探究增強現實、虛擬現實技術在手功能康復中的應用

胡若愚

北京體育大學 北京 100084

引言

手是人類進化過程中最萬能和最強大的產物之一，雙手是為我們聰明的大腦服務的完美工具。手部的損傷是很常見的，并且有些傷會留下后遺癥，這些損傷對患者造成的負擔是非常大，影響著日常生活、工作和學習。手功能的康復通常使用的是治療療程的形式，需要專業康復師來進行，有局限性。因此，虛擬現實（VR）和增強現實（AR）技術開始在這一領域使用，不僅易于開展，而且可以取得良好的康復效果。

1 增強現實和虛擬現實康復技術的基本現狀

近年來，與臺式電腦和智能手機應用程序相結合的增強現實(AR)和虛擬現實(VR)訓練系統已被用作傳統康復的輔助手段。這些技術提供了新的增加交互應用中沉浸感的機會，這可以與其他游戲開發技術相結合，提高用戶黏性，最終使得整體體驗大大改善[1]。

在增強現實技術中，計算機生成的圖形疊加在用戶的真實世界視圖上，為用戶提供關于所見物體的更多信息。增強現實通常通過特定用途的眼鏡提供，這些眼鏡被稱為智能眼鏡。有時也可以任何帶有屏幕和攝像頭的設備，如平板電腦或智能手機來實現。

虛擬現實技術讓觀察者沉浸在一個完全模擬的虛擬世界中，可以通過頭戴式顯示器、投影屏幕自動虛擬環境來實現。更普遍地說，虛擬現實可以定義為任何基于計算機的設備，在顯示器或墻壁屏幕上提供視覺刺激，如電子游戲。與頭戴式顯示器相比，這些虛擬環境的沉浸度較低。AR/VR在治療多種臨床病癥方面的應用迅速增長，這也表明，將AR或VR技術應用于手部物理治療的將會變得更普遍。

2 手功能康復的主要受眾人群

在手功能康復中，大多數手功能受限的原因來自于：燒傷、中風、骨折、擠壓傷、肌腱損傷、幼年特發性關節炎(JIA)、腦癱(CP)、臂叢神經損傷、多發性硬化癥等，其中中風更是占據了相當的比例。這些損傷/疾病的嚴重程度介于中度和重度手臂損傷之間。其中大部分的康復對象為成人，且年齡偏大。一方面原因是，青少年兒童相比于成年人總是被保護得比較好，而成年人往往會進行更多的勞動，手部發生意外和損傷的風險較高。另一方面，中風作為手功能障礙的主要來源之一，多發于成年人，在兒童當中較為罕見[2]。

3 增強現實和虛擬現實技術在手功能康復中的應用

對于受到創傷或手術后恢復過程中功能受損的患者，康復極為重要。成功的康復方法需要適當的鍛煉和治療組合進行，以改善關節動員和增強肌肉的能力，以恢復身體機能。康復計劃是在醫院手術后立即開始的，出院后在私人/家庭環境中進行。當前的康復方式包括有監督的鍛煉和無監督的鍛煉，但是技術的進步為該領域開辟了新的視野。增強現實、虛擬現實，游戲化和遠程康復正在吸引更多的手功能障礙人群進入其中。

3.1 遠程康復

傳統手部功能康復通常采取治療療程的形式。醫院康復的過程中，患者在物理治療師的指導下進行固定時間的特定鍛煉。傳統療法的主要成本在于，需要專業人員陪同，在醫院，需要特定的儀器，預約特定的時間，大量精力耗費在交通、排隊等過程當中，同時治療的機會受限。因此，可能需要一個可擴展的解決方案，也就是遠程康復，基于家庭的技術已經被提出來幫助病人進行在家康復。在沒有任何專業人士現場支持的情況下，遠程必須容易被患者理解和執行。這通常會導致遠程康復中患者需要執行一些簡單的重復練習。對于這種干預，患者進行鍛煉的動機是至關重要的。一旦患者無法堅持，長期的康復可能無法實現。然而，有強有力的證據表明，這些限制可以通過一種更有趣、更吸引人、更愉快的形式來緩解。

3.2 游戲化

游戲化被定義為“在非游戲環境中使用游戲設計元素”，是一種很有前途的技術，已成功地用于在不同環境中驅動動機。電子游戲已經被戰略性地用于多種疾病的治療，如惡心和小兒癌癥、焦慮管理、物理治療和身體健康、燒傷疼痛、糖尿病、哮喘、膀胱和腸道功能障礙。商業電子游戲在各種病理條件下的物理康復中的應用，包括中風、腦癱、帕金森病、平衡訓練、體重減輕和衰老。電子游戲可以防止患者感到單調和無聊，增加動力，提高對治療的堅持，提供直接反饋，并且加大治療的訓練量。

3.3 增強現實、虛擬現實技術采用的技術和設備

VR和AR旨在通過使患者相信他們不在真實的地方來欺騙患者的大腦。在VR中，患者可以與虛擬環境互動并模擬現實生活中的活動。除了傳統的頭戴式顯示器、投影屏幕或自動虛擬環境外，大量的治療當中還使用了不那么沉浸式的虛擬現實系統。計算機和2D屏幕是最常用的。事實上，大部分的治療手段都使用了較少沉浸式的AR/VR系統。主要原因為這些系統方便、易于使用、不需要帶線的眼鏡或耳機、價格較低、更容易獲得。 完全身臨其境的虛擬現實系統仍然較少，而且價格昂貴，而顯示器相對便宜，易于使用。

每個病人都是不同的，需要特定的治療來滿足他們各自的需要。上述提到的大多數游戲都整合了類似的動作，即：手指彎曲/伸展，手指外展/內收，抓住和釋放物體的捏合和手腕彎曲/伸展。物理治療師的作用是確定每項運動正確的強度、重復次數和數量。

手部運動跟蹤是通過四種不同的技術實現的：智能手套、觸覺手套、攝像機和觸覺設備。隨著時間的推移，從使用遠程控制器到使用提供自由手部運動的設備的演變是很明顯的。這些手部運動跟蹤器可以實現自然交互。它們允許與可視對象相關的動作，通過指向感興趣的對象來代替鍵入的命令，并讓患者控制技術，避免復雜的指令使交互復雜化。

3.4 增強現實、虛擬現實技術與遠程康復、游戲的結合

早年的遠程康復局限在醫囑、電話、電子郵件以及視頻會議等形式當中，手功能障礙的患者在康復的過程中往往會根據治療師的指示進行一些簡單的抓握、伸展以及力量練習，較為枯燥，難以堅持。增強現實、虛擬現實技術的應用，可以將遠程康復游戲化。患者在家中使用虛擬手套進行康復性質的游戲。這些游戲的設計往往是有意義且具有挑戰性的，系統可以根據參與者的表現來調整任務的難度。這種挑戰在完成任務時提供了一種更好的成就感，并使得患者的積極性得到強化[3]。

這些技術減少了患者的住院時間和成本，并增加了可以同時治療的患者人數。這些康復模式的另一個的影響是患者與治療師之間可以直接地持續互動。研究表明，遠程虛擬康復可增強患者的動機，從而改善對治療的依從性。

4 增強現實、虛擬現實技術進行手功能康復的優勢與局限性

研究發現在AR/VR干預下，患者的手功能有顯著改善。一部分的患者增加了拇指關節的活動范圍，捏力和握力。一部分患者的改善表現在麻痹手臂的速度，運動的精確性，運動耐力和在執行某些功能性日常活動的時候的效率。有少部分患者發現訓練后的上肢有改善，但在現實生活活動中沒有。在過去的幾年里，有越來越多的研究報告了患者在許多臨床條件下使用VR的積極結果。

盡管患者的平均年齡較大，但很少有研究報告說玩游戲和物理治療師所建議的治療有困難。較年輕的患者比其他患者更愿意接受游戲訓練，并傾向于經常玩訓練用游戲，以獲得更好的功能效果。有時候即使最初患者會猶豫是否要進行游戲訓練，親身體驗后，幾乎所有的患者都想繼續玩。

4.1 優勢

相比于傳統的手功能康復手段，虛擬技術的優勢在于，一方面，作為媒介，它增加了患者與治療師的溝通，使得治療師指導的動作能更準確地在患者身上進行。同時，它的趣味性可以吸引患者在治療當中花費更多的精力和時間在治療上。在效率和治療量上的提升，使得患者在手功能的康復上有著良好的效果。另一方面，虛擬技術實現的遠程醫療，使得患者在家就可以進行康復訓練，節約了用在交通上的時間和金錢，甚至可以做到一個治療師同時對多個患者進行康復，這也節約了人力資源成本[4]。

4.2 局限性

虛擬技術應用的局限性在于，雖然患者并不排斥使用游戲來進行康復治療，但是大量老年人患者，在手部功能本身就受限的情況下，更不容易使用新技術，對它們的適應性較差。這也是VR，AR，游戲化和遠程康復的普及在高齡患者中受到限制的主要原因。主要的挑戰是改進這些技術，使其易于使用并適合該人群。他們的技術應該有針對性，經驗應簡化以吸引患者。通過使用機器學習，可以根據患者的需求和能力定制鍛煉。此外，直觀的界面可以促進虛擬技術的使用。

再有，觀看立體視像/游戲引起的暈動病和不良事件也曾發生。最常見的癥狀是視覺疲勞、視覺不適、眼疲勞、視力模糊、頭痛、頭暈、意識混亂和定向障礙。曾經也有患者因為頭暈而退出。目前應用在康復中的游戲大多較為簡單，完成的手部動作較為相似，其中最頻繁的是抓握和釋放動作，這可能也與暈動病有關[5]。

5 結束語

增強現實/虛擬現實技術并不是唯一的治療方法，而是可以用來增強運動康復的新技術工具。在過去的十年里，AR和VR的應用取得了一些顯著的成功。然而，用于手部康復的AR和VR系統還缺乏實驗室內外的研究和實踐。需要通過試點研究和對照試驗進行研究，使這些輔助性康復系統更加嚴格，并提高其臨床意義。期待增強現實和虛擬現實技術在手功能的康復中扮演更為重要的角色。