虚拟现实技术在帕金森病冻结步态康复中的应用进展①

王瑞丹，黄佩玲，公维军，方伯言

1.首都医科大学附属北京康复医院，北京市100144；2.首都医科大学北京康复医学院，北京市100144

帕金森病全人群患病率约为0.3%。作为一种典型的老年慢性疾病，帕金森病在老年人群中患病率成倍增加，65岁以上老年人群患病率为1%～2%，85岁以上为3%～5%[1]。冻结步态又称步态起始障碍、步态失用症、磁性吸引步态或滑动离合器步态，是帕金森病晚期常见的症状，也是引起帕金森病患者行动困难的重要原因，治疗难度大[2]。

近年来，虚拟现实作为一种新型康复策略，为帕金森病冻结步态的评估及康复提供新的思路[3]。传统的帕金森病康复技术，如感觉提示、运动训练、器械辅助，目的主要是改善步态和肢体协调，减少姿势平衡中的限制；主要依靠康复治疗师进行手法操作，耗费大量人力物力，较为昂贵，往往需要专门设备，因而不能广泛使用[4]。虚拟现实能减少人力、物力消耗，为帕金森病冻结步态的评估及功能恢复提供新的思路。

1 虚拟现实康复技术

虚拟现实采用以计算机为核心的高新技术，生成逼真的视、听、触觉一体化的虚拟环境，用户可以借助必要的装备，以自然的方式与虚拟环境中的物体进行交互，获得身临其境的真实感受和体验[5]，具有沉浸性、交互性和构想性三大特点[6]。虚拟现实可使用户沉浸于虚拟环境中，获取新知识，提高感性和理性认识，产生新的想象。

在平衡和协调康复方面，Ding等[7]结合强制性运动疗法原理对Nintendo Wii Fit游戏系统进行改造，构建一款基于虚拟现实的下肢平衡康复训练系统：患者双脚站在两块平衡板上，通过双脚用力，动态控制压力中心，操控虚拟人的运动。Lloréns等[8]开发的BioTrak虚拟现实系统涵盖一系列平衡康复活动，包括端坐时头部和躯干姿势控制的恢复和站立时动态平衡练习等，允许用户通过选择练习项目、持续时间、休息时间和重复次数进行个性化训练。

在行走及步态训练方面，张磊杰等[9]提出一种基于虚拟现实的步态康复机器人系统，可以快速提取患者的步态、步行速度、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，提高患者的注意程度。

虚拟现实技术在远程医疗中探索也在进行。李军强等[10]设计一套远程监控系统，用虚拟人的运动再现患者手臂运动，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[11]设计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。

2 帕金森病冻结步态

冻结步态是帕金森病晚期的破坏性症状[12]。Schaafsma等[13]根据冻结步态的表现形式，将其分为3种亚型：小步伐拖足行进型、原地震颤型和完全运动不能型。持续时间绝大多数为1～2 s，均不超过10 s；冻结步态多见于“关”期，但在“开”期也有出现。冻结步态易于步态起始、转弯及遇到障碍物，或执行双重任务疲惫、焦虑、抑郁时出现[14-17]，与运动迟缓、震颤、肌张力障碍、步态障碍并列为帕金森病的基本特征。通过加强注意力和施以外部线索刺激可以克服它的发生[14]。冻结步态患者易焦虑、紧张，而焦虑、紧张情绪又会加重冻结步态[17]。Macht等[18]发现，冻结步态的发生主要与帕金森病的病程进展相关，帕金森病早期无震颤但有步态异常是冻结步态发生的危险因素，男性发生率高于女性。因冻结步态突然出现和不可预测的特点，常导致患者摔倒及受伤[19]。

帕金森病冻结步态的病理生理基础尚未明确。目前较为流行的模型是冻结步态的发生与协调神经网络(coordinated neural networks)的功能异常有关[20]，即帕金森病冻结步态与额顶叶皮层和皮层下结构(如纹状体)的功能联系障碍有关[21]。冻结步态时，感觉运动脑区皮层血流量降低，额顶叶血流量增强，且血流量变化程度与冻结步态的严重程度呈负相关。运动停滞(motor arrests)也与双侧尾状核头、丘脑和苍白球的血流量降低有关。在控制认知负荷后，苍白球和丘脑底核的血流量仍持续降低，提示基底神经节输出的阵发性增加与冻结现象有关。运动停滞期间，中脑运动区血流量降低，降低程度与冻结步态的严重程度正相关。Shine等[21]对帕金森病患者在进行虚拟现实步态任务时采集功能磁共振数据，发现帕金森病冻结步态患者偏侧基底节网络与认知控制网络之间功能失匹配，这也与阵发性运动停滞有关，提示帕金森病冻结步态的发生与功能互补又竞争的神经网络之间功能联系障碍有关。

Matar等[22]发现，冲突解决和视觉空间处理障碍也可能是帕金森病冻结步态发生的原因。在进行双重任务时，具有冻结步态的帕金森病患者双侧岛叶前部、腹侧纹状体和辅助运动区前部，以及左丘脑底核的激活较正常人少，表明在双重任务时不能激活认知控制网络[23]。

3 虚拟现实在帕金森病冻结步态评估中的应用

冻结步态有间歇性[24]和不可预测性。目前针对冻结步态的评估主要依靠病史采集、体格检查、量表分析和机械评估。常用的量表包括冻结步态问卷(Freezing of Gait Questionnaire,FOG-Q)和新冻结步态问卷(New Freezing of Gait Questionnaire,NFOG-Q)。两者信度很高。但最新研究发现[25-26]，这两个量表与冻结步态发生的频率、严重度不相关[27]，存在局限性。

Moore等[28]设计一套冻结步态动态监测装置。利用安装在左脚踝上的传感器，向掌上电脑传送左小腿垂直加速度信息，通过频率分析算出冻结指数，高于此指数即为冻结步态发作；应用中可以计算群体阈值和个体化阈值，阈值的个体化可提高此装置的敏感性和特异性。Popovic等[29]设计一套监测装置，通过计算Pearson相关系数区分正常步态和异常步态，系数低时为冻结步态。但这两套方法均未考虑帕金森病患者处理环境变化的应对能力。

虚拟现实能模拟冻结步态触发的真实环境，为帕金森病冻结步态评估提供了新思路。Matar等[19]应用一种虚拟步态实验室，由第一人称视角呈现三维走廊的虚拟环境，能够区分有冻结步态和未报告冻结步态症状的帕金森病患者。冻结步态对已知的冻结步态触发器(包括宽窄门、滑动门和双重任务)，有脚步延迟延长现象；冻结组患者在药物“关”状态下，在宽窄门和滑动门前，延迟较“开”状态时显著增加，而且延迟仅限于特定环境线索，并非由于药物“关”状态造成的普遍减慢。在处理环境突出线索时，冻结组出现特异的运动延迟，由多巴胺依赖性神经环路介导[19,22]。

虚拟环境及虚拟任务可诱发冻结步态。坐位虚拟现实步态任务评估发现[24]，有冻结步态较无冻结步态的帕金森病患者更易出现自发运动停滞，且评估中冻结步态出现次数和持续时间与实际起立-行走任务的数据中度相关，即坐位虚拟现实步态任务中出现冻结步态与真实冻结步态有共同的神经机制，为进一步深入研究冻结步态提供新的思路及方法。

4 虚拟现实在帕金森病冻结步态康复中的应用

步态和认知障碍在帕金森病中很常见，这些缺陷加剧跌倒风险和行动困难，特别是在复杂任务或双重任务步行中。传统的步态训练常采用跑步机训练(treadmill training,TT)，可改善帕金森病患者的步行能力，但不能显著改善冻结步态，且效果持续不长。尚未有关于TT对越过障碍物、复杂步行和双重任务能力影响的研究。此外，尚不清楚帕金森病患者的训练效果是否仅限于被训练的任务，训练效果是否可持续存在[30]。

虚拟现实结合TT，可在复杂环境中提供富有挑战性的功能训练。Mirelman等[30]对帕金森病患者进行TT与虚拟现实结合训练，发现患者在常规步行、双重任务以及越过地上障碍物中，步行速度均显著改善；且在双重任务中，步态变异性降低，跟踪测试时间(trail making test times)提高；这些效益可持续至1个月后。TT+虚拟现实训练也可改善帕金森病患者复杂挑战性条件下的步态、注意力和记忆力[30]。用于步态训练的虚拟现实技术，可以诱导运动学习，以增强帕金森病患者的复杂步行能力，降低跌倒风险。

Pompeu等[31]和Palacios-Navarro等[32]分别利用虚拟现实软件(微软KinectAdventuresTM)对帕金森病患者进行康复训练，患者6分钟步行测试、平衡评价系统测试、动态步态指数和帕金森病问卷均较训练前改善。Badarny等[33]通过便携式虚拟现实眼镜，研究视觉反馈线索对帕金森病患者步行能力的影响，结果表明虚拟现实视觉反馈可改善帕金森病患者行走能力，且这种改善可持续。

5 作用机制

冻结步态发生的病理生理机制尚未明确，且目前应用于帕金森病患者冻结步态康复训练的研究较少，虚拟现实发挥作用的机制尚不确切。

Mirelman等[30]提出，联合虚拟现实的TT训练可能调动帕金森病患者运动适应学习和持续关注环境特性的能力，部分绕开已受损的基底神经节环，而依赖小脑激活的运动学习功能；虚拟现实也可改善帕金森病患者的认知功能，可能通过改善参与认知调节的脑网络，发挥改善冻结步态的作用。

6 问题与展望

虚拟现实康复技术为帕金森病冻结步态的康复提供全新治疗手段。由于其具有沉浸性、交互性和构想性这三大特点，可极大调动患者康复训练积极性；还可根据患者的训练情况提供实时反馈，根据患者个人条件制定训练任务，有着传统康复方法难以比拟的优势。但目前应用于帕金森病冻结步态评估及康复训练的虚拟现实设备较少，大多为研究者自行研究开发，尚处于试验阶段。目前关于虚拟现实康复训练技术在帕金森病冻结步态康复的临床试验较少。

我国帕金森病患者多数生活于偏远地区，缺乏必要的评估和康复训练条件。虚拟现实结合远程康复技术[34]可提高落后地区医疗水平，为偏远地区帕金森病患者提供康复评估与训练指导[35]。

智能眼镜改变帕金森病患者对冻结步态触发器的认知，已在荷兰试用，可与虚拟现实技术结合[36]，改善帕金森病患者的生活质量。

尽管虚拟现实目前存在很多理论和技术困难，但其相对于传统康复治疗技术来说仍具有优势。随着科技的进步，虚拟现实在康复领域会得到更加广泛、深入的应用，进一步提高患者康复治疗的效果。