虛擬現實技術在腦卒中患者運動功能康復中的應用進展

謝藝婷，柳維林，吳勁松，陶靜

虛擬現實技術在腦卒中患者運動功能康復中的應用進展

謝藝婷，柳維林，吳勁松，陶靜

腦卒中后運動功能障礙嚴重影響患者的生活質量。虛擬現實技術作為一種新興康復治療策略，能夠改善腦卒中患者的關節活動度、運動準確度、平衡能力以及異常步態等。

腦卒中；運動功能；虛擬現實技術；康復；綜述

全世界每年大約有67%腦卒中生存者遺留運動功能障礙[1]。我國腦卒中患者平均年齡呈逐漸降低趨勢，且發病年齡比美國提早十余年[2]，其中約1/2患者存在不同程度運動功能障礙，嚴重影響患者生活質量，也給家庭和社會帶來巨大經濟負擔[3]。針對腦卒中運動功能障礙，傳統的康復訓練，如運動再學習、Bobath技術等，通常需要大量人力投入，且治療過程單調乏味，治療效果不易評估，患者依從性差。

虛擬現實(virtual reality,VR)是一種新興的技術，因其具有安全性高、趣味性強、及時評估反饋等特點，在腦卒中運動功能障礙的康復中得到應用。

2008年卒中康復執行概要循證回顧(Evidence-Based Review of Stroke Rehabilitation Executive Summary,EBRSR)建議使用VR改善腦卒中患者運動功能障礙，推薦強度為A[4]。目前，應用VR改善腦卒中運動功能障礙成為研究熱點[5]。VR是一種新的康復訓練策略，被認為是改善腦卒中后運動功能障礙的一種愉悅的替代方案[6]。國內外已經對該領域進行探討，并獲得一定臨床數據。

1 上肢康復

腦卒中后上肢功能的恢復一直是臨床上較難解決的問題。有研究表明，15%腦卒中幸存者的手功能可以恢復到原來的一半左右，僅3%患者可以恢復70%以上[7]。約85%腦卒中患者在初次得病時就出現上肢功能障礙[8]，約30%～36%腦卒中患者在發病后6個月仍有上肢功能障礙，其中僅11.6%患者的上肢功能能夠得到完全恢復[9]。

VR起初主要用于肩肘關節；隨著手部傳感設備的出現，VR手功能康復系統也開始發展。臨床研究證明，VR有助于腦卒中患者上肢運動功能的恢復[10-13]。

1.1 基于VR的上肢康復訓練系統

國內基于VR的上肢康復訓練系統尚處于初步發展階段，但已經取得一些成果[14-16]。

瞿暢等[17]研發的基于Kinect的上肢康復訓練系統，用于改善腦卒中患者上肢肩、肘關節運動功能障礙。該系統設計了數字匹配、抓面包、拼圖大師三個游戲項目，患者通過玩游戲進行訓練。腦卒中患者在常規訓練的基礎上加用該系統進行干預，2周后患者Fugl-Meyer上肢運動功能評分及Wolf評分均較對照組高。丁偉利等[18]也開發了一套基于Kinect的上肢虛擬康復訓練系統。該系統根據訓練初期動作要盡可能簡單，然后再逐漸加難的原則設計10個典型動作，并允許患者選擇用左手、右手或雙手進行訓練。通過對腦卒中患者為期15 d的康復，證明該系統有效。

大連海事大學開發的基于VR的三自由度主動式上肢康復機器人系統是一套主動康復系統[19]，采用末端牽引方式，主要針對不能完成自主活動的患者。該機器人能夠實現肩、肘關節的屈伸和肩關節的內收外展。李晉等[20]研發基于VR的手功能康復訓練系統，評估手關節的活動度以及運動幅度。該系統實現了診斷簡單化、可視化，更重要的是可根據診斷結果讓患者在交互界面的提示下進行相應的康復訓練，從而達到診斷、康復一體化。

國外上肢VR康復訓練裝置出現較早，種類也較多[21-23]。麻省理工學院開發的麻省理工手(Massachusetts Institute of Technology-Manus,MIT-MANUS)是美國使用最廣泛的上肢康復訓練設備[24]，后來有學者將VR游戲融入其中[25]，但并沒有將該技術進行推廣。Merians等[26]將VR與機器人融合，設計上肢康復訓練系統，主要針對上臂、腕關節及手指關節?；颊咄ㄟ^該系統進行8 d訓練，證實該系統可提高腦卒中患者的近端穩定性、運動平滑度。Burdea等[27]開發Rutgers ArmⅡ康復訓練系統，用于訓練腕關節和掌指關節的屈伸，能改善腦卒中后期患者的功能[28]。

除了VR上肢康復機器人，將游戲機與VR結合用于康復治療的VR游戲機也流行起來。任天堂的VR Wii游戲機應用最為廣泛，由無線控制桿、紅外線傳感器和顯示屏組成?？刂茥U內的傳感器能夠根據患者的運動，改變游戲中人物的運動，從而進行各種虛擬游戲[29]。眾多研究表明VR Wii游戲機能夠改善腦卒中患者上肢運動功能[30-31]。

1.2 改善關節活動度

Subramanian等[10]將32例腦卒中患者隨機分成試驗組和對照組，分別接受3D虛擬環境治療和普通物理環境治療。兩組患者均進行用患手指向前方一手臂長的6個不同物體，訓練類型、強度等相近，但虛擬環境能給患者提供各種感覺反饋。4周后，試驗組肩關節外展和肘關節屈伸的改善更明顯。傳統康復訓練強調進行動作分解練習，而沒有提供任務需求，很難將增加的關節活動度與日常生活活動聯系起來[32]。VR訓練不僅可以提高關節活動度，還能夠將其轉換到日?；顒又小?/p>

Mouawad等[31]讓腦卒中患者進行網球、高爾夫、拳擊、保齡球和棒球的Wii體育游戲，每天1 h實驗室正式監督訓練，從第2天開始，患者利用家庭Wii系統進行家庭訓練，時間從每天30 min逐漸增加到每天180 min，連續10 d。訓練后，患者上肢功能明顯提升，而且上肢主、被動關節活動度均增加，日常生活活動能力提高。

1.3 改善上肢運動準確度

Rojo等[33]利用音樂導向VR訓練，讓腦卒中患者用8鍵迷你VR鋼琴訓練手部精細運動，同時采用8音節VR鼓練習粗大運動。4周后，患者手敲擊速度加快，頻率提高，手指敲擊運動更流利。

Szturm等[34]對患者進行交互式運動游戲，讓其用患側手指滾動圓柱形和錐形物體，以及具有不同直徑和表面特性的運動球，共15次，每周3次。訓練后，患者完成動作的數量增加，動作幅度變大并更加穩定。

Tong等[35]開發了意圖驅動手功能任務訓練機器人，2例慢性腦卒中患者共接受15次1.5 h任務訓練，發現VR機器手五根獨立手指可幫助腕關節及手指單關節和多關節活動，增加手指各關節的協調性，逐漸提高患手肌力和耐力。

Merians等[36]運用VR訓練模塊對腦卒中發病6個月以上、腕關節和手指背伸均大于10°的患者進行康復訓練，共8 d。發現患側肢體近端穩定性增加，平滑度及效率均有所提高，患手功能明顯改善。

1.4 改善上肢功能性活動

2016年，美國心臟協會(American Heart Association,AHA)和美國卒中協會(American Stroke Association,ASA)發布了“成人腦卒中康復指南”[37]，其中VR康復技術應用于腦卒中后上肢功能障礙為Ⅱa類B級推薦。大量研究表明，VR對腦卒中后上肢功能性活動的恢復有積極意義[37-40]。

Yong等[41]用COTS交互式電腦游戲設備對腦卒中患者進行訓練，發現患者Fugl-Meyer運動功能評分、肌力指數(motricity index,MI)提高，且優于傳統訓練；問卷調查顯示，患者在進行VR訓練時更加愉快。

Turolla等[42]對腦卒中患者進行上肢常規治療1 h和VR治療1 h，或常規治療2 h，發現VR能改善上肢功能，并將訓練效果轉移到現實生活中，從而提高患者生活質量。

有少數文獻指出VR訓練效果與傳統訓練相比，并沒有明顯差別[13,43-44]，但VR能將改善的功能與日常生活活動相聯系，符合康復的最終目的。

臨床上應用的上肢VR系統種類繁多，配備的虛擬情境和硬件設施也有差異，但已有系統實現診療一體化。雖然使用的VR設備不同，但訓練一般選擇10～20次為1個訓練療程，每次訓練30～180 min。

2 下肢康復

腦卒中后下肢功能障礙往往影響患者生活質量。其中平衡障礙是腦卒中后最普遍的下肢運動功能障礙，而平衡功能差是導致跌倒風險增加的首要原因[45]。有研究指出，步行障礙是腦卒中后最嚴重的殘疾，改善步態也成為腦卒中后康復的首要目標[46]。大量研究表明，VR康復訓練可顯著改善偏癱患者下肢功能障礙及平衡能力[47-48]。

2.1 基于虛擬現實技術的下肢康復系統

與上肢VR康復系統相比，基于VR技術的下肢康復系統相對較少。國外VR技術出現較早，VR康復系統也出現較早[49-50]。Koritnik等[51]研發了一套VR下肢康復訓練系統，由采集設備、虛擬鏡子等組成，虛擬鏡子上可以看到一個實體模型，一個半透明模型：其中實體模型為患者本身，半透明模型表示“虛擬導師”。患者觀察實體模型和“虛擬導師”的動作差異進行調整。張磊杰等[52]開發出基于VR的步態訓練康復機器人系統，引入虛擬游戲，使訓練更具趣味性。東南大學研發出基于Unity3D與Kinect的康復訓練機器人情景交互系統[53]，通過輸入患者的體感信息來控制虛擬場景中的人物同步運動與交互。

2.2 改善平衡功能

伴隨經濟的快速發展，人們生活水平不斷提高，住院患者對醫院護理質量也提出了更加嚴格的要求。尤其是老年住院患者，受年齡趨于老年化、病理不一以及少數患者生活無法自理等因素影響，在很大程度上增加了臨床護理工作的難度[1]。本文作者對50例實施護理風險評估干預的老干部病房優質護理患者作出如下報道，以期為臨床相關研究提供部分參考數據?，F報告如下。

跌倒是腦卒中后較為明顯的并發癥，對腦卒中患者進行平衡功能訓練是必要的[54]。大量研究表明，VR能夠改善腦卒中患者的平衡能力[55-57]。

Singh等[58]讓腦卒中患者進行傳統物理治療和VR平衡游戲，對照組每天僅進行傳統物理治療，6周后結果顯示，實驗組Barthel指數評分比對照組高。

孫然等[59]利用STABLE-穩定性平衡學習環境對腦卒中患者進行平衡訓練4周，結果表明，基于VR的平衡訓練比傳統平衡訓練效果更好。

Ding等[60]使用基于VR的強制誘導運動療法訓練電腦游戲訓練慢性腦卒中患者的平衡功能，表明VR可以用于改善平衡功能。

Caglio等[61]把以遠程VR為基礎的平衡訓練與在物理治療師陪同下的平衡功能訓練進行比較，發現遠程VR平衡訓練與常規平衡訓練在改善腦卒中患者平衡功能上沒有明顯差別。

2.3 改善步態

腦卒中偏癱患者步態異常，通常表現為步長縮短、不對稱，步速緩慢以及步頻減小。VR能夠模擬現實環境，給患者提供一種行于真實世界的感覺，患者也能夠模擬步行于城市道路、公園以及商店等。目前研究表明，VR在改善腦卒中患者步態方面有效[62-64]。

趙雅寧等[66]采用VR結合康復機器人對腦梗死患者進行步態功能訓練，訓練結束后采用VR的患者Fugl-Meyer下肢運動功能評分較高。

Shema等[67]使用VR訓練患者，5周后，患者2 min步行測試以及四方步測試(Four Square Step Test,FSST)成績均有提高。

陳佩順等[68]進行隨機對照試驗，治療組除給予常規康復訓練，還進行VR訓練，4周后發現，結合VR訓練的患者運動能力、步行功能以及日常生活活動能力均比僅接受傳統訓練的患者改善更多。

總之，VR應用于腦卒中下肢運動功能康復有效。處方一般每周3～5次，每次30～120 min，共3～6周。但基于VR的下肢康復系統種類較少，且體積相對龐大，不利于廣泛使用。

3 小結

除小部分研究結果表明VR技術改善腦卒中運動障礙效果不明顯或無效，其余研究均證實VR技術的有效性，但也需要更多大樣本、多中心、設計科學、操作規范的高標準臨床隨機對照試驗進一步證明。研究也表明，并不是所有腦卒中患者都適合VR運動功能訓練，因為使用VR技術進行康復訓練需要患者主動參與，因此患者需具備一定的運動能力，通常Brunnstrom分期上肢≥Ⅲ期，手和下肢≥Ⅱ期，改良Ashworth痙攣量表評定肌張力≤Ⅱ級；患者不能有嚴重認知功能障礙和視力障礙，能夠理解基本指令。

目前國內運動康復訓練存在治療師匱乏、早期康復手段不完善、亞急性期和恢復期治療方法缺乏系統性，以及普及率低等現狀。VR的出現和發展為腦卒中患者運動康復提供了有效的治療手段。雖然國內已經出現將診斷和康復相結合的VR康復設備，多數只能進行簡單的人機交互；為了能夠采集更多運動信息，患者需要穿戴復雜的傳感設備，這容易讓患者產生抵觸心理；另外虛擬場景帶給患者的沉浸感不夠。研究已經證明VR能夠改善腦卒中患者運動功能障礙。今后我們應該設計針對腦卒中后運動障礙更加智能化的VR診療系統，更好地將運動功能評估與康復訓練整合，同時配備簡單輕便的硬件系統和生動形象的3D動畫角色。

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Application of Virtual Reality in Rehabilitation of Motor Function in Stroke Patients(review)

XIE Yi-ting,LIU Wei-lin,WU Jing-song,TAO Jing
College of Rehabilitation Medicine,Fujian University of Traditional Chinese Medicine,Fuzhou,Fujian 350122,China

TAO Jing.E-mail:taojing01@163.com

Motor dysfunction seriously affects the quality of life in stroke patients.Virtual reality,as a new strategy of rehabilitation,can be used to improve the range of motion of joint,movement accuracy,balance and gait,and so on,in stroke patients.

stroke;motor function;virtual reality;rehabilitation;review

10.3969/j.issn.1006-9771.2017.11.011

R743.3

A

1006-9771(2017)11-1294-05

[本文著錄格式] 謝藝婷，柳維林，吳勁松，等.虛擬現實技術在腦卒中患者運動功能康復中的應用進展[J].中國康復理論與實踐,2017,23(11):1294-1298.

CITED AS:Xie YT,Liu WL,Wu JS,et al.Application of virtual reality in rehabilitation of motor function in stroke patients(review)[J].Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2017,23(11):1294-1298.

福建省科技廳高校產學合作項目(No.2017Y4101)。

福建中醫藥大學康復醫學院，福建福州市350122。作者簡介：謝藝婷(1993-)，女，漢族，福建安溪縣人，碩士研究生，主要研究方向：神經康復與認知科學。通訊作者：陶靜。E-mail:taojing01@163.com。

2017-07-17

2017-10-10)