半沉浸式虛擬現實技術在腦卒中上肢運動功能康復的應用*

新鄉醫學院醫學工程學院 陳怡然 楊冰彥 李玉 何星宇 孟怡辰 高智賢

腦卒中會引發上肢運動功能障礙，若不及時恢復會嚴重影響患者的日常生活和社會參與度。半沉浸式虛擬現實技術（Virtual Reality，VR）減少了對患者肢體的束縛，對患者運動能力要求低，可以實現與虛擬環境安全的自然式交互，而且易于與其他康復療法聯合，為個性化康復方案的實現提供了更高的安全性和靈活性。半沉浸式VR 已在卒中上肢運動功能康復中取得了諸多成效，作為一種康復訓練的補充策略，為腦卒中患者的康復帶來了全新的治療手段。

腦卒中是我國致殘、致死率最高的疾病[1]，每年新增腦卒中病人約240 萬人[2]。如果得不到及時康復，會嚴重限制患者的日常活動和社會參與度。傳統康復訓練依賴醫師經驗，強調動作分解練習，雖使患者獲得一定的協調和運動能力，但缺少實踐意義的導向性任務需求，不利于實現運動功能遷移。加之，訓練模式單一枯燥，缺乏患者生理信息反饋，使患者康復效果受限。虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術借助計算機系統、建模技術和反饋裝置等構建出可提供用戶視、聽、觸等多種感覺逼真的富集環境。2016 年，發布《成人腦卒中康復指南》，建議VR 在腦卒中后上肢功能康復中的應用為Ⅱa 類推薦、B 級證據[3]。這是因為基于VR 技術的卒中康復干預符合康復的四項指導原則：特定任務訓練、強度、動機和生物反饋[4]。通過引導患者在游戲場景中完成虛擬任務，針對性促進運動功能恢復；根據患者康復需求和運動能力，為康復訓練提供個性化模式和難度選擇；利用實時的視覺、聽覺或觸覺等多種反饋，增加患者的積極性和主動性；與多種設備結合，實時跟蹤記錄患者的康復訓練數據和運動情況，為診療方案改進提供科學可靠的依據，提升康復效率。因此，VR 技術作為一種新興的輔助治療手段，在腦卒中的臨床康復訓練中得到了越來越廣泛的應用。

1 半沉浸式VR 技術及優勢

根據沉浸程度, VR 可分為沉浸式和半沉浸式兩大類。沉浸式VR 康復訓練系統通常借助頭戴顯示器、多功能控制手柄、立體耳機等外部設備來為患者構建一個完全虛擬、逼真的虛擬場景和交互。這種系統要求使用者具有較強的適應能力和較好的精細運動操控能力，限制了其在卒中患者上肢康復中的應用。首先，頭戴顯示器將視覺與真實環境完全脫離，視覺的相對運動和前庭器官的相對靜止易引起相對運動錯覺，引發暈動癥。其次，精準操控手柄超出了具有上肢運動功能障礙的卒中患者能力范圍。與沉浸式VR 不同，半沉浸式VR 系統通過顯示器、投影設備等輸出設備呈現影像，允許用戶以觀察者的身份體驗虛擬環境。這種開放性有效減少了患者眩暈癥狀產生，保證了訓練安全。另外，半沉浸式VR 系統是通過深度傳感相機或穿戴式傳感器等捕捉患者動作識別運動指令，減少了肢體束縛，降低了運動能力要求，可實現患者與虛擬環境的自然式交互。特別是，半沉浸式VR 訓練設備可靈活地結合多種康復療法，便于制定安全有效的個性化康復方案。

根據用途，半沉浸式VR 系統有專用虛擬環境（Virtual Environments，VE）和商業游戲（Commercial Gaming，CG）兩大類。卡倫系統是VE 系統典型代表，主要針對患者康復訓練設計，將全面的運動測評和訓練融為一體，能夠滿足訓練者在不同環境下的訓練要求和能力測試。卡倫系統采用全方位投影體系，巨大的球形屏幕能夠實現360°全景屏幕投影，訓練者在訓練過程中可全視角范圍內看到卡倫系統的虛擬場景。此外，雙帶自適應跑臺和六自由度活動平臺可讓訓練者從本體感覺及前庭感覺上真正體驗各種生活場景。其中，特色雙跑帶自適應跑臺可根據訓練者實際的行走速度自動調整運轉速度，高度還原訓練者在地面行走的感覺。而六自由度活動平臺可以實現x、y、z 軸方向位移，坡角變化、水平轉角變化和傾斜角變化，即進行上下、左右、前后等單一方向或疊加方向的運動。運動跑臺的六個自由度運動輔以虛擬環境的視覺、聽覺效果，極大地增強了患者的沉浸感，可逼真地模仿崎嶇的山路、搖晃的吊橋、顛簸的海浪等自然環境，給人以身臨其境的感覺。卡倫系統通過紅外攝像機來跟蹤、記錄訓練者身上的反光點（Marker）以獲取運動信息。使用計算機構建人體模型，結合傳感技術來實時呈現訓練者運動肌肉的激活狀態。在此過程中，系統通過D-Flow 軟件處理可為訓練者和康復師提供實時反饋，其中包含了患者在虛擬環境中完成治療時的所有信息和相關身體參數。訓練過程中，康復醫師可根據病人情況，及時個性化地調整訓練參數，并留存訓練數據以供追蹤。此外，卡倫系統支持多種外接設備、各種科室評定和治療需求。但目前專業VE 系統多處于研究階段，不僅價格昂貴，且場地要求高，不便于普及。

相比之下，CG 系統成本低、易獲取，可面向家庭、社區使用。其中，Kinect 使用較為普遍的一款商業人體動作感知設備。該設備主要通過紅外攝像頭和RGB 攝像頭來感知識別玩家及其動作，操控游戲人物，實現交互。先使用紅外攝影機投射近紅外照射人體和物體，紅外攝像頭讀取其散斑，創建人體和物體的深度圖像；再利用計算機圖形視覺技術從中區分出人體和背景環境，利用機器學習算法進一步識別出人體部位，定出人體的20 個主要關節點，最終生成骨架系統，構造豐滿的肢體，在屏幕上呈現出虛擬人。使用者通過肢體運動即可控制VR 游戲中的人物運動，而且，根據獲取的關節點位置信息，可計算出關節活動度、速度等運動信息，供運動功能量化評估使用。

2 半沉浸式VR 技術在上肢運動功能康復中的應用

由于半沉浸式VR 的開放性、安全性以及靈活性，常被用在卒中上肢運動功能康復訓練系統中。例如，基于商用虛擬設備（如Kinect、Wii 等）預留的接口，可針對性地開發設計出靈活多樣的上肢康復任務，提升患者上肢關節活動度、運動靈活度和肌肉協同程度。針對卒中后患者普遍存在向前取物、夠物困難的問題，麥王向[5]等人使用Kinect 設計了切食物和射擊訓練場景，引導患者完成屈肩、伸肘、內收和外展等組合動作訓練，實驗組在肩關節前屈、外展和肘關節屈曲互補角度關節活動度方面顯著高于接受對照組。Mouawad 等人[6]利用Wii 游戲設備引導患者進行網球、高爾夫、拳擊、保齡球和棒球訓練,發現上肢主、被動關節活動度均有所增加。此外，官娉等[7]發現經10 天的VR 廚房任務訓練后，患者肘屈伸力矩明顯改善，且肘屈曲時肱二、三頭肌的協同收縮率明顯降低。這可能是因為VR 促使患者用患側進行反復訓練，神經突觸連接增強，誘導神經運動通路皮質重組。隨著VR 康復訓練的有效性和優勢被不斷證實，VR 技術已被納入卒中康復的七大重要技術之列。

半沉浸式VR 康復訓練系統可靈活地與其他康復手段聯用，利用VR 多感官刺激的優勢，可以促進患者的大腦功能連接恢復和改善，增強大腦對肢體的控制，進而提高康復療效。目前常聯用的康復方法有鏡像療法、重復經顱磁刺激和經顱直流電刺激等。

（1）鏡像療法利用鏡像視錯覺，將健側肢體運動影像反饋至患側，產生具身化體驗。通過強化對患側肢體的意識，易化患側運動皮質興奮性，再建卒中后大腦半球間興奮性平衡，重塑神經結構與功能，改善受損上肢的運動功能和運動表現。借助于VR 的多感官刺激，增強了具身化體驗的切實性，喚起鏡像神經元系統和行為觀察機制，從而更好地發揮鏡像療法功效。Choi[8]等人使用半沉浸式LEAP 設備的手勢識別功能，實現了手勢識別鏡像療法（GR 鏡像療法），發現治療組手功能評分和SF-8 量表評分顯著高于常規鏡像療法組和對照組，且運動執行的速度和準確性也有所提高。

（2）重復經顱磁刺激（rTMS）利用強脈沖磁場連續規律地重復刺激大腦皮質，引發大腦興奮性變化，調整皮質興奮性異常，重塑大腦半球間平衡。然而，僅靠調控皮質興奮性對于上肢康復是不夠的，還需聯合運動鍛煉產生行為學效應。崔海超等[9]使用低頻刺激健側初級運動皮質，與半沉浸式VR 康復設備誘導的重復性運動訓練結合，訓練后患者的Brunnstrom 分期，Fugl-Meyer 上肢運動功能、簡易上肢功能、改良Barthel 指數評分均顯著提高，有效改善了患者的上肢運動功能。

（3）經顱直流電刺激（tDCS）使用直流電流來調節皮質區神經元靜息電位閾下電位，改變初級運動皮質興奮性。借助VR 的重復性外周訓練，增強中樞正性反饋和輸入，利用面向任務訓練，促進皮質重組、提高神經系統可塑性，促進上肢功能改善。有研究使用tDCS 聯合半沉浸式VR 智能手套進行訓練，患者的盒塊測試和Jebsen-Taylor 手功能評分、手靈巧度和日常生活手功能顯著提升，而且認知和執行功能也得到有效提高[10]。

3 總結與展望

半沉浸式VR 技術能夠為卒中患者提供安全有效的多感官富集交互環境，通過擬實的生活場景和有趣的訓練任務，提升患者訓練主動性和依從性。該技術的開放性使其可與多種康復手段聯用，達到更好的康復效果，具有良好的應用前景。目前VR 康復技術仍處于探索階段，臨床干預結果差異性較大，且缺少評估VR 康復訓練效果的特異性指標和行業統一標準。因此，需要進一步深入研究VR 在卒中后上肢康復中的作用機制，從而確定與卒中各時期運動能力相適應的規范化訓練方案，以及與其他康復手段聯用的最佳方式，提高康復療效。