虛擬現實技術在神經系統疾病康復中的應用進展

劉蓓蓓 丁勤能 朱武生

虛擬現實（VR）技術是一種通過計算機硬件和軟件創建出的人機互動模擬技術，使用戶有機會參與外觀和感受與真實世界相似的個體和事件環境。在醫學領域中，虛擬現實技術除可用于口腔科、整形外科和普通外科等手術技能的練習與評價外［1］，亦廣泛應用于神經系統疾病的康復治療。本文擬對虛擬現實技術在神經系統疾病康復中的應用進展進行簡要綜述。

一、虛擬現實技術的概念與特征

虛擬現實技術通過模擬真實世界，對1個或多個感官的神經通路進行輸入，檢測受試者動作，改進感官的刺激反應。有學者觀察動物移動與其視覺流的變化，發現虛擬現實技術可以整合自然行為與精準控制實驗［2］，是一項有價值的技術，具有以下特點：（1）可提供受試者標準化且可重復的環境，刺激可以完全受控。（2）提供可增加或去除感覺信號的方案，精確檢測單一感覺。（3）具有立體視野，可予以顯著的深度動作、整合多感官信息、控制身體空間定位并產生移動，是探索動作與感官之間聯系的新方式。（4）可通過穿戴式頭部顯示器設備連接到計算機，是檢測神經活動的新工具。

二、虛擬現實技術在神經系統疾病康復中的應用

神經系統疾病多以運動障礙和姿勢異常為主要臨床特征，如步態異常、行動遲緩、失用性萎縮、平衡障礙等。虛擬情景訓練通過大腦的學習和獎勵機制促使患者在姿勢控制、步態、認知功能和四肢協調性等方面有所改善。采用虛擬現實技術可以使康復訓練產生超前性：先激活相應神經系統，虛擬現實技術通過捕捉動作、壓力、重心等信息至視覺等感官生物反饋的所有步驟中延長系統潛伏期，而這種時間的延長可以被受試者感知，修復患者反應能力，從而產生神經可塑性。

1.虛擬現實技術在腦卒中康復中的應用 腦卒中引起肢體偏癱，導致平衡障礙和步態異常。采用虛擬現實技術對腦卒中患者進行康復訓練，可以改善動態平衡功能、糾正步態，但對靜態平衡功能的改善不明顯。由于骨盆失衡可能是肌肉弱化加重所致，與傳統步態訓練相比，虛擬現實技術可以協助物理治療師糾正步態異常，通過分析骨盆和脊柱軌道的平衡控制能力，使骨盆旋轉傾斜角更易控制，在降低偏癱早期患者骨盆前傾效果方面更具優勢。近50%的腦卒中后偏癱患者遺留上肢功能障礙［3］，Schuster?Amft等［4］采用虛擬手臂對 2 例腦卒中患者進行雙手夠取、抓握、打開動作訓練，結果顯示，患側上肢功能明顯改善，可能原因是訓練激活相應腦區；Gor?ic 等［5］采用美國 Microsoft公司生產的Kinect三維體感游戲機對腦卒中急性期和亞急性期患者進行上肢訓練，發現競技類游戲可以帶給患者積極體驗；田然等［6］對腦卒中恢復期患者單側或雙側上肢增加4周魔迅虛擬康復訓練系統V1.0（上海魔迅信息科技有限公司），結果顯示，Fugl?Meyer上肢評價量表（FMA?UE）和改良Barthel指數（mBI）評分均較對照組升高；Levin等［7］認為，虛擬現實技術有助于腦卒中患者獲得正常運動模式。真實環境中的失能上肢或手在虛擬環境中的夠取動作更流暢、控制速度更均勻，可能是由于抓握動作中患側手打開程度更大，故達到最大夠取速度和最大抓握寬度的時程更長。此外，溫鴻源等［8］的研究顯示，三維虛擬現實技術通過調節海馬組織氫質子磁共振波譜（1H?MRS）代謝，可以改善存在記憶障礙的腦卒中恢復期患者認知功能，究其原因，可能是通過三維虛擬環境提供豐富的感官刺激，使患者體內多巴胺能和膽堿能系統神經遞質傳遞功能增強，從而改善患者注意力。

2.虛擬現實技術在帕金森病康復中的應用 有研究對帕金森?。≒D）患者進行動態平衡訓練，發現虛擬現實技術組較對照組在跨越障礙物速度、步長和動態平衡方面均有較大改善［9］，這是由于在跨越障礙物的平衡訓練任務中，單腿支撐和重心向前擺動是核心任務，隨著平衡功能的恢復，個體重心的搖擺幅度更大，移動時速度更快、更準確。采用靜態虛擬現實技術對帕金森病患者進行康復訓練，結果顯示，凍結步態出現前的最后五步步行時間顯著延長，最后三步步行時間無遞增性差異［10］。究其原因，可能是由于通過虛擬現實訓練使患者在水平方向跨步步長和步速增加，從而使垂直方向患側足廓清能力增加。

3.虛擬現實技術在多發性硬化中的應用 多發性硬化（MS）是一種多病灶、漸進性中樞神經系統疾病。傳統跑臺訓練可以維持患者運動能力，但跑臺訓練結合虛擬現實訓練1個月后，多發性硬化患者步速提高、步長增加［11］。在多發性硬化患者家中安裝虛擬現實游戲軟件，可以最大安全度地改善患者運動和平衡功能。同時，功能性電刺激與虛擬現實技術的結合可以改善患者上肢功能障礙，提高動作準確性，使主動運動最大化［12］。

4.虛擬現實技術在腦癱患兒中的應用 采用虛擬現實技術對腦癱患兒進行康復訓練可以提高其平衡功能和行走能力，改善患側踝關節和骨盆運動功能以及行走對稱性。在有反饋控制的跑臺訓練中采用虛擬現實技術對腦癱患兒進行步態分析和康復訓練，結果顯示，患兒自主行走時間較以固定速度行走時間延長［13］。腦癱患兒對骨盆的控制能力較差，缺乏獨立坐站轉移能力，也是導致日常生活和活動危險增加的原因之一。通過虛擬現實游戲，腦癱患兒脊柱產生的運動可以促使骨盆旋轉，成為重要的代償方式［10］，這可能是由于肌肉聯合收縮增加脊柱和骨盆的共同運動，使其完成動作的時間縮短。

5.虛擬現實技術在神經病理性疼痛中的應用腫瘤患者病程中常發生神經病理性疼痛。心理治療如猜想和分散注意力可以有效減輕疼痛。研究顯示，藥物化療期間采用虛擬現實技術進行包括深呼吸訓練、聆聽輕松音樂、觀賞喜歡視頻等活動，可以顯著降低患者的負面情緒、疼痛和焦慮［14?15］。

6.虛擬現實技術在認知功能障礙中的應用 虛擬現實技術可以作為認知功能的評價方法，從而成為制定康復目標的參考依據。采用兩種不同條件的虛擬現實環境評價存在中度認知損害的多發性硬化患者的認知功能，結果顯示，52%患者無法完成模擬駕駛任務，80%患者無法完成日常生活活動對應的認知行為［16］。虛擬現實技術還可以用于評價職業能力之神經肌肉控制能力：采用虛擬現實技術對65歲以上老年人駕駛時的頸部和軀干旋轉度進行評價并將測試結果作為個人駕駛信用記錄［17］。老年人在陌生環境如陌生居住地和醫院等易出現認知功能障礙。一項研究納入129例55～96歲獨居老年人，進行為期3天的虛擬迷宮游戲任務并對尋找指定目的地的找路游戲的完成情況進行重復研究，結果顯示，測試者采用多種空間和非空間策略，捕捉老年受試者產生動作時肌肉和時程變化并觀察他們對外界刺激的反饋激活能力，在8周的虛擬現實訓練中，受試者伸髖能力和平衡控制能力顯著提高，同時受試者空間定向任務反應能力提高，神經功能改善，故在進行認知行為時，對認知資源的動員程度更高［18］。

三、虛擬現實技術在神經系統疾病康復中的展望及局限性

1.遠程康復效果評價 遠程康復（TR）通過計算機技術、多媒體信息技術、虛擬現實技術情景訓練等方式為功能障礙和殘疾者提供康復服務［19］。針對腦卒中患者和骨關節疾病患者的功能障礙，采用遠程虛擬現實技術可以讓患者在家中進行康復訓練，再通過視頻反饋訓練效果，可以用于治療效果的評價。Lloréns等［20］采用美國 Microsoft公司生產的Kinect三維體感游戲機研究腦卒中后偏癱患者的康復訓練效果，30例腦卒中患者分為家庭訓練組和醫療機構訓練組，持續8周，分別于康復訓練前后采用Berg平衡量表（BBS）評價兩組患者平衡功能，結果顯示，兩組患者基于虛擬現實的康復訓練效果顯著且提高程度相近。

2.神經康復工程 在三維虛擬現實環境中，通過整合多媒體、空間定位感覺如加速計、感覺反饋設備如經皮電刺激、無線網絡、可穿戴式視覺設備等，生物醫學工程很快將發展成為更加理想的康復系統，受試者可以充分體驗到一個局部或遠程虛擬現實環境。目前，許多前瞻性軟件開發公司開始對此領域進行投資，如美國Microsoft公司生產的Hololens全息眼鏡（混合現實頭戴式顯示器），發現娛樂和計算機游戲的潛能，美國Google公司投資的Magic Leap三維虛擬現實眼鏡，用于外科手術和康復訓練。神經生物學家和生理學家正基于視覺反饋和神經影像學研發多種康復訓練程序。

3.康復醫學職業教育 虛擬現實技術可以用于康復醫學職業教育。張通等［21］將虛擬現實技術用于康復專業的教育實踐中，將學生在虛擬現實環境中對常見關節活動度技能培訓情景進行反饋與效果評價，結果顯示，進行虛擬現實技術教學后再進行傳統教學的學生在提高訓練趣味性、學習主動性和臨床能力方面均優于傳統教學方式。

4.虛擬現實技術的局限性 虛擬現實技術可以給受試者帶來真實感覺反饋，增強大腦皮質可塑性，結合趣味性和任務性，避免傳統康復訓練枯燥乏味、單一重復的模式。然而虛擬現實技術仍存在以下不足：（1）存在潛伏期，這種時間延遲可能出現在使用模擬輸入設備訓練時的動作中、對虛擬現實環境的反應中和對外界刺激的變化中。（2）虛擬環境對應真實環境時，對距離感知存在誤差。（3）由于視覺看到的虛擬現實畫面與前庭系統感受到的真實位置信息不匹配，易引起受試者眩暈反應。（4）目前關于虛擬現實技術的大樣本隨機對照臨床試驗較少，且評價方法不盡一致［22］。

四、小結

虛擬現實技術可以提供多種人工景物，使康復訓練過程充滿樂趣，提高患者的樂觀情緒。將坐姿訓練、站位平衡訓練、上肢綜合訓練、步態行走訓練、心理訓練、認知行為訓練等多種虛擬游戲，應用于神經系統疾病的康復治療中，可以增強患者中線穿越能力、增加關節活動范圍、促進軀體穩定性、改善手眼協調性、提高長期注意力、改善本體感覺和認知功能、提高多重感覺下姿勢控制能力，較傳統康復訓練更加有效［23］。

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