虚拟现实在平衡康复治疗中的应用及研究现状

韦宇炜 阿热孜古丽·吾布力 何梓秋 何汉武 王俊华

人体的平衡功能是人类极其重要的功能。当前，许多国家存在人口老龄化问题，老年人数量持续增长，其中大部分患有脑血管疾病和神经系统疾病，使得其行走和站立存在功能性障碍，无法平衡身体。此外，有一些人遭遇交通事故等安全意外，出现平衡功能障碍。针对这些患者，传统的治疗方式包括治疗师按摩、治疗师指导进行平衡运动训练、利用简单训练器械进行治疗等，训练无趣单调，治疗效率低下。

虚拟现实（Virtual Reality），是一门涉及计算机仿真、反馈传感技术、图形学等多门学科的综合集成技术。它由计算机硬件和软件合成人工环境，使沉浸在虚拟环境中的用户产生视觉、听觉、触觉上的体验，并能够让用户在计算机生成的虚拟环境中进行人机交互，给其一种身临其境的真实交互感。医疗事业在不断进步发展，近几年虚拟现实（VR）在医学临床领域上有不少研究，如注意力缺陷、感知障碍、记忆障碍等认知康复，焦虑症、抑郁症等精神上的情绪障碍康复，运动障碍、平衡协调性障碍与多动症等运动障碍康复等方面。这些临床研究中应用了虚拟现实技术，并取得了较好的疗效。

脑卒中、帕金森症、注意缺陷多动症、获得性脑损伤等多种原因都有可能导致平衡协调性障碍，患者无法将空间视觉、运动控制、知觉运动、任务概念、反馈信息等因素有效地进行整合，因此他们缺乏生活自理的能力，这对自己及家人而言都是一种极大的不便。患有感知缺陷或者平衡功能障碍的患者能够通过VR技术进行康复训练，主要治疗方法包括物理疗法、作业疗法、技能训练、生活训练、语言训练和心理咨询等。这些康复训练使患者的精神及身体的部分或全部功能得到最大限度的恢复，从而达到最大可能的生活自理甚至恢复劳动和工作能力。

1 虚拟现实平衡康复训练对比传统康复疗法

虚拟现实康复疗法由Wann和Turnbull在1993年首次提出。与传统下肢康复治疗相比，虚拟现实的应用能够让患者通过虚拟的环境，产生身临其境的感觉，这种沉浸让患者的训练变得有趣，能够给训练体验带来正向的驱动力量。

将虚拟现实应用于平衡康复治疗有如下特点：（1）安全性：患者不用外出便可以在VR系统中模拟真实环境进行训练，减免了在真实环境下操作失误引发意外的可能性；（2）趣味性：能提供给患者丰富多样的游戏式训练方式，以及各式各样的训练场景；（3）反馈性：能够在虚拟的环境添加很多反馈信息，让应用了虚拟现实的康复训练变得轻松有趣的同时，也能够使患者的康复信息得到及时的反馈；（4）真实性：在虚拟的场景中训练，可以让感官受到刺激，患者在虚拟的训练环境中训练，并且能够将训练过程中练习的技能应用到日常生活中；（5）独特性：应用了虚拟现实的康复系统能够针对患者的治疗方式进行个性化设置，将训练与评测结合起来，做到因人而异。

2 基于虚拟现实的平衡康复治疗在国外的研究应用

美国的IREX（Interactive Rehabilitation Exercise）交互式康复训练系统，能将患者的实况视频图像置于虚拟现实世界中，同时跟踪上下身体的关节运动、联合运动和全身功能运动，如图1所示。它用于平衡性障碍患者的重心转移训练、迈步训练、保护策略等平衡功能。Kim等运用IREX对病程一年以上的脑卒中患者进行康复训练，结果显示患者的动态平衡能力显著提高。

图1 IREX交互康复训练系统

以色列特拉维夫大学的Alon Kalron等使用荷兰Motek Medical BV研发的一款运用了虚拟现实的CAREN（Computer Assisted Rehabilitation Environment）计算机辅助康复环境系统，为平衡功能障碍患者进行康复治疗。如图2所示，该系统由一个配有安全设施的活动平台、一套显示设备组成。患者在活动平台上，与虚拟的马路环境进行互动，马路上会不定时出现一些障碍物，需要患者通过身体运动去躲避障碍，从而逐渐达到平衡功能康复的疗效。Alon Kalron把32位患者随机分配到运用虚拟现实技术进行康复训练的小组或传统康复训练小组，结果表明，使用VR设备进行康复训练后的患者拥有更好的伸展能力。

R.Llorens等开发出的BioTrak VR系统，拥有一系列针对身体各个部位的平衡康复训练，包括姿势控制和站立时的动态平衡等多种项目。BioTrak可以让患者自行定制训练项目、训练时间及重复次数，实现针对不同患者的个性化治疗。例如，图3所示的项目是BioTrak里一个端坐时控制肩部姿势的训练项目，患者在系统中的形象为一卡通人物，患者通过肩部的活动，控制卡通人物去触碰周围的小球，以此训练形式去恢复端坐时身体的平衡功能。

图2 CAREN计算机辅助康复环境系统

图3 BioTrak端坐肩部训练

许多研究表明，与只接受传统平衡训练的患者相比，接受基于虚拟现实的平衡训练的患者的动态平衡能力得到的改善更为明显，立位下重心摆动也有更大幅度的减少，日常生活能力也因此得到更大提高。

3 基于虚拟现实的平衡康复治疗在国内的研究应用

虽然国内对基于虚拟现实的平衡康复治疗的研究起步较晚，但目前也取得了一定的成绩，虚拟现实技术在国内的康复治疗领域也得到越来越广泛、深入的应用。

福建中医药大学附属医院林志诚等人，把33例存在平衡功能障碍的帕金森病人按照随机数字分成治疗组（18例）和对照组（15例），对照组的患者使用常规的平衡康复训练进行治疗，实验组采用X-BOX体感游戏软件中与平衡相关的虚拟现实游戏进行治疗训练，其中包括躲避障碍物、模拟穿越街巷、模拟踢足球、模拟驾驶等游戏项目。在经过每天1次、每周5次、共4周的训练之后，采用Berg平衡量表（Berg Balance Scale，BBS）评定、计时起立-行走测试（Timed Up and Go Test，TUGT）来评定平衡功能，运用BioDex 平衡测试系统来评定总体平衡功能，采用Barthel 指数（modified Barthel Index，MBI）来评定患者的日常生活自理功能，以及记录两组患者治疗结束后6周内的跌倒次数。研究的结果显示，接受了基于虚拟现实技术的平衡康复训练的患者的康复效果更为乐观，跌倒次数也更少，其原因可能与虚拟现实技术提供了丰富的仿真环境，使得患者更易于融入真实生活。

南方医科大学谢笑等人，选取南方医科大学附属珠江医院40例脑卒中患者，随机分配平均分成试验组（20例）和对照组（20例），两组患者在接受相同的神经系统药物治疗的基础上，对照组接受传统的平衡功能训练，试验组接受基于BioFlex-FP姿势控制评估与训练系统的平衡功能训练。如图4所示，BioFlex-FP系统融入了先进的传感器技术与虚拟现实技术，通过融合便携式数据采集显示终端X5、四点压力板、动作捕获传感器、虚拟互动训练软件等组件，能够提高平衡康复训练的趣味性、交互性及反馈性。对治疗后的两组患者进行BBS评估、TUGT评估以及平衡板测试，结果显示，基于虚拟现实的平衡康复治疗效果优于传统平衡康复治疗。

图4 BioFlex-FP姿势控制评估与训练系统

武汉市汉口医院康复医学部杨珺等人，选取主要临床表现为平衡功能障碍的小脑卒中患者71例，随机分为观察组（36例）与对照组（35例）。两组患者均接受常规药物治疗的同时，对照组患者接受常规静态平衡训练，以静态站立为主。观察组使用BioRescue平衡评定训练系统来进行静态平衡训练，通过与显视器显示的虚拟环境交互，进行重心转移和稳定极限训练，包括投篮、驾车、滑雪等虚拟游戏项目。两组患者均接受每天2次、每次30min、为期4周的训练治疗。4周后对两组患者进行测试，两组患者的摆动有效面积、摆动路径长度等值相比治疗前均显著下降（均p＜0.05），患者的稳定极限范围LOS（Limits of Stability）值均显著提升（均p＜0.05），其中观察组的各项指标的改善状况明显优于对照组，这说明基于虚拟现实的平衡康复治疗对比传统平衡康复治疗有更好的疗效。

4 虚拟现实在平衡康复治疗中仍存在的问题及展望

目前，基于虚拟现实技术的康复治疗虽已在疗效上取得了令人满意的效果，但虚拟现实技术在康复治疗领域应用仍存在一些不足：（1）没有建立完善的相关治疗评估；（2）包括传感器等的硬件技术需要提升以更符合软件的使用，改善患者动作与信号输入之间仍存在延迟，导致患者出现恶心、呕吐的情况；（3）虚拟现实技术的开发人员不仅需要深刻了解虚拟现实技术相关的软硬件技术，还需要对人体的心理、生理，以及开发所针对的病理等有一定程度的认知；（4）硬件要求较高，设备制造成本昂贵，目前仍无法大范围普及推广。

传统平衡康复治疗枯燥乏味并且没有全面及时的信息反馈，在加入虚拟现实技术后，康复训练的趣味性显著提升，患者能够在与仿真的环境交互中恢复各项活动能力与生活技能。随着虚拟现实技术的不断发展，未来将康复治疗领域的需求与虚拟现实技术、人机交互技术等新型技术交叉结合，一定能够给患者带来更好的康复治疗效果。

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