虚拟现实技术在脑卒中患者上肢功能康复中的应用进展

刘 敏，祝亚平，徐 欣

上海师范大学天华学院健康学院，上海 201805

脑卒中又称脑中风或脑血管意外，脑卒中患者在人口死因顺序中居第2位，85%的脑卒中患者发病起始就有上肢功能障碍，30%～36%的脑卒中患者在发病6月后仍遗留有上肢功能障碍[1]。临床约75%的脑卒中患者伴不同程度的肢体运动功能障碍，肌力、肌张力的改变和异常行走模式致患者步速、步态稳定性下降，严重影响患者生活质量[1]。

虚拟现实技术（VR）对上肢运动功能恢复的作用是目前康复学研究的新领域，国外很多研究机构已经利用虚拟现实技术在该领域进行实验，结果显示在改善运动功能方面取得了一定成果[7-12,27-28]。

1 VR技术

20世纪80年代，Jaron提出“虚拟现实”的观点，VR是利用计算机系统、感觉反馈装置及建模技术生成可直接施加于训练者的视觉、听觉和触觉感受，并在专业装备的辅助下，刺激人体对虚拟的环境或物体进行交互观察与控制的技术。从技术的角度来说，VR系统具有3个基本特征，即三“I”（沉浸-交互-构想）。

VR技术主要包括3种技术构成：（1）三维计算机图形技术；（2）高清晰度及高更新速度的显示技术；（3）采用多功能传感器的交互式接口技术。借助这些特殊的呈现技术及输入装置，VR技术可以让使用者产生身临其境的感受。根据呈现模式的不同，VR技术可分为两大类，包括沉浸式VR技术（如使用头盔式屏幕或感应式手套）和非沉浸式VR技术，后者是将影像呈现在计算机屏幕或投射到幕布上，屏幕越大，沉浸在虚拟实境中的感觉就越深刻。另外，VR系统还可根据其规模分为桌面型、头盔型、洞空型、遥现型以及扩张型等。

2008年卒中康复执行概要循证回顾建议使用VR改善脑卒中患者运动功能障碍，推荐强度为A[2]。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[3]。国内外已经对该领域进行探讨，并获得一定临床数据。

2 VR与上肢功能康复

2.1 VR改善脑卒中患者上肢功能

上肢主要承担复杂、精细、灵巧的动作，尤其是手的功能相当精细和复杂，在日常生活活动中的作用十分重要。脑卒中后上肢功能的恢复比较棘手，而上肢功能恢复的程度与患者日后的生活质量关联很大。相关研究表明，30%～36%脑卒中患者在发病后6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[4]。国外研究显示，采用MRI技术发现患者训练时损伤侧的运动皮质、额叶白质及小脑募集被显著激活，推测这一变化可能是促进其运动功能恢复的原因之一[5]。

有研究[6]将60例脑卒中患者随机分为对照组（n=30）和观察（n=30），两组均接受针刺及常规康复治疗，观察组另外增加虚拟现实技术康复训练，20 min/d，每周5 d，共4周。治疗前后分别采用Fugl-Meye评定量表，上肢部分（FMA-UE）评定上肢及手的运动功能，改良Barthel指数（MBI）评定日常生活活动能力。4周后，两组患者FMA-UE、MBI评分均明显提高，观察组高于对照组。虚拟现实技术可促进脑卒中患者上肢功能改善，提高日常生活活动能力。

Jack等[7]首次将Cyber-Glove和Rutgers Master IIND（RM II）力反馈手套与WTK图像库组合的虚拟现实系统用于脑卒中后手功能的康复。探讨为期2周的虚拟现实系统训练在改善脑卒中偏瘫患者手运动功能方面的作用，发现每位患者拇指的运动范围、肌力、手指的分离运动和运动速度均有显著改善。证明该训练系统在改善脑卒中患者手功能方面的有效性和可行性。但训练时穿插画图、堆卡片等现实环境训练，故不能证明取得的疗效是虚拟现实训练的结果。Merians[8]将VR与机器人融合，设计的包括混沌弹球、捕捉蜂鸟、敲木锤和演奏虚拟钢琴这4个虚拟现实训练模块，将上臂、腕关节和手指运动及机器人技术有机的结合，对12例脑卒中后半年以上、腕关节背屈、手指伸展均大于10度的患者进行了8 d的训练学习。结果表明，患者提高了近端肢体的稳定性，患者的运动效率及路线平滑度较前改善，偏瘫手功能提高显著。与常规治疗相比虚拟现实机器人可以为患者提供的训练方式更具多样化。Burdea等[9]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。Laver等[10]对37个随机或半随机试验共1019例卒中患者进行荟萃分析，大部分患者较为年轻且发病1年以上，结果表明与对照组相比（空白对照或常规训练对照），上肢运动功能及日常生活活动能力有显著改善，但握力、步行速度及整体运动功能改善无统计学差异，且因各试验设计差异，不能对认知功能、参与限制、生活质量及影像学研究进行荟萃分析，但少有不良事件报告。Wang等[11]利用VR技术，通过对比帕金森病患者对VR及现实中可视球类抓取的准确性及错漏率，结果表明VR技术对比传统康复手段对帕金森病患者康复有明显优势。

2.2 VR训练改善脑卒中后上肢关节活动度

关节活动度（ROM）指一个关节从起始端至终末的正常活动范围。ROM受限对于患者活动的灵活性，以及患者上肢功能性活动的能力均有消极的影响。因此，提高患者ROM是脑卒中患者康复的关键任务之一。Subramanian等[12]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，4周后试验组肩关节外展和肘关节屈伸的改善更明显，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。

Godfrey等[13]使用手外骨骼康复机器人（HEXORR Robotic）结合VR训练对患者手功能活动度的研究，发现通过2种游戏对手指屈伸动作的练习，掌指、指间关节的ROM均有所增加，ROM的增加对于患者手部精细功能的恢复有较好的作用。Mouawad等[14]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，1 h/d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30 min/d逐渐增加到180 min/d，连续10 d。训练后受试者的上肢功能明显提升，上肢主、被动关节活动度均有增加，并且这些改变都可以转换成日常生活能力的提升。Connelly等[15]利用VR结合充气手套对脑卒中后手功能患者康复训练，实验结果表明患者在手腕关节活动和手掌收缩方面有所改善。

2.3 VR改善脑卒中后上肢运动准确度

上肢主要来完成精细的技巧性动作，在日常生活中很多活动需要上肢来完成，上肢精细运动功能障碍会影响患者自主生活能力，从而影响生活质量，上肢精细运动功能的恢复也是上肢康复的难点之一。

Siekierka等[16]和Eng等[17]在临床量表评估的基础上，用脑卒中患者抓捕虚拟小球的表现来评估其上肢运动准确性的改善；在评估过程中，通过提高小球的速度、缩短小球出现的间隔增加捕获小球的难度。结果显示，患者在进行结合传统训练的VR训练后，较对照组可以更稳定地捕获难度更高的小球，VR训练后患者上肢准确性和运动速度的提高。脑卒中患者上肢运动准确性的提高也表现为患者上肢运动轨迹的改善。Broeren等[18]将运动速度、手部路径当作患者VR训练成效的反映，3周及12周后发现，所有患者的平均运动速度和手部路径比都有提高，完成时间缩短，提示VR预治疗对上肢运动准确性的改善可维持较持久的作用。Yeh等[19]建立了一个机器人辅助触觉VR系统，来模仿捏抓的动作。通过引入机器人辅助的VR系统来获得运动学和动力学信息。这个研究成功地将VR和机器人辅助触觉整合在一起，模拟精细运动。这个系统包含了几个行为阶段，全面评估整体任务训练过程，并纳入运动学和动力学数据，来发展新的任务导向运动指数。结果显示一半的受试者的运动功能显著提高，另一半则有明显改善的趋势。

Tsoupikova等[20]基于VR技术设计出一个3D互动情景，开发的是一个基于爱丽丝梦游仙境的沉浸式VR环境。用户可以在虚拟环境中看到完整的墙壁、天花板、地板、桌子、椅子等。搭载传感器系统跟踪，可以测量关节角度，还可以提供触觉反馈，从而可以控制虚拟的手臂和手，且重复的训练可以大大减少锻炼所需要的时间。研究发现参与者侧向的捏力有了明显改善。Tong等[21]等研究发现虚拟现实机器手使用自由度可调的5根独立手指辅助患者训练，可实现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。

刘远文等[22]将32例脑卒中手运动功能障碍患者分为实验组（n=16）和对照组（n=16），实验组予VR机器手训练和手部基础康复训练，对照组予手部基础康复训练，共4周。治疗前后采用Fugl-Meyer评定（FMA）的手指、腕运动部分和MBI进行评定。结果显示实验组治疗后FMA、MBI总分及各亚项评分明显提高。对照组治疗后FMA总分、手指、腕、MBI进食、穿衣、修饰共6项评分高于治疗前。治疗后，实验组FMA、MBI总分及各亚项评分高于对照组。得出虚拟现实机器手训练可进一步改善脑卒中患者的手功能和日常生活活动能力的结论。

2.4 VR改善脑卒中后上肢功能性活动

脑卒中偏瘫后上肢运动功能障碍是严重影响日常生活和生存质量最重要的因素，常规康复过程中，由于上肢功能恢复较下肢慢，效果不明显。有效促进上肢运动功能的恢复是临床康复的重要内容。2016年，美国心脏协会和美国卒中协会发布了“成人脑卒中康复指南”[23]，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。

梁明等[24]将33例脑卒中恢复期偏瘫肢功能障碍的患者随机分为治疗组（16例）和对照组（17例）。对照组接受常规作业治疗40 min/次，1次/d，5次/周，共3周。治疗组接受常规作业治疗和虚拟厨房上肢康复训练各20 min，40 min/次，1次/d，5次/周，共3周。其余康复治疗如运动疗法和日常生活活动训练等两组均相同。两组患者分别于治疗前、治疗后予以FMA上肢部分（FMA-UE）、MAS七肢部分（MAS-UE）和MBI评定，3周后显示两组患者治疗后FMA-UE、MAS-UE及MBI的评分均较治疗前提高，治疗前、后各量表的评分差异具有显著性（P＜0.05）；与对照组相比，治疗组患者FMA-UE、MBI的评分提高幅度更大（P＜0.05）。因此，虚拟厨房上肢康复训练结合常规康复作业治疗能更好地改善脑卒中恢复期患者偏瘫上肢的运动功能，更有效地提高患者日常生活活动能力。但由于相关因素的限制，研究样本量较小，可能影响MAS-UE等量表检测出两组的差别。另外，无随访资料，不能体现虚拟厨房上肢康复训练对脑卒中患者患侧上肢运动功能和日常生活活动的长远影响。

容小川等[25]将56例脑卒中后导致上肢运动功能障碍的患者，随机分为对照组（28例）和治疗组（28例）。对照组给予神经促进技术、神经肌肉电刺激、针刺等常规康复治疗，6次/周，共4周。治疗组在常规康复治疗的基础上用应用BioMaster2012虚拟现实康复训练系统进行互动训练，6次/周，共4周。在治疗前及治疗4周后分别应用FMA、改良MBI进行评定。结果显示两组患者一般资料及治疗前上肢FMA运动功能评分、日常生活活动能力评分差异无统计学意义（P＞0.05）；治疗4周后2组患者上肢FMA运动功能评分、日常生活活动能力评定与治疗前比较差异有统计学意义（P＜0.01）。治疗组与对照组比较，上肢FAM评分、MBI高于对照组（P＜0.05）。常规康复训练结合虚拟现实康复训练系统有助于脑卒中患者上肢运动功能的恢复，从而改善其日常生活活动能力。

韩晓晓等[26]将30例脑卒中偏瘫患者分为治疗组（15例）及对照组（15例），2组患者均给予常规药物治疗及物理治疗，治疗组在此基础上给予Wii虚拟现实游戏训练，对照组则辅以常规作业治疗。于治疗前、治疗2周后分别采用上肢部分Fugl-Meyer评定量表（FMA-UE）及上肢Brunnstrom分期量表对2组患者上肢运动功能恢复情况进行评定，同时采用表面肌电图检测2组患者患肘最大等长屈曲、伸展时肱二头肌、三头肌积分肌电值，并计算相应的共同收缩率（CR）。结果治疗前2组患者FMA-UE评分、Brunnstrom分期评分、患肘屈曲时肱二头肌CR及患肘伸展时肱三头肌CR组间差异均无统计学意义（P＞0.05）；治疗2周后发现治疗组及对照组患者FMA-UE评分、Brunnstrom分期评分、患肘屈曲时肱二头肌CR及患肘伸展时肱三头肌CR均较组内治疗前明显改善（P＜0.05），且治疗后2组患者上述疗效指标组间差异仍无统计学意义（P＞0.05）。研究认为Wii虚拟现实游戏训练在促进脑卒中患者偏瘫上肢运动功能恢复以及改善患肘屈伸运动协调性方面与常规作业治疗具有相同疗效。

Turolla等[27]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可以改善上肢功能，增加上肢活动度和准确度，并能将训练效果转移到现实生活中，从而提高患者日常生活质量。Wright等[28]运用虚拟现实技术中的射击类游戏，使患者练习上肢移动功能，找出虚拟环境中的移动靶并射击，采用Fugl-Meyer评估结果，发现虚拟系统能显著提高患者康复训练积极性，使上下肢协调能力得到改善。杨雨洁等[29]通过meta分析发现经虚拟现实技术疗法训练后，脑卒中患者的上肢的FMA评分和阻碍物测试评分较治疗前均有所提高，且与常规康复相比有统计学意义。提示患者上肢运动功能得到改善。Subramanian等[12]研究发现在脑卒中患者手臂运动功能康复的干预措施方面：功能受损较轻的患者经过VR训练后其功能改善较中到重度患者更为显著。

3 小结

神经生理学数据显示大量的康复训练能够诱导中枢神经可塑性的变化以及促进功能恢复，相关研究[30]表明，运动功能障碍的恢复依赖于早期干预，并具备高强度、针对性、重复性和能够及时提供反馈信息的治疗模式，徒手康复训练不易达到这些要求。VR技术通过运用计算机和专业的软硬件模拟现实环境，实现在视、听、触觉等方面的虚拟互动和反馈，还可以增加任务的趣味性，使用者可以在虚拟环境中完成可控的功能性运动和操作，并可激发和维持患者重复练习的动机。虚拟现实康复技术可以使初级感觉和运动皮质的偏侧化指数明显增加，同侧次级感觉和运动皮质与双侧感觉和运动区域之间的功能连接明显增强，促进神经功能连接和双侧大脑半球之间的平衡重塑[31]。

Orihuela等[5]设计让患者接受VR上肢训练，当患肢运动时用功能磁共振成像对大脑进行监测，发现前额皮质和小脑活动是手势治疗的恢复驱动力，从脑部神经功能重组的层面证实肢体行为和大脑的活动变化之间呈正相关，为VR治疗有效、相关性提供科学的数据支持。研究表明，患者能在虚拟环境中学会运动技能，并且能将习得的运动技能迁移到现实世界的真实环境中[32-34]。有研究分别总结了虚拟情景训练和上肢康复机器人两种方法对脑卒中后患者上肢功能恢复的影响，通过文献报道证实，虚拟现实技术作为新的康复治疗技术以其操作方便及趣味性强的特点在脑卒中患者生活能力及上肢运动功能恢复方面较传统康复治疗方法有着明显的优势[34-35]。

VR技术不仅可以改善脑卒中患者的上肢功能，还可以改善其步态、平衡功能、认知功能和空间忽略障碍等[36-37]。随着VR技术的不断发展，科技和测量工具等不断进步，虚拟现实技术在脑卒中后多种功能恢复上表现出巨大潜力，VR技术将来成为改善脑卒中患者运动功能的一种新型有效的康复手段。在临床上可将虚拟现实技术与其他康复治疗技术相结合，更有效地促进脑卒中患者功能障碍的。但目前的研究中普遍缺乏大样本试验和多中心的研究，未来应进行对照严格、设计严密的大样本量、高质量的临床随机对照研究来探讨虚拟现实疗法的治疗疗效，同时简化操作系统、降低VR的使用成本、开发多用户的上肢康复虚拟系统的开发、VR结合远程康复等也都需要康复工作者长足的努力。