基于沉浸式虚拟现实脑卒中偏瘫上肢功能康复系统构建及临床可行性研究

危昔均，韦亦茜，秦 萍，周 萍，李 赛，王冰水，李 海，杨万章

虚拟现实(virtual reality，VR)技术已在脑卒中康复中得到广泛应用，其临床应用价值得到许多研究支持，包括娱乐性和治疗性的虚拟现实系统[1-2]。根据VR技术应用形式分类，大致可分为浸入程度较弱、通过普通显示器实现人机交互的投影式VR和浸入程度较强、通过头戴显示设备达到人机交互的沉浸式VR[3]。目前，大部分研究涉及的技术均为投影式VR[1]。由于投影式VR的技术限制，病人进行上肢功能康复时，必须始终注视前方显示器，这导致训练过程对真实日常生活场景的还原程度较低，如病人将手伸向侧方取物品时，真实情况应该是病人需同时旋转身体和头部，这在投影式VR技术下难以实现。

随着头戴式VR技术发展，上述问题逐渐有了解决方案，并在康复领域得到尝试[4]，应用领域包括运动损伤[5]、单侧忽略[6]、上肢运动功能障碍[7]、步态异常[8]、认知功能障碍[4]和疼痛[9]等。在脑卒中上肢功能康复方面，通过沉浸式VR与镜像疗法(mirror therapy)相结合的形式进行了可行性测试，发现每天30 min，持续4周的治疗对门诊脑卒中慢性期病人是可以承受的，亦无眩晕不良事件发生[7]。目前，基于沉浸式VR技术应用于脑卒中上肢功能康复的研究还比较缺乏[4，10]，继续探索其应用于脑卒中住院病人上肢功能康复的可行性有利于推进该技术临床应用。因此，本研究基于沉浸式VR技术构建上肢功能协调训练系统，并对其应用于脑卒中住院病人的可行性进行探讨，为该技术的临床应用研究提供初步参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料 本研究招募了16例参与者，男女比例为13∶3；年龄(50.56±11.89)岁；发病时间(128.31±110.48)d；发病类型：脑梗死14例，脑出血2例；患侧左侧7例，右侧9例；简易精神状态测试量表(Mini-mental Status Examination，MMSE)[13]评分为(27.94±3.32)分。本研究属于VR系统的构建和临床可行性研究，因此，并未对纳入病人进行分组试验，仅进行治疗前后的对照研究。

1.2 诊断标准 脑卒中诊断标准，参照1996年中华神经科学会和中华神经外科学会于《中华神经科杂志》发表的《各类脑血管疾病诊断要点》相关内容[11]。

1.3 纳入标准 有影像学诊断证据；有明显偏瘫症状；年龄>18岁；坐位平衡功能达到3级；上肢功能水平达到4级(偏瘫上肢功能评定-中国香港版，FTHUE-HK)[12]；意识清晰，可配合评估和VR上肢功能训练。

1.4 排除标准 上肢有疼痛或者其他症状影响运动功能表现；使用VR设备出现眩晕或其他身体不适情况；拒绝签署知情同意书；正在参加其他可能影响上肢功能表现的研究。

1.5 脱落标准 再发脑卒中或者其他影响上肢功能的疾病；研究期间主动要求退出；未完成治疗次数而出院。脱落病人的数据处理方法为：病人突然出院或者不愿意接受出院评估时，使用最近一次数据为治疗后数据；病人提前出院，且愿意接受出院评估时，则使用最后一次评估的数据。

1.6 治疗方法 所有参与者均进行为期3周，每周5 d，每天30 min，共计15次，450 min VR训练。病人除了接受常规住院康复治疗，包括物理治疗、作业治疗、言语治疗、吞咽治疗、理疗、针灸、推拿等，额外每天进行30 min的沉浸式VR上肢功能训练(包括系统调试和上肢功能测试占10 min，20 min连续上肢功能训练)。VR训练系统软件部分采用Unity3D搭建，VR场景输出硬件部分使用桌面电脑端HTC vive pro 2.0套装(包括VR头盔、定位器和手柄)。虚拟场景见图1所示，病人与虚拟场景的交互通过手柄完成。病人每天进行VR训练前均会进行系统重置，确保病人所坐或站的区域与图1中两个虚拟木箱的中点对应。系统重置完成后，病人通过手柄将身体两侧的白球向外侧方推至最远处，距离为病人将患手往外和过中线可触及的最远距离，推球时允许病人旋转或者侧屈身体。然后，病人通过手柄拿起前方的篮子开始上肢功能训练。在训练过程中，前方会随机出现不同的物品，以特定的速度飞向病人，病人需要使用篮子将物品接住并放入指定的木箱。随着接物品的效率越来越高，物品飞行的速度会逐渐加快，反之亦然，病人接物品的效率变低时，物品飞行的速度会下降。训练前和训练中的参数，包括患侧上肢向左右侧的伸展距离、总计接到物品的数量、物品飞行的平均速度和训练时间都会记录在系统数据库，训练并于每次训练结束后，在正前方的显示板展示病人过程中一段时间的训练表现。

图1 病人使用VR系统进行上肢功能康复示意图

1.7 评定方法 行为学观察指标，包括FTHUE-HK测评[14]、箱块测试(Box and Block Test，BBT)[15]、九洞板测试(Nine-Hole Peg Test，NHPT)[16-17]、改良巴氏指数(Modified Barthel Index，MBI)测评[18-19]。运动学观察指标，包括患侧上肢向侧方的伸展距离(包括健侧和患侧)、物品飞行平均速度和成功接住物品并倒入框的数量。其中，向侧方伸展的距离主要反映偏瘫上肢分离运动水平[20]，物品飞行速度主要体现病人上肢协调运动能力[21]，而接住物品并倒入框的数量体现病人的活动成功率。

2 结 果

本研究中1例男性病人接受3次VR治疗后，因为感觉像小孩子玩游戏而拒绝继续参与，但其愿意在3周后接受评估，所以该病人的数据仍被纳入分析。其他病人均顺利完成实验。

16例病人接受3周治疗后，各项功能表现均存在不同程度的提升。由于FTHUE-HK、BBT、健侧伸展距离和每分钟得分通过Kolmogorov-Smirnov检验，符合正态分布的要求，所以使用配对样本t检验进行数据分析。其中，运动学数据方面的健侧伸展距离和每分钟得分差异有统计学意义(P<0.05)，而行为学评定FTHUE-HK和BBT差异均无统计学意义(P>0.05)。行为学评定MBI、NPHT和运动学评定健侧伸展距离、平均速度由于不符合正态分布要求，采用Wilcoxon检验，发现治疗前后功能变化比较差异有统计学意义(P<0.05)。详见表1。

表1 研究对象治疗前后各项功能指标比较 (±s)

接受VR治疗期间， 1例因个人原因退出试验，余15例病人未出现不适或其他不良事件，包括前期研究报道的眩晕。但部分女性病人提及头盔较重致使颈部在治疗后即刻感觉疲劳，但午休或者第2天起床后可以自行消退。大部分参与者在结束治疗3周后的访问时反馈治疗形式新颖、有趣、互动性强，且较传统康复形式更容易疲劳。

3 讨 论

基于VR技术构建脑卒中上肢功能训练系统过程中需要重点考虑的因素包括VR活动形式和VR参数调整，以体现康复治疗技术中运动学习的理念[22]。以前许多研究使用投影式VR游戏作为干预手段，而这些用于健康人娱乐的VR游戏仅适用于极少部分功能较好的病人或者游戏设计并不能满足康复需求[23]，另外，也有许多学者透过投影式VR技术搭建了康复系统，但甚少涉及沉浸式VR技术进行构建[1]。Crosbie等[24]使用头戴式显示器和数据手套搭建的沉浸式VR康复系统，主要通过在虚拟环境中进行重复伸展或者伸展抓握练习，从而达到锻炼上肢功能的效果，且涉及主要参数调整包括伸展的距离、高度和速度，调整参数的维度与本研究搭建的系统类似，但由于并未谈及这些参数在调控练习难易程度时的策略，因此无法进一步进行对比研究。本研究发现，对这些参数进行单维度和多维度的动态调整，练习难度的变化存在较大差异，并可能直接影响运动学习过程，例如：仅对伸展距离进行动态调整时，病人较容易找到最佳练习距离，而同时对距离和速度进行动态调整时，病人变得难以适应，不易找到最佳锻炼参数。Weber等[7]研究中使用了VR技术与镜像治疗相结合的康复系统，但这套系统并未涉及难度调整方面的设置，仅进行不同康复场景的切换，导致这种系统设计差异的原因可能与该系统仅用于镜像治疗，且病人仅通过健侧上肢进行人机交互有关。另外，在Huang等[25]描述研究计划中，VR系统设置了不同的上肢功能活动，病人练习过程中也涉及从早期康复时的健侧带动患侧完成，逐渐转换至单纯由患侧完成，但亦未提及活动转换的机制和活动难度调整的策略。目前，基于沉浸式VR技术开发的康复治疗系统在单维度和多维度参数调整方面仍有许多基础研究亟待开展。

基于VR技术的康复治疗系统干预上肢功能的临床价值初步得到体现。Laver等[1]系统性回顾研究发现，VR技术支持下的康复治疗直接与传统康复方法对比差异无统计学意义，效应值为0.07，体现两组临床疗效相似，然而，当病人基于传统康复方法再额外增加VR训练时，侧效应值达0.49，呈现组间差异有统计学意义。但是，目前并没有办法确定病人接受额外的VR训练带来的益处是由于更多的训练时间，还是因为VR不一样的康复锻炼形式导致的。虽然，Laver等[1]研究并未把投影式娱乐性VR游戏、投影式治疗性VR康复系统和沉浸式治疗性VR康复系统进行区分，这导致研究之间的异质性较大，而这些训练形式和难度调整策略的差异可能影响病人的运动学习和功能获取，但至少可以确定，基于VR的康复治疗与传统的康复方法是等效的。这与Weber等[7]前瞻性研究和本研究结果类似。本研究发现病人在接受3周沉浸式VR上肢功能训练后，所有的运动学参数均有改善，行为学评定工具也提示灵巧功能(NPHT)和基本日常生活活动能力(MBI)得到明显改善。虽然在协调功能和上肢功能分级方面比较差异无统计学意义，但也有较好的功能恢复趋势(BBT)，样本量的不足可能是导致这一现象的主要原因[24]。这些研究结果提示，基于沉浸式VR技术的训练方法在促进上肢功能恢复方面具有较好的临床应用潜力。

沉浸式VR技术下的上肢功能训练具有较高的安全性和耐受性。确认病人能够在虚拟空间进行连续训练的时间，对沉浸式VR技术是否有足够的时间窗支撑运动训练是非常重要的[26]。以前研究采用每天VR干预强度一般为20～60 min/d，有些结合机器人训练方式甚至达到2 h/d，持续疗程为2～9周[1]。在沉浸式VR干预强度方面，Crosbie等[24]采用30～45 min，Weber等[7]采用30 min，均发现病人可以较好地耐受。本研究发现病人在沉浸式VR下的20 min练习，产生的疲劳程度与40 min的治疗室传统康复类似，这可能与虚拟环境下进行的主动功能活动更加频繁有关[23]。在本研究中，也有些病人在开始阶段感觉20 min的强度过大，难以一次坚持完成训练。这种情况下，尝试根据病人的自身感觉，通过中间暂停休息和每天逐渐增加训练时间的方式，最终让病人达到20 min的运动强度。在重复性运动训练的过程中，塑型治疗技术(shaping)是非常关键的因素，影响着病人的运动学习效率[27-28]。因此，在本研究设计系统过程中，增加了与以前研究类似的智能难度调整机制[24]，使病人始终接受着与他们即时能力相匹配的运动难度，这可能也是导致部分病人感觉运动强度大的原因。这些研究提示，当前技术条件下的沉浸式VR康复锻炼对引导病人进行上肢功能锻炼是可行和安全的。

综上所述，基于目前的沉浸式VR技术进行脑卒中偏瘫上肢功能训练，对病人具有较好的安全性和可行性，甚少出现明显的不适，能较好地满足临床需求。进一步的研究方向包括通过随机对照方式验证沉浸式VR技术下上肢功能训练的有效性；依据临床需求进行个性化训练系统设计；多维度参数调整对病人活动表现、相关疗效影响机制及干预剂量研究。由于本研究仅对沉浸式VR训练系统的构建和临床应用的可行性进行探讨，因此，在样本量计算、对照组设置和病人发病时间区分方面并未进行很好的控制，这些问题可能限制本研究在疗效结果方面的代表性。