论文《虚拟技术在脑卒中后下肢康复的应用》-仁创编译转载
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脑卒中是具有高发病率和高致残率的急性脑血管疾病。我国目前每年有110万人死于脑卒中，每年约有240万人新患脑血管疾病，现有脑卒中病患1100多万，发病率逐年升高[1]。调查显示，中国公民的脑卒中标化死亡率总体呈稍下降的趋势[2]，但生存患者仍存在不同程度的功能障碍[3]，以偏瘫侧肢体运动、感觉、控制功能障碍为主，而脑卒中造成的下肢功能障碍则成为患者日常生活自理及社会参与受限的重要原因。现今，低效率、缺乏系统性的传统康复疗法改善下肢功能障碍已无法满足需求，而随着科技的发展，高效率、系统化的虚拟现实技术(virtualrealitytechnology，VR)已成为一种重要的下肢康复手段，越来越多实验证明VR在脑卒中后下肢康复中有明显优势。本文拟探讨VR在脑卒中后下肢康复方面的优势。
1VR应用原理及优势
VR是集实时的三维图形图像生成技术、功能的交互技术和高分辨率的显示设备为一体，具有交互性、沉浸感和构想性的新型计算机技术。一般来说，VR系统主要由软件和硬件两大部分组成，软件为图形图像三维处理技术营造的不同场景，如街道、商店等，而在虚拟现实系统中构建一个虚拟世界实现人机交互，需通过一些独特的硬件设备。硬件设备主要由输入、输出、生成设备三部分构成。输入设备有3种类型，分别为语音识别操控类、运动采集类和手持类。目前以语音控制完成VR系统的各类操作研究还未成熟，研究要点在于语音识别技术的研发;运动采集类设备最多可采集50个节点信息反馈用户的活动情况;手持类可以是3D鼠标、VR手套和3D摇杆等[4]。输出反馈设备可有头戴式显示器、桌面显示器、大屏幕投影等。VR创造出身入其境的感觉，包括非沉浸式到完全沉浸式，取决于用户与外界环境的隔绝程度，用户可借助这种感觉部分沉浸或完全沉浸于虚拟环境中，沉浸式系统中用户与环境的互动依靠头带式显示器、桌面显示器、大屏幕投影、CAVE显示系统或视频采集器等，非沉浸式系统中互动则依赖于手套、操纵杆、跑步机或传感器等设备[5]。VR系统以自然方式实现用户与环境的多种感官刺激交互，不仅用户可从环境中获取多种反馈信息并加以调整，减少在现实环境由于错误方式引发的风险，例如患者现实环境中不能有效地整合视空间觉、知觉运动、运动控制、任务概念或反馈信息等因素作出错误判断易引发摔倒，而VR系统可有效避免这些情况的发生，且用户通过反复练习、模仿，训练更加贴近日常生活，利于训练与生活的转换[6]。例如平衡评估系统Wii平衡板(WBB，任天堂，日本京都)，是Chiarovano等[7]为解决Equitest机器的高成本和仅允许在矢状面进行平衡研究的问题，提出应用VR技术研发一款低成本的平衡评估系统，可使用Wii平衡板的新技术来测量在沉浸式虚拟现实强大逼真的视觉挑战时的姿势稳定性。在该系统中，VR护目镜中显示不断由惯性传感器检测到的头部位置图像，图像以与头部运动相反的方向在显示屏幕上移动，因此受试者体验到相对于世界固定的真实物体的视觉错觉。且设计者使用一个移动点的3D场和一个单独的VR场景来量化这种现实的视觉干扰对保持平衡的持续性挑战，以保持用户站在泡沫垫上的本体感觉。该系统不仅安全精确，而且高效、成本低，允许研究所有平面的平衡。这种新系统可以让临床医生获得客观的姿势稳定性指标，这将有助于理解用户直立时所需的注意力要求。此外，它可提供一种新的训练模式，即用户在日常生活中可通过视觉和本体感觉保持姿势稳定性来防止跌倒，也可应用于前庭神经手术损伤后不同阶段的老年患者和前庭损伤患者以预测摔倒的风险。基于神经可塑性和大脑镜像神经元理论[8]，作为一种新型治疗手段的VR技术越加广泛应用于康复领域。为探讨VR耦合减重平板训练(BWSTT)在脑血管意外患者步行功能恢复中的作用和机制，林玲等[9]将11例脑血管意外患者随机分为VR组(n=6)和对照组(n=5)，VR组主要训练内容为VR+BWSTT，对照组则为常规物理治疗，经3个月训练后通过脑功能成像和下肢运动功能评定来比较训练前后和不同训练间大脑皮层的激活程度，结果显示VR组患者步行速度和下肢评分较训练前明显提高，较对照组显著改善，VR组患肢对侧旁中央小叶(PCL)激活强度较训练前明显增大，而对照组不存在该现象，证明VR耦合BWSTT对脑血管意外患者步行功能的改善作用显著优于常规训练，推测VR系统是将前额叶皮层与各运动皮层的神经纤维连接激活或建立，提升运动功能的恢复速度。McEwen等[10]为探索辅助VR疗法是否改善住院患者卒中康复中的平衡功能和步态，采用一项随机对照试验研究院内59例中风患者，VR组(n=30)接受标准脑卒中康复治疗，并增加一个VR练习程序，该练习是在站立时进行平衡挑战(例如足球守门员，单板滑雪)，对照组(n=29)接受标准的中风康复治疗加曝光于相同的VR环境，但其游戏无平衡挑战(坐着进行)，经3周训练后，结果显示VR组ChedokeMcMaster中风评估量表下肢运动功能(平衡功能、移动性和步态)的改善优于对照组，证明这种针对住院患者卒中康复的VR锻炼有效改善了患者运动功能。已知采用镜像疗法对偏瘫患者下肢功能障碍的恢复具有良好效果[11]，研究表明，VR下肢训练较传统镜像疗法训练可更有效改善下肢功能，为解决在镜像疗法中患者收到扭曲的视觉信息不能保持平衡，而将身体向健侧弯曲，以观察镜子反射的图像，导致更多的不对称的姿势这一问题，In等[12]在25例慢性中风患者中进行一项随机单盲试验，实验组进行虚拟现实反射疗法(VRRT)和常规疗法，对照组进行常规疗法和VRRT安慰剂疗法(液晶显示器)，4周训练后采用BergBalanceScale(BBS)、功能测试(FRT)、TimedUpGo(TUG)、姿势摇摆和10m最大步行速度(10mWV)测试进行评估、比较，结果显示较对照组，实验组BBS、FRT、TUG、姿势摇摆和10mWV有显著改善，证明虚拟现实反射疗法比传统镜像疗法更有利于慢性中风患者下肢功能的改善。随着对VR研究的深入，越来越多实验证明VR在脑卒中后下肢康复中有明显优势。
2在脑卒中后下肢康复中的应用
大多脑卒中后偏瘫患者表现为运动控制和协调不良，步行时患侧负重能力下降，重心转移不良，步长短、患侧支撑期短、步速变慢、骨盆固化、患侧髋关节屈曲、伸展不足，支撑中期膝过伸、摆动中期膝过度屈曲、足下垂、全足着地及内翻等，躯干、下肢控制功能下降，平衡协调功能障碍，使步速、步频和步幅降低，而VR在脑卒中后下肢的康复的应用主要是针对平衡与协调功能和步态功能障碍两方面。
2.1对卒中后平衡与协调功能障碍的康复
脑卒中患者的双侧肢体通常是不对称或不平衡的，既限制了平衡能力，又阻碍他们在运动过程中协调双侧躯干[13]。平衡功能障碍不仅限制患者的活动参与，还降低患者对运动的信心。此外，增加患者的跌倒风险，导致久坐的生活方式，最终导致继发性残疾。一个重要的康复目标是加强他们的运动控制和协调，最终提高患者的独立能力。跑步机训练在增加平衡能力方面取得了一定进步，然而，跑步机训练主要是设置的地面步行训练，不可替代各种日常活动，例如在不规则的表面上行走、避免障碍物、转身，因为现实环境因素不够充分[14]。有研究表明[15]，VR可创造一个由治疗师操纵、个性化且安全，具有互动和激励作用的模拟现实地面环境，弥补跑步机训练中缺乏的现实环境因素，使之可代替日常活动训练，VR结合跑步机训练可提高患者的静态平衡功能。Yang等[16]为评估VR跑步机训练对卒中患者平衡功能的影响，将14例卒中患者随机分配接受VR跑步机或传统跑步机训练，结果显示，VR跑步机训练比传统训练更能提高内外侧方向的平衡技巧，此外VR跑步机训练还提高了坐姿转换中的平衡技巧，患者参与度也较传统训练更多。Kim等[17]对至少有6个月卒中史患者进行基于社区的虚拟现实跑步机训练(CVRTT)计划，结果显示CVRTT组的姿态摆动速度和前后总振动路径长度较训练前均显著降低，CVRTT组静态平衡功能较对照组有明显改善，证明CVRTT可有效改善中风患者的静态平衡能力。许多研究指出，骑自行车是下肢康复的有效手段。Yin等[18]设计出了一个实时感知自行车力量和速度的虚拟现实自行车训练系统(VRCTS)，解决在周期训练期间，健侧肢体掩盖患肢的不足导致的不协调训练而使偏瘫患者的潜在受益降低并加剧步态不对称的问题[19-20]，对获得的数据进行分析，以便在VR康复计划中为患者产生反馈，从而专门训练患肢，并在10例卒中患者验证，使用双侧踏板力和力量板来确定训练效果，并比较实验组和对照组在训练后不对称比率指数(ARI)的结果。结果显示，双侧踏板力量经VRCTS训练后明显增强，且双侧力板平衡改善明显。由于肌肉无力，肌肉异常紧张和运动模式异常，中风患者难以控制运动。已证明基于VR的踝关节运动有效改善踝跖屈肌肉的协调性，并提高步行速度[21]。为研究基于VR的踝关节运动对卒中受试者的动态平衡、肌张力和步态能力的治疗效果，Yom等[22]将20例慢性卒中患者随机分为实验组(VRAE;基于VR的踝关节运动组)和对照组(观看视频踝关节运动组)，6周后应用动态平衡、肌张力和时空步态进行效果比较，结果显示，VRAE组干预后动态平衡和肌张力较对照组显著改善，表明基于VR的踝关节运动有效改善了卒中患者的动态平衡、肌张力和步态能力。Subramaniam等[23]认为，中风患者在微软Ki-nect(JustDance3)游戏干预期间改善了反应时间、运动速度和步数。然而，这种游戏是为了休闲目标而设计的，而不是为了治疗目标，也没有可用的综合康复和家庭护理的标准治疗。此外，也很少有研究调查这些游戏的持续效应。Lee等[24]为研究应用Kinect进行Xbox游戏的VR平衡训练对慢性中风患者的影响，将50例轻度至中度运动缺陷卒中患者随机分为VR组和标准治疗组(ST组)进行双盲研究，结果显示，两组在BBS和TUG-cog中均有显著改善，且VR组对训练满意度更高，证明使用KinectforXbox游戏加上传统方法的VR平衡训练对慢性中风患者的平衡能力有显著改善，这种改善情况可持续到训练后的3个月。
2.2对卒中后步行功能障碍的康复
卒中后典型的步态变化包括站立时膝关节屈曲减少或丧失，站立初期和摆动期踝关节背屈不足以及站立末期踝跖屈。为评估使用VR系统训练后的步态生物力学，并阐明其潜在机制，Mirelman等[25]将18例偏瘫患者随机分为VR组及对照组，运动学和动力学步态参数结果显示，与对照组相比，VR组表现在踝关节运动时发电量显著增加，在站立和摆动期间患侧的膝关节ROM显著增加，而髋关节的运动学或动力学中未观察到显著变化，证明VR训练系统可显著改善偏瘫患者下肢力量，训练可能改善踝关节的运动控制，这可以使训练后出现功能改善的级联变化成为可能。基于使用机器人与VR环境相结合的下肢训练已被证明可有效改善下肢运动功能，为探讨机器人结合VR环境是否较仅使用机器人对下肢运动功能训练效果更显著，Mirelman等[26]将18例脑卒中患者随机分为机器人耦合VR环境训练的实验组及仅使用机器人训练的对照组，并使用单盲进行研究，经4周训练后利用活动检测器(PAM)、6min步行测试、下肢Fugl-Meyer及Berg平衡量表检测实验室环境和社区环境下的步态特征，结果显示，VR联合机器人装置在偏瘫患者下肢训练较仅用机器人显著提高步行速度与距离，且在3个月随访中差异持续存在。为探索VR联合体重支持跑步训练(BWSTT)对中风早期骨盆控制的影响，Mao等[27]将24例偏瘫患者随机分为VR耦合BWSTT组和常规治疗组，结果显示VR耦合BWSTT组骨盆矢状面的倾斜度在治疗后明显改善，表明在适度的干预剂量下，VR耦合BWSTT步态训练可以减少早期偏瘫患者的骨盆前倾角度，训练可能比传统的地面步态训练有优势，并可以帮助治疗师纠正患者异常步态模式。基于VR的姿势控制训练可能是提高卒中患者步态能力的有效方法。为确定基于VR的姿势控制训练对卒中患者步态能力的影响，Park等[28]将16例卒中患者随机分配到VR组、对照组。两组受试者均接受常规物理治疗，VR组的受试者接受额外的基于增强现实的训练。经4周的训练后，步态参数显示，VR组的受试者各项步态参数除步频外较训练前显著改善，但在对照组中并没有观察到明显改善，说明接受基于VR的姿势控制训练的慢性中风患者的步态能力显着提高。然而，在进行组间比较时，VR组与对照组相比只有步幅长度有显著改善，但其他步态参数没有显著差异，需要更大的样本容量来确定两组之间步态能力的差异。
3VR联合其他治疗手段改善卒中后下肢功能障碍
越来越多实验证明，VR作为辅助治疗结合其他物理疗法较单一治疗方法更有效改善脑卒中偏瘫患者下肢功能障碍。陈佩顺等[29]采用三维步态参数等对患者步行功能评定，发现VR结合活动平板训练能显著改善偏瘫患者步行功能。刘翠华等[30]将42例因脑卒中足下垂及足内翻患者随机分为对照组和实验组，应用三维步态分析获取偏瘫患者步态的时空参数和下肢关节活动参数，验证了VR结合功能性电刺激对卒中患者步行速度、频率等方面较传统步行训练更有优势。赵雅宁等[31]为研究VR结合康复机器人训练对脑梗死偏瘫患者运动功能及相关事件电位(ERP)的作用，将80例脑梗死患者随机分为对照组和干预组，结果表明VR结合康复机器人训练能改善脑梗死偏瘫患者运动功能，而且能提升患者的认知功能。上述研究都表明了VR作为辅助治疗手段，可显著改善患者下肢运动功能，推测是由于VR令用户产生身临其境的感觉并获得实时反馈，显著提升用户锻炼的乐趣及用户参与的主观能动性，显示了VR在脑卒中后下肢功能障碍治疗中的巨大潜力。综上所述，VR对脑卒中患者下肢功能康复是有效的，不仅为患者提供了新型治疗手段，还可根据用户情况提供实时反馈，定制个性化方案，提升锻炼的乐趣及充分调动用户参与的主观能动性，拥有传统训练方式难以比拟的优势。娱乐行业为家庭使用开发的各种非沉浸式视频游戏系统使得应用成本更低，更容易进行潜在的康复干预。VR在脑卒中后下肢康复中应用于平衡与协调康复和步态康复中较传统训练显著有效，且作为辅助治疗手段可进一步改善下肢功能障碍，然而，目前VR应用于下肢康复还有许多需要解决的问题，需要进一步探索对患者的应用条件、治疗时间、强度、疗程及应用何种模式，应用于不同功能障碍该如何确定VR参数，探索VR应用于不同功能障碍的作用机制，如何与其他治疗方法结合发挥1+1>2的作用，未来的研究也需要进一步精细训练方案，增加重复次数，招募足够数量的样本及选择敏感的评估任务和参数验证训练效果。由于VR应用设备昂贵、体积大、推广困难，如何研发价格低、便携且易推广，应用于社区甚至居家康复的应用设备是未来研究的重要方向。
作者：吴满婷 曾庆 李荣东 陈淑萍 单位：南方医科大学康复医学院 南方医科大学珠江医院康复科
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