半沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在腦卒中上肢運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)的應(yīng)用*

新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 陳怡然 楊冰彥 李玉 何星宇 孟怡辰 高智賢

腦卒中會(huì)引發(fā)上肢運(yùn)動(dòng)功能障礙，若不及時(shí)恢復(fù)會(huì)嚴(yán)重影響患者的日常生活和社會(huì)參與度。半沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）減少了對(duì)患者肢體的束縛，對(duì)患者運(yùn)動(dòng)能力要求低，可以實(shí)現(xiàn)與虛擬環(huán)境安全的自然式交互，而且易于與其他康復(fù)療法聯(lián)合，為個(gè)性化康復(fù)方案的實(shí)現(xiàn)提供了更高的安全性和靈活性。半沉浸式VR 已在卒中上肢運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)中取得了諸多成效，作為一種康復(fù)訓(xùn)練的補(bǔ)充策略，為腦卒中患者的康復(fù)帶來(lái)了全新的治療手段。

腦卒中是我國(guó)致殘、致死率最高的疾病[1]，每年新增腦卒中病人約240 萬(wàn)人[2]。如果得不到及時(shí)康復(fù)，會(huì)嚴(yán)重限制患者的日常活動(dòng)和社會(huì)參與度。傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練依賴醫(yī)師經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)動(dòng)作分解練習(xí)，雖使患者獲得一定的協(xié)調(diào)和運(yùn)動(dòng)能力，但缺少實(shí)踐意義的導(dǎo)向性任務(wù)需求，不利于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能遷移。加之，訓(xùn)練模式單一枯燥，缺乏患者生理信息反饋，使患者康復(fù)效果受限。虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、建模技術(shù)和反饋裝置等構(gòu)建出可提供用戶視、聽(tīng)、觸等多種感覺(jué)逼真的富集環(huán)境。2016 年，發(fā)布《成人腦卒中康復(fù)指南》，建議VR 在腦卒中后上肢功能康復(fù)中的應(yīng)用為Ⅱa 類推薦、B 級(jí)證據(jù)[3]。這是因?yàn)榛赩R 技術(shù)的卒中康復(fù)干預(yù)符合康復(fù)的四項(xiàng)指導(dǎo)原則：特定任務(wù)訓(xùn)練、強(qiáng)度、動(dòng)機(jī)和生物反饋[4]。通過(guò)引導(dǎo)患者在游戲場(chǎng)景中完成虛擬任務(wù)，針對(duì)性促進(jìn)運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)；根據(jù)患者康復(fù)需求和運(yùn)動(dòng)能力，為康復(fù)訓(xùn)練提供個(gè)性化模式和難度選擇；利用實(shí)時(shí)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)或觸覺(jué)等多種反饋，增加患者的積極性和主動(dòng)性；與多種設(shè)備結(jié)合，實(shí)時(shí)跟蹤記錄患者的康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)情況，為診療方案改進(jìn)提供科學(xué)可靠的依據(jù)，提升康復(fù)效率。因此，VR 技術(shù)作為一種新興的輔助治療手段，在腦卒中的臨床康復(fù)訓(xùn)練中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

1 半沉浸式VR 技術(shù)及優(yōu)勢(shì)

根據(jù)沉浸程度, VR 可分為沉浸式和半沉浸式兩大類。沉浸式VR 康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)通常借助頭戴顯示器、多功能控制手柄、立體耳機(jī)等外部設(shè)備來(lái)為患者構(gòu)建一個(gè)完全虛擬、逼真的虛擬場(chǎng)景和交互。這種系統(tǒng)要求使用者具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力和較好的精細(xì)運(yùn)動(dòng)操控能力，限制了其在卒中患者上肢康復(fù)中的應(yīng)用。首先，頭戴顯示器將視覺(jué)與真實(shí)環(huán)境完全脫離，視覺(jué)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和前庭器官的相對(duì)靜止易引起相對(duì)運(yùn)動(dòng)錯(cuò)覺(jué)，引發(fā)暈動(dòng)癥。其次，精準(zhǔn)操控手柄超出了具有上肢運(yùn)動(dòng)功能障礙的卒中患者能力范圍。與沉浸式VR 不同，半沉浸式VR 系統(tǒng)通過(guò)顯示器、投影設(shè)備等輸出設(shè)備呈現(xiàn)影像，允許用戶以觀察者的身份體驗(yàn)虛擬環(huán)境。這種開(kāi)放性有效減少了患者眩暈癥狀產(chǎn)生，保證了訓(xùn)練安全。另外，半沉浸式VR 系統(tǒng)是通過(guò)深度傳感相機(jī)或穿戴式傳感器等捕捉患者動(dòng)作識(shí)別運(yùn)動(dòng)指令，減少了肢體束縛，降低了運(yùn)動(dòng)能力要求，可實(shí)現(xiàn)患者與虛擬環(huán)境的自然式交互。特別是，半沉浸式VR 訓(xùn)練設(shè)備可靈活地結(jié)合多種康復(fù)療法，便于制定安全有效的個(gè)性化康復(fù)方案。

根據(jù)用途，半沉浸式VR 系統(tǒng)有專用虛擬環(huán)境（Virtual Environments，VE）和商業(yè)游戲（Commercial Gaming，CG）兩大類。卡倫系統(tǒng)是VE 系統(tǒng)典型代表，主要針對(duì)患者康復(fù)訓(xùn)練設(shè)計(jì)，將全面的運(yùn)動(dòng)測(cè)評(píng)和訓(xùn)練融為一體，能夠滿足訓(xùn)練者在不同環(huán)境下的訓(xùn)練要求和能力測(cè)試。卡倫系統(tǒng)采用全方位投影體系，巨大的球形屏幕能夠?qū)崿F(xiàn)360°全景屏幕投影，訓(xùn)練者在訓(xùn)練過(guò)程中可全視角范圍內(nèi)看到卡倫系統(tǒng)的虛擬場(chǎng)景。此外，雙帶自適應(yīng)跑臺(tái)和六自由度活動(dòng)平臺(tái)可讓訓(xùn)練者從本體感覺(jué)及前庭感覺(jué)上真正體驗(yàn)各種生活場(chǎng)景。其中，特色雙跑帶自適應(yīng)跑臺(tái)可根據(jù)訓(xùn)練者實(shí)際的行走速度自動(dòng)調(diào)整運(yùn)轉(zhuǎn)速度，高度還原訓(xùn)練者在地面行走的感覺(jué)。而六自由度活動(dòng)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)x、y、z 軸方向位移，坡角變化、水平轉(zhuǎn)角變化和傾斜角變化，即進(jìn)行上下、左右、前后等單一方向或疊加方向的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)跑臺(tái)的六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)輔以虛擬環(huán)境的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)效果，極大地增強(qiáng)了患者的沉浸感，可逼真地模仿崎嶇的山路、搖晃的吊橋、顛簸的海浪等自然環(huán)境，給人以身臨其境的感覺(jué)。卡倫系統(tǒng)通過(guò)紅外攝像機(jī)來(lái)跟蹤、記錄訓(xùn)練者身上的反光點(diǎn)（Marker）以獲取運(yùn)動(dòng)信息。使用計(jì)算機(jī)構(gòu)建人體模型，結(jié)合傳感技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)訓(xùn)練者運(yùn)動(dòng)肌肉的激活狀態(tài)。在此過(guò)程中，系統(tǒng)通過(guò)D-Flow 軟件處理可為訓(xùn)練者和康復(fù)師提供實(shí)時(shí)反饋，其中包含了患者在虛擬環(huán)境中完成治療時(shí)的所有信息和相關(guān)身體參數(shù)。訓(xùn)練過(guò)程中，康復(fù)醫(yī)師可根據(jù)病人情況，及時(shí)個(gè)性化地調(diào)整訓(xùn)練參數(shù)，并留存訓(xùn)練數(shù)據(jù)以供追蹤。此外，卡倫系統(tǒng)支持多種外接設(shè)備、各種科室評(píng)定和治療需求。但目前專業(yè)VE 系統(tǒng)多處于研究階段，不僅價(jià)格昂貴，且場(chǎng)地要求高，不便于普及。

相比之下，CG 系統(tǒng)成本低、易獲取，可面向家庭、社區(qū)使用。其中，Kinect 使用較為普遍的一款商業(yè)人體動(dòng)作感知設(shè)備。該設(shè)備主要通過(guò)紅外攝像頭和RGB 攝像頭來(lái)感知識(shí)別玩家及其動(dòng)作，操控游戲人物，實(shí)現(xiàn)交互。先使用紅外攝影機(jī)投射近紅外照射人體和物體，紅外攝像頭讀取其散斑，創(chuàng)建人體和物體的深度圖像；再利用計(jì)算機(jī)圖形視覺(jué)技術(shù)從中區(qū)分出人體和背景環(huán)境，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)一步識(shí)別出人體部位，定出人體的20 個(gè)主要關(guān)節(jié)點(diǎn)，最終生成骨架系統(tǒng)，構(gòu)造豐滿的肢體，在屏幕上呈現(xiàn)出虛擬人。使用者通過(guò)肢體運(yùn)動(dòng)即可控制VR 游戲中的人物運(yùn)動(dòng)，而且，根據(jù)獲取的關(guān)節(jié)點(diǎn)位置信息，可計(jì)算出關(guān)節(jié)活動(dòng)度、速度等運(yùn)動(dòng)信息，供運(yùn)動(dòng)功能量化評(píng)估使用。

2 半沉浸式VR 技術(shù)在上肢運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)中的應(yīng)用

由于半沉浸式VR 的開(kāi)放性、安全性以及靈活性，常被用在卒中上肢運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)中。例如，基于商用虛擬設(shè)備（如Kinect、Wii 等）預(yù)留的接口，可針對(duì)性地開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出靈活多樣的上肢康復(fù)任務(wù)，提升患者上肢關(guān)節(jié)活動(dòng)度、運(yùn)動(dòng)靈活度和肌肉協(xié)同程度。針對(duì)卒中后患者普遍存在向前取物、夠物困難的問(wèn)題，麥王向[5]等人使用Kinect 設(shè)計(jì)了切食物和射擊訓(xùn)練場(chǎng)景，引導(dǎo)患者完成屈肩、伸肘、內(nèi)收和外展等組合動(dòng)作訓(xùn)練，實(shí)驗(yàn)組在肩關(guān)節(jié)前屈、外展和肘關(guān)節(jié)屈曲互補(bǔ)角度關(guān)節(jié)活動(dòng)度方面顯著高于接受對(duì)照組。Mouawad 等人[6]利用Wii 游戲設(shè)備引導(dǎo)患者進(jìn)行網(wǎng)球、高爾夫、拳擊、保齡球和棒球訓(xùn)練,發(fā)現(xiàn)上肢主、被動(dòng)關(guān)節(jié)活動(dòng)度均有所增加。此外，官娉等[7]發(fā)現(xiàn)經(jīng)10 天的VR 廚房任務(wù)訓(xùn)練后，患者肘屈伸力矩明顯改善，且肘屈曲時(shí)肱二、三頭肌的協(xié)同收縮率明顯降低。這可能是因?yàn)閂R 促使患者用患側(cè)進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，神經(jīng)突觸連接增強(qiáng)，誘導(dǎo)神經(jīng)運(yùn)動(dòng)通路皮質(zhì)重組。隨著VR 康復(fù)訓(xùn)練的有效性和優(yōu)勢(shì)被不斷證實(shí)，VR 技術(shù)已被納入卒中康復(fù)的七大重要技術(shù)之列。

半沉浸式VR 康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)可靈活地與其他康復(fù)手段聯(lián)用，利用VR 多感官刺激的優(yōu)勢(shì)，可以促進(jìn)患者的大腦功能連接恢復(fù)和改善，增強(qiáng)大腦對(duì)肢體的控制，進(jìn)而提高康復(fù)療效。目前常聯(lián)用的康復(fù)方法有鏡像療法、重復(fù)經(jīng)顱磁刺激和經(jīng)顱直流電刺激等。

（1）鏡像療法利用鏡像視錯(cuò)覺(jué)，將健側(cè)肢體運(yùn)動(dòng)影像反饋至患側(cè)，產(chǎn)生具身化體驗(yàn)。通過(guò)強(qiáng)化對(duì)患側(cè)肢體的意識(shí)，易化患側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)興奮性，再建卒中后大腦半球間興奮性平衡，重塑神經(jīng)結(jié)構(gòu)與功能，改善受損上肢的運(yùn)動(dòng)功能和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。借助于VR 的多感官刺激，增強(qiáng)了具身化體驗(yàn)的切實(shí)性，喚起鏡像神經(jīng)元系統(tǒng)和行為觀察機(jī)制，從而更好地發(fā)揮鏡像療法功效。Choi[8]等人使用半沉浸式LEAP 設(shè)備的手勢(shì)識(shí)別功能，實(shí)現(xiàn)了手勢(shì)識(shí)別鏡像療法（GR 鏡像療法），發(fā)現(xiàn)治療組手功能評(píng)分和SF-8 量表評(píng)分顯著高于常規(guī)鏡像療法組和對(duì)照組，且運(yùn)動(dòng)執(zhí)行的速度和準(zhǔn)確性也有所提高。

（2）重復(fù)經(jīng)顱磁刺激（rTMS）利用強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)連續(xù)規(guī)律地重復(fù)刺激大腦皮質(zhì)，引發(fā)大腦興奮性變化，調(diào)整皮質(zhì)興奮性異常，重塑大腦半球間平衡。然而，僅靠調(diào)控皮質(zhì)興奮性對(duì)于上肢康復(fù)是不夠的，還需聯(lián)合運(yùn)動(dòng)鍛煉產(chǎn)生行為學(xué)效應(yīng)。崔海超等[9]使用低頻刺激健側(cè)初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)，與半沉浸式VR 康復(fù)設(shè)備誘導(dǎo)的重復(fù)性運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練結(jié)合，訓(xùn)練后患者的Brunnstrom 分期，F(xiàn)ugl-Meyer 上肢運(yùn)動(dòng)功能、簡(jiǎn)易上肢功能、改良Barthel 指數(shù)評(píng)分均顯著提高，有效改善了患者的上肢運(yùn)動(dòng)功能。

（3）經(jīng)顱直流電刺激（tDCS）使用直流電流來(lái)調(diào)節(jié)皮質(zhì)區(qū)神經(jīng)元靜息電位閾下電位，改變初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)興奮性。借助VR 的重復(fù)性外周訓(xùn)練，增強(qiáng)中樞正性反饋和輸入，利用面向任務(wù)訓(xùn)練，促進(jìn)皮質(zhì)重組、提高神經(jīng)系統(tǒng)可塑性，促進(jìn)上肢功能改善。有研究使用tDCS 聯(lián)合半沉浸式VR 智能手套進(jìn)行訓(xùn)練，患者的盒塊測(cè)試和Jebsen-Taylor 手功能評(píng)分、手靈巧度和日常生活手功能顯著提升，而且認(rèn)知和執(zhí)行功能也得到有效提高[10]。

3 總結(jié)與展望

半沉浸式VR 技術(shù)能夠?yàn)樽渲谢颊咛峁┌踩行У亩喔泄俑患换キh(huán)境，通過(guò)擬實(shí)的生活場(chǎng)景和有趣的訓(xùn)練任務(wù)，提升患者訓(xùn)練主動(dòng)性和依從性。該技術(shù)的開(kāi)放性使其可與多種康復(fù)手段聯(lián)用，達(dá)到更好的康復(fù)效果，具有良好的應(yīng)用前景。目前VR 康復(fù)技術(shù)仍處于探索階段，臨床干預(yù)結(jié)果差異性較大，且缺少評(píng)估VR 康復(fù)訓(xùn)練效果的特異性指標(biāo)和行業(yè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。因此，需要進(jìn)一步深入研究VR 在卒中后上肢康復(fù)中的作用機(jī)制，從而確定與卒中各時(shí)期運(yùn)動(dòng)能力相適應(yīng)的規(guī)范化訓(xùn)練方案，以及與其他康復(fù)手段聯(lián)用的最佳方式，提高康復(fù)療效。