沉浸式虛擬現實技術在腦卒中病人康復治療中的應用進展

卞毛毛

腦卒中是由于腦部血管突然破裂或因血管阻塞導致血液不能流入大腦而引起腦組織損傷的一種急性腦血管疾病,是全世界成人的第二大死亡原因和第三大致殘原因,具有高發病率和高致殘率的特點[1-2]。有效的康復治療能夠減輕病人在運動、語言、感覺及認知等方面的障礙,提高其生存質量,節約醫療成本和社會資源。近年來,除了傳統康復技術外,虛擬現實技術(VR)作為近年來發展迅速的新興康復治療手段,也被運用于腦卒中病人的康復中。現將沉浸式虛擬現實技術在腦卒中病人康復治療中的應用進展綜述如下。

1 虛擬現實技術的概述

虛擬現實技術是一種具沉浸感,允許用戶在計算機生成的模擬視、聽、觸一體化的仿真環境中進行人機互動的技術。

基于沉浸感水平,虛擬現實技術可分為沉浸式以及非沉浸式模式兩大類。非沉浸式模式通常是通過使用電腦和主機游戲系統(以及非游戲實驗室生成系統)生成的,所開發的治療方法被稱為基于游戲的康復治療游戲、基于數字游戲的治療等[3]。在這里計算機生成的虛擬現實環境視覺方面被呈現在傳統計算機顯示器上或投影到屏幕上,受試者通過操縱桿或其他控制裝置來控制其在環境中的運動。雖然受試者能看到立體圖像,但缺乏真實現實體驗感,用戶并沒有沉浸在虛擬環境中[4]。

沉浸式虛擬現實可通過結合計算機、頭戴式顯示器(HMDs)、身體跟蹤傳感器、專用接口設備和實時圖形在三維環境中提供更全面的虛擬現實體驗,讓參與者沉浸在計算機生成的模擬世界中,該世界隨著參與者頭部和身體的運動而自然變化。在完全沉浸式虛擬現實系統中主體只能看到計算機生成的圖像,而其他部分被阻止觀看。除利用頭戴式顯示器,沉浸式虛擬現實系統還可以使用觸覺設備、運動跟蹤器、數據手套和無線控制器作用于用戶的視覺、聽覺或觸覺,用戶可以感知紋理,甚至是溫度[5]。此外,還可以將虛擬現實跑步機用于沉浸式虛擬現實療法,允許用戶在適當的位置跑步或移動,解決了虛擬現實療法常見的空間限制這一問題[6-9]。

2 沉浸式虛擬現實在腦卒中病人康復治療中的應用

2.1 干預方法

不同研究的干預時間不同:從2周[10-11]到9周[12-13]不等。多數研究在4周內進行[14-20],少數研究[21-22]是在6周內進行,而Jung等[23-24]的干預持續了3周,Kim等[25]的研究持續了8周。總體干預頻率每周2～5 d,療程持續時間20～120 min[10-25]。多數研究比較了一個試驗組(接受虛擬現實治療)和一個對照組(接受常規治療)的表現[10-11,14,16-17,20-24]。然而在Kang等[18]的研究中光流組接受在光流調控(通過操縱光流速度使受試者調整步態)下的跑步機訓練,跑步機組和對照組分別接受常規跑步機訓練和關節活動訓練。Hsu等[12]將54例參與者隨機分為傳統職業治療(COT)組、鏡像治療(MT)組和基于虛擬現實的MT(VR-MT)訓練組。除了20 min的特定任務訓練外,VR-MT組、MT組和COT組病人分別接受30 min VR-MT、30 min MT治療和30 min COT訓練。在Kim等[25]的研究中3組都進行了跑步機步態訓練,但沉浸式虛擬現實組和其中一個跑步機組接受了功能性電刺激(FES)。

2.2 用于促進上肢康復

沉浸式虛擬現實訓練能提高腦卒中病人的上肢Fugl-Meyer運動功能評估量表(FM-UE)評分,在促進上肢康復方面具有優勢[10,13]。?gün等[22]利用側重于抓握和處理的任務導向型游戲對病人上肢特定功能(握力、復雜手勢完成度、完成任務時手和前臂的運動)進行干預,6周后虛擬現實組FM-UE、上肢動作研究量表(Action Research Arm Test,ARAT)、功能獨立性量表評定(Functional Independence Measure,FIM)和自我護理量表(Performance Assessment of Self-Care Skills,PASS)評分均顯著高于對照組(P<0.05)。且其中FM-UE和ARAT的最小臨床差異(MCID)高于MCID臨界值,FIM評分低于MCID臨界值。沉浸式虛擬現實康復能有效改善病人上肢功能和自我護理能力,但并沒有改善功能獨立性。Lee等[26]使用頭戴式顯示器對12例卒中病人進行上肢康復,結果顯示使用頭戴式顯示器進行卒中后上肢康復是可行的,沒有發現嚴重不良反應。Subramanian等[17]也發現使用虛擬現實環境訓練后病人肩部水平內收時“針對目標改變”更明顯,可正確瞄準同側下、中、上目標(P<0.01)。Mekbib等[10]認為虛擬現實訓練能增加初級皮層與顳上回等區域的血流灌注,干預后病人的神經特別是在涉及鏡像神經元(MNs)的大腦區域,如初級運動皮層活動會增加,但目前具體理論機制仍不明確,需進一步研究。

但也有研究呈現了不一樣的結果。Hsu等[12]研究結果顯示FM-UE評分組時間交互效應無統計學意義(P=0.075),但FM-UE腕部子量表得分(P=0.012)和組塊測試(P=0.044)的組時間交互效應有統計學意義。Weber等[19]研究顯示沉浸式虛擬現實鏡像治療慢性腦卒中病人后其上肢FM-UE評分略有改善但沒達到統計學意義(P=0.084),ARAT評分差異也無統計學意義(P=0.330)。Crosbie等[24]研究也表明虛擬現實和傳統治療兩組病人的上肢活動指數和ARAT差異并無統計學意義(P>0.05),可能與試驗樣本量過小、評估方法靈敏度一般相關。因此,目前病人上肢功能康復的短期訓練效果并不一致,尚缺乏統一有效的評估工具,沉浸式虛擬現實訓練發揮治療效果的最短干預時間仍有待確定。

2.3 用于促進下肢康復

2.3.1 用于改善平衡功能

沉浸式虛擬現實場景充分考慮了復雜的現實環境,通過再現各種日常活動場景、激勵病人與之互動,提高病人的平衡功能并帶來了趣味性的真實體驗。

Kang等[18]將30例腦卒中病人隨機分為光流組、跑步機組和對照組進行干預。4周后光流組步態評估問卷(Timed Up and Go,TUG)評分改善明顯高于跑步機組和對照組,光流組的局灶平衡量表(FRT)得分顯著高于對照組。采用光流速度調控下的跑步機訓練可顯著改善腦卒中病人的平衡性。Kim等[14]研究結果顯示基于社區的虛擬現實跑步機訓練(CVRTT組)靜態平衡功能較對照組有明顯改善,病人姿態擺動速度和前后總振動路徑長度較訓練前均顯著降低,CVRTT可有效改善腦卒中病人的靜態平衡能力。Jung等[23]研究結果也顯示與基線相比兩組病人的平衡能力和平衡自我效能感均有顯著提高,且試驗組改善得更多。

然而有研究呈現了不一樣的結果[10,21],可能與樣本量不足,納入病人種類不一、治療時長、頻率差異以及干預方法不同相關,未來需進一步擴大樣本量,嚴格納入樣本標準,精細訓練方案,選擇靈敏的評估工具及增加重復次數來驗證訓練效果。

2.3.2 用于改善步態

沉浸式虛擬訓練可以營造類似真實生活的訓練場景,有利于恢復病人的下肢步行功能、改善病人的步態[18]。Lee等[16]將21例卒中病人隨機分配,對照組僅接受一般物理治療,試驗組在接受一般物理治療基礎上還接受了額外基于增強現實(AR)的姿勢控制訓練。4周后病人步態速度、步長和步幅均有顯著改善,為將AR環境納入姿勢控制訓練以改善腦卒中病人的步態提供了證據。Jaffe等[11]研究也表明,在快速行走測試中,虛擬障礙訓練相比于真實訓練產生了更大的步態速度改善(P<0.01)。Kim等[25]也證實了增強現實功能性電刺激(AR-FES)有助于改善腦卒中病人的肌力和步態,但還需要對跑步機上的功能性電刺激(FES)步態訓練和AR-FES步態訓練進行更多的研究。Park等[20]研究結果顯示在組間比較中虛擬現實組僅步幅改善效果明顯大于對照組(P<0.05),但其他步態參數如步速、步長、步幅以及10 m步行測試改善效果差異無統計學意義。未來需要更多的研究來確定兩組之間步態能力的差異。

2.4 用于促進認知功能恢復

腦卒中病人認知功能障礙主要表現為感知覺、定向力、注意力和記憶力障礙,虛擬現實訓練可通過促進神經可塑性加快認知功能恢復。

Cho等[15]將慢性卒中病人隨機分為虛擬現實+認知功能訓練(VRTCL組)和對照組。所有受試者參加包括物理治療和職業治療在內的標準康復計劃,此外VRTCL組參加虛擬現實+認知功能訓練,受試者在跑步機上行走時,被試觀看虛擬環境并執行認知功能訓練任務(包括記憶、計算和語言功能)。對照組中跑步機速度和持續時間以及虛擬環境與VRTCL組相同,但受試者不執行認知功能訓練任務。結果無論是否整合認知訓練,在單一任務情境下使用虛擬現實訓練對運動功能有積極的影響,可以提高步態速度、節奏、步長和步幅。在雙任務情境下兩組病人的運動參數均有所改善,其中認知虛擬現實訓練組的運動效果更高,然而沒有足夠數量的嚴格試驗在臨床上進行驗證,未來可深入研究。

Dehn等[27]將20例腦卒中后偏盲病人置于完全沉浸式虛擬現實超市中并要求其完成購物任務。6周訓練后病人的視空間記憶及視覺搜索能力明顯改善、正確購物數量有所提高,購物時間較干預前少且情緒評估量表顯示病人的焦慮、抑郁癥狀在游戲后有明顯的好轉,但是在視野恢復方面效果不佳,且研究存在性別差異性,治療長期效果不確定,進一步的研究需要評估虛擬現實訓練的“劑量”及其與腦卒中發作時間的關系。

有研究證明在干預6周后,虛擬現實步態訓練組(VRT)與非虛擬現實步態訓練(非VRT)組烏得勒支康復參與評估量表(Utrecht Scale for Evaluation of Rehabilitation-Participation,USER-P)包括參與頻率、參與限制級及參與滿意度這3個子量表差異無統計學意義,但與非VRT組相比,USER-P參與限制評分在VRT組中每月提高了1.23分。對16例病人進行半結構化訪談發現多數病人給基于虛擬現實步態訓練的干預予積極評價,認為虛擬現實步態訓練是一種安全且耐受性良好的干預措施,對他們行走能力的提升有積極的影響。此外,一些參與者提到虛擬現實步態訓練干預后,其步行體驗更輕松,對日常生活的參與提高了信心[21]。因此,沉浸式虛擬現實訓練可能是腦卒中康復的一個有價值的補充。

3 小結與展望

沉浸式虛擬現實治療在腦卒中康復中具有很大的潛力,可以促進病人上下肢運動功能、平衡能力及認知功能的恢復,與其他康復手段如鏡像治療、跑步機訓練等有協調作用。沉浸式虛擬現實為多感官刺激和具挑戰性任務提供了一個有效的生態實踐環境,可能提高了病人的依從性和滿意度,這是繼續治療和改善康復結果的重要因素之一[28]。

沉浸式虛擬現實技術或成為一種新型有效康復手段,但目前腦卒中康復系統多處于試驗階段難以完全滿足臨床訓練要求,未來應進行對照嚴格、設計嚴謹的大樣本量、高質量的臨床隨機對照研究來探討虛擬現實訓練的治療效果,同時簡化操作系統、降低成本、開發多用戶的沉浸式腦卒中康復虛擬系統等也都需要長足的努力。