虛擬現實技術在帕金森病凍結步態康復中的應用進展①

王瑞丹，黃佩玲，公維軍，方伯言

1.首都醫科大學附屬北京康復醫院，北京市100144；2.首都醫科大學北京康復醫學院，北京市100144

帕金森病全人群患病率約為0.3%。作為一種典型的老年慢性疾病，帕金森病在老年人群中患病率成倍增加，65歲以上老年人群患病率為1%～2%，85歲以上為3%～5%[1]。凍結步態又稱步態起始障礙、步態失用癥、磁性吸引步態或滑動離合器步態，是帕金森病晚期常見的癥狀，也是引起帕金森病患者行動困難的重要原因，治療難度大[2]。

近年來，虛擬現實作為一種新型康復策略，為帕金森病凍結步態的評估及康復提供新的思路[3]。傳統的帕金森病康復技術，如感覺提示、運動訓練、器械輔助，目的主要是改善步態和肢體協調，減少姿勢平衡中的限制；主要依靠康復治療師進行手法操作，耗費大量人力物力，較為昂貴，往往需要專門設備，因而不能廣泛使用[4]。虛擬現實能減少人力、物力消耗，為帕金森病凍結步態的評估及功能恢復提供新的思路。

1 虛擬現實康復技術

虛擬現實采用以計算機為核心的高新技術，生成逼真的視、聽、觸覺一體化的虛擬環境，用戶可以借助必要的裝備，以自然的方式與虛擬環境中的物體進行交互，獲得身臨其境的真實感受和體驗[5]，具有沉浸性、交互性和構想性三大特點[6]。虛擬現實可使用戶沉浸于虛擬環境中，獲取新知識，提高感性和理性認識，產生新的想象。

在平衡和協調康復方面，Ding等[7]結合強制性運動療法原理對Nintendo Wii Fit游戲系統進行改造，構建一款基于虛擬現實的下肢平衡康復訓練系統：患者雙腳站在兩塊平衡板上，通過雙腳用力，動態控制壓力中心，操控虛擬人的運動。Lloréns等[8]開發的BioTrak虛擬現實系統涵蓋一系列平衡康復活動，包括端坐時頭部和軀干姿勢控制的恢復和站立時動態平衡練習等，允許用戶通過選擇練習項目、持續時間、休息時間和重復次數進行個性化訓練。

在行走及步態訓練方面，張磊杰等[9]提出一種基于虛擬現實的步態康復機器人系統，可以快速提取患者的步態、步行速度、心跳等生理信息并恰當地體現在游戲中，使枯燥的訓練變得有趣，提高患者的注意程度。

虛擬現實技術在遠程醫療中探索也在進行。李軍強等[10]設計一套遠程監控系統，用虛擬人的運動再現患者手臂運動，實現監控功能，從而使醫生掌握患者手臂的運動情況。王月姣等[11]設計基于力反饋的遠程康復訓練虛擬駕駛系統，治療師端的計算機能實時顯示患者訓練視頻、相關訓練數據及當前訓練方案，并能據此實時修改訓練方案。

2 帕金森病凍結步態

凍結步態是帕金森病晚期的破壞性癥狀[12]。Schaafsma等[13]根據凍結步態的表現形式，將其分為3種亞型：小步伐拖足行進型、原地震顫型和完全運動不能型。持續時間絕大多數為1～2 s，均不超過10 s；凍結步態多見于“關”期，但在“開”期也有出現。凍結步態易于步態起始、轉彎及遇到障礙物，或執行雙重任務疲憊、焦慮、抑郁時出現[14-17]，與運動遲緩、震顫、肌張力障礙、步態障礙并列為帕金森病的基本特征。通過加強注意力和施以外部線索刺激可以克服它的發生[14]。凍結步態患者易焦慮、緊張，而焦慮、緊張情緒又會加重凍結步態[17]。Macht等[18]發現，凍結步態的發生主要與帕金森病的病程進展相關，帕金森病早期無震顫但有步態異常是凍結步態發生的危險因素，男性發生率高于女性。因凍結步態突然出現和不可預測的特點，常導致患者摔倒及受傷[19]。

帕金森病凍結步態的病理生理基礎尚未明確。目前較為流行的模型是凍結步態的發生與協調神經網絡(coordinated neural networks)的功能異常有關[20]，即帕金森病凍結步態與額頂葉皮層和皮層下結構(如紋狀體)的功能聯系障礙有關[21]。凍結步態時，感覺運動腦區皮層血流量降低，額頂葉血流量增強，且血流量變化程度與凍結步態的嚴重程度呈負相關。運動停滯(motor arrests)也與雙側尾狀核頭、丘腦和蒼白球的血流量降低有關。在控制認知負荷后，蒼白球和丘腦底核的血流量仍持續降低，提示基底神經節輸出的陣發性增加與凍結現象有關。運動停滯期間，中腦運動區血流量降低，降低程度與凍結步態的嚴重程度正相關。Shine等[21]對帕金森病患者在進行虛擬現實步態任務時采集功能磁共振數據，發現帕金森病凍結步態患者偏側基底節網絡與認知控制網絡之間功能失匹配，這也與陣發性運動停滯有關，提示帕金森病凍結步態的發生與功能互補又競爭的神經網絡之間功能聯系障礙有關。

Matar等[22]發現，沖突解決和視覺空間處理障礙也可能是帕金森病凍結步態發生的原因。在進行雙重任務時，具有凍結步態的帕金森病患者雙側島葉前部、腹側紋狀體和輔助運動區前部，以及左丘腦底核的激活較正常人少，表明在雙重任務時不能激活認知控制網絡[23]。

3 虛擬現實在帕金森病凍結步態評估中的應用

凍結步態有間歇性[24]和不可預測性。目前針對凍結步態的評估主要依靠病史采集、體格檢查、量表分析和機械評估。常用的量表包括凍結步態問卷(Freezing of Gait Questionnaire,FOG-Q)和新凍結步態問卷(New Freezing of Gait Questionnaire,NFOG-Q)。兩者信度很高。但最新研究發現[25-26]，這兩個量表與凍結步態發生的頻率、嚴重度不相關[27]，存在局限性。

Moore等[28]設計一套凍結步態動態監測裝置。利用安裝在左腳踝上的傳感器，向掌上電腦傳送左小腿垂直加速度信息，通過頻率分析算出凍結指數，高于此指數即為凍結步態發作；應用中可以計算群體閾值和個體化閾值，閾值的個體化可提高此裝置的敏感性和特異性。Popovic等[29]設計一套監測裝置，通過計算Pearson相關系數區分正常步態和異常步態，系數低時為凍結步態。但這兩套方法均未考慮帕金森病患者處理環境變化的應對能力。

虛擬現實能模擬凍結步態觸發的真實環境，為帕金森病凍結步態評估提供了新思路。Matar等[19]應用一種虛擬步態實驗室，由第一人稱視角呈現三維走廊的虛擬環境，能夠區分有凍結步態和未報告凍結步態癥狀的帕金森病患者。凍結步態對已知的凍結步態觸發器(包括寬窄門、滑動門和雙重任務)，有腳步延遲延長現象；凍結組患者在藥物“關”狀態下，在寬窄門和滑動門前，延遲較“開”狀態時顯著增加，而且延遲僅限于特定環境線索，并非由于藥物“關”狀態造成的普遍減慢。在處理環境突出線索時，凍結組出現特異的運動延遲，由多巴胺依賴性神經環路介導[19,22]。

虛擬環境及虛擬任務可誘發凍結步態。坐位虛擬現實步態任務評估發現[24]，有凍結步態較無凍結步態的帕金森病患者更易出現自發運動停滯，且評估中凍結步態出現次數和持續時間與實際起立-行走任務的數據中度相關，即坐位虛擬現實步態任務中出現凍結步態與真實凍結步態有共同的神經機制，為進一步深入研究凍結步態提供新的思路及方法。

4 虛擬現實在帕金森病凍結步態康復中的應用

步態和認知障礙在帕金森病中很常見，這些缺陷加劇跌倒風險和行動困難，特別是在復雜任務或雙重任務步行中。傳統的步態訓練常采用跑步機訓練(treadmill training,TT)，可改善帕金森病患者的步行能力，但不能顯著改善凍結步態，且效果持續不長。尚未有關于TT對越過障礙物、復雜步行和雙重任務能力影響的研究。此外，尚不清楚帕金森病患者的訓練效果是否僅限于被訓練的任務，訓練效果是否可持續存在[30]。

虛擬現實結合TT，可在復雜環境中提供富有挑戰性的功能訓練。Mirelman等[30]對帕金森病患者進行TT與虛擬現實結合訓練，發現患者在常規步行、雙重任務以及越過地上障礙物中，步行速度均顯著改善；且在雙重任務中，步態變異性降低，跟蹤測試時間(trail making test times)提高；這些效益可持續至1個月后。TT+虛擬現實訓練也可改善帕金森病患者復雜挑戰性條件下的步態、注意力和記憶力[30]。用于步態訓練的虛擬現實技術，可以誘導運動學習，以增強帕金森病患者的復雜步行能力，降低跌倒風險。

Pompeu等[31]和Palacios-Navarro等[32]分別利用虛擬現實軟件(微軟KinectAdventuresTM)對帕金森病患者進行康復訓練，患者6分鐘步行測試、平衡評價系統測試、動態步態指數和帕金森病問卷均較訓練前改善。Badarny等[33]通過便攜式虛擬現實眼鏡，研究視覺反饋線索對帕金森病患者步行能力的影響，結果表明虛擬現實視覺反饋可改善帕金森病患者行走能力，且這種改善可持續。

5 作用機制

凍結步態發生的病理生理機制尚未明確，且目前應用于帕金森病患者凍結步態康復訓練的研究較少，虛擬現實發揮作用的機制尚不確切。

Mirelman等[30]提出，聯合虛擬現實的TT訓練可能調動帕金森病患者運動適應學習和持續關注環境特性的能力，部分繞開已受損的基底神經節環，而依賴小腦激活的運動學習功能；虛擬現實也可改善帕金森病患者的認知功能，可能通過改善參與認知調節的腦網絡，發揮改善凍結步態的作用。

6 問題與展望

虛擬現實康復技術為帕金森病凍結步態的康復提供全新治療手段。由于其具有沉浸性、交互性和構想性這三大特點，可極大調動患者康復訓練積極性；還可根據患者的訓練情況提供實時反饋，根據患者個人條件制定訓練任務，有著傳統康復方法難以比擬的優勢。但目前應用于帕金森病凍結步態評估及康復訓練的虛擬現實設備較少，大多為研究者自行研究開發，尚處于試驗階段。目前關于虛擬現實康復訓練技術在帕金森病凍結步態康復的臨床試驗較少。

我國帕金森病患者多數生活于偏遠地區，缺乏必要的評估和康復訓練條件。虛擬現實結合遠程康復技術[34]可提高落后地區醫療水平，為偏遠地區帕金森病患者提供康復評估與訓練指導[35]。

智能眼鏡改變帕金森病患者對凍結步態觸發器的認知，已在荷蘭試用，可與虛擬現實技術結合[36]，改善帕金森病患者的生活質量。

盡管虛擬現實目前存在很多理論和技術困難，但其相對于傳統康復治療技術來說仍具有優勢。隨著科技的進步，虛擬現實在康復領域會得到更加廣泛、深入的應用，進一步提高患者康復治療的效果。