增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在卒中后上肢功能康復(fù)中的研究進(jìn)展

李沖，田石榴，劉向云，賈杰，2

卒中作為常見的腦血管疾病，具有高發(fā)病率、高死亡率、高致殘率的特點(diǎn)[1]。全球每年有1700萬人罹患卒中，給社會、家庭造成了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[2]。85%的卒中患者會存在上肢功能障礙，嚴(yán)重影響患者的日常生活，其中只有11%～14%的患者上肢功能可完全恢復(fù)，因此，需要有效的康復(fù)治療對患者上肢功能進(jìn)行重塑[3-4]。隨著科技的進(jìn)步，許多新的康復(fù)技術(shù)得以發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality，AR）技術(shù)就是其中之一，不過其在卒中后上肢功能康復(fù)中的研究和應(yīng)用尚處于萌芽階段[5-7]。本文對AR技術(shù)促進(jìn)卒中后上肢功能康復(fù)的原理、發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢進(jìn)行綜述。

1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

1.1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)定義 AR技術(shù)是一種將虛擬世界和真實(shí)世界進(jìn)行交互融合的技術(shù)，它將虛擬信息在現(xiàn)實(shí)場景增強(qiáng)后呈現(xiàn)給使用者，增強(qiáng)使用者對現(xiàn)實(shí)世界的感知和交互能力[8]。1966年，Sutherland發(fā)明了頭盔顯示器，并在1968年創(chuàng)建了第一個AR系統(tǒng)[9]。目前對于AR技術(shù)有兩種較為權(quán)威的定義：第一種是Milgram和Kishino[10]于1994年提出的“現(xiàn)實(shí)-虛擬連續(xù)體”概念，對虛擬和現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的顯示環(huán)境進(jìn)行分類，真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境分布在兩端，靠近真實(shí)環(huán)境的是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，靠近虛擬環(huán)境的是虛擬現(xiàn)實(shí)，而在中間的部分稱為混合現(xiàn)實(shí)。第二種定義是Azuma[8]于1997年提出，認(rèn)為AR技術(shù)應(yīng)具備三個特征：①虛實(shí)結(jié)合，在真實(shí)環(huán)境中結(jié)合真實(shí)和虛擬信息；②實(shí)時交互；③三維注冊，實(shí)現(xiàn)真實(shí)場景和虛擬信息的融合。

1.2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù) 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)一般包括跟蹤注冊技術(shù)、顯示技術(shù)和交互技術(shù)。其中，根據(jù)跟蹤的對象可將跟蹤注冊技術(shù)分為兩類：①跟蹤對象為攝像機(jī)，又可以分為基于硬件傳感器的跟蹤技術(shù)和基于計算機(jī)視覺的跟蹤技術(shù)[11]。基于硬件傳感器的跟蹤技術(shù)通過傳感器的信號發(fā)送器和感知器來獲取相關(guān)位置、移動數(shù)據(jù)，從而達(dá)到跟蹤注冊的目的。目前常用的基于硬件傳感器的跟蹤技術(shù)有全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）、慣性跟蹤器和磁感應(yīng)傳感器等[12-13]。基于計算機(jī)視覺的跟蹤技術(shù)利用計算機(jī)視覺的相關(guān)算法將虛擬信息和真實(shí)場景進(jìn)行融合，該技術(shù)的精確度較高，常應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)[14]。②跟蹤對象為人，以使用者及周邊信息作為被跟蹤對象，對周圍環(huán)境建模從而加載虛擬場景。

顯示技術(shù)的作用是將計算機(jī)生成的虛擬信息與真實(shí)場景進(jìn)行融合。常見的AR顯示技術(shù)有頭戴式顯示器、手持式顯示器、投影式顯示器。頭戴式顯示器的沉浸感最強(qiáng)；手持式顯示器是使用者可以手持的顯示技術(shù)，避免了使用者佩戴頭戴式顯示器的不舒適感，同時體積小、易于攜帶，但其減弱了使用者的沉浸感；投影式顯示器是將虛擬信息直接投影到真實(shí)場景中需要增強(qiáng)的真實(shí)物體上，該技術(shù)投影范圍大，效果穩(wěn)定，但該技術(shù)設(shè)備體積一般較大，不易攜帶[13-15]。

交互技術(shù)的作用是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。常見的交互技術(shù)包括：基于傳統(tǒng)的硬件設(shè)備，如鼠標(biāo)、鍵盤等通過選擇圖像中的某個點(diǎn)并對該點(diǎn)對應(yīng)的虛擬物體進(jìn)行按、點(diǎn)等操作來實(shí)現(xiàn)交互；手勢交互，這種交互方式能降低人機(jī)交互成本；另外，還包括便攜式投影互動技術(shù)[16]。

1.3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)促進(jìn)上肢功能康復(fù)的原理 左右制衡模式是上肢發(fā)揮正常功能的重要機(jī)制，制衡模式的異常是卒中后患者上肢和手功能障礙的重要機(jī)制[17]。卒中后神經(jīng)功能的康復(fù)主要依賴于腦的可塑性和功能重組，而高強(qiáng)度、可重復(fù)、任務(wù)導(dǎo)向性、有反饋的康復(fù)訓(xùn)練可促進(jìn)腦的重塑和功能重組[18-20]。有效的康復(fù)訓(xùn)練能促進(jìn)患者的神經(jīng)系統(tǒng)對感覺信號重新適應(yīng)，增強(qiáng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)對上肢運(yùn)動功能的控制，抑制原始、異常的反射活動，從而重塑正常的左右制衡模式。AR技術(shù)以日常生活中常用動作為基礎(chǔ)，提供高強(qiáng)度、可重復(fù)、任務(wù)導(dǎo)向性的功能性運(yùn)動，從而有效地促進(jìn)損傷腦區(qū)周圍正常神經(jīng)元參與運(yùn)動，重建外周到中樞的感覺反饋，促進(jìn)神經(jīng)中樞對動作進(jìn)行修正，恢復(fù)神經(jīng)中樞對外周的控制，最終恢復(fù)原有功能或?qū)崿F(xiàn)功能代償[21-22]。同時，AR技術(shù)能有效地提高患者的心肺體適能，有助于提高患者的生活質(zhì)量。基于視觸覺的AR技術(shù)將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和視觸覺反饋技術(shù)相結(jié)合，通過患者與AR場景中的虛擬物體進(jìn)行交互，并通過觸覺等感覺反饋促進(jìn)大腦高級中樞進(jìn)行整合，建立新的信息接收和處理通路，從而達(dá)到功能重塑的目的[23-25]。

2 卒中后上肢康復(fù)常用的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

2.1 視覺增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù) 視覺AR技術(shù)是最常見的訓(xùn)練技術(shù)，在康復(fù)訓(xùn)練中，該技術(shù)常與作業(yè)治療、鏡像療法等技術(shù)相結(jié)合。Mousavi等[26]開發(fā)了一款基于視覺的AR技術(shù)康復(fù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用投影式顯示器，治療時，患者坐在治療桌前，投影式顯示器將虛擬背景投影在治療桌上，患者使用實(shí)際物體與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。Colomer等[27]對30例慢性期卒中患者進(jìn)行了常規(guī)康復(fù)-AR技術(shù)-常規(guī)康復(fù)的交替訓(xùn)練，結(jié)果顯示，視覺AR康復(fù)系統(tǒng)能滿足運(yùn)動學(xué)習(xí)原則，并能促進(jìn)患者上肢功能的康復(fù)。Da Gama等[28-29]開發(fā)的另一款基于視覺的AR技術(shù)上肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)能與鏡像療法相結(jié)合。研究者采用該系統(tǒng)分別對卒中患者、物理治療師和軟件開發(fā)人員進(jìn)行隊(duì)列評估，方式為肩部外展治療練習(xí)，每次訓(xùn)練時分為三個連續(xù)的子項(xiàng)目：①使用者在沒有系統(tǒng)幫助的情況下進(jìn)行練習(xí)直到感到疲勞；②使用鏡像激勵和指導(dǎo)進(jìn)行相同的練習(xí)；③使用者在沒有系統(tǒng)幫助的情況下再次進(jìn)行練習(xí)。以使用者初次在沒有系統(tǒng)幫助的情況下進(jìn)行運(yùn)動的數(shù)據(jù)作為基線，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用該系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練后，患者正確練習(xí)率從69.02%提高到93.73%，運(yùn)動重復(fù)次數(shù)由34.06次提高至66.09次，提示使用者的康復(fù)動力增加。

目前關(guān)于視覺AR技術(shù)與其他技術(shù)結(jié)合的研究較少，未來需要開發(fā)相關(guān)設(shè)備并進(jìn)行高質(zhì)量的研究進(jìn)一步驗(yàn)證其對卒中后上肢功能康復(fù)的影響。

2.2 觸覺增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù) 觸覺AR技術(shù)是在常規(guī)AR技術(shù)基礎(chǔ)上增加觸覺反饋，能有效增加患者訓(xùn)練時的感覺反饋，增強(qiáng)外周環(huán)境與中樞控制之間的聯(lián)系，對同時存在感覺和運(yùn)動功能障礙的患者更有幫助。Luo等[30]開發(fā)了一款A(yù)R與壓力輔助設(shè)備相結(jié)合的康復(fù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的輔助設(shè)備包括身體動力矯形器或氣動裝置，患者佩戴該輔助設(shè)備進(jìn)行抓取虛擬物體訓(xùn)練時，該系統(tǒng)會判斷患者的手是否處于合適的位置，輔助設(shè)備會產(chǎn)生一定的壓力幫助患者完成抓握物體動作。研究者對1例卒中患者使用該系統(tǒng)進(jìn)行6周訓(xùn)練后，用箱盒測試評估患者上肢功能，結(jié)果顯示該系統(tǒng)能明顯改善患者手的抓握能力。Hossain等[31]開發(fā)了一款A(yù)R結(jié)合無線振動觸覺設(shè)備的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，振動觸覺設(shè)備放置在訓(xùn)練時所用的物品內(nèi)為患者提供感覺反饋。研究者對10例卒中患者使用該設(shè)備進(jìn)行訓(xùn)練，每例患者進(jìn)行一次訓(xùn)練且訓(xùn)練時間至少1 h，訓(xùn)練后對患者進(jìn)行問卷調(diào)查，結(jié)果顯示多數(shù)患者認(rèn)為該系統(tǒng)能增加康復(fù)訓(xùn)練的樂趣且具有挑戰(zhàn)性，但有2例患者訓(xùn)練時有挫敗感，另外有2例患者出現(xiàn)上肢的疲勞。Zhao等[32]開發(fā)了一款A(yù)R結(jié)合觸覺振動腕帶的康復(fù)系統(tǒng)，19例卒中患者使用該系統(tǒng)進(jìn)行了25 d的抓握和移動物體訓(xùn)練，結(jié)果顯示有2例年齡較大的女性患者手功能沒有明顯改善，4例患者手伸展功能有明顯改善。

目前常見的觸覺反饋設(shè)備有桌面式、手持式和自制式等幾種。Geomagic Touch等設(shè)備精確度高，提供的觸覺反饋較明顯，但其成本高，對于需要居家進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的卒中患者，可以采用國產(chǎn)觸覺康復(fù)裝置[33-34]。

2.3 鏡像增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù) 鏡像療法最初用于減輕截肢后幻肢痛，近年來在卒中上肢功能康復(fù)治療中的應(yīng)用越來越廣泛。Assis等[35]開發(fā)了一款康復(fù)設(shè)備（NeuroR），使用者通過屏幕看到自己上肢的鏡像，用虛擬手臂模擬癱瘓手臂，通過移動未受傷的手臂和偏癱的手臂來完成所需的任務(wù)，并由標(biāo)記信號觸發(fā)虛擬手臂動畫。8例卒中患者參與該研究，隨機(jī)分為試驗(yàn)組（使用NeuroR進(jìn)行康復(fù)治療）和對照組（常規(guī)康復(fù)治療），經(jīng)過4周康復(fù)訓(xùn)練后，試驗(yàn)組的Fugl-Meyer上肢功能量表評分較對照組有顯著提高，證明使用該設(shè)備能有效改善卒中患者的上肢功能。Hoermann等[36]開發(fā)了一款相對經(jīng)濟(jì)的AR技術(shù)（增強(qiáng)反射技術(shù)）系統(tǒng)，該系統(tǒng)將計算機(jī)鏡像療法與AR技術(shù)結(jié)合。訓(xùn)練時患者將雙手放在治療桌上，屏幕上只有經(jīng)過鏡像的健側(cè)手，給患者一種視錯覺，即鏡像到屏幕另一邊的健側(cè)手是真正恢復(fù)功能的患側(cè)手。研究納入了12例亞急性期卒中患者，治療前后對患者進(jìn)行九孔柱、握力和Fugl-Meyer上肢功能量表評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該技術(shù)有助于激發(fā)患者的康復(fù)潛力。

AR技術(shù)和鏡像技術(shù)結(jié)合對傳統(tǒng)的二維鏡像療法進(jìn)行了創(chuàng)新，通過AR技術(shù)對患者進(jìn)行三維鏡像治療，可促進(jìn)患者上肢功能的康復(fù)，但該系統(tǒng)需要的頭戴式顯示器或設(shè)備體積較大，成本較高且不易攜帶，限制了該系統(tǒng)的臨床應(yīng)用[37-38]。

2.4 手機(jī)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù) 基于手機(jī)的AR技術(shù)利用手機(jī)作為顯示技術(shù)完成患者訓(xùn)練時的交互過程。Lapiana等[39]開發(fā)了一款基于手機(jī)的AR游戲康復(fù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將手機(jī)和頭戴式顯示器結(jié)合，利用標(biāo)識物、固定盒對患者進(jìn)行訓(xùn)練。該研究為探索性研究，主要測試患者對該系統(tǒng)的接受程度。5例卒中患者使用該系統(tǒng)進(jìn)行3次治療，治療后的問卷調(diào)查結(jié)果顯示，患者認(rèn)為這款基于手機(jī)的AR康復(fù)系統(tǒng)可以幫助他們達(dá)到康復(fù)的目標(biāo)，但有患者反饋使用該系統(tǒng)訓(xùn)練容易疲勞。Song等[40]開發(fā)的另一款更簡單的（手機(jī)和可穿戴手套）基于手機(jī)游戲的AR康復(fù)系統(tǒng)，也更經(jīng)濟(jì)且便攜。研究者對8例卒中患者使用該設(shè)備進(jìn)行一次訓(xùn)練，采集患者訓(xùn)練前后運(yùn)動功能得分并對患者進(jìn)行問卷調(diào)查，結(jié)果顯示該康復(fù)系統(tǒng)能明顯改善患者上肢功能且患者對該系統(tǒng)接受程度良好，但有一例患者認(rèn)為這款系統(tǒng)對上肢功能康復(fù)沒有作用。

基于手機(jī)的AR系統(tǒng)近幾年才開始應(yīng)用于卒中后上肢功能的康復(fù)訓(xùn)練，該類系統(tǒng)和其他AR技術(shù)系統(tǒng)相比更加經(jīng)濟(jì)、便捷，可以作為患者居家康復(fù)訓(xùn)練的一種選擇，但該類系統(tǒng)的交互技術(shù)往往較其他系統(tǒng)弱，患者的沉浸感較差。

3 總結(jié)與展望

綜上所述，目前AR系統(tǒng)在卒中后上肢功能康復(fù)研究中的可行性已經(jīng)得到證實(shí)[36-38]。應(yīng)用于上肢功能康復(fù)的AR技術(shù)能將傳統(tǒng)訓(xùn)練方式與虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合，利用計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、計算機(jī)視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，并可實(shí)時記錄相關(guān)的康復(fù)數(shù)據(jù)，分析康復(fù)進(jìn)展情況，讓康復(fù)訓(xùn)練更加高效。同時，AR技術(shù)也存在許多不足之處，包括：①部分AR康復(fù)設(shè)備（如投影式顯示器和傳感器裝置）比較昂貴，不能滿足低收入家庭的康復(fù)需求；②設(shè)備穿戴較煩瑣，可穿戴設(shè)備雖然沉浸感強(qiáng)且能帶來實(shí)時交互，但穿戴時有不舒適的感覺，降低了患者訓(xùn)練的積極性；③訓(xùn)練場景沉浸感不強(qiáng)，如通過投影式顯示器在治療臺上進(jìn)行投影，增強(qiáng)效果不明顯，患者康復(fù)積極性得不到提高；④游戲難度設(shè)置存在問題，尚不能完全按照患者功能狀況進(jìn)行針對性訓(xùn)練，降低了康復(fù)治療的效果。

AR技術(shù)正在康復(fù)領(lǐng)域逐漸發(fā)揮其強(qiáng)大的力量，未來的AR技術(shù)發(fā)展有以下趨勢：①增強(qiáng)系統(tǒng)軟硬件的通用性，降低開發(fā)成本，從而使應(yīng)用人群更加廣泛；②場景設(shè)計和游戲設(shè)計更加全面和多元化，對虛擬信息的形成機(jī)理和模型研究更加深入；③系統(tǒng)訓(xùn)練應(yīng)將康復(fù)評估、治療方案、康復(fù)訓(xùn)練等結(jié)合，滿足患者的周期性康復(fù)需求；④增加訓(xùn)練時感覺反饋的形式和種類，優(yōu)化游戲難度設(shè)置。

【點(diǎn)睛】增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過虛擬世界和真實(shí)世界的融合，增強(qiáng)使用者對現(xiàn)實(shí)世界的感知和交互能力，其在卒中患者上肢功能康復(fù)中有較大的應(yīng)用價值和前景。