虛擬現實技術在腦卒中病人肢體運動康復中應用的研究進展

AbstractThispapereviewedthecommonvirtualrealitysystemsforlmbmotorrehabiliatinofstrokepatients，teaplcatiffects anduentdeficieniesofvirtualraltysystemsinlmbmotorhablitationofstrokepatiets.Itpropoedteexplorationdirectiosof virtualrealitytecholginmotorehablitatioitefuture，sstoprovidereferencefoonductingelatedreseachandalicatiosin China.

Keywordsvirtual reality technology;stroke;motor function; rehabilitation; review

摘要綜述腦卒中病人肢體運動康復常用的虛擬現實系統、虛擬現實系統在腦卒中病人肢體運動康復中的應用效果及現階段的不足，提出未來虛擬現實技術在運動康復的探索方向，為國內開展相關研究與應用提供參考。

關鍵詞虛擬現實技術；腦卒中；運動功能；康復；綜述

doi：10.12102/j.issn.1009-6493.2025.12.025

腦卒中是由于血管問題導致的中樞神經系統（包括大腦、視網膜或脊髓）的急性局灶性神經功能缺陷的一組臨床癥狀。其中以動脈閉塞導致的缺血性腦卒中最為普遍，為成年人致死的第二大原因和致殘的第三大原因[]。目前，全球腦卒中發病率呈上升趨勢，預計到2030年，將有1200萬人因腦卒中死亡，同時全球也將有6000萬名腦卒中幸存者[2]。而我國的腦卒中高危人群呈現出明顯的年輕化趨勢， 40～64 歲年齡段的人群占比高達 71.8%^[3] 。此外，腦卒中易導致神經元功能障礙，使病人存有不同程度的肢體運動受損，嚴重影響其日常生活，給家庭和社會帶來沉重的經濟負擔[4]。傳統的康復技術，如減重步行訓練、運動再學習、Bobath方法等，雖能改善肢體功能，但康復過程中病人依從性差，療效不易評估；其次，上述療法需投入大量的人力物力，通常為一對一醫患交流指導，然而國內康復醫療機構與醫生有限，導致腦卒中病人在康復期往往會過早出院，造成療程及療效的不足[5-6]。虛擬現實（virtualreality）作為新興的技術，可通過交互式運動跟蹤系統和顯示器等設備創造三維虛擬場景，為病人提供針對性任務進行反復訓練，使其有更強的投入感和主動度[7-8]。近年來，虛擬現實技術因依從性好、趣味性強以及出色的評估反饋功能，在改善腦卒中病人的運動障礙方面備受關注[9-10]。本研究探討了腦卒中病人肢體運動康復中常用的虛擬現實技術系統、應用方法、應用效果等，以期為該技術在我國腦率中病人肢體運動康復的研究與應用提供參考。

1腦卒中病人肢體運動康復常用的虛擬現實系統

虛擬現實技術可依據病人的參與方式與沉浸度分為4類，即桌面式虛擬現實、沉浸式虛擬現實、增強式虛擬現實及分布式虛擬現實，前2種虛擬現實技術在腦卒中病人肢體運動康復中應用較為廣泛，而桌面式虛擬現實又以美國Kinect、日本任天堂（Nintendo）Wii、中國的FourierM2康復機器人系統等較為常用。

1.1Kinect系統

Kinect系統是一款3D體感交互式設備，主要由計算機、傳感器和虛擬環境顯示器組成，可在不使用穿戴式設備的情況下，自動對病人進行評估、監測、支持和康復訓練，具有機器自主學習、骨骼跟蹤、深度檢測、語音和人臉表情識別等功能；該系統采用足球、滑雪、拳擊、賽馬、切食物等多種游戲框架模式，目前已應用于腦卒中病人的步態康復、肢體運動以及關節靈活度等訓練[5.11]。由具備虛擬現實操作技能的物理康復治療師或醫護人員，利用Kinect紅外線攝像傳感器來捕捉病人在空間中運動的深度數據，以實現虛擬現實環境下的人機交互，從而指導病人進行多方向的肢體分離運動，以提高其關節的控制力、軀干平衡力、注意力及分配能力。因虛擬現實康復訓練需病人主動參與，因此適用于無運動康復絕對或相對禁忌證者（如重度認知或視覺障礙、服用改變運動功能藥物等）Brunnstorm量表上肢評定 ?I 期、手和下肢 ?I 期、改良的Ashworth肌張力評分 ?2 級的病人，應用頻率一般為每周5次，每次 35～40min^[12-13] 。雖Kinect系統價格低廉，易于在社區或家庭推廣，但其識別精準度易受遮擋物和空間距離的限制，要求使用者在接受治療時不能遮擋設備、衣服花色盡量單一、與傳感器的理想間隔為1～2m，無陽光直射[14-15]

1.2 任天堂Wii系統

Wii系統由虛擬主機、顯示屏、運動控制器組成。基于慣性和光學感測原理，控制器內的壓力和（或）紅外線傳感器可以根據病人握住的手柄或在平衡板上的移動，自動調整虛擬現實游戲角色的移動路徑，從而實現與顯示屏內虛擬環境的互動[16]。目前，Wii系統作為腦卒中病人最常用的運動康復游戲，較于單調的傳統模式，虛擬現實技術更能吸引病人的注意力，提高其積極性和依從性，是改善神經疾患病人平衡力、柔韌性的有效工具之一[7]。此外，Wii系統還可評估病人的身體機能狀況、改善認知能力，如通過壓力傳感器，Wii手柄可檢測使用者膝關節的變化角度，以此來評估肢體的痙攣程度；再者，其還可測量使用者在Wii平衡板上的重心分布，感知人體中心的偏移變化，以實現對靜態站立平衡以及姿勢穩定性的評估[18-19]。Kannan等[20]對腦卒中病人進行字母重復識別、記憶、心算等認知行為訓練，均有較良好的效果。但值得注意的是，Wii系統可能會對使用者造成二次傷害，如成癮性、肢體損傷、視力與聽覺損害等，且現行的Wii游戲種類繁多，硬件和虛擬現實場景有所差異，因此，治療師和醫護人員應根據病人具體的運動功能障礙程度，選擇合適的虛擬現實游戲，并及時進行動態評估和監測，一般1個訓練療程為 10～20 次，每次 30～180min^[12，16]

1.3 FourierM2系統

FourierM2系統是我國自主研發的虛擬現實康復機器人，通過多軸力傳感器、力反饋算法和高性能電機，能像康復治療師一樣托舉病人手臂，根據電子顯示器上的實時軌跡響應游戲，如種蔬菜、切水果等，指引病人在桌面上畫出方圓曲直。此外，該系統為端點型機器人，病人不僅可以通過握柄傳遞力量，還可感知握柄所提供的協助或阻力，相較于早期麻省理工學院開發的麻省理工手，FourierM2系統還可任意調整機器握柄上的力道輕重，這種軌道和力道的“雙重定制”，可迅速提高病人運動的力量、速度和精確度。該系統設置了多種功能訓練模式，如肌力、控制力、等長、牽伸和日常生活訓練等，治療師可根據病人的個性化需求，靈活制定康復方案。其次，系統通過多維力傳感器和位置傳感器，精準收集、記錄使用者量化的訓練數據，使整個康復過程有章可循。此系統可用于腦卒中病人，在改善上肢功能和輔助獨立日常生活中取得良好效果[21]，可將日常生活活動與功能訓練相結合，互為轉化，與康復療法的最終目的相吻合。但也有研究表明，虛擬現實康復機器人和傳統療法相比無顯著差異[22]。雖其在國內有很大的市場和商業契機，但我國起步較晚，又因其造價高昂，且人機、機器及醫護人員之間缺乏多平臺協同控制等問題，因此缺乏成熟市場以及大眾接受度。

1.4沉浸式虛擬現實技術系統

沉浸式虛擬現實系統按其沉浸度可分為完全沉浸式、半沉浸式、非沉浸式3類[23]。其中完全沉浸式虛擬現實技術利用頭盔、手套和傳感探測器等設備，以封閉使用者的視覺、聽覺和觸覺，阻斷其對現實世界的感知，同時醫護人員或治療師可進人該虛擬空間與病人進行互動，以營造出最真實的虛擬環境[24]。非沉浸式或半沉浸式虛擬現實可同時滿足用戶對現實世界和虛擬世界的感知需求，但用戶并未完全沉浸于虛擬環境中，即僅通過計算機進行虛擬的視、聽覺體驗，可控制虛擬角色的活動，但虛擬環境不直接與人體交互，人體無真正身體運動。相較于傳統訓練，沉浸式虛擬現實技術系統為腦卒中病人提供了豐富有趣的虛擬現實跑步機作業，可有效激活損傷處對側的大腦皮層，進而促進病人運動學習[25]，提高腿部內外側力量以及掌握姿勢轉換間的平衡技能。但因頭戴式虛擬現實的高度沉浸感及其對頸椎的重量壓迫，部分病人可出現頭暈、頭痛、惡心、耳鳴等不良癥狀。此外，沉浸式虛擬現實的使用者往往是感觸不到現實環境的真實狀況，因此易產生安全問題和抵觸情緒，影響治療的依從性。

2虛擬現實系統在腦卒中病人肢體運動康復中的應用效果

2.1 上肢康復

上肢功能障礙是腦卒中后遺癥中的難點，其包括上肢、手部和手指間的活動功能、協同性及操作能力的減退。有研究顯示，約 75% 以上的腦卒中病人在發病早期就存有上肢功能障礙，其中又以上肢遠端的手功能障礙最為突出[26]。 30%～66% 腦卒中病人在6個月仍有持續性上肢功能受損，相較于 80% 能恢復下肢步行的病人，其中 5%～20% 病人的上肢功能能夠基本或完全恢復[27-28]。虛擬現實技術最初用于肩肘部關節，隨著技術的發展，基于虛擬現實的手功能康復系統也應運而生[29]。一項Meta分析證明，虛擬現實技術對改善腦卒中病人的上肢運動功能有顯著效果[30]

2.1.1 改善關節活動度

Huang等3將30例腦卒中病人隨機分成虛擬現實組和常規組，分別提供沉浸式虛擬現實虛擬場景和常規器械上肢訓練，干預后兩組主動關節活動度（AROM）均有顯著提高，但因虛擬環境能為病人帶來更多的交互式體驗，虛擬現實組肩關節屈曲度改善更明顯，而傳統康復較注重動作分解訓練，未對病人有任務作業的需求，難以將關節活動度的增減量與實際生活活動相聯系。張明等[32根據腦卒中病人上肢運動的評估結果，為其選擇適宜的虛擬康復場景和任務導向性作業，如接雞蛋、擦桌子、摘香蕉等游戲，每日1次，每次 30min ，連續10d對病人進行偏癱肢體各方向、角度的訓練，結果顯示，病人上肢運動和平衡能力明顯提升，且肩關節的前屈、內收和外展及時關節屈曲活動度均改善，日常生活活動能力得到提高。Térémetz等[33]運用網球、高爾夫和拳擊3種Wii體育游戲測評病人手功能速度、軀體移動距離和肘部關節角度，訓練4周后，Wii游戲組與常規對照組的腦卒中病人在肘關節伸展度和上肢運動恢復上顯示出相似效果，這可能與療程時間短、病人在訓練過程中出現代償性軀干補償運動有關。

2.1.2改善上肢活動精準度

Rowe等34利用輔以機器手的音樂導向性虛擬現實游戲，讓病人根據移動音符的不同顏色，使用食指和（或）中指敲擊特定目標，且電子顯示屏會自動記錄得分，以量化手指移動平均值以及記錄手部精細運動的數據，干預3周后病人敲擊移動音符的速度增快、擊中率提高、手指的捏合力增強。Li等35研發了意圖驅動手功能康復的軟質機器人手套，其自帶的小型傳感器和力反饋系統，可在用戶擠捏虛擬球體時向指尖定點施力，讓用戶獲得抓取感，并精準感知各手指的運動位置與角度變化；此外，該手套的施加力度可根據運動障礙病人的不同訓練計劃進行調整，以逐步提升手部肌力與耐力。Fluet等[36對病人進行交互式虛擬現實游戲訓練，讓其用手指屈伸移動汽車、用手腕運動控制飛機的平穩飛行以及用肩、肘關節的協同作用來幫助虛擬角色改變運動軌跡、躲避障礙物及跳躍等動作，以增加患肢的運動幅度和平滑度，每天至少 20min ，共12周的訓練后，使用者的手功能明顯改善。

2.1.3 改善上肢功能性運動

2019年，在中國腦卒中協會（Chinese StrokeAssociation，CSA）發布的“腦血管病臨床指南\"7指出，虛擬現實運動游戲在改善患側上肢功能障礙和日常生活活動能力上是一種合理的療法，推薦等級為Ⅱa類B級。崔潤紅等4用基于Kinect體感交互技術的虛擬現實游戲，如打保齡球、抓水果，對腦卒中病人進行訓練，發現虛擬現實不僅能改善上肢功能，還可改善神經缺損狀況，提高病人日常生活能力，其原因可能與虛擬現實提供虛擬交互環境，指導病人完成日常功能性活動與技能有關。有研究顯示，豐富的康復運動能加強神經突觸作用，利于增強神經功能可塑性，促進偏癱側肢體的功能恢復[38]。初級運動皮質作為鏡像神經元的中樞，是控制人體肌肉運動、日常生活活動的關鍵區域[39]，在腦卒中后期的運動功能恢復中起著重要的作用。Mekbib等[40]對病人進行1h虛擬現實和1h常規康復治療，發現其Fugl-Meyer上肢功能評分、Barthel指數提高，且優于單純的常規治療組；其次，該研究也潛在表明了虛擬現實技術可激活鏡像神經元，有助于偏癱側肢體功能的自主恢復。Park等41除了對病人使用虛擬現實治療外，還在游戲開始前對病人進行 5min 的心理放松練習，即放松 1min 、游戲想象 3min 以及專注 1min ，使病人恢復效果更好。因此，在今后的研究中應注重放松療效的虛擬現實游戲設計。

2.2 下肢康復

腦卒中后下肢運動障礙往往會降低病人生活質量，其多與偏癱側肌張力異常和肌力減退有關，可降低病人的姿勢控制力，導致平衡和步態障礙，而較差的平衡功能則是導致跌倒的關鍵原因[42]。腦卒中病人的步態異常，常表現為步速下降、短步、不均勻的步長和步幅。虛擬現實技術可模擬現實場景，為病人提供步行于街道、公園及商場的真實體驗感。

2.2.1 改善平衡功能

張麗華等43研究顯示，虛擬現實平衡訓練與常規訓練均可改善病人的平衡和姿勢控制力，但二者聯合治療則更有效，可更大程度提高病人的動靜態平衡功能。Hyun等[44]通過Wii平衡板對腦卒中病人進行坐立訓練以及人體壓力中心測試，病人在無靠背與扶手的椅子上，保持踝、膝和髖關節呈 90^° 屈曲，雙腳間距與骨盆寬度一致，并自然地凝視前方，隨后在重復站立過程中，盡可能使病人獲得最大站立姿勢并予以保持，Wii平衡板內置的壓力追蹤器可感知人體壓力中的變化，以此評估病人的靜態下肢平衡能力，在為期6周、每次20min 、每周5d訓練后，病人的Berg平衡量表評分顯著上升，動靜態平衡能力得到改善。金慶華等45將90例病人隨機分配為試驗組與對照組，分別予以虛擬現實康復治療和常規功能康復訓練，在虛擬游戲中吊橋會根據場景進行左右晃動以及斜坡等變化，病人需實時調整自身平衡通關，干預3個月后試驗組Berg平衡量表評分優于對照組，且下肢運動功能的改善更為明顯。然而，Berg平衡量表作為評估下肢平衡功能的常用指標，雖簡單易用，但結果易受個體主觀因素影響，易產生偏倚。因此，今后研究中應更為審慎地考慮如何選用最佳的主客觀指標，以為臨床實踐提供切實科學的行動指南。

2.2.2 改善步態異常

Trinh等46通過Wii棒球、網球等游戲訓練腦卒中病人，干預14d后病人的下肢肌力有所增強，同時6min 行走距離和爬樓速度方面也有顯著提高，證實了虛擬現實技術在改善病人步行訓練中的有效性。金慶華等[45對腦卒中病人開展了跨步訓練、循環步態以及步行街道的虛擬現實游戲，顯示器內的灰色方塊在病人準確踩到后會轉為綠色，還可根據病人需要，調整步長、步速、步寬及步頻，以助步行能力較差的病人完成趣味任務，刺激肢體運動，以改善步態功能。此外，多項研究已驗證了Kinectv2步態分析技術的可行性和可靠性，該技術能有效識別健康者與腦卒中病人的步態個性特征，具備對腦卒中后跌倒危險的判別能力[11，47]。但也有系統評價發現，虛擬現實技術與傳統康復訓練對提高步行功能的效果差異不顯著，其多因虛擬現實訓練任務普遍集中于改善病人的靜態平衡能力，要求在規定范圍內完成，而涉及步行能力的訓練任務相對較少[38]。總之，虛擬現實技術對腦卒中病人下肢運動康復有積極作用，但可供選擇的虛擬現實下肢康復系統偏少，且設備空間占比較大，不利于居家推廣使用。

3虛擬現實技術在腦卒中病人肢體運動康復應用中的不足

如今虛擬現實技術在腦卒中病人肢體運動康復應用中已有了一定的探索和實踐，但仍面臨著以下不足：1）大部分研究證明，虛擬現實技術可改善腦卒中病人的運動障礙，但仍有小部分研究成果缺乏顯著性或有效性，這可能與不同的虛擬現實沉浸度、游戲設定、虛擬現實設備以及病人腦卒中時長等因素有關，因此還需更多的研究來進一步發現和制定更為詳細的虛擬現實適用方案；2）技術研發方面，大多虛擬現實技術為商業性體感互動游戲，雖國內已有將診斷與康復相融合的虛擬現實設備，但沉浸感及互動性低[48]，病人需穿戴不同傳感設備以獲取更多運動信息，易導致病人產生抵抗心理；3）在設備設施中，虛擬現實游戲、組件及系統多樣，除了對傳感間隔有一定距離要求以外，還存在設備空間占比大、自身重量、操作復雜、價格高昂等問題，不便于攜帶且需技術人員定期調試；4）國內外對腦卒中病人的虛擬現實肢體康復訓練研究，所應用的評價指標、研究對象以及治療方案等各有不同，無規范化的統一指標與干預方案；5）國內缺乏虛擬現實運動康復專業人員，早期康復訓練處方不夠完善，尤其是在病人亞急性期和康復期，缺乏系統性的治療方法，以及使用率低等現狀。

4小結

綜上所述，虛擬現實技術創新地改善了腦卒中后病人的肢體運動功能障礙，為解決臨床實際問題提供了新思路與新方案。但面對國內腦卒中病人更高水平的應用需求，該項技術仍有不足之處。因此，為促進虛擬現實運動康復訓練的進一步研究與發展，醫護人員與研究者在實踐中應仔細考慮以下方面：1）為了獲得更自然的人機交互與沉浸感，相關的研發者可將生理監測指標與運動傳感器相整合，以更精準、客觀地評估病人的康復訓練效果；2）探索不同的虛擬現實系統在腦卒中病人中的異同，進一步規范虛擬現實肢體運動康復的應用流程與效果評定，注意主客觀指標相結合，以提供更有力的虛擬現實臨床治療方案；3）為提高病人的治療依從性與耐受性，未來可設計更為輕便、簡單的虛擬現實設備及系統模式，同時配備生動趣味的虛擬角色或游戲，以提高病人參與積極性；4）考慮到虛擬現實技術的安全性，護理人員在使用前應充分掌握其操作技能，做好對病人的充分評估與宣教以及現實中虛擬現實應用空間的準備工作，事后進行設備的清潔與消毒，防止發生交叉感染；5）可考慮將虛擬現實與遠程醫療相聯合，推動移動型居家虛擬現實康復技術在腦卒中病人中的可行性研究與應用。

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（收稿日期：2024-05-16；修回日期：2025-06-05） （本文編輯 蘇琳）