虛擬現實康復技術在腦卒中后上肢運動障礙中的應用進展

李冰潔 李芳

·專題綜述·

虛擬現實康復技術在腦卒中后上肢運動障礙中的應用進展

李冰潔 李芳

虛擬現實康復技術是計算機模擬真實環境的集成技術，具有沉浸、交互和想象三大特點，廣泛應用于腦卒中后上肢運動功能康復。本文簡要闡述虛擬現實康復技術在腦卒中后上肢運動障礙中的應用進展。

卒中；運動障礙；上肢；虛擬現實（非MeSH詞）；康復；綜述

This study was supported by Beijing Science and Technology Plan Project(No.Z161100002616018).

全球每年約有15×106例新發或復發腦卒中患者［1］，其中2/3生存者遺留運動障礙［2］，尤以上肢運動障礙嚴重影響生活質量。傳統康復技術如運動再學習（MRP）、神經發育療法和本體感覺神經肌肉促進技術，可以顯著改善運動功能，然而傳統康復技術以康復治療師進行手法操作為主，同時在特定場所借助簡單康復器械進行輔助訓練，患者僅簡單被動參與，整個訓練過程枯燥乏味，而且傳統康復技術屬資源密集型，消耗大量人力和物力，且費用較為昂貴，常需專門設備，故無法在臨床廣泛應用。近年來，虛擬現實（VR）技術作為一種新型康復策略，可以明顯減少人力和物力消耗，為腦卒中后運動功能康復提供新的思路。

一、虛擬現實康復技術的定義

虛擬現實技術采用以計算機技術為核心的現代高科技技術生成一定范圍內逼真的視覺、聽覺、觸覺一體化虛擬環境，用戶借助必要的裝備以自然的方式與虛擬環境中的物體進行交互作用、相互影響，從而獲得如臨真實環境的感受和體驗。

虛擬現實技術作為一種新興且迅速發展的技術，屬跨學科綜合集成技術，涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等多個領域。虛擬現實系統具有“3I”特征，即沉浸（immersion）、交互（interaction）和想象（imagination）［3］，其中，沉浸為核心特征，使用戶投入到由計算機生成的虛擬場景中，即用戶產生身臨其境的感受；交互是人機和諧的關鍵因素，代表用戶與虛擬場景中各種對象之間的相互作用。虛擬現實技術可以使用戶沉浸于虛擬環境中以獲取新知識，提高感性和理性認識，產生新想象。近10年來，虛擬現實康復技術廣泛應用于康復治療的各領域，包括腦卒中康復治療。目前，虛擬現實康復技術在國外越來越多地應用于改善腦卒中患者上肢功能、認知功能、平衡功能和行走能力［4］。

二、虛擬現實康復技術應用于腦卒中后上肢運動障礙

1.設備要求虛擬現實康復技術應用于上肢運動障礙主要包括手指訓練系統、手臂訓練系統和混合訓練系統［5］。其設備按照沉浸程度分為沉浸式和非沉浸式，沉浸式設備提供的虛擬環境視野較大，可以較好地將用戶與現實環境隔離，實現人與虛擬環境的完全融合［5］，但該設備對虛擬環境中的三維圖像要求較高，增加了系統開發難度且費用昂貴，亦可能需要一定面積的訓練場地，故限制其在臨床廣泛應用；非沉浸式設備將虛擬環境顯示于計算機屏幕上，帶或不帶接觸裝置如鼠標、觸覺裝置等，目前多家公司研發出商用非沉浸式設備，其中應用較多的有日本任天堂株式會社研發的商用游戲系統Wii，該設備成本較低、占地面積較小、便于攜帶，故廣泛應用于多中心臨床研究。盡管非沉浸式設備應用廣泛，但其沉浸感不如沉浸式設備，對康復訓練效果有一定影響。隨著虛擬現實技術的日臻完善，沉浸式設備的成本降低，其應用范圍將進一步擴大。

2.臨床應用目前，虛擬現實康復技術的臨床應用以腦卒中患者康復治療占絕大多數。2016年，美國心臟協會（AHA）和美國卒中協會（ASA）共同發布《成人腦卒中康復指南》［6］，建議虛擬現實康復技術在腦卒中后上肢功能康復中的應用為Ⅱa類B級推薦。虛擬現實康復技術對腦卒中后上肢運動障礙的康復效果已經多項臨床研究證實［7?8］，但一些單隨機對照臨床試驗或非隨機對照臨床試驗得出的結論并不一致［7］。2015年，Laver等［7］對虛擬現實康復技術應用于腦卒中后上肢運動障礙的隨機對照臨床試驗進行系統評價，結果顯示，虛擬現實康復技術可以顯著改善腦卒中患者上肢功能和日常生活活動能力（ADL），但對上肢力量無明顯改善作用，但是由于該系統評價納入多篇低質量文獻，故降低其結論的可靠性。亦有研究顯示，虛擬現實康復技術可以造成輕微不良反應，如短暫性頭暈。一項多中心隨機對照臨床試驗——虛擬現實訓練在腦卒中康復中的療效觀察（EVREST）試驗采用非沉浸式設備（日本任天堂株式會社研發的商用游戲系統Wii）對腦卒中后上肢運動障礙患者進行康復訓練，對照組僅使用計算機進行娛樂活動，比較兩組患者完成Wolf運動功能測驗（WMFT）時間，結果顯示，虛擬現實康復技術組患者完成WMFT量表時間較對照組有減少趨勢，而在手功能、握力、運動功能、日常生活活動能力、運動質量和生活質量方面無明顯差異［9］。該項研究是首個在腦卒中早期常規康復訓練基礎上應用非沉浸式設備并比較二者有效性的隨機對照臨床試驗，結果表明虛擬現實康復技術和適宜的視頻娛樂活動均可以作為康復訓練過程中提高患者積極性和增加運動訓練量的合理替代方法［9］。上述研究結果不盡一致，可能存在以下幾方面原因：（1）各項臨床試驗中對照組所采用的康復訓練方法不同。部分臨床研究的對照組接受常規康復訓練［10］，而EVERST試驗的對照組僅進行娛樂干預，可能造成研究結果不一致。（2）各項臨床試驗所采用的虛擬現實系統不盡一致，干預時間不同，也可能是造成研究結果不一致的原因。（3）各項臨床試驗對上肢功能的評價方法不盡一致，也可能是造成Meta分析結果不確切的原因之一。虛擬現實康復技術干預腦卒中后上肢運動障礙的療效評價方法較多（40多種），目前的常用方法有Fugl?Meyer評價量表（FMA）、WMFT量表［11］、歐洲五維健康量表（EQ?5D）［12］等，上述量表均依賴康復治療師的主觀評價，難以全面客觀地評價療效。未來將國際功能、殘疾和健康分類（ICF）引入虛擬現實康復技術干預腦卒中后上肢運動障礙的療效評價可能成為新的思路。此外，虛擬現實設備可以計算運動過程中采集的關節角度信息以獲得運動學參數，如關節活動度、關節平均運動速度，以及其他相對特定訓練任務的運動學參數，如運動精度、運動軌跡平滑程度、運動軌跡長度、運動協調性等，此評價相對客觀，可以作為康復效果評價指標。虛擬現實康復技術作為腦卒中康復的新技術，對腦卒中后上肢功能康復的療效尚不確定，仍需進一步深入研究。虛擬現實康復技術應用于臨床實踐前，應進行成本?效益分析（CBA）、可行性和患者可接受性評價?，F有證據尚不支持臨床上投資和采用昂貴的虛擬現實系統，或取代基于現有證據的康復系統。但是可以根據患者對虛擬現實康復技術的接受和喜好程度，將虛擬現實系統作為整個康復過程的一部分，安全有效［13］。虛擬現實康復技術是康復過程中吸引腦卒中患者注意力的合理替代方法，也可用于增加康復訓練量［7，14?18］。

3.作用機制虛擬現實康復技術可以激活受損大腦皮質運動區［19］，促進神經功能重塑，表現為激活初級感覺和運動皮質以及次級感覺和運動皮質，包括背側運動前區和輔助運動區（SMA），以及扣帶回前部、內側前額葉皮質（mPFC）和顳上回等；同時，虛擬現實康復技術還可以使運動前區和輔助運動區等部位的異常激活消失，從而促進運動功能康復。虛擬現實康復技術可以使初級感覺和運動皮質的偏側化指數明顯增加［4］，同側次級感覺和運動皮質與雙側感覺和運動區域之間的功能連接明顯增強，促進神經功能連接和雙側大腦半球之間的平衡重塑［20］。

三、虛擬現實康復技術存在的問題及展望

虛擬現實康復技術為腦卒中后上肢功能康復提供新的治療手段。由于該項技術具有沉浸、交互和想象三大特點，極大地增加患者康復訓練的積極性，還可以根據患者的訓練情況提供實時反饋，根據個體條件制定訓練任務，具有傳統康復技術難以比擬的優勢。然而，虛擬現實康復技術仍存在一些問題：（1）目前的虛擬現實系統，特別是沉浸式設備費用昂貴、場地要求較高、可移動性欠佳，限制其在臨床進一步推廣和應用。（2）目前關于虛擬現實康復技術干預腦卒中后上肢運動障礙的大樣本隨機對照臨床試驗較少，且所采用的虛擬現實系統和對上肢運動功能的評價方法不盡一致，故該項技術在《成人腦卒中康復指南》［6］中的推薦級別并不高。因此，研發適合各種環境、便攜的虛擬現實設備，進行多中心、大樣本、設計優良的臨床試驗是未來研究方向。

近年來，多項新技術與虛擬現實技術相結合，二者優勢互補、相互促進，展現出廣闊的應用前景。（1）虛擬現實康復技術結合遠程康復（TR）技術：對于社區或家庭中進行康復或者處于缺乏必要康復服務條件地區的腦卒中患者，虛擬現實康復技術結合遠程康復技術可以將優質的康復資源輸送至特定地區，為患者提供康復訓練機會［21］?；谟嬎銠C網絡的遠程虛擬現實康復系統為患者和康復治療師搭建便利、經濟的信息交流和康復訓練平臺?；颊呖梢越柚摂M現實設備在虛擬環境中按要求進行康復訓練，相關運動學參數、運動視頻等信息遠程發送給康復治療師并且根據患者個體情況進行康復訓練模式的選擇、康復訓練的指導等。（2）虛擬現實康復技術結合康復機器人技術：目前，康復機器人技術已廣泛應用于臨床康復領域。20世紀90年代中期首次出現關于將虛擬現實康復技術作為康復策略的討論，隨后各種虛擬現實系統相繼出現［22］。這些系統多采用力學反饋、視覺反饋、觸覺反饋設備等作為輸入和輸出設備，使患者在虛擬環境中通過康復機器人輔助進行康復訓練。外骨骼系統是機器人研究領域的一個分支，是一種各關節與人體關節一致并依附在體外的機械系統，操作者與外骨骼之間可以直接進行力學及其他信息的傳遞［23］。骨骼通常采用便攜式結構，具有質量輕、結構便于調整、安全性高和清潔無污染等特點。人體上肢關節尤其是肩關節具有多個自由度的運動，虛擬現實康復技術與外骨骼系統相結合，可以使運動障礙嚴重的患者進行康復訓練成為可能。通過操作者與外骨骼之間的信息傳遞，操作者可以及時對患者的不良姿勢和動作進行矯正，進一步增加康復效果。（3）虛擬現實康復技術結合腦機接口（BCI）技術：腦機接口技術可以對大腦產生的運動意識所形成的腦電信號進行檢測，再通過信號特征提取和分類，從中辨別患者的運動意圖信號并將其轉化為控制命令，支配外部設備，從而輔助患者產生相應動作［24］。虛擬現實康復技術結合腦機接口技術可以構成基于虛擬現實的腦機接口（BCI?VR）新形式?；颊咄ㄟ^想象雙手運動所產生的腦電信號被采集和處理后，將控制命令發送至虛擬現實系統，后者能夠實時反饋患者的運動想象，從而更好地進行運動想象。虛擬現實康復技術結合腦機接口技術可以使上肢完全癱瘓或殘留微弱運動功能的患者也參與到虛擬現實康復訓練中，促進神經功能重塑，改善運動功能。腦機接口作為BCI?VR系統的輸入設備，是對傳統虛擬現實系統輸入方式的創新，使不同功能患者均能參與到虛擬現實康復訓練中并從中獲益。虛擬現實康復技術能夠為患者提供更積極主動、更豐富多彩、更具激勵性的情境反饋，提高腦機接口的可學習性，縮短訓練時間。二者結合是目前非常有前景的發展方向。

盡管目前虛擬現實康復技術仍存在許多理論問題和技術難點，尚未形成統一的療效評價標準，虛擬現實設備費用昂貴，但該項技術相對于傳統康復技術具有無可比擬的優勢。隨著科技的進步，虛擬現實康復技術在康復領域必將有更加廣泛深入的應用，進而提高患者康復療效。

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Application progress of virtual reality rehabilitation technology in upper limb dysfunction after stroke

LI Bing?jie,LI Fang
Neurological Rehabilitation Center,Beijing Charity Hospital;China Rehabilitation Research Center;School of Rehabilitation Medicine,Capital Medical University,Beijing 100068,China

Virtual reality(VR)rehabilitation technology is a kind of integrated technology which simulates the real world via computer.It has three characteristics:immersion,interaction and imagination. It is widely used in the field of stroke rehabilitation.This review briefly describes the application of virtual reality rehabilitation technology in upper limb dysfunction after stroke.

Stroke;Movement disorders;Upper extremity;Virtual reality(not in MeSH); Rehabilitation;Review

LI Bing?jie(Email:kaka0515@yeah.net)

2017?02?06）

10.3969/j.issn.1672?6731.2017.04.002

北京市科技計劃項目（項目編號：Z161100002616018）

100068中國康復研究中心北京博愛醫院神經康復中心首都醫科大學康復醫學院

李冰潔（Email：kaka0515@yeah.net）