虛擬現實技術在脊髓損傷下肢功能障礙康復中的應用進展

杜芊華

（衢州職業技術學院，浙江 衢州 324000）

數據顯示，我國脊髓損傷（spinal cord injury,SCI）年患病率為37人次/100萬，其中男性高于女性，汽車碰撞和高空墜落是SCI的主要原因[1]。許多SCI患者存在完全或不完全損傷，導致運動和感覺障礙及活動受限。SCI患者常常出現損傷平面以下肌痙攣、肌無力及肌肉協調性異常等問題，影響著患者步行功能，甚至一些完全性脊髓損傷患者運動和感覺功能均受損，失去了行走能力[2]。這些問題影響著患者生活質量和社會功能，給患者心理及身體上帶來傷害的同時增加經濟負擔。隨著社會生產力和科學技術的不斷發展，各行各業的虛擬現實（virtual reality,VR）技術需求日益旺盛，近年來VR被廣泛的應用于各類神經系統疾病的康復當中，其中VR在SCI康復領域的應用也在日益增多[3-5]。本文主要對VR在SCI下肢功能障礙康復中的應用進行綜述，以期為日后臨床研究提供相應的支持。

1 VR技術概述

VR技術是一種綜合計算機圖形技術、多媒體技術、傳感技術、人體交互技術、網絡技術、立體顯示技術及仿真技術等多種技術而發展起來的綜合性技術，并且在計算機高度逼真的模擬下模擬出不同的環境[6]。使用者可以在模擬出的環境下進行互動，產生身臨其境的體驗。VR具有三大特性：沉浸性（immersion）、交 互 性（interaction）和 構 想 性（imagination），即“3I”特性[7]；并且根據沉浸程度，可將VR分為3類：非沉浸式、半沉浸式和沉浸式[8]。非沉浸式VR在屏幕或墻壁上顯示虛擬圖像，而半沉浸式VR可顯示真實圖像，從而提供更多信息。沉浸式VR使用頭戴式顯示器，獲得最高的沉浸感，此頭戴式顯示器可阻擋外部環境的視線并使患者完全沉浸在3D虛擬環境中[9]。在傳統的康復治療中，一項重要的因素就是早期進行干預，但長時間進行重復的動作會使患者感到生畏和無聊，從而導致治療積極性不高。然而，要想使患者功能有良好改善所需要的運動次數可能達到上千次，故把康復治療與VR相結合的好處在于患者進行運動恢復鍛煉的同時可以為其提供游戲體驗，增加娛樂性和趣味性[10]。也正是由于VR的趣味性，可以幫助患者減少對他人的依賴，提高訓練的耐受度，并且與其它感受器相結合，能夠更容易地記錄患者的行為及生理反應[11-12]。

2 VR在SCI下肢功能障礙評定中的應用

功能評定是在患者整個康復過程中的重要環節，也是制定康復方案的依據。而傳統的評定方法不能客觀評定患者的治療效果[13]。目前，最為常用的評定工具是等級量表，而等級量表在測量某些微小變化時效率低下，并且容易受到主觀影響，造成結果不準[14-15]。并且，現在比較先進的、能對患者進行客觀量化評定的技術是在康復過程中使用傳感器，該技術能捕捉患者在運動中的軌跡和任務執行期間的具體細節，并跟蹤人體運動[16-17]。然而這種技術在分析復雜的3D運動時可能會出現傳感器被遮擋等問題，造成誤差[18]。而VR技術恰好能解決這些問題，如Hasson CJ等[19]開發了一款虛擬交互式運動模擬器，這種模擬器在計算機中設計出可以效仿真實患者運動模式的虛擬患者，并讓模擬器操控者操控虛擬患者的步態，以便了解患者運中的力學變化。Karatsidis A等[20]用VR穿戴設備、跑步機和光學傳感器對受試者步行時的足部角度進行測量。另外，目前對于截癱患者佩戴下肢機械外骨骼的研究也在日益盛行，而VR可以輔助患者在佩戴機械外骨骼時像正常人一樣行走。如Smith AJ等[21]通過對30名正常人佩戴下肢動力外骨骼在CAR‐EN-Extended虛擬現實環境中和儀表化的自定進度跑步機上收集人體運動學和動力學數據，以及步行速度，從運動捕捉數據和逆動力學中識別出人類常見的矢狀運動和動力學步態參數，并分析佩戴下肢動力外骨骼時髖膝踝關節運動的角度及步行速度，步調和步幅的步態參數關系。日后若截癱患者佩戴下肢動力外骨骼并用VR進行分析，可幫助患者擁有和正常人一樣的步行能力。此外，有研究將VR與單向跑步機結合，用來分析患者起始和轉彎時的步態。該系統可以分析受試者頭部轉動、骨盆旋轉角度，左右髖關節的內收和外展、腘繩肌激活能力、內側-外側地面反作用力，以及步幅和步寬[22]。

3 VR在SCI患者下肢功能障礙中的應用

3.1 不完全性脊髓損傷 數據表明，大約80%的SCI患者由于創傷或感染造成不完全損傷[23]。步態和平衡康復是SCI患者康復計劃的一個重要方面。An C等[24]用半沉浸式VR讓患者一次性完成6款游戲，包括足球、傳送帶、排球、方程式賽車、空降和滑雪板。其中足球游戲需要患者模擬足球守門員的角色，并在虛擬足球網前擋住球進入網中，這需要在肩關節屈曲和外展的同時轉移重心；傳送帶游戲需要患者必須在虛擬工業環境中將虛擬箱子從一條傳送帶轉移動到另一條傳送帶上，在虛擬環境中，傳送帶可以在屏幕上以不同高度和距離出現，而參與者需要進行重心轉移來完成箱子搬運；排球游戲需要患者與虛擬游戲對手進行比賽，要把虛擬排球擊回到對手場地中，這需要患者協調能力和多個方向轉移重心的能力；方程式賽車游戲需要患者坐在一級方程式賽車上，并在賽道上駕駛汽車，導航會提示賽車向左還是向右，患者通過重心轉移操控賽車；空降游戲需要患者在降落傘上引導虛擬人物通過障礙物并降落在指定目標上，并通過側屈使虛擬人物傾斜；單板滑雪游戲是模擬人沿著狹窄斜坡的單板滑雪，該游戲的目的是通過傾斜身體并在滑雪時盡可能跳動來躲避虛擬障礙物。每項游戲進行4min，每完成一項游戲休息1min，每周訓練3次。經過6周游戲訓練治療后，用Berg平衡量表（BBS）、“站起-走”計時測試（TUG）、脊髓損傷步行能力量表（WISCI-Ⅱ）進行評定，發現患者平衡能力和步行能力有所改善。同時，Maresca G等[25]運用虛擬現實康復系統（VRRS）對患者進行康復，該系統由康復治療師、康復醫師和神經科醫師共同設定能夠刺激患者運動和感覺的特定任務，用來刺激腿部肌肉、肌腱和韌帶，改善患者姿勢、骨盆運動和平衡反應，并且患者用頭戴式顯示器進入虛擬沉浸式場景，用安裝在四肢和軀干的傳感器完成任務。此外，該研究發現VRRS除了可以提高患者運動功能外，還能夠減輕患者焦慮和抑郁狀態及改善認知功能。van Dijsseldonk RB等[26]在步態實時分析交互實驗室對15名不完全脊髓損傷患者進行步態穩定訓練，該實驗室由含有兩個嵌入式測力板雙皮帶跑步機和一個具有八臺攝像機的VICON運動捕捉系統組成；在跑步機前，將虛擬現實環境投影在180°半圓柱屏幕上。該訓練包括多種任務，如在跑步機上盡可能快速地行走，并在受到干擾的同時保持站姿平衡；患者還進行“堵車”游戲訓練，該游戲可以通過抬起腳讓汽車過馬路。經過6周訓練后，患者平衡信心、步行速度、步長、步行穩定性均有改善。此外，在家進行VR治療同樣能使患者的下肢功能得到改善。如Villiger M等[27]讓患者在家里接受了為期4周的VR任務訓練，每次30~45min，每個患者將完成一系列游戲。在訓練期間，患者每條腿進行約500次重復的踝關節運動和100次膝部運動。全部訓練完成后對患者進行下肢肌肉力量（LEMS）、TUG和BBS測試，發現比治療前有明顯改善，6min和10min步行測試有所提高。

3.2 完全性脊髓損傷 由于完全性脊髓損傷破壞了患者大腦與身體之間的雙向傳遞，使患者下肢感覺和運動功能均喪失。Shokur S等[28]對8名患者進行沉浸式VR下肢訓練，該訓練通過將缺失的腿/腳觸覺重新映射到患者前臂的皮膚上，可以使患者下肢本體感覺得到恢復。該訓練在觸覺顯示器上，模擬在沙灘、街道和草地三種不同類型的地面上行走的真實感覺，患者在三種模擬地面總共進行120次觸覺刺激。此外，患者在擺動相期間會感受虛擬腿的運動，并在步行時會感到腳踩在不同路面上的感覺。患者僅依靠這種觸覺反饋，使患者在虛擬行走過程中感受身腿的位置。此技術可以在未來讓截癱患者使用下肢機械外骨骼等設備的幾率增加，并提高運動熟練程度。另外，Khurana M等[29]對30名T6~T12節段的完全性脊髓損傷患者研究發現，用VR游戲的方式進行坐位平衡訓練比現實場景中的常規訓練效果更好。而對于需要自己操控輪椅的患者，Nunnerley J等[30]使用能夠提供虛擬康復環境的Oculus Rift輪椅培訓系統對截癱患者進行輪椅訓練，該系統可以讓輪椅使用者能夠在安全的環境中學習輪椅使用方法。并且Gefen N等[31]讓脊髓損傷后無法行走的孩子使用MiWe-C沉浸式輪椅模擬器，使孩子更安全地學習如何操控輪椅，增加自身獨立性，減少大人對孩子的幫助。這些訓練使患者活動范圍增大，提高了患者生活質量。并且，有研究發現VR除了可以改善運動功能，還可以減輕SCI帶來的神經病理性疼痛[32-33]。如Pozeg P等[34]對20名截癱患者進行了研究，其首先將觸覺刺激作用于患者損傷平面上方的背部或肩部，同時刺激患者在VR顯示屏上看到的虛擬腿，隨后僅刺激背部，患者看到的是其背部在接受刺激。結果顯示VR對SCI患者的腿部擁有感和身體擁有感有著不同程度的影響，并對SCI患者神經病理性疼痛有輕度緩解的作用。此外，由于截癱患者不能像正常人一樣進行日常生活活動，從而導致心理上的問題，將VR技術和心理療法相結合，可以改善這種情況。Araceli F等[35]對截癱患者使用正念療法，并讓患者帶上VR眼鏡，幻想身體在河水中漂浮，可以減少患者因疾病帶來的負面情緒。

4 現階段VR技術在SCI康復方面存在的問題

4.1 老年人對VR的使用接受度低 隨著人口老齡化加劇，老年人口逐漸增多，對于新興技術也應該讓老齡人適應。Syed UE等[36]通過研究發現，使用VR進行康復治療的患者在性別方面未發現差異；但在年齡方面，老年人使用VR治療的效果不如年輕人。這可能與老年人接受新事物較慢有關，因此日后對于VR方面應該側重老年人的體驗性。

4.2 對VR治療耐受度低并且VR設備昂貴 與傳統物理療法相比，VR在中樞神經系統損傷后對個體進行的訓練確實對患者有更大的幫助。然而，在虛擬環境中進行訓練可能會導致患者頭暈[37]，這影響治療時患者的體驗性。并且目前一套VR設備造價昂貴，一些設備又不容易被臨床工作者應用，造成目前VR訓練無法大量開展。

4.3 VR治療缺少真人互動 目前VR治療多是單人性的，只有患者一人沉浸在虛擬的環境中。而人作為社會關系的總和，應該使更多的人參與其中。有研究表明，多人VR游戲更能激發患者的積極性，并且多人游戲可以進行社交互動，以促進所參與玩家的娛樂性[38]。不同的玩家為游戲環境增加了更多的可能性，這是單人游戲中預先設計好的程序所不能出現的；并且多人游戲體驗性會更好，游戲的模式也可以指定參與者是相互競爭模式還是共同合作模式。此外，Tamplin J等[5]開發的線上VR音樂治療程序對四肢癱瘓的SCI患者研究發現，讓患者在該系統上集體唱歌，不但可以改善患者呼吸功能，還能促進患者心理健康

5 總結與展望

不同于傳統的康復方式，VR技術“3I”特性可更好地調動患者的積極性，并使患者更愿意接受這種治療方式。VR技術不僅能為SCI患者下肢功能進行評估，還能讓患者主動參與治療當中，改善下肢功能及生活質量。因此，VR技術在SCI下肢功能康復提供了新的治療手段。

目前，VR技術尚未廣泛應用于SCI的康復領域。但隨著第五代移動通信技術（5G）、云技術、物聯網、人工智能（AI）等科學技術的興起，VR技術在康復領域將越來越完善，如把具有康復功能的治療程序通過云技術儲存到云存儲空間，寄托于5G低時延、高傳輸速率的特性[39]，患者通過佩戴與5G相連的VR設備，可在互聯網上實時進行治療；并且通過AI技術，可以根據患者的恢復狀態及個人喜好推薦適合的康復訓練。另外，運用物聯網和遠程醫療技術，使治療師手機與患者VR設備進行實時監督，了解患者情況，治療師可以隨時隨地通過手機對患者進行指導。

隨著科技的進步，VR技術在康復領域的應用會更加廣泛和深入，也會在醫療領域大放異彩。隨著技術的成熟，VR技術將節省大量的人力物力，提升治療效率，進而提SCI患者的治療效果及生活質量。