基于3D环境的虚拟现实任务导向训练在脑卒中患者平衡功能康复中的应用

梁明，徐奕鹏，曲源，李红燕，丁轩

脑卒中患者常存在不同程度的偏瘫下肢肌肉力量减退、伸肌痉挛、运动控制协调能力下降，从而导致患者出现骨盆前倾、膝关节运动不稳定、足下垂内翻进而影响患者平衡功能[1]。平衡功能障碍是脑卒中患者常见的功能障碍，约75%的脑卒中患者存在不同程度的平衡障碍[2]。它显著增加患者跌倒的风险，威胁患者生命健康，降低日常生活活动能力及生存质量，给家庭及社会带来沉重负担。虚拟现实(VR)技术是一种新兴且发展迅速的技术，其利用计算机编辑及多传感技术构建一个包含多感官刺激的3D VR环境，受试者通过多维感觉反馈进而与VR环境中的物体进行身临其境般地交流与体验，从而完成康复评估和训练[3]。近年来，国内外已有相关临床试验探讨VR技术应用于脑卒中患者偏瘫下肢平衡功能康复的有效性，然而研究结果各异[4]。本研究旨在通过临床随机对照试验探讨基于3D环境的VR任务导向训练在脑卒中患者平衡功能障碍康复中的临床疗效。

1 对象与方法

1.1 对象 系2018年1月至2020年4月在神经内科及康复科住院的患者。入选标准：(1)年龄50～70岁;(2)符合2007年卫生部疾病控制司修订的《中国脑血管病防治指南》[5]诊断标准且首次发病，经头颅CT或MRI证实;(3)病程1～3个月;(4)脑卒中部位为单病灶及单侧发病;(5)患侧下肢肌力≥3级(徒手肌力评定)，下肢肌张力≤2级(改良Ashworth痉挛量表);(6)可独自坐站(坐位及站位平衡≥2级);(7)没有服用影响平衡功能的药物，如抗癫痫药或镇静安眠药等。排除标准：(1)严重行为异常或精神错乱;(2)认知障碍(MMSE≤24分)，不能配合指令;(3)既往有骨关节疾病或其他神经肌肉疾病影响下肢运动功能;(4)重要器官(心、肺、肝、肾等)衰竭，病情不稳定;(5)各种原因拒绝训练者;(6)近期有下肢深静脉血栓形成;(7)有患侧忽略[6]或偏盲。共入组92例患者，随机分为治疗组和对照组各46例。治疗组中男29例，女17例;平均年龄(59.78±6.46)岁;平均病程(2.17±0.49)个月;左侧偏瘫18例，右侧偏瘫28例;脑梗死30例，脑出血16例。对照组中男26例，女20例;平均年龄(61.57±6.74)岁;平均病程(2.02±0.40)个月;左侧偏瘫21例，右侧偏瘫25例;脑梗死32例，脑出血14例。经统计学分析，两组患者性别、年龄等一般资料差异无统计学意义(均P>0.05)，具有可比性。经纳入及排除标准符合条件者签署知情同意书。本研究获得新疆维吾尔自治区人民医院医学伦理委员会批准。

1.2 方法

1.2.1 治疗方案 两组患者平衡功能训练均由康复治疗师执行，时间均为40 min/d，5 d/周，持续3周。两组患者训练强度基本相同。对照组给予常规平衡训练，针对不同患者的具体病情，选择合适训练内容[7]。采用多种平衡训练工具如平衡板、平衡杠、训练球及双杠等相结合的方式进行针对性训练。训练原则依据姿态、速度及耐力等循序渐进。根据支撑面积从大到小，站立稳定性从高到低，支撑质地从硬到软，站立平衡控制范围从小到大完成。患者需从睁眼到闭眼，由静态到自动态最后到他动态平衡不断向前过渡，循序渐进地完成各项平衡任务。同时加用触觉、听觉及视觉反馈进一步强化患者上肢同躯干的组合运动，进而逐步过渡到下肢平衡训练。依据患者康复训练不同时期的具体情况实时动态调整患者整体康复训练方案。治疗组在常规康复基础上给予基于3D环境的VR任务导向训练。采用由荷兰SilverFit Mile公司生产的情景模拟与现实互动康复系统(软件版本2.4.0)。该系统包括显示器(显示虚拟环境，提供交互场景)、位置追踪器(实时追踪患者位置变化及运动变化，根据变化情况调整交互性)、3D眼镜(提供3D场景)。训练内容有狐狸摘葡萄游戏(训练坐位及站位平衡转移功能)、摆方块游戏(训练中心前后左右转移及静态平衡能力)、踩鼹鼠游戏(训练患者跨步动态平衡及躯干控制能力)等。

1.2.2 测试指标及评定过程

1.2.2.1 平衡功能临床评定 分别于治疗前、治疗3周后进行如下评定。(1)偏瘫下肢运动功能评定：采用Fugl-Meyer运动功能量表(FMA-LE)下肢部分评定，含17项，共34分。每项分为三级：0分为不能完成某一动作;1分为部分能完成;2分为充分完成，得分越高，代表下肢运动功能越好。(2)Berg平衡功能评定(BBS)：由坐到站立、无支撑站立及坐位、转移能力、闭目站、上肢前伸、弯腰捡物、双足轮替踏台阶等14项和平衡相关运动，每项得分0～4分，0 分表示不能完成动作，4分表示可正常完成，满分56分。评分越高代表平衡功能越好，分数在40分以下，表示跌倒风险较大。

1.2.2.2 姿势平衡能力评定[8]分别于治疗前、治疗3周后进行评定。采用BioRescue平衡功能评定系统完成以下指标测定，要求整个测试流程在光线充足，环境安静条件下完成。(1)身体压力中心移动指标测定:患者赤脚站立在平衡板上,双足跟内侧间距8 cm，双足长轴(足后跟中点和第二足趾连线)外旋15°(与前进方向夹角)。两上肢自然下垂于身体两旁，双眼平视正前方。分别测定患者睁眼及闭眼60 s时足底压力中心信号值,采集患者运动有效面积(重心运动轨迹所覆盖的区域面积,其值越小表明稳定性越好)，运动路径长度及平均速度(重心在摆动过程中所通过的总长度及平均速度,长度及速度越小，表明稳定性越好)。整个测试流程中若发生跌倒、手扶或迈步等情况均视为未完成。(2)稳定极限范围(LOS)测试: 患者赤脚站立在平衡板上,维持身体直立,在保证不跌倒状况下,以足跟为中点在360°范围内，根据显示器箭头指示,分别向前后左右倾斜,让身体重心最大限度地偏离中心位置,测得足底重心运动轨迹并测算出LOS值(患者可维持平衡压力中心的最远距离,体现患者主动平衡能力)。在整个流程中,患者双脚不能离开平衡板且不能扶扶手,否则需重新测试,连续测量3次,取平均值。

2 结 果

2.1 两组患者FMA-LE及BBS评分的比较 见表1。治疗前两组患者FMA-LE及BBS评分差异无统计学意义(均P>0.05)。经3周康复，两组治疗后FMA-LE及BBS评分均高于治疗前(均P<0.05)。治疗组治疗后FMA-LE及BBS评分均高于对照组(均P<0.05)。

2.2 两组患者睁眼闭眼时身体压力中心摆动指标的比较 见表2。治疗前两组患者睁眼及闭眼时摆动面积、长度及速度的差异无统计学意义(均P>0.05)。经3周康复，两组患者治疗后睁眼及闭眼时上述指标均较治疗前下降(均P<0.05)。治疗组治疗后睁眼及闭眼时上述指标均低于对照组(均P<0.05)。

表1 两组患者FMA-LE及BBS评分比较结果(x±s,n=46,分)组别FMA-LE评分BBS评分对照组 治疗前17.24±5.1333.91±6.56 治疗后22.83±5.10△41.65±6.79△治疗组 治疗前18.89±5.9435.57±7.16 治疗后25.02±5.41△▲44.52±6.94△▲ 注:与治疗前相比△P<0.05;与对照组相比▲P<0.05

2.3 两组患者LOS值比较结果 见表3。治疗前两组患者向各个方向的LOS值差异无统计学意义(均P>0.05)。经3周康复，两组治疗后向各个方向的LOS值均较治疗前增高(均P<0.05)。治疗组治疗后向各个方向的LOS值均高于对照组(均P<0.05)。

表2 两组患者睁眼时和闭眼时身体压力中心摆动指标比较结果(x±s,n=46)组别睁眼时摆动面积(mm2)摆动长度(cm)平均速度(mm/s)闭眼时摆动面积(mm2)摆动长度(cm)平均速度(mm/s)对照组 治疗前470.02±89.95 68.11±9.3814.37±5.01842.30±54.9998.46±9.2121.39±5.76 治疗后389.59±106.88△54.46±9.71△10.13±4.46△714.04±124.40△83.85±9.78△14.85±5.06△治疗组 治疗前433.93±75.1764.67±8.5312.80±4.33816.22±72.4195.28±8.4119.50±5.26 治疗后343.72±113.01△▲50.72±8.10△▲8.48±3.34△▲667.30±98.82△▲79.83±9.52△▲12.83±4.64△▲ 注:与治疗前相比△P<0.05;与对照组相比▲P<0.05

表3 两组患者LOS值比较结果(x±s,n=46,mm)组别向前向后向左向右对照组 治疗前34.74±8.389.98±4.9422.54±6.1923.39±5.70 治疗后41.89±9.26△17.15±6.29△31.59±6.31△32.41±6.83△治疗组 治疗前36.73±8.6811.72±5.0025.46±7.6626.09±7.12 治疗后45.26±6.68△▲19.70±5.94△▲34.41±7.18△▲35.35±7.22△▲ 注:与治疗前相比△P<0.05;与对照组相比▲P<0.05

3 讨 论

脑卒中患者平衡能力的康复是临床治疗难点之一，其原因多为偏瘫侧下肢肌肉力量下降及伸肌张力异常升高，进而使患者行走时姿势控制能力严重下降，导致错误的下肢运动顺序模式及异常的关节内协调性，从而引起站位平衡功能降低，这大大增加了患者行走时跌倒的风险[9]。基于此，脑卒中患者平衡功能的恢复是提高其日常生活活动能力并改善生活质量的关键，然而常规平衡康复过程单调及内容枯燥，往往使得患者兴趣性不高。对于康复治疗师来说，其工作强度高，工作量大，极容易产生疲劳感，导致康复效果低下[10]。

虚拟现实技术因具有趣味性、沉浸性及想象性的特点，近几年已经被应用于脑卒中患者平衡功能的康复。Yang等[11]将14例脑卒中后平衡障碍患者随机分为实验组和对照组，实验组给予VR平衡训练，对照组给予常规平衡训练。3周后实验组患者横向中心压力最大摆动度明显降低，对称指数与摆动偏移度有明显改善，证实VR平衡训练能提高患者在运动中保持平衡的能力。Mirelman等[12]通过VR平衡训练脑卒中患者在虚拟林间小路中行走以躲避障碍物，20例脑卒中患者经过3周训练，其步速、步幅及完成时间均较治疗前改善。Kim等[13]利用VR跑步机训练脑卒中患者静态平衡能力,治疗后患者体位摇摆速度、摇摆路径长度显著降低，虚拟环境能提供视觉及听觉反馈，实时发现目前存在的平衡问题并及时纠正，从而更好促进步态康复。本研究发现，通过3周训练，治疗组与对照组患者FMA-UE及Berg评分都获得提高，但治疗组大于对照组。这表明，VR技术能有效地改善脑卒中患者平衡功能，这与上述研究结果相一致。

本研究发现，经过3周的VR平衡训练，两组患者睁眼及闭眼时摆动面积、摆动长度及摆动速度均较治疗前下降，两组向各个方向的LOS值均较治疗前增高，但治疗组的改善程度明显高于对照组。研究结果表明，VR平衡训练对脑卒中患者静态平衡功能及姿势控制能力的改善明显优于常规平衡康复。VR平衡康复可提供多种正向反馈如视听及本体感觉[14]，强化患者正确的康复行为，不断获得成功愉悦体验并持续训练，进而激发其康复积极性直到掌握多种运动能力。同时VR平衡康复提供多种个性化模块，患者可动态调整康复强度及时间进而维持康复动机[3]。基于神经解剖学理论，脑卒中患者用偏瘫肢体反复训练可进一步提高神经突触增强作用，通过运动诱发神经功能可塑性[14]。有研究者[15]应用DTI技术探究VR对脑卒中患者平衡康复的神经机制发现，应用VR前病灶中心表观扩散系数与健侧相应部位差异无统计学意义，应用VR后病灶中心表观扩散系数高于健侧对应部位。另一研究[16]中功能MRI显示患者病灶对侧初级感觉运动皮质及双侧运动辅助区皮质被激活。

然而，本研究由于治疗周期短，纳入样本量偏小，同时因有个体差异，故仍然需要增加样本量，随访观察其长期效应。下一步可利用神经影像技术或神经电生理技术进一步探究基于3D环境的VR任务导向训练对平衡功能恢复的可能调控机制。