虛擬現實技術在腦卒中患者康復中的應用進展

王佳樂，楊巧紅

（暨南大學護理學院，廣東 廣州 510632）

在我國，腦卒中是致殘率和致死率最高的疾?。?］，也是當今世界危害人類生命健康最主要的疾病之一［2］。 據統計，中國每年新發腦卒中患者約200 萬人，其中70%～80%的患者因殘疾而不能獨立生活，給家庭和社會帶來了沉重的負擔［3］。 研究顯示，由于康復治療資源有限， 加上部分患者和家屬的康復意識欠缺及疾病恢復期漫長，導致腦卒中患者得不到及時、長期及有效的康復治療［4］。 20 世紀 90 年代， 虛擬現實（virtual rea-lity, VR）技術被開發，并作為一種康復評估和治療的工具［5］。 VR 技術具有安全性、趣味性、康復治療個體化等優勢［6］，成為康復領域研究的熱點，且在腦卒中康復治療中應用最廣泛［7］。本研究就VR 技術在腦卒中患者康復中的應用進行分析總結， 以期為VR 技術在我國的進一步發展提供參考依據。

1 VR 技術概述

1.1 VR 技術定義VR 技術是利用仿真技術與計算機圖形學、 人機接口技術和多媒體技術等多種尖端技術建立一個三維的虛擬世界，讓用戶“投入”到該環境中，通過一個媒介（手套、操縱桿、鼠標）或用戶的手勢、動作、表情、語音，甚至眼球或腦電波實現與虛擬信息進行交互，產生多感官的反饋［8］。

1.2 VR 技術在腦卒中患者康復中的應用原理VR技術可以模擬出現實中的場景，如廚房、超市等。 患者在此場景中完成各種任務，如整理壁櫥、進行手指/腕及肩關節等部位的功能訓練、物品識別歸類、注意力的認知訓練等。 患者在訓練過程中可以看到自己肢體的動作，并以此來強化對訓練動作的認知。腦卒中康復治療是基于中樞神經系統的可塑性和大腦皮質重組理論， 即高強度及重復訓練可以使原本休眠的高閾值突觸處于活化狀態，周圍神經組織通過軸突的側支芽生，形成新的神經通路， 使臨近失神經支配的組織重新獲得支配［9］。 在磁力共振成像中發現，通過 VR 訓練可以刺激腦卒中患者皮質重組來提高其運動能力， 分析原因可能與VR 訓練過程中產生的視覺、 前庭及本體感覺動態反饋調節前運動及頂葉皮層的神經網絡等產生即時的自我校正，進而激活鏡像神經元有關［10-11］。 研究發現，VR 技術基于運動學習理論的康復治療方法，相比人工主導的傳統治療，更容易滿足高強度、重復性和特異性為導向的運動學習原則［10］，特別在重復、反饋和動機3 個關鍵環節上， 虛擬現實環境能帶給患者足夠的沉浸感，讓其獲得包括視覺、聽覺、觸覺在內的實時反饋，并不斷激勵患者接受挑戰，提高其運動、學習效率和積極性。

2 VR 技術在住院腦卒中患者康復中的應用進展

VR 技術主要用于腦卒中患者的功能評定和康復治療，其中關于改善認知、平衡、上肢功能和增加肌力方面的研究較多。下面就腦卒中患者各功能障礙的VR技術評估和治療進行闡述。

2.1 認知功能障礙認知障礙泛指各種原因引起的記憶力、計算力、視空間定向力、執行能力等至少一個認知域損害。 腦卒中后認知障礙的發病率達80.97%［12］，是腦卒中患者常見的后遺癥之一。

2.1.1 認知功能評估指南推薦對主訴認知功能損害的就診者， 選擇MMSE 量表和MoCA 量表或類似的篩查量表組合進行初步篩查并評估［13］。 朱亞平等［14］將認知的量表內容轉化為3D 畫面， 讓患者在虛擬顯示器中身臨其境完成評定。 而黃延焱等［15］研發的認知能力評估系統是基于光學動作捕捉設備和具有按鍵交互功能的虛擬現實手柄，利用手柄操作，實現與虛擬環境交互。 模擬的環境是超市購物，包括四大任務，分別是購物清單記憶、 根據清單在貨架找尋物品、 在收銀臺結算、購買商品。根據使用者的任務表現、神經傳感數據、反應時間等進行記憶能力、執行能力、運算能力、視覺空間能力的評估， 并利用統計分析技術綜合評估受測者的認知執行能力。 類似任務的VR 系統也常用作進行認知功能訓練和日常生活能力的訓練。

2.1.2 認知功能訓練一項研究招募了42 例腦卒中急性期患者，對照組采用計算機輔助訓練，干預組在對照組的基礎上采用VR 訓練，即HMD 頭盔沉浸式虛擬現實訓練［16］。 HMD 頭盔是由護目鏡、主體和攝像頭組成的頭戴式顯示設備。該訓練主要包括2 個程序：釣魚和圖片匹配。釣魚是患者利用上肢動作捕魚，同時記憶魚的數量來完成任務； 圖片匹配是讓患者先記憶1 張圖片，之后再給8 張圖片，顯示幾秒翻轉，讓患者選擇記憶的那張圖片。以上任務均鍛煉了患者的上肢功能、記憶力、注意力、執行力等。研究結果發現，接受計算機輔助訓練聯合VR 訓練的患者在學習、 延遲記憶和空間、時間定向力方面有顯著改善，且在認知功能和日常生活表現方面比單獨使用計算機輔助訓練效果更好。肖湘等［17］研究納入34 例腦卒中住院患者，對照組采用常規的認知訓練， 觀察組采用基于Kinect 體感交互技術的游戲訓練，訓練方式采用打網球和切水果。研究結果發現， 觀察組患者比對照組患者在視空間與執行功能、注意力、定向力和日常生活能力方面有明顯改善，且觀察組神經電生理技術事件誘發電位P300 的潛伏期比對照組及訓練前均縮短， 說明VR 訓練有助于認知功能神經的重塑。

2.2 運動功能障礙國外研究統計約有80%的腦卒中患者存在運動障礙， 主要表現為病灶半球對側肢體完全或部分性軟癱或無力， 是腦卒中后最常見的功能障礙，也是目前患者康復的重點及熱點［11］。 研究發現，目前VR 技術較多的應用于改善平衡功能、 上肢功能以及步態步行能力［18］。

2.2.1 運動功能評估臨床上關于運動功能評估量表很多， 常用的有Fugl-Meyer 評定量表（Fugl-Meyer Assessment，FMA）、Brunnstrom 偏癱分級等， 主要用于評估肢體運動功能、平衡能力等。 Adams 等［19］基于 VR技術研發了上肢功能評估系統。 該系統的關鍵設備是一種在手指、 手腕裝有運動跟蹤傳感器的商用手套矯形器，以及光學動作捕捉設備。上肢功能評估系統的主要任務包括3 個部分：園地豐收、整理壁櫥及球放入盒子活動，評估系統通過捕捉患者在活動中的抓、取、放置等動作，計算出關節活動的角度及手指、手腕、肘部活動時的速度等，并將其作為評價指標。將評價指標得出的結果與標準評價指標得出的結果進行對比發現兩種評價結果之間存在高度相關性， 表明上肢功能評估系統可以有效地反映患者上肢運動功能的情況及在真實世界中的功能狀態。 梁爽等［20］研發出運動訓練評估方法,通過腦-機接口系統建立三維運動訓練場景，將受試者在執行有觸覺反饋和無觸覺反饋的運動訓練時在大腦感覺運動皮層區域產生的腦電信號數據代入預建的腦電信號時頻特征模型，并進行定量化評估。

2.2.2 平衡功能、 步態步行能力訓練平衡功能是完成運動行走的基礎功能， 對預防和減少跌倒有重要作用。 Porras 等［21］研究回顧性分析了在大型康復中心接受VR 康復治療的167 例患者3 年內的臨床記錄。 該研究涉及4 個VR 系統和23 個VR 環境， 在有關平衡功能、步態步行能力的VR 訓練中，常用的模擬場景及任務包括：“船”-重心轉移任務、“道路”-行走任務、“路障”-障礙策略任務、“路牌”-視空間訓練任務、“搖籃范圍”-重心控制任務。 該研究使用運動捕捉系統跟蹤患者身體上的標記區域。 研究結果顯示，利用多個VR 系統和VR 環境有助于制訂高度個性化的干預方案，并對患者進行針對性的治療； 在臨床上實施基于VR 技術的康復治療方案是可行和有效的， 能夠顯著改善患者的平衡和步態步行能力。 患者的步態步行能力可通過起立行走試驗、Berg 平衡量表和簡易平衡評定系統等進行測試。

2.2.3 上肢功能訓練腦卒中后上肢功能障礙是常見后遺癥之一，嚴重影響患者日常生活能力，降低其生活質量。 Cochrane 系統評價結果顯示虛擬現實訓練能有效改善腦卒中患者上肢功能障礙［18］。 Brunner 等［22］研究把5 家康復機構患有上肢功能障礙的亞急性期患者120 例作為研究對象。 實驗組采用You Grabber 系統的VR 訓練。 該訓練包括的游戲任務均涉及放置、抓取練習、選擇性手指運動、旋前旋后、全臂運動、單側或雙側運動等，并在屏幕上增加視覺反饋。 干預4 周后，采用手臂動作調查測試表評定患者的上肢運動功能， 結果顯示采用You Grabber 系統的VR 訓練產生的結果和采用常規康復產生的結果一致， 證實VR 訓練可作為標準康復的一種補充。 基于游戲的虛擬現實訓練能激發患者不斷接受挑戰， 同時治療師可根據患者情況實時調整游戲難度，可減少患者的挫敗感，提高其積極性及依從性。

2.3 日常生活能力訓練VR 技術可以模擬出很多日常生活中的場景并提供多感官刺激，如超市購物、模擬廚房、家庭虛擬環境、銀行取錢等，且患者在虛擬環境中可以進行反復演練并轉化到現實生活中。 有研究發現腦卒中患者進行VR 訓練后在自我護理、洗澡、穿衣和肌力控制方面有明顯改善， 生活質量也有顯著提高［16］。 2017 年 Cochrane 系統評價表明，增加虛擬現實訓練時間可顯著改善患者的日常生活活動功能， 提高日常生活能力，值得臨床推廣應用［18］。

3 VR 技術在社區、家庭腦卒中患者康復中的應用進展

調查發現，74.3%的患者表示愿意在社區接受康復治療服務，但有調查發現僅有8.3%患者在社區接受過康復治療［23］。分析原因可能為天氣、交通、距離、人力等問題限制了患者反復去醫院接受規律的康復治療。 而基于VR 技術的康復治療提供了一種理想的治療方案，確保了患者康復的連續性。區永康等［24］研發了一項實現前庭康復的家庭、 醫院兩用的便攜式康復訓練系統及方法。 該系統包括量表評估模塊、虛擬現實設備、定位傳感器、訓練自評模塊和訓練存儲模塊。使用量表評估模塊與平衡障礙量表評估受訓者， 進而得到評估分數及相對應的病情級別（共十級）,虛擬現實設備根據病情級別匹配相對應的訓練視頻（共35 個視頻）。受訓者根據訓練視頻進行康復訓練， 同時定位傳感器感測受訓者的康復訓練結果， 并將訓練結果傳輸給訓練自評模塊以完成自評評分， 并將評分保存于訓練儲存模塊。 結果顯示，通過使用該系統，受訓者的平衡協調能力、 肢體功能及姿態控制能力等均得到鍛煉。Triandafilou 等［25］也研發了類似上肢康復的家用 VR 系統， 結果顯示超過66%的患者表示非常愿意在家接受治療，100%的患者表示每周至少進行了2～3 次訓練。但目前關于VR 技術應用于家庭、 社區腦卒中患者康復后效果評價的研究鮮有報道。

4 存在的問題及展望

在康復人員不變的情況下， 虛擬現實訓練在增加康復訓練時間、遠程監控指導、安全性、趣味性及可重復性等方面有獨特的優勢。 有足夠的證據可以說明虛擬現實訓練在認知康復、 運動康復及提高日常生活能力方面有效， 但還無法證實其是否比傳統康復方法更有效及是否可以替代傳統治療［21,26-27］。 目前現有研究存在局限性［9,18,22,26］。 ①關于 VR 技術康復治療的研究缺乏大樣本、多中心等高質量分層隨機對照試驗。 ②VR 技術康復治療的強度和治療時間存在差異。有研究表明治療強度、訓練時間與康復效果呈正相關，但缺乏最佳強度及頻率的證據，且有益閾值也不明確。③對于VR 訓練是否有效，各研究選擇的量表和評價指標不一致，且評價過程中存在一定主觀因素，缺少關于機制和腦成像的客觀證據。④研究時間較短，缺乏干預后長期的隨訪，無法確定VR 訓練的遠期影響。 ⑤部分研究采用的VR 系統不是針對腦卒中患者設計， 僅是簡單的視頻游戲系統。 ⑥已有的VR 技術僅應用于腦卒中患者某方面的功能障礙， 而腦卒中患者功能障礙往往是多方面的。 后續建議在人員方面， 加強多學科團隊合作；技術方面，不斷提高跟蹤定位的精準性；硬件設備方面，有待降低成本，且設備應更加輕便攜帶；軟件功能方面，操作應更簡便、內容更豐富及個體化。