態平衡和預防跌倒方面可能有效，但不一定優于傳統治療[21]。一項中等證據強度的研究顯示，對于恢復期的腦卒中患者，VR 技術相比于傳統訓練具有顯著增益作用，但對于急性期或亞急性期的患者平衡功能的影響尚不清楚，有待進一步研究[22]。

2.3 認知功能

高達80%的腦卒中患者存在認知障礙，表現在再入院率和死亡率的增加，同時也加重了醫療資源的壓力[23]。Faria 等[24]通過Reh@City（在模擬城市中將記憶、注意力、視覺空間能力和執行任務整合到一些日常事務的執行中）進行對照研究，以Addenbrooke 認知評估量表為主要觀測指標，證明VR 技術較傳統療法在整體認知功能、注意力和執行功能方面有更大的改善。Rogers 等[9]發現，使用定制的Elements VR 系統（需要患者調動注意力、推理和解決問題能力來辨別任務要求并推斷出完成任務的正確方法）對21 例亞急性期腦卒中患者進行對照研究，1 個月后，實驗組蒙特利爾認知評估量表、格羅頓迷宮學習測試和神經行為功能調查表得分明顯優于傳統治療的對照組，并在隨訪中得以維持，提供了基于游戲設計的VR 系統對于腦卒中患者的認知功能恢復具有正向作用，且優于傳統治療的有力證據。Maier 等[25]發現僅針對某一特定認知能力的訓練遠遠不能滿足日常生活活動的需要，也不能充分刺激和訓練大腦潛在的認知過程，通過沉浸在多模態任務環境中的虛擬角色，從第一人稱具象化的角度提供游戲化任務導向，對隨機分組的38 例患者進行自適應性連接認知訓練，實驗組在注意力、記憶、執行功能和空間意識計算方面的表現均優于常規對照組，結果有力地證明了VR 對于恢復期腦卒中患者的注意力和空間意識以及抑郁情緒有積極影響。此外，Wiley 等[26]薈萃分析結果表明，VR 治療在改善腦卒中患者認知能力方面并沒有明顯優勢，未來的研究應該包括高質量有力的試驗來檢驗VR 治療對腦卒中后認知的影響。

2.4 運動與認知

VR 技術對腦卒中后恢復期患者的上肢運動功能康復具有顯著促進作用，上肢運動功能的恢復需要多樣化和重復指定任務，認知損害程度和認知訓練效果與腦卒中患者運動功能恢復之間有著重要關聯，上肢運動功能的恢復相比較下肢更容易受認知的影響，認知障礙越嚴重，上肢運動功能恢復越差[27-29]。運動導向的VR 訓練可改善腦卒中患者的注意力和記憶[6,30]。研究者使用Reh@Task（結合了手臂伸展，注意力和記憶訓練的一項VR 技術）對24 例認知和運動障礙恢復期的腦卒中患者進行對照試驗，使用VR 技術進行認知和運動訓練的患者Fugl-Meyer 評分、改良Ashworth 量表、Barthel 指數均優于常規治療組，結果支持了結合運動和認知訓練的VR 工具的可行性[31]。Kannan 等[32]使用任天堂Wii（一款包含四個運動任務的VR 游戲）評估了認知運動訓練的療效，患者站在帶有測力功能的平衡板上，同時進行三個不同的認知任務，反復提醒患者對平衡和認知兩者給予同等關注，每場訓練結束后給予分數反饋，作為運用VR 進行運動認知訓練可以有效改善平衡控制和認知（意識和反應、執行功能和注意力）的證據，外界對注意力的干擾與自我能力認知的不足會對腦卒中患者的運動表現造成一定影響，因此在卒中患者運動和認知功能的訓練中還應考慮二者之間的關系和影響[33]。

3 總結與展望

盡管有很多積極的研究結果，但仍有一些問題需要正視，一是患者通常存在多方面的功能障礙，僅僅關注運動或認知某一方面的治療可能無法解決作為一個整體調控中樞的神經學問題；二是目前針對VR的應用研究結局指標的選擇較為單一，規模較小，得出的結論還不夠全面，證據等級還不夠高。目前對于腦卒中后運動功能和認知功能的獨立研究較多，且研究也已經發現二者之間存在的相互影響，但機制尚未明確。既往對于運動認知的定義在于心理層面是如何計劃和產生技能動作，關注動作的準備和產生階段以及再認知、預期和對他人動作的解釋[34]，基于腦卒中后運動和認知二者之間的相互影響，我們試著將腦卒中后的運動認知詳細化，是指個體對運動表現的自我認知，對自身能力與運動強難度之間契合度的認知水平，同時包括個體對周圍環境，時機和對完成目標任務的影響因素的綜合判斷能力。例如判斷在跨上一級臺階時下肢各關節應該如何協調抬至合適的高度、支撐側軀體及下肢能否維持身體平衡，拿起一塊豆腐需要用多大的力量；這些都需要個體對自身能力是否滿足所執行的任務有正確的認知，類似于運動的前饋控制作用。VR 技術已經被應用于體育領域（運動員）運動認知的研究[35]，醫療領域對運動認知的關注少之又少，在現代Bobath 理念中[36]，理解高效的運動功能是理解臨床推理的根本，幫助患者加深對運動的理解是康復的關鍵，高級運動認知有助于患者理解高效運動，轉換到臨床實施中可以具體為姿勢控制，姿勢控制是高效運動的根本，這其中包括了如何選擇最佳的平衡策略，形成正確有效的運動模式、速度和準確性以及力量和耐力，我們應當更加關注高級認知腦功能和運動表現之間的關系以及二者之間相互作用的機制研究。VR 技術通過捕捉人的腦電波并傳入電腦計算分析，進而給出表現反饋；改善大腦皮層功能或再激活，并優化感覺皮層的信息處理功能，一系列理論基礎指向VR 對高級運動認知的作用及影響，具體的作用機制以及如何將高效運動與VR 緊密結合起來，將是一個值得研究的新領域，一旦機制明確，將為臨床應用提供可靠依據。此外，有關VR 應用于恢復期腦卒中相應功能障礙最佳的訓練頻率、強度、時間以及某類定制的VR 技術是否適用于目標人群，都需要更細致的研究及進一步延長隨訪時間以期得到結論。