虚拟现实技术在康复医学中的应用与发展

莫海燕，刘 静，曹 慧

虚拟现实技术在康复医学中的应用与发展

莫海燕，刘 静，曹 慧

分析了传统康复训练方式的局限性，阐述了虚拟现实技术用于康复医学的必要性，总结了其在运动康复、认知康复和远程康复方面的国内外应用进展及其在应用过程中存在的问题，并且指出了虚拟现实技术必将在康复医疗中发挥越来越重要的作用。

虚拟现实技术；运动康复；认知康复；远程康复

0 引言

随着老龄化进程的加快和重大自然灾害的频发，我国康复医疗产业正在逐渐引起医学界和社会的高度重视。传统的康复医疗一般在康复中心进行，是医师与患者之间一对一的指导训练，但是现有的康复中心以及康复医师的数量远远无法满足目前康复训练人群的需求。近年来，虚拟现实（virtual reality，VR）技术成为十分活跃的研究领域，已被运用到军事、建筑工程、医学、教育、娱乐影视等各个方面，现就其在康复医学中的应用进行综述。

1 虚拟现实技术概述

虚拟现实又称“灵境”，由三维计算机图形学技术、多功能传感器的交互式接口技术以及高清晰度和高更新速度的显示技术构成[1-2]。VR技术就是在计算机中建立一个模拟真实世界效果的特殊环境，通过各种传感器设备，使用户“沉浸”在这个虚拟环境中并进行操作和控制，以达到特殊的目的。

VR具有3个特性——3I，即immersion（沉浸性）、interaction（交互性）和imagination（构想性）[3]，它为处在该环境下的用户提供包括视觉、听觉、触觉等多种直观而又自然的实时感知交互。用户在该虚拟环境中能够产生身临其境的感觉，并且可以通过操作来改变或选择可以感受的内容，同时又留给用户可以自由发挥想象的空间进行大胆的尝试，进而扩展其认知的范围，提高用户的探索和创新意识。

2 康复医学目前存在的问题

临床经验表明，早期的康复介入，对患者的身心功能恢复、预防二次损伤和废用综合征都起到关键性的作用，因而康复治疗和手术药物等的治疗同等重要。我国幅员辽阔，地形复杂，近年来自然灾害时有发生，给灾区人民的身体和心理都带来巨大的创伤，加之老龄化问题的日益严峻及其带来的疾病谱的变化，康复医学工程正面临着前所未有的挑战。

传统的康复治疗通常是医师与患者一对一形式的训练，存在诸多局限性：（1）现有资源不够充足。无论是专业的康复医师还是康复器械都无法满足当前康复人群的需要。（2）训练过程单调而乏味。传统的训练过程通常是对一组训练动作的不断重复，导致整个过程十分枯燥，难以有效调动患者主动参与的积极性，甚至使患者产生厌烦情绪，降低了康复效率。（3）功能定量化测评难以实现。随着康复治疗的不断进行，患者的身体状况发生变化，其承受的活动量强度也在改变，而目前无法对患者在训练中的具体数据进行记录和保存，不利于康复训练计划的制订和调整，也在一定程度上影响了康复进程。

3 康复医学结合虚拟现实技术的必要性

VR康复系统可以打破传统训练方式的局限性，它可以针对不同类型功能障碍的患者提供不同的虚拟训练平台，使患者以做游戏或完成趣味性任务的方式进行康复训练，以此调动患者的积极性。系统还能够详细地记录患者的训练数据，康复医生可以远程监控患者的训练情况，进而根据需要实时地调整训练计划和训练强度，推荐康复治疗方案。通过这种方式，一个医生可以同时指导多名患者，提高了医疗人员的工作效率，减轻了其工作强度。

VR技术可提供重复练习、效果反馈和动机维持3种关键环节，这正是患者习得某种功能的必要条件。另外，VR康复系统能将心理引导与生理治疗结合起来，在患者进行“游戏式”康复训练的过程中，通过音乐、画面、文字和语音提示等形式给患者以正面的激励反馈，提高患者的信心和主动性[4]。因此，将康复训练与VR技术相结合具有重要的应用价值。

4 VR技术在康复医学中的应用与进展

4.1 VR在运动康复中的应用

运动障碍是指以运动异常为特征的各种障碍，包括运动不能、震颤、舞蹈症、扭转痉挛、斜颈、张力障碍、颤搐、抽动和肌阵挛等症状[5]。当前，在运动障碍康复领域，对患者受损的运动功能进行康复性训练是VR技术最重要的用途[6]。

4.1.1 平衡和协调训练

许多中风患者存在姿态和平衡方面的问题，例如身体摇摆和不对称的质量分布降低了其灵动性，影响了他们的日常生活。DING Qi-cheng等[7]结合CIMT原理对Nintendo Wii Fit游戏系统进行改造，构建了一款基于VR的下肢平衡康复训练系统。该系统使患者的双脚分别站立在2块平衡板上，通过双脚用力动态地控制压力中心，进而操控虚拟人的运动状态。通过这种方法能成功地迫使患者增加患侧肢体的使用，使其体质量分布更加均匀，对称性能力得到大幅改善。R Lloréns等[8]开发的BioTrak VR系统涵盖一系列的平衡康复活动，包括端坐时头部和躯干姿势控制的恢复和站立时的动态平衡练习等多个管理项目，同时允许用户通过选择不同的练习和规划自己的持续时间、休息时间和重复次数进行个性化训练。然而，我国对平衡功能障碍的研究起步较晚，应用VR技术的研究成果尚鲜见报道，有待于进一步探索。

4.1.2 行走及步态训练

与正常人相比，脑卒中偏瘫患者往往具有运动发起难、步速慢、步态周期延长、患侧支撑时间短等特点[9]。集中的特定任务式的训练可以提高脚踝的推力、髋部的拉力和行走的速度。Anat Mirelman等[10]用Rutgers踝关节康复系统对18名中风后的轻偏瘫患者进行试验，受试者只能使用踝背屈、跖屈、反转、外翻以及这些动作的组合来驾驶虚拟环境中的飞机或船。实验结果表明，患者脚踝的推力、踝关节活动度（range of motion，ROM）均有明显改善，膝关节ROM及站立和摆动情况也有大幅提高。可见，VR技术对患者步态康复有一定作用。目前，国内对步态康复的研究主要以简单重复性训练的康复机器人为主，对结合VR技术的研究较少。张磊杰等[11]提出了一种基于VR的步态康复机器人系统，可以快速提取患者的步态速度、心跳等生理信息并恰当地体现在游戏中，使枯燥的训练变得有趣，也提高了患者的注意力集中程度。因此，结合VR技术的步态康复机器人系统将逐渐引起众多学者和医疗器械产业的关注。

4.1.3 上下肢康复训练

由于力量减弱和利用反馈能力的下降，脑卒中偏瘫患者难以进行精确的运动控制，Sangwoo Cho等[12]基于VR技术开发出一种新型上肢康复系统，用本体感觉反馈取代视觉反馈来提高患者的运动控制能力。系统采用模拟起居室的虚拟环境，患者需要依靠自己本体感受的反馈信息，将患侧手握的虚拟半透明柱体移动到不透明柱体所在的目标位置，用这种方法亦能提高患者的日常生活能力。Burdea等[13]开发了康复训练系统“Rutger Arm II”，系统由运动跟踪、重力和虚拟现实游戏3个模块组成，利用红外技术跟踪到患者的运动数据，使其能在虚拟场景中进行游戏式训练，并能得到相关的触觉反馈。

国内众多学者对上下肢康复也作了很多研究。王瑞利等[14]设计了结合主动、被动和助力训练的踝关节康复系统，并添加了功能评价机制，为患者制订治疗方案提供可靠的证据。柯福全等[15]借助Kinect设备开发了一款基于视频运动跟踪的虚拟现实系统用来辅助患者的上肢康复。张金龙[16]设计了一款手指康复系统，包含了手势变换、坦克射击和赛车竞速3种游戏，非常具有趣味性。华南理工、中南大学附属第三医院与广州一康医疗设备有限公司三方联合研发的虚拟厨房训练系统[17]，患者通过在其中漫游并完成烧开水、摆餐具、盛水果等一系列的厨房操作来训练偏瘫上肢的运动功能，将该系统应用到33例上肢功能障碍患者身上，结果显示比传统训练方式的康复效果更为显著。

4.2 VR在认知康复中的应用

认知是指人脑接受外界信息，经过加工处理转换成内在的心理活动，从而获取知识或应用知识的过程，它包括记忆、语言、视空间、执行、计算和理解判断等方面。认知功能障碍对患者日常生活的影响有时甚至超过了躯体功能障碍，因此也成为医学界面临的重要课题之一。将VR技术应用于认知康复，可以在虚拟环境中为患者提供安全可控的刺激进行治疗，并能监测多种重要指标，表现出传统方法无法比拟的优势。

Godehard等[18]利用VR系统治疗有空间认知和记忆缺陷的轻度认知功能障碍患者，让他们在虚拟的公园和迷宫里根据地标（房子、汽车、高山等）寻找宝藏，加强患者以自我和非自我为中心记忆的能力。Caglio等[19]利用3D电子游戏进行记忆康复的研究，发现虚拟航行训练可以激活记忆区域，改善成人脑损伤患者的记忆功能。王文春等[20]设计的虚拟认知康复训练系统，包括注意力、记忆力、思维操作能力等七大训练模块，每个模块又设计了高、中、低3种级别的题目。将该系统应用到38例有认知功能障碍的患者身上，结果表明，虚拟认知康复系统在注意力和空间知觉的改善方面优于传统的康复训练模式，且更具趣味性，适用于临床推广。戚淮兵等[21]设计了基于Agent的虚拟认知康复系统，能为患者提供感官上的刺激，纠正认知偏差，具有开放、自主、可移植的特点。尽管如此，在我国内陆地区，VR技术辅助认知康复治疗的研究仍处于初级阶段，能够真正进行临床应用的系统较少，还需要不断的探索和研究。

4.3 VR在远程康复中的应用

目前，我国经济发展均衡度还较低，各地的医疗设施建设也存在很大差异，康复医疗机构集中在大中城市，许多地区缺乏必要的康复服务，给广大群众带来不便。虚拟现实技术结合网络通讯技术可以将一流的医疗资源传送到较落后的地区，为康复医学带来革命性的变化。M J Johnson等[22]利用网络通讯技术使中风的患者可以在家中进行康复训练。李军强等[23]设计了一套远程监控系统，用虚拟人的运动再现患者手臂的运动，实现监控功能，从而使医生掌握患者手臂的运动情况。王月姣等[24]设计了基于力反馈的远程康复训练虚拟驾驶系统，治疗师端的计算机能实时显示患者训练视频、相关训练数据及当前训练方案，并能据此实时修改训练方案。可见，VR技术有利于提高落后地区的医疗水平，优化医学资源分配，推动我国社区康复的建设进程。

5 结语

虚拟现实技术在康复医疗各方面的应用已取得重大成果和进步，能够打破传统训练方式的诸多局限，节省大量的人力物力。然而，目前还是存在着一些问题：（1）当前VR康复系统大多是针对某类障碍设计的，而患者由于个体文化、年龄、性别、受教育程度等各种因素的差异，同样的病可能需要不同的方法、虚拟环境和系统进行有针对性的治疗。（2）对认知康复研究较少。临床康复医学的重点正在向失语、失认、失用及认知康复发展[25]，认知功能在很大程度上决定了患者的日常自理生活，也利于患者肢体功能的康复，应当引起足够的重视。（3）VR康复系统的建设还处在不断发展的阶段，虚拟设备生产成本较高，难以实现大规模使用。（4）系统受试者数量有限，缺乏全面的临床对照试验，难以进行精确的有效性评价。但是我们相信，经过众多学者的不断探索，此技术必将日臻完善，在康复医疗中发挥越来越重要的作用。

[1]李红玲.虚拟现实技术及其在康复医学中的应用进展[J].中华物理医学与康复杂志，2013，35（5）：414-416.

[2]许志生，李建华.中国康复医学会第十四次脑血管病康复学术会议暨中华中医药学会第九次养生康复学术会议，长春，2011[C].北京：中国康复医学会脑血管病康复专业委员会，2011.

[3]BurdeaG，Coiffet P.Virtual reality technology[M].New Jersey：John Wiley&Sons Inc，2003：3-4.

[4]黄靖远，刘宏增，李海燕，等.“虚拟现实”康复工程前景初探[J].生物医学工程学杂志，1999，16（2）：203-208.

[5]龚文青，诸强.虚拟现实技术应用与运动障碍康复的研究[J].生物医学工程进展，2009，30（4）：238-241.

[6]Holden M K，Todorov E.Use of virtual environments in motor learning and rehabilitation[M].New Jersey：Lawrence Erlbaum Assoc，2002，49：999-1 026.

[7]DINGQi-cheng，StevensonIH，WANGNing-hua，etal.Motion games improve balance control in stroke survivors：a preliminary study based on the principle of constraint-induced movement therapy[J]. Displays，2013，34：125-131.

[8]Lloréns R，Colomer-Font C，Alcaniz M，et al.Biotrak virtual reality system：effectiveness and satisfaction analysis for balance rehabilitation in patients with brain injury[J].Neurología，2013，28（5）：268-275.

[9]赵军，张通，芦海涛，等.脑卒中偏瘫步态分析的临床应用[J].中国康复理论与实践，2013，19（7）：655-657.

[10]Mirelman A，Patritti B L，Bonato P，et al.Effects of virtual reality training on gait biomechanics of individuals post-stroke[J].Gait& Posture，2010，31：433-437.

[11]张磊杰，刘永久，王慧，等.基于虚拟现实的步态训练康复机器人系统软件设计[J].计算机系统应用，2012，21（12）：8-11.

[12]Sangwoo C，Jeonghun K，Yun K C，et al.Development of virtual reality proprioceptive rehabilitation system for stroke patients[J].Computer Methods and Programs in Biomedicine，2014，2（3）：258-265.

[13]Burdea G，Cioi D，Martin J，et al.Motor retraining in virtual reality：a feasibility study for upper-extremity rehabilitation in individuals with chronic stroke[J].Journal of Physical Therapy Education，2011，25（1）：419-423.

[14]王瑞利，刘更谦，于庆增,等.基于虚拟现实踝关节康复系统的研究[J].机电产品开发与创新，2007，20（1）：16-23.

[15]柯福全.基于视频捕捉的肢体康复虚拟现实系统的设计[D].长沙：中南大学，2012.

[16]张金龙.基于虚拟现实技术的手指康复系统研究[D].武汉：华中科技大学，2012.

[17]梁明，窦祖林，王清辉，等.虚拟现实技术在脑卒中患者偏瘫上肢功能康复中的应用[J].中国康复医学杂志，2013，28（2）：114-118.

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）

[18]Weniger G，Ruhleder M，Lange C，et al.Egocentric and allocentric memory as assessed by virtual reality in individuals with amnestic mild cognitive impairment[J].Neuropsychologia，2011，49：518-527.

[19]Caglio M，Latini-Corazzini L，D'Agata F，et a1．Virtual navigation for memory rehabilitation in a traumatic brain injured patient[J].Neurocase，2012，18：123-131.

[20]王文春，王倩，庞日朝，等.基于虚拟现实技术的认知功能康复训练系统的设计与构建[J].中国康复理论与实践，2012，18（10）：988-990.

[21]戚淮兵，刁永锋，闫正洲，等.基于Agent的虚拟认知康复辅助治疗系统研究[J].西华师范大学学报：自然科学版，2009，30（3）：298-301.

[22]Johnson M J，Loureiro R C V，Harwin W S.Collaborative tele-rehabilitation and robot-mediated therapy for stroke rehabilitation at home or clinic[J].Intelligent Service Robotic，2008，1：109-121.

[23]李军强，王娟，赵海文，等.基于虚拟现实的外骨骼式远程康复系统[J].机械设计与研究，2011，27（4）：35-38.

[24]王月姣，宋爱国.力反馈远程康复训练虚拟驾驶系统的软件设计[J].中国组织工程研究与临床康复，2010，14（35）：6 479-6 482.

[25]蒋戈利.康复医学发展趋势及设想[J].解放军医药杂志，2013，25（1）：1-5.

（收稿：2014-04-02 修回：2014-07-15）

Application and development of virtual reality technology in rehabilitation medicine

MO Hai-yan,LIU Jing,CAO Hui
(School of Science and Engineering,Shandong University of Traditional Chinese Medicine,Jinan 250355,China)

The deficiencies of traditional rehabilitation training are analyzed,and the necessity of virtual reality technology for rehabilitation medicine is described.The progress and problems of the technology for rehabilitation medicine are expounded from the aspects of exercise rehabilitation,cognitive rehabilitation and remote rehabilitation.The prospects of virtual reality technology in rehabilitation medicine are pointed out.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（11）：100-102，140]

virtual reality technology;exercise rehabilitation;cognitive rehabilitation;remote rehabilitation

R318；TP391.9

A

1003-8868（2014）11-0100-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.11.100

国家自然科学基金面上项目（81373661）

莫海燕（1990—），女，主要研究方向为医学虚拟现实技术，E-mail：mohaiyan1990@163.com。

250355济南，山东中医药大学理工学院（莫海燕，刘 静，曹 慧）

曹 慧，E-mail：caohui63@163.com