虚拟现实技术在脑卒中患者运动功能康复中的应用进展

谢艺婷，柳维林，吴劲松，陶静

虚拟现实技术在脑卒中患者运动功能康复中的应用进展

谢艺婷，柳维林，吴劲松，陶静

脑卒中后运动功能障碍严重影响患者的生活质量。虚拟现实技术作为一种新兴康复治疗策略，能够改善脑卒中患者的关节活动度、运动准确度、平衡能力以及异常步态等。

脑卒中；运动功能；虚拟现实技术；康复；综述

全世界每年大约有67%脑卒中生存者遗留运动功能障碍[1]。我国脑卒中患者平均年龄呈逐渐降低趋势，且发病年龄比美国提早十余年[2]，其中约1/2患者存在不同程度运动功能障碍，严重影响患者生活质量，也给家庭和社会带来巨大经济负担[3]。针对脑卒中运动功能障碍，传统的康复训练，如运动再学习、Bobath技术等，通常需要大量人力投入，且治疗过程单调乏味，治疗效果不易评估，患者依从性差。

虚拟现实(virtual reality,VR)是一种新兴的技术，因其具有安全性高、趣味性强、及时评估反馈等特点，在脑卒中运动功能障碍的康复中得到应用。

2008年卒中康复执行概要循证回顾(Evidence-Based Review of Stroke Rehabilitation Executive Summary,EBRSR)建议使用VR改善脑卒中患者运动功能障碍，推荐强度为A[4]。目前，应用VR改善脑卒中运动功能障碍成为研究热点[5]。VR是一种新的康复训练策略，被认为是改善脑卒中后运动功能障碍的一种愉悦的替代方案[6]。国内外已经对该领域进行探讨，并获得一定临床数据。

1 上肢康复

脑卒中后上肢功能的恢复一直是临床上较难解决的问题。有研究表明，15%脑卒中幸存者的手功能可以恢复到原来的一半左右，仅3%患者可以恢复70%以上[7]。约85%脑卒中患者在初次得病时就出现上肢功能障碍[8]，约30%～36%脑卒中患者在发病后6个月仍有上肢功能障碍，其中仅11.6%患者的上肢功能能够得到完全恢复[9]。

VR起初主要用于肩肘关节；随着手部传感设备的出现，VR手功能康复系统也开始发展。临床研究证明，VR有助于脑卒中患者上肢运动功能的恢复[10-13]。

1.1 基于VR的上肢康复训练系统

国内基于VR的上肢康复训练系统尚处于初步发展阶段，但已经取得一些成果[14-16]。

瞿畅等[17]研发的基于Kinect的上肢康复训练系统，用于改善脑卒中患者上肢肩、肘关节运动功能障碍。该系统设计了数字匹配、抓面包、拼图大师三个游戏项目，患者通过玩游戏进行训练。脑卒中患者在常规训练的基础上加用该系统进行干预，2周后患者Fugl-Meyer上肢运动功能评分及Wolf评分均较对照组高。丁伟利等[18]也开发了一套基于Kinect的上肢虚拟康复训练系统。该系统根据训练初期动作要尽可能简单，然后再逐渐加难的原则设计10个典型动作，并允许患者选择用左手、右手或双手进行训练。通过对脑卒中患者为期15 d的康复，证明该系统有效。

大连海事大学开发的基于VR的三自由度主动式上肢康复机器人系统是一套主动康复系统[19]，采用末端牵引方式，主要针对不能完成自主活动的患者。该机器人能够实现肩、肘关节的屈伸和肩关节的内收外展。李晋等[20]研发基于VR的手功能康复训练系统，评估手关节的活动度以及运动幅度。该系统实现了诊断简单化、可视化，更重要的是可根据诊断结果让患者在交互界面的提示下进行相应的康复训练，从而达到诊断、康复一体化。

国外上肢VR康复训练装置出现较早，种类也较多[21-23]。麻省理工学院开发的麻省理工手(Massachusetts Institute of Technology-Manus,MIT-MANUS)是美国使用最广泛的上肢康复训练设备[24]，后来有学者将VR游戏融入其中[25]，但并没有将该技术进行推广。Merians等[26]将VR与机器人融合，设计上肢康复训练系统，主要针对上臂、腕关节及手指关节。患者通过该系统进行8 d训练，证实该系统可提高脑卒中患者的近端稳定性、运动平滑度。Burdea等[27]开发Rutgers ArmⅡ康复训练系统，用于训练腕关节和掌指关节的屈伸，能改善脑卒中后期患者的功能[28]。

除了VR上肢康复机器人，将游戏机与VR结合用于康复治疗的VR游戏机也流行起来。任天堂的VR Wii游戏机应用最为广泛，由无线控制杆、红外线传感器和显示屏组成。控制杆内的传感器能够根据患者的运动，改变游戏中人物的运动，从而进行各种虚拟游戏[29]。众多研究表明VR Wii游戏机能够改善脑卒中患者上肢运动功能[30-31]。

1.2 改善关节活动度

Subramanian等[10]将32例脑卒中患者随机分成试验组和对照组，分别接受3D虚拟环境治疗和普通物理环境治疗。两组患者均进行用患手指向前方一手臂长的6个不同物体，训练类型、强度等相近，但虚拟环境能给患者提供各种感觉反馈。4周后，试验组肩关节外展和肘关节屈伸的改善更明显。传统康复训练强调进行动作分解练习，而没有提供任务需求，很难将增加的关节活动度与日常生活活动联系起来[32]。VR训练不仅可以提高关节活动度，还能够将其转换到日常活动中。

Mouawad等[31]让脑卒中患者进行网球、高尔夫、拳击、保龄球和棒球的Wii体育游戏，每天1 h实验室正式监督训练，从第2天开始，患者利用家庭Wii系统进行家庭训练，时间从每天30 min逐渐增加到每天180 min，连续10 d。训练后，患者上肢功能明显提升，而且上肢主、被动关节活动度均增加，日常生活活动能力提高。

1.3 改善上肢运动准确度

Rojo等[33]利用音乐导向VR训练，让脑卒中患者用8键迷你VR钢琴训练手部精细运动，同时采用8音节VR鼓练习粗大运动。4周后，患者手敲击速度加快，频率提高，手指敲击运动更流利。

Szturm等[34]对患者进行交互式运动游戏，让其用患侧手指滚动圆柱形和锥形物体，以及具有不同直径和表面特性的运动球，共15次，每周3次。训练后，患者完成动作的数量增加，动作幅度变大并更加稳定。

Tong等[35]开发了意图驱动手功能任务训练机器人，2例慢性脑卒中患者共接受15次1.5 h任务训练，发现VR机器手五根独立手指可帮助腕关节及手指单关节和多关节活动，增加手指各关节的协调性，逐渐提高患手肌力和耐力。

Merians等[36]运用VR训练模块对脑卒中发病6个月以上、腕关节和手指背伸均大于10°的患者进行康复训练，共8 d。发现患侧肢体近端稳定性增加，平滑度及效率均有所提高，患手功能明显改善。

1.4 改善上肢功能性活动

2016年，美国心脏协会(American Heart Association,AHA)和美国卒中协会(American Stroke Association,ASA)发布了“成人脑卒中康复指南”[37]，其中VR康复技术应用于脑卒中后上肢功能障碍为Ⅱa类B级推荐。大量研究表明，VR对脑卒中后上肢功能性活动的恢复有积极意义[37-40]。

Yong等[41]用COTS交互式电脑游戏设备对脑卒中患者进行训练，发现患者Fugl-Meyer运动功能评分、肌力指数(motricity index,MI)提高，且优于传统训练；问卷调查显示，患者在进行VR训练时更加愉快。

Turolla等[42]对脑卒中患者进行上肢常规治疗1 h和VR治疗1 h，或常规治疗2 h，发现VR能改善上肢功能，并将训练效果转移到现实生活中，从而提高患者生活质量。

有少数文献指出VR训练效果与传统训练相比，并没有明显差别[13,43-44]，但VR能将改善的功能与日常生活活动相联系，符合康复的最终目的。

临床上应用的上肢VR系统种类繁多，配备的虚拟情境和硬件设施也有差异，但已有系统实现诊疗一体化。虽然使用的VR设备不同，但训练一般选择10～20次为1个训练疗程，每次训练30～180 min。

2 下肢康复

脑卒中后下肢功能障碍往往影响患者生活质量。其中平衡障碍是脑卒中后最普遍的下肢运动功能障碍，而平衡功能差是导致跌倒风险增加的首要原因[45]。有研究指出，步行障碍是脑卒中后最严重的残疾，改善步态也成为脑卒中后康复的首要目标[46]。大量研究表明，VR康复训练可显著改善偏瘫患者下肢功能障碍及平衡能力[47-48]。

2.1 基于虚拟现实技术的下肢康复系统

与上肢VR康复系统相比，基于VR技术的下肢康复系统相对较少。国外VR技术出现较早，VR康复系统也出现较早[49-50]。Koritnik等[51]研发了一套VR下肢康复训练系统，由采集设备、虚拟镜子等组成，虚拟镜子上可以看到一个实体模型，一个半透明模型：其中实体模型为患者本身，半透明模型表示“虚拟导师”。患者观察实体模型和“虚拟导师”的动作差异进行调整。张磊杰等[52]开发出基于VR的步态训练康复机器人系统，引入虚拟游戏，使训练更具趣味性。东南大学研发出基于Unity3D与Kinect的康复训练机器人情景交互系统[53]，通过输入患者的体感信息来控制虚拟场景中的人物同步运动与交互。

2.2 改善平衡功能

伴随经济的快速发展，人们生活水平不断提高，住院患者对医院护理质量也提出了更加严格的要求。尤其是老年住院患者，受年龄趋于老年化、病理不一以及少数患者生活无法自理等因素影响，在很大程度上增加了临床护理工作的难度[1]。本文作者对50例实施护理风险评估干预的老干部病房优质护理患者作出如下报道，以期为临床相关研究提供部分参考数据。现报告如下。

跌倒是脑卒中后较为明显的并发症，对脑卒中患者进行平衡功能训练是必要的[54]。大量研究表明，VR能够改善脑卒中患者的平衡能力[55-57]。

Singh等[58]让脑卒中患者进行传统物理治疗和VR平衡游戏，对照组每天仅进行传统物理治疗，6周后结果显示，实验组Barthel指数评分比对照组高。

孙然等[59]利用STABLE-稳定性平衡学习环境对脑卒中患者进行平衡训练4周，结果表明，基于VR的平衡训练比传统平衡训练效果更好。

Ding等[60]使用基于VR的强制诱导运动疗法训练电脑游戏训练慢性脑卒中患者的平衡功能，表明VR可以用于改善平衡功能。

Caglio等[61]把以远程VR为基础的平衡训练与在物理治疗师陪同下的平衡功能训练进行比较，发现远程VR平衡训练与常规平衡训练在改善脑卒中患者平衡功能上没有明显差别。

2.3 改善步态

脑卒中偏瘫患者步态异常，通常表现为步长缩短、不对称，步速缓慢以及步频减小。VR能够模拟现实环境，给患者提供一种行于真实世界的感觉，患者也能够模拟步行于城市道路、公园以及商店等。目前研究表明，VR在改善脑卒中患者步态方面有效[62-64]。

赵雅宁等[66]采用VR结合康复机器人对脑梗死患者进行步态功能训练，训练结束后采用VR的患者Fugl-Meyer下肢运动功能评分较高。

Shema等[67]使用VR训练患者，5周后，患者2 min步行测试以及四方步测试(Four Square Step Test,FSST)成绩均有提高。

陈佩顺等[68]进行随机对照试验，治疗组除给予常规康复训练，还进行VR训练，4周后发现，结合VR训练的患者运动能力、步行功能以及日常生活活动能力均比仅接受传统训练的患者改善更多。

总之，VR应用于脑卒中下肢运动功能康复有效。处方一般每周3～5次，每次30～120 min，共3～6周。但基于VR的下肢康复系统种类较少，且体积相对庞大，不利于广泛使用。

3 小结

除小部分研究结果表明VR技术改善脑卒中运动障碍效果不明显或无效，其余研究均证实VR技术的有效性，但也需要更多大样本、多中心、设计科学、操作规范的高标准临床随机对照试验进一步证明。研究也表明，并不是所有脑卒中患者都适合VR运动功能训练，因为使用VR技术进行康复训练需要患者主动参与，因此患者需具备一定的运动能力，通常Brunnstrom分期上肢≥Ⅲ期，手和下肢≥Ⅱ期，改良Ashworth痉挛量表评定肌张力≤Ⅱ级；患者不能有严重认知功能障碍和视力障碍，能够理解基本指令。

目前国内运动康复训练存在治疗师匮乏、早期康复手段不完善、亚急性期和恢复期治疗方法缺乏系统性，以及普及率低等现状。VR的出现和发展为脑卒中患者运动康复提供了有效的治疗手段。虽然国内已经出现将诊断和康复相结合的VR康复设备，多数只能进行简单的人机交互；为了能够采集更多运动信息，患者需要穿戴复杂的传感设备，这容易让患者产生抵触心理；另外虚拟场景带给患者的沉浸感不够。研究已经证明VR能够改善脑卒中患者运动功能障碍。今后我们应该设计针对脑卒中后运动障碍更加智能化的VR诊疗系统，更好地将运动功能评估与康复训练整合，同时配备简单轻便的硬件系统和生动形象的3D动画角色。

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Application of Virtual Reality in Rehabilitation of Motor Function in Stroke Patients(review)

XIE Yi-ting,LIU Wei-lin,WU Jing-song,TAO Jing
College of Rehabilitation Medicine,Fujian University of Traditional Chinese Medicine,Fuzhou,Fujian 350122,China

TAO Jing.E-mail:taojing01@163.com

Motor dysfunction seriously affects the quality of life in stroke patients.Virtual reality,as a new strategy of rehabilitation,can be used to improve the range of motion of joint,movement accuracy,balance and gait,and so on,in stroke patients.

stroke;motor function;virtual reality;rehabilitation;review

10.3969/j.issn.1006-9771.2017.11.011

R743.3

A

1006-9771(2017)11-1294-05

[本文著录格式] 谢艺婷，柳维林，吴劲松，等.虚拟现实技术在脑卒中患者运动功能康复中的应用进展[J].中国康复理论与实践,2017,23(11):1294-1298.

CITED AS:Xie YT,Liu WL,Wu JS,et al.Application of virtual reality in rehabilitation of motor function in stroke patients(review)[J].Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2017,23(11):1294-1298.

福建省科技厅高校产学合作项目(No.2017Y4101)。

福建中医药大学康复医学院，福建福州市350122。作者简介：谢艺婷(1993-)，女，汉族，福建安溪县人，硕士研究生，主要研究方向：神经康复与认知科学。通讯作者：陶静。E-mail:taojing01@163.com。

2017-07-17

2017-10-10)