虛擬現實技術在腦卒中患者上肢功能康復中的應用進展

劉 敏，祝亞平，徐 欣

上海師范大學天華學院健康學院，上海 201805

腦卒中又稱腦中風或腦血管意外，腦卒中患者在人口死因順序中居第2位，85%的腦卒中患者發病起始就有上肢功能障礙，30%～36%的腦卒中患者在發病6月后仍遺留有上肢功能障礙[1]。臨床約75%的腦卒中患者伴不同程度的肢體運動功能障礙，肌力、肌張力的改變和異常行走模式致患者步速、步態穩定性下降，嚴重影響患者生活質量[1]。

虛擬現實技術（VR）對上肢運動功能恢復的作用是目前康復學研究的新領域，國外很多研究機構已經利用虛擬現實技術在該領域進行實驗，結果顯示在改善運動功能方面取得了一定成果[7-12,27-28]。

1 VR技術

20世紀80年代，Jaron提出“虛擬現實”的觀點，VR是利用計算機系統、感覺反饋裝置及建模技術生成可直接施加于訓練者的視覺、聽覺和觸覺感受，并在專業裝備的輔助下，刺激人體對虛擬的環境或物體進行交互觀察與控制的技術。從技術的角度來說，VR系統具有3個基本特征，即三“I”（沉浸-交互-構想）。

VR技術主要包括3種技術構成：（1）三維計算機圖形技術；（2）高清晰度及高更新速度的顯示技術；（3）采用多功能傳感器的交互式接口技術。借助這些特殊的呈現技術及輸入裝置，VR技術可以讓使用者產生身臨其境的感受。根據呈現模式的不同，VR技術可分為兩大類，包括沉浸式VR技術（如使用頭盔式屏幕或感應式手套）和非沉浸式VR技術，后者是將影像呈現在計算機屏幕或投射到幕布上，屏幕越大，沉浸在虛擬實境中的感覺就越深刻。另外，VR系統還可根據其規模分為桌面型、頭盔型、洞空型、遙現型以及擴張型等。

2008年卒中康復執行概要循證回顧建議使用VR改善腦卒中患者運動功能障礙，推薦強度為A[2]。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[3]。國內外已經對該領域進行探討，并獲得一定臨床數據。

2 VR與上肢功能康復

2.1 VR改善腦卒中患者上肢功能

上肢主要承擔復雜、精細、靈巧的動作，尤其是手的功能相當精細和復雜，在日常生活活動中的作用十分重要。腦卒中后上肢功能的恢復比較棘手，而上肢功能恢復的程度與患者日后的生活質量關聯很大。相關研究表明，30%～36%腦卒中患者在發病后6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[4]。國外研究顯示，采用MRI技術發現患者訓練時損傷側的運動皮質、額葉白質及小腦募集被顯著激活，推測這一變化可能是促進其運動功能恢復的原因之一[5]。

有研究[6]將60例腦卒中患者隨機分為對照組（n=30）和觀察（n=30），兩組均接受針刺及常規康復治療，觀察組另外增加虛擬現實技術康復訓練，20 min/d，每周5 d，共4周。治療前后分別采用Fugl-Meye評定量表，上肢部分（FMA-UE）評定上肢及手的運動功能，改良Barthel指數（MBI）評定日常生活活動能力。4周后，兩組患者FMA-UE、MBI評分均明顯提高，觀察組高于對照組。虛擬現實技術可促進腦卒中患者上肢功能改善，提高日常生活活動能力。

Jack等[7]首次將Cyber-Glove和Rutgers Master IIND（RM II）力反饋手套與WTK圖像庫組合的虛擬現實系統用于腦卒中后手功能的康復。探討為期2周的虛擬現實系統訓練在改善腦卒中偏癱患者手運動功能方面的作用，發現每位患者拇指的運動范圍、肌力、手指的分離運動和運動速度均有顯著改善。證明該訓練系統在改善腦卒中患者手功能方面的有效性和可行性。但訓練時穿插畫圖、堆卡片等現實環境訓練，故不能證明取得的療效是虛擬現實訓練的結果。Merians[8]將VR與機器人融合，設計的包括混沌彈球、捕捉蜂鳥、敲木錘和演奏虛擬鋼琴這4個虛擬現實訓練模塊，將上臂、腕關節和手指運動及機器人技術有機的結合，對12例腦卒中后半年以上、腕關節背屈、手指伸展均大于10度的患者進行了8 d的訓練學習。結果表明，患者提高了近端肢體的穩定性，患者的運動效率及路線平滑度較前改善，偏癱手功能提高顯著。與常規治療相比虛擬現實機器人可以為患者提供的訓練方式更具多樣化。Burdea等[9]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。Laver等[10]對37個隨機或半隨機試驗共1019例卒中患者進行薈萃分析，大部分患者較為年輕且發病1年以上，結果表明與對照組相比（空白對照或常規訓練對照），上肢運動功能及日常生活活動能力有顯著改善，但握力、步行速度及整體運動功能改善無統計學差異，且因各試驗設計差異，不能對認知功能、參與限制、生活質量及影像學研究進行薈萃分析，但少有不良事件報告。Wang等[11]利用VR技術，通過對比帕金森病患者對VR及現實中可視球類抓取的準確性及錯漏率，結果表明VR技術對比傳統康復手段對帕金森病患者康復有明顯優勢。

2.2 VR訓練改善腦卒中后上肢關節活動度

關節活動度（ROM）指一個關節從起始端至終末的正常活動范圍。ROM受限對于患者活動的靈活性，以及患者上肢功能性活動的能力均有消極的影響。因此，提高患者ROM是腦卒中患者康復的關鍵任務之一。Subramanian等[12]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，4周后試驗組肩關節外展和肘關節屈伸的改善更明顯，VR訓練不僅可以提高關節活動度，還能夠將其轉換到日常活動中。

Godfrey等[13]使用手外骨骼康復機器人（HEXORR Robotic）結合VR訓練對患者手功能活動度的研究，發現通過2種游戲對手指屈伸動作的練習，掌指、指間關節的ROM均有所增加，ROM的增加對于患者手部精細功能的恢復有較好的作用。Mouawad等[14]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，1 h/d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30 min/d逐漸增加到180 min/d，連續10 d。訓練后受試者的上肢功能明顯提升，上肢主、被動關節活動度均有增加，并且這些改變都可以轉換成日常生活能力的提升。Connelly等[15]利用VR結合充氣手套對腦卒中后手功能患者康復訓練，實驗結果表明患者在手腕關節活動和手掌收縮方面有所改善。

2.3 VR改善腦卒中后上肢運動準確度

上肢主要來完成精細的技巧性動作，在日常生活中很多活動需要上肢來完成，上肢精細運動功能障礙會影響患者自主生活能力，從而影響生活質量，上肢精細運動功能的恢復也是上肢康復的難點之一。

Siekierka等[16]和Eng等[17]在臨床量表評估的基礎上，用腦卒中患者抓捕虛擬小球的表現來評估其上肢運動準確性的改善；在評估過程中，通過提高小球的速度、縮短小球出現的間隔增加捕獲小球的難度。結果顯示，患者在進行結合傳統訓練的VR訓練后，較對照組可以更穩定地捕獲難度更高的小球，VR訓練后患者上肢準確性和運動速度的提高。腦卒中患者上肢運動準確性的提高也表現為患者上肢運動軌跡的改善。Broeren等[18]將運動速度、手部路徑當作患者VR訓練成效的反映，3周及12周后發現，所有患者的平均運動速度和手部路徑比都有提高，完成時間縮短，提示VR預治療對上肢運動準確性的改善可維持較持久的作用。Yeh等[19]建立了一個機器人輔助觸覺VR系統，來模仿捏抓的動作。通過引入機器人輔助的VR系統來獲得運動學和動力學信息。這個研究成功地將VR和機器人輔助觸覺整合在一起，模擬精細運動。這個系統包含了幾個行為階段，全面評估整體任務訓練過程，并納入運動學和動力學數據，來發展新的任務導向運動指數。結果顯示一半的受試者的運動功能顯著提高，另一半則有明顯改善的趨勢。

Tsoupikova等[20]基于VR技術設計出一個3D互動情景，開發的是一個基于愛麗絲夢游仙境的沉浸式VR環境。用戶可以在虛擬環境中看到完整的墻壁、天花板、地板、桌子、椅子等。搭載傳感器系統跟蹤，可以測量關節角度，還可以提供觸覺反饋，從而可以控制虛擬的手臂和手，且重復的訓練可以大大減少鍛煉所需要的時間。研究發現參與者側向的捏力有了明顯改善。Tong等[21]等研究發現虛擬現實機器手使用自由度可調的5根獨立手指輔助患者訓練，可實現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。

劉遠文等[22]將32例腦卒中手運動功能障礙患者分為實驗組（n=16）和對照組（n=16），實驗組予VR機器手訓練和手部基礎康復訓練，對照組予手部基礎康復訓練，共4周。治療前后采用Fugl-Meyer評定（FMA）的手指、腕運動部分和MBI進行評定。結果顯示實驗組治療后FMA、MBI總分及各亞項評分明顯提高。對照組治療后FMA總分、手指、腕、MBI進食、穿衣、修飾共6項評分高于治療前。治療后，實驗組FMA、MBI總分及各亞項評分高于對照組。得出虛擬現實機器手訓練可進一步改善腦卒中患者的手功能和日常生活活動能力的結論。

2.4 VR改善腦卒中后上肢功能性活動

腦卒中偏癱后上肢運動功能障礙是嚴重影響日常生活和生存質量最重要的因素，常規康復過程中，由于上肢功能恢復較下肢慢，效果不明顯。有效促進上肢運動功能的恢復是臨床康復的重要內容。2016年，美國心臟協會和美國卒中協會發布了“成人腦卒中康復指南”[23]，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。

梁明等[24]將33例腦卒中恢復期偏癱肢功能障礙的患者隨機分為治療組（16例）和對照組（17例）。對照組接受常規作業治療40 min/次，1次/d，5次/周，共3周。治療組接受常規作業治療和虛擬廚房上肢康復訓練各20 min，40 min/次，1次/d，5次/周，共3周。其余康復治療如運動療法和日常生活活動訓練等兩組均相同。兩組患者分別于治療前、治療后予以FMA上肢部分（FMA-UE）、MAS七肢部分（MAS-UE）和MBI評定，3周后顯示兩組患者治療后FMA-UE、MAS-UE及MBI的評分均較治療前提高，治療前、后各量表的評分差異具有顯著性（P＜0.05）；與對照組相比，治療組患者FMA-UE、MBI的評分提高幅度更大（P＜0.05）。因此，虛擬廚房上肢康復訓練結合常規康復作業治療能更好地改善腦卒中恢復期患者偏癱上肢的運動功能，更有效地提高患者日常生活活動能力。但由于相關因素的限制，研究樣本量較小，可能影響MAS-UE等量表檢測出兩組的差別。另外，無隨訪資料，不能體現虛擬廚房上肢康復訓練對腦卒中患者患側上肢運動功能和日常生活活動的長遠影響。

容小川等[25]將56例腦卒中后導致上肢運動功能障礙的患者，隨機分為對照組（28例）和治療組（28例）。對照組給予神經促進技術、神經肌肉電刺激、針刺等常規康復治療，6次/周，共4周。治療組在常規康復治療的基礎上用應用BioMaster2012虛擬現實康復訓練系統進行互動訓練，6次/周，共4周。在治療前及治療4周后分別應用FMA、改良MBI進行評定。結果顯示兩組患者一般資料及治療前上肢FMA運動功能評分、日常生活活動能力評分差異無統計學意義（P＞0.05）；治療4周后2組患者上肢FMA運動功能評分、日常生活活動能力評定與治療前比較差異有統計學意義（P＜0.01）。治療組與對照組比較，上肢FAM評分、MBI高于對照組（P＜0.05）。常規康復訓練結合虛擬現實康復訓練系統有助于腦卒中患者上肢運動功能的恢復，從而改善其日常生活活動能力。

韓曉曉等[26]將30例腦卒中偏癱患者分為治療組（15例）及對照組（15例），2組患者均給予常規藥物治療及物理治療，治療組在此基礎上給予Wii虛擬現實游戲訓練，對照組則輔以常規作業治療。于治療前、治療2周后分別采用上肢部分Fugl-Meyer評定量表（FMA-UE）及上肢Brunnstrom分期量表對2組患者上肢運動功能恢復情況進行評定，同時采用表面肌電圖檢測2組患者患肘最大等長屈曲、伸展時肱二頭肌、三頭肌積分肌電值，并計算相應的共同收縮率（CR）。結果治療前2組患者FMA-UE評分、Brunnstrom分期評分、患肘屈曲時肱二頭肌CR及患肘伸展時肱三頭肌CR組間差異均無統計學意義（P＞0.05）；治療2周后發現治療組及對照組患者FMA-UE評分、Brunnstrom分期評分、患肘屈曲時肱二頭肌CR及患肘伸展時肱三頭肌CR均較組內治療前明顯改善（P＜0.05），且治療后2組患者上述療效指標組間差異仍無統計學意義（P＞0.05）。研究認為Wii虛擬現實游戲訓練在促進腦卒中患者偏癱上肢運動功能恢復以及改善患肘屈伸運動協調性方面與常規作業治療具有相同療效。

Turolla等[27]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可以改善上肢功能，增加上肢活動度和準確度，并能將訓練效果轉移到現實生活中，從而提高患者日常生活質量。Wright等[28]運用虛擬現實技術中的射擊類游戲，使患者練習上肢移動功能，找出虛擬環境中的移動靶并射擊，采用Fugl-Meyer評估結果，發現虛擬系統能顯著提高患者康復訓練積極性，使上下肢協調能力得到改善。楊雨潔等[29]通過meta分析發現經虛擬現實技術療法訓練后，腦卒中患者的上肢的FMA評分和阻礙物測試評分較治療前均有所提高，且與常規康復相比有統計學意義。提示患者上肢運動功能得到改善。Subramanian等[12]研究發現在腦卒中患者手臂運動功能康復的干預措施方面：功能受損較輕的患者經過VR訓練后其功能改善較中到重度患者更為顯著。

3 小結

神經生理學數據顯示大量的康復訓練能夠誘導中樞神經可塑性的變化以及促進功能恢復，相關研究[30]表明，運動功能障礙的恢復依賴于早期干預，并具備高強度、針對性、重復性和能夠及時提供反饋信息的治療模式，徒手康復訓練不易達到這些要求。VR技術通過運用計算機和專業的軟硬件模擬現實環境，實現在視、聽、觸覺等方面的虛擬互動和反饋，還可以增加任務的趣味性，使用者可以在虛擬環境中完成可控的功能性運動和操作，并可激發和維持患者重復練習的動機。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，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[31]。

Orihuela等[5]設計讓患者接受VR上肢訓練，當患肢運動時用功能磁共振成像對大腦進行監測，發現前額皮質和小腦活動是手勢治療的恢復驅動力，從腦部神經功能重組的層面證實肢體行為和大腦的活動變化之間呈正相關，為VR治療有效、相關性提供科學的數據支持。研究表明，患者能在虛擬環境中學會運動技能，并且能將習得的運動技能遷移到現實世界的真實環境中[32-34]。有研究分別總結了虛擬情景訓練和上肢康復機器人兩種方法對腦卒中后患者上肢功能恢復的影響，通過文獻報道證實，虛擬現實技術作為新的康復治療技術以其操作方便及趣味性強的特點在腦卒中患者生活能力及上肢運動功能恢復方面較傳統康復治療方法有著明顯的優勢[34-35]。

VR技術不僅可以改善腦卒中患者的上肢功能，還可以改善其步態、平衡功能、認知功能和空間忽略障礙等[36-37]。隨著VR技術的不斷發展，科技和測量工具等不斷進步，虛擬現實技術在腦卒中后多種功能恢復上表現出巨大潛力，VR技術將來成為改善腦卒中患者運動功能的一種新型有效的康復手段。在臨床上可將虛擬現實技術與其他康復治療技術相結合，更有效地促進腦卒中患者功能障礙的。但目前的研究中普遍缺乏大樣本試驗和多中心的研究，未來應進行對照嚴格、設計嚴密的大樣本量、高質量的臨床隨機對照研究來探討虛擬現實療法的治療療效，同時簡化操作系統、降低VR的使用成本、開發多用戶的上肢康復虛擬系統的開發、VR結合遠程康復等也都需要康復工作者長足的努力。