虛擬現實技術對腦卒中偏癱患者平衡功能的療效①

孫然，張通,2，趙軍,2，劉麗旭,2

虛擬現實技術對腦卒中偏癱患者平衡功能的療效①

孫然1，張通1,2，趙軍1,2，劉麗旭1,2

目的比較基于虛擬現實技術(VR)的平衡訓練和傳統平衡訓練對腦卒中偏癱患者靜態和動態平衡功能的效果。方法20例腦卒中偏癱患者，隨機分為實驗組(n=10)和對照組(n=10)。兩組患者均進行常規神經內科藥物治療和康復訓練。實驗組接受“城市駕車”“駕船”“小徑遭遇”等3種VR游戲訓練，對照組接受傳統平衡訓練。分別于訓練前、訓練4周后采用Berg平衡量表(BBS)、“起立-行走”計時測試(TUGT)評定，采用平衡測試儀對患者的姿勢穩定性和穩定極限進行測量。結果訓練后，兩組BBS和TUGT評分均較訓練前顯著改善(P＜0.001)，實驗組顯著優于對照組(P＜0.001)。訓練后兩組患者部分姿勢穩定性和穩定極限參數均較訓練前改善(P＜0.05)，實驗組優于對照組(P＜0.05)。結論基于VR的平衡訓練較傳統的平衡訓練能更有效地提高腦卒中偏癱患者的動靜態平衡功能。

腦卒中；偏癱；虛擬現實；平衡功能；康復

[本文著錄格式] 孫然，張通，趙軍，等.虛擬現實技術對腦卒中偏癱患者平衡功能的療效[J].中國康復理論與實踐,2014,20 (5):458-463.

隨著我國人口老齡化進程的加快和腦血管病危險因素的增多，腦卒中的發病率呈逐年增加趨勢。由于現代醫學的進步，診治水平的提高，急性腦卒中的死亡率顯著下降，但致殘率高達80%以上。平衡功能障礙是腦卒中患者最常見的功能問題之一，它是導致腦卒中患者跌倒風險增加的主要因素[1]。有報道顯示，腦卒中患者跌倒的發生率為25%～75%[1]，其中10%～25%的跌倒會導致嚴重的后遺癥[2]，極大地影響患者的活動水平、功能獨立及生活質量，從而帶來顯著的經濟和社會負擔[3]。平衡功能康復對患者步行能力及日常生活活動能力的提高具有重要意義，成為腦卒中康復的焦點之一。

傳統的平衡訓練主要是某一具體動作的重復練習，許多患者認為它們既無目的性，又缺乏趣味性，導致訓練積極性和依從性下降[4]。近年來，虛擬現實技術(virtual reality,VR)已逐漸應用于腦卒中康復的多個領域，包括平衡功能康復，并取得一定的療效。本研究觀察腦卒中偏癱患者基于VR平衡訓練前后靜態和動態平衡功能的變化，并與傳統平衡訓練進行比較。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2013年1月～2014年2月在北京博愛醫院神經康復科和神經內科住院的腦卒中偏癱患者20例，采用Minimize軟件隨機分為實驗組10例和對照組10例。患者均符合全國第四屆腦血管病學術會議制定的腦卒中診斷標準[5]，并經頭顱CT或MRI確診為腦梗死或腦出血。

納入標準：①首次發病，單側頸內動脈系統病變，病程＜6個月；②年齡18～70歲，生命體征平穩，病情穩定；③沒有半側空間忽略或偏盲；④意識清楚，能夠聽懂指令并遵照執行，簡易精神狀態檢查(Mini-mental State Examination,MMSE)評分≥24分；⑤Fugl-Meyer平衡功能檢查評分≥10分，在室內監護下能夠步行10 m；⑥患側下肢肌張力改良Ashworth分級≤1級；⑦未使用影響平衡功能的藥物，如抗癲癇藥物或鎮靜安眠藥等；⑧簽署知情同意書。

排除標準：①因腦干、小腦、前庭、周圍神經病變或下肢骨關節疾患而影響平衡功能；②嚴重的視覺、聽覺或認知言語障礙，不能配合；③雙側大腦半球均可見明顯病變；④并發肝腎功能不全、充血性心力衰竭、惡性腫瘤或高血壓未得到控制。

兩組患者的年齡、病程、性別、受教育程度、身高、體重、患側足底淺感覺及踝關節深感覺功能、偏癱側別及病種比較均無顯著性差異(P＞0.05)。見表1。

1.2 儀器

STABLE-穩定性平衡學習環境(Dexin-Stable. March 2012 version，荷蘭Motek Medical公司)適用于有平衡功能障礙的神經系統疾病、骨關節疾病患者以及老年人。STABLE系統硬件由以下5部分組成。①投影儀和2×1.5 m屏幕：顯示VR游戲場景，并將現實中患者的身體運動反饋出來。②立體聲環繞系統：模擬現實環境中的聽覺刺激。③1×0.5 m測力板2塊：每塊測力板的中心分別安裝一個壓力感受器，感知患者的腳在垂直平板方向上施加壓力的變化，分析人體壓力中心(centre of pressure,COP)的位置和移動情況，COP可以間接代表重心。④兩個運動捕捉攝像機：收集三維運動數據。⑤2臺計算機和1個操縱臺：一臺計算機運行FrontEnd軟件的D-Flow，一臺運行運動捕捉軟件的運動捕捉計算機。FrontEnd軟件含有平衡功能評定和訓練兩套應用程序。評定程序類似于平衡測試儀，可以獲得的關于患者姿勢穩定性和穩定極限的測量數據；訓練程序提供VR游戲項目，并在每次訓練結束后實時反饋患者的表現情況。訓練程序包括6種游戲項目，分別為迷宮圈、城市駕車、二維迷宮、紙飛機、駕船和小徑遭遇，分別訓練患者的姿勢穩定性和穩定極限。本系統受試者不需要穿戴頭盔式錄相機(head-mounted device,HMD)、數據手套或其他與電腦相連的外圍設備。受試者可以通過在現實世界里自由地移動來操縱虛擬環境里的虛擬物體。

表1 兩組一般資料比較

1.3 方法

所有患者均進行神經內科常規藥物治療及常規康復訓練，包括運動療法(PT)和作業療法(OT)，每次45 min，每天2次，每周5 d，共4周。此外，實驗組接受基于VR的平衡訓練，對照組接受傳統平衡訓練，每天30 min(3種VR游戲各10 min)，每周5 d，共4周。

1.3.1 基于VR的平衡訓練 采用STABLE系統中“小徑遭遇”“城市駕車”和“駕船”。

1.3.1.1 小徑遭遇 患者脫鞋，面向屏幕站在測力板中間，雙腳分開與肩同寬，雙上肢前伸與肩同高，Bobath握手。雙手背各戴一個能夠被攝像機捕捉的球形標記物，在屏幕上顯示為兩個半透明的球體。VR場景為患者在一條高低起伏、蜿蜒曲折的森林小徑上行走，健手帶動患手把迎面飛來的蟲子和鳥擊落。患者需在保持平衡的同時盡可能多地擊中蟲子和鳥。可以通過增加場景的視覺干擾以及減小球的大小增加游戲難度。游戲難度分為容易、中等、困難3個等級。為防止患者跌倒，研究者站在患者旁邊，距離為手能夠夠到患者。訓練過程中允許患者腳有移動，或手扶懸吊架以保持平衡。

1.3.1.2 城市駕車 患者脫鞋，面向屏幕站在測力板中間，雙腳分開與肩同寬，兩手自然下垂，置于身體兩側。VR場景為患者在城市馬路上駕駛汽車前行。馬路兩旁有模擬的高樓和城市基礎設施，有迎面駛來的其他汽車。汽車行駛由患者COP控制，COP前后移動可使虛擬汽車加減速，左右移動使虛擬汽車左右轉彎，避讓迎面駛來的其他汽車，發生碰撞會導致汽車的速度減為零。要求患者在規定的時間內行駛盡可能遠的距離。

1.3.1.3 駕船 患者脫鞋，面向屏幕站在測力板中間，雙腳分開與肩同寬，兩手自然下垂，置于身體兩側。VR場景為群山環繞的大海，海上有數座島嶼和21個浮標球，患者按照浮標球上方箭頭指示的路線在大海中駕船前行。船的行駛由患者COP控制，COP前后移動使虛擬船加減速，左右移動可以使船左右轉彎，按規定路線行駛，同時避讓浮標球和島嶼。患者需花費最短時間到達終點。

在訓練的過程中，治療師可用言語指導患者上半身盡量保持穩定，學習采取踝關節策略移動COP。游戲的難度也可以根據患者的訓練情況進行調整。

1.3.2 傳統平衡訓練 所有患者的訓練均由同一名專業物理治療師實施。治療師利用平衡墊、平衡板、訓練球或在平行杠內對患者進行訓練，依據支撐面積由大到小，穩定性由高到低，質地由硬到軟，平衡控制范圍由小到大，由睜眼到閉眼，靜態平衡-自動態平衡-他動態平衡，由在注意下保持平衡到在不注意下保持平衡的原則，循序漸進地訓練平衡功能。治療師可用觸覺、言語指導及姿勢鏡提供的視覺反饋訓練患者姿勢控制和重心轉移能力[6]。

1.4 評定方法

兩組患者在訓練前、4周訓練結束時進行評定。評定過程中患者不允許使用輔助設備。

1.4.1 Berg平衡量表(Berg Balance Scale,BBS) 包括從坐到站起、無支撐站立、無支撐坐位、轉移、閉眼站立、上臂前伸、彎腰拾物、雙足交替踏臺階等14項與平衡相關的功能性活動，每項評分0～4分，0分代表無法完成動作，4分代表可正常完成動作，最高分56分。得分越高表明平衡功能越好，得分在40分以下，提示有跌倒的危險。

1.4.2 “起立-行走”計時測試(Timed Up and Go Test，TUGT) 患者在一個有扶手的椅子上(座高約45 cm，扶手高約20 cm)由坐位獨立站起，站穩后，按平時走路時的步態行走3 m，轉身返回，再轉身坐下。用秒表計時，從脊柱離開椅子靠背開始計時，返回到同一位置時結束。共測試3次，中間休息1 min，取平均值。正式測試前，允許患者練習1～2次，以確保患者理解整個測試過程。

1.4.3 STABLE系統評定

1.4.3.1 姿勢穩定性測試 該測試評價4種站立條件下患者COP的擺動程度：①睜眼雙足站立；②閉眼雙足站立；③睜眼足尖對足跟(患足在前，健足在后)站立；④睜眼單足(健足)站立。測量參數包括4種站立姿勢下COP偏移距離的標準差(cm)。

1.4.3.2 穩定極限測試 該測試評價患者向各方向主動轉移COP的能力，包括包絡的穩定極限、前后方向的穩定極限和左右方向的穩定極限3項測試。測量參數包括COP移動軌跡的包絡面積(cm2)，COP 8個方向的平均移動距離(cm)，平均反應時間(s)，平均移動速度(cm/s)，平均誤差以及COP前、后、左、右方向上的移動距離(cm)。

1.5 統計學分析

采用SPSS 17.0統計軟件進行數據分析，各組數據均以(±s)表示。各組數據經K-S正態性檢驗后，符合正態分布者采用t檢驗(組間比較采用獨立樣本t檢驗，訓練前后比較采用配對樣本t檢驗)，非正態分布者采用Wilcoxon秩和檢驗，計數資料采用χ2檢驗(Fisher's確切概率法)。顯著性水平α=0.05。

2 結果

2.1 BBS和TUGT

訓練前兩組患者BBS評分、TUGT測量值無顯著性差異(P＞0.05)。訓練后兩組患者BBS評分、TUGT值均較訓練前顯著改善(P＜0.001)，實驗組顯著優于對照組(P＜0.001)。見表2～表3。

表2 兩組訓練前后BBS評分比較

表3 兩組訓練前后TUGT結果比較(s)

2.2 姿勢穩定性

訓練前兩組患者睜眼雙足站立下COP偏移距離的標準差(EO2)、閉眼雙足站立下COP偏移距離的標準差(EC2)、睜眼足跟對足尖站立下COP偏移距離的標準差(EOTS)、睜眼單足站立下COP偏移距離的標準差(EO1)均無顯著性差異(P＞0.05)。訓練后兩組患者EO2、EC2、EOTS、EO1均較訓練前改善(P＜0.05)，實驗組EOTS較對照組改善(P＜0.05)，EO2、EC2、EO1兩組間無顯著性差異(P＞0.05)，EC2和EO1訓練前后差值(訓練前-訓練后)實驗組較對照組更大(P＜0.05)。見表4～表7。

表4 兩組訓練前后EO2結果比較(cm)

表5 兩組訓練前后EC2結果比較(cm)

表6 兩組訓練前后EOTS結果比較(cm)

表7 兩組訓練前后EO1結果比較(cm)

2.3 穩定極限測試

2.3.1 包絡穩定極限 訓練前兩組患者COP移動軌跡的包絡面積、COP 8個方向移動的平均距離、平均反應時間、平均移動速度、平均誤差無顯著性差異(P＞0.05)。訓練后，實驗組上述5個指標均較訓練前明顯改善(P＜0.01)，對照組包絡面積、平均距離、平均反應時間較訓練前改善(P＜0.05)；實驗組包絡面積、平均距離、平均反應時間、平均速度與對照組相比有顯著性差異(P＜0.05)；平均誤差較對照組無顯著性差異(P=0.958)，但實驗組訓練前后差值(訓練前-訓練后)更大(P＜0.001)。見表8～表12。

表8 兩組訓練前后包絡面積比較(cm2)

表9 兩組訓練前后8向平均距離結果比較(cm)

表10 兩組訓練前后反應時間比較(s)

表11 兩組訓練前后平均速度比較(cm/s)

表12 兩組訓練前后平均誤差比較

2.3.2 前后左右方向的穩定極限 訓練前兩組患者前、后、左、右向COP移動距離無顯著性差異(P＞0.05)。訓練后，實驗組各方向移動距離均較訓練前明顯改善(P＜0.01)。對照組前、后、左向移動距離較訓練前改善(P＜0.05)，右向移動距離較訓練前無顯著性差異(P＞0.05)。實驗組前、后及右向移動距離與對照組相比有顯著性差異(P＜0.05)，左向移動距離與對照組無顯著性差異(P=0.103)，但實驗組訓練前后差值(訓練后-訓練前)更大(P＜0.01)。見表13～表16。

表13 兩組訓練前后前向移動距離比較(cm)

表14 兩組訓練前后后向移動距離比較(cm)

表15 兩組訓練前后左向移動距離比較(cm)

表16 兩組訓練前后右向移動距離比較(cm)

3 討論

腦卒中后患者的運動或感覺通路發生障礙，導致肌張力和肌力異常及運動控制障礙，最終產生平衡功能障礙[7]。隨著計算機技術在醫學領域中的廣泛應用，VR為腦卒中偏癱患者平衡功能評定和訓練提供一種新途徑。VR利用計算機專業軟硬件和外圍設備，形成逼真的三維視、聽、觸等感覺，使人作為參與者通過適當裝置，與虛擬世界進行體驗和交流[8]。國外有研究表明，在傳統康復訓練的基礎上增加VR游戲平衡訓練，比單獨進行傳統康復訓練能夠更有效地改善腦卒中偏癱患者的動態平衡功能和功能性步行能力，但患者的靜態平衡功能并未得到改善[9-11]。

本研究顯示，基于VR的平衡訓練和傳統平衡訓練均能減少患者立位下重心擺動，促進本體感覺恢復，提高靜態平衡功能，基于VR的平衡訓練療效優于傳統平衡訓練。

VR的姿勢穩定性訓練融合了感覺干擾訓練和雙重任務訓練兩種元素。Horlings等的研究提示，VR場景是一種視覺干擾，會降低姿勢的穩定性[12]。Yen等的研究顯示，在本體感覺和視覺輸入均不可靠的情況下，增加VR技術的平衡訓練能夠顯著提高前庭覺信息的中樞組織和整合能力，從而提高患者的姿勢穩定性[13]。本研究的姿勢穩定性訓練(小徑遭遇)中，當患者的視覺信息受到VR場景的干擾后，患者能夠更容易地掌握選擇更可靠、更有效的感覺信息參與姿勢控制，提高姿勢平衡的感覺補償機制，重新建立偏癱患者3種感覺在維持姿勢穩定性發揮的作用，達到提高靜態平衡功能的目的。此外，該項姿勢穩定性訓練還是一種雙重任務訓練，患者的注意力需同時分配到姿勢維持和完成擊落蟲子和鳥的任務兩個方面；目標物在屏幕中出現的位置是隨機的，這意味著該項任務屬于不定任務。肖春梅的研究比較了單項平衡訓練、固定雙重任務(FP)與不定雙重任務(VP)訓練對老年人平衡功能的訓練效果，結果顯示FP訓練比單項平衡訓練能更有效地提高老年人的平衡功能；在FP條件下，受試者對兩項任務分配相同的注意力，而在VP條件下，受試者的注意力在兩項任務間不停轉換，結果顯示不定任務訓練的效果要優于固定任務[14]。

本研究顯示，兩種平衡訓練均能提高患者的動態平衡功能，表現在BBS、TUGT評分及重心轉移的幅度(COP包絡面積、移動距離)均較訓練前提高，但VR平衡訓練同時能提高患者重心轉移的靈活性(平均反應時間、平均速度)及重心轉移的準確性(平均誤差)，而傳統平衡訓練則不能。

VR的穩定極限訓練(駕車與駕船)融合視覺反饋和任務導向兩種元素。首先，VR為患者提供實時的視覺反饋，患者從屏幕中汽車、船的移動軌跡可以獲知自己COP的移動軌跡。葉闐芬的研究表明，視覺反饋可強化視覺在腦卒中康復過程中的作用，可使患者身體重心的轉移及患側下肢的負重得到一定程度鍛煉[15]。增加的視覺信息可以幫助患者獲知自身在空間里的定位及運動方向，對身體重心的視覺反饋可以讓患者在靜態和活動狀態下整合軀體感覺和視覺信息[16]。其次，該穩定極限訓練還是一種任務導向性訓練(task-oriented training,TOT)。TOT根據患者的功能障礙狀況，客觀地分析影響功能障礙的因素，然后有針對性地改善或改變這些影響因素[17]。“城市駕車”和“駕船”游戲中，都為患者設置了具體的任務和目標。與傳統的平衡訓練單純讓患者進行重心轉移相比，設置任務和目標更能促使患者有針對性地完成動作。TOT中設置具體的任務，操作時涉及感覺輸入，大腦對信息的判斷和整合，神經對運動的有效支配等，在完成任務過程中，患者不斷得到失敗和成功的反饋，促使運動模式不斷調整，從而形成優化的神經網絡和運動程序[18]。Leroux等的研究也表明通過對腦卒中患者進行持續8周的TOT后，其平衡功能較訓練前顯著改善[19]。

此外，VR康復能夠階梯性地設計出量化的訓練計劃，即時調整訓練難度；能夠提供豐富的環境和增加訓練的趣味性，使患者的依從性增加，降低對其疲勞的感受。與傳統的平衡訓練相比，它從多方面、多角度刺激患者，因此對提高腦卒中偏癱患者的動靜態平衡功能有更好的療效。

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Effect of Virtual Reality Rehabilitation on Balance Function in Stroke Patients with Hemiplegia

SUN Ran,ZHANG Tong,ZHAO Jun,et al.Capital Medical University School of Rehabilitation Medicine,Department of Neurological Rehabilitation,Beijing Bo'ai Hospital,China Rehabilitation Research Center,Beijing 100068,China

ObjectiveTo compare the effect of virtual reality(VR)based balance training and routine balance training on static and dynamic balance function in stroke patients with hemiplegia.Methods20 stroke patients with hemiplegia were randomly divided into experimental group(n=10)and control group(n=10).Both groups received routine neurology medication and rehabilitation training.The experimental group received balance training based on 3 VR games:City Ride,The Boat and Road Encounter,while the control group received routine balance training.They were assessed with Berg Balance Scale(BBS)and Timed Up and Go Test(TUGT),and their postural stability and limits of stability were measured with STABLE system before and 4 weeks after training.ResultsThe scores of BBS and TUGT improved in both groups after training(P＜0.001),and improved more in the experimental group than in the control group(P＜0.001),as well as some of the parameters of postural stability and limits of stability(P＜0.05).ConclusionBalance training based on VR is more effective than routine balance training on the static and dynamic balance function of stroke patients with hemiplegia.

stroke;hemiplegia;virtual reality;balance function;rehabilitation

10.3969/j.issn.1006-9771.2014.05.016

R743.3

A

1006-9771(2014)05-0458-06

2014-03-25

2014-04-11)

中國康復研究中心科研項目(No.2013-16)。

1.首都醫科大學康復醫學院，北京市100068；2.中國康復研究中心北京博愛醫院神經康復科，北京市100068。作者簡介：孫然(1989-)，女，漢族，江蘇鹽城市人，碩士研究生，主要研究方向：神經康復。通訊作者：張通，男，北京市人，博士，博士生導師，主任醫師。