虚拟现实技术在脊髓损伤下肢功能障碍康复中的应用进展

杜芊华

（衢州职业技术学院，浙江 衢州 324000）

数据显示，我国脊髓损伤（spinal cord injury,SCI）年患病率为37人次/100万，其中男性高于女性，汽车碰撞和高空坠落是SCI的主要原因[1]。许多SCI患者存在完全或不完全损伤，导致运动和感觉障碍及活动受限。SCI患者常常出现损伤平面以下肌痉挛、肌无力及肌肉协调性异常等问题，影响着患者步行功能，甚至一些完全性脊髓损伤患者运动和感觉功能均受损，失去了行走能力[2]。这些问题影响着患者生活质量和社会功能，给患者心理及身体上带来伤害的同时增加经济负担。随着社会生产力和科学技术的不断发展，各行各业的虚拟现实（virtual reality,VR）技术需求日益旺盛，近年来VR被广泛的应用于各类神经系统疾病的康复当中，其中VR在SCI康复领域的应用也在日益增多[3-5]。本文主要对VR在SCI下肢功能障碍康复中的应用进行综述，以期为日后临床研究提供相应的支持。

1 VR技术概述

VR技术是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感技术、人体交互技术、网络技术、立体显示技术及仿真技术等多种技术而发展起来的综合性技术，并且在计算机高度逼真的模拟下模拟出不同的环境[6]。使用者可以在模拟出的环境下进行互动，产生身临其境的体验。VR具有三大特性：沉浸性（immersion）、交 互 性（interaction）和 构 想 性（imagination），即“3I”特性[7]；并且根据沉浸程度，可将VR分为3类：非沉浸式、半沉浸式和沉浸式[8]。非沉浸式VR在屏幕或墙壁上显示虚拟图像，而半沉浸式VR可显示真实图像，从而提供更多信息。沉浸式VR使用头戴式显示器，获得最高的沉浸感，此头戴式显示器可阻挡外部环境的视线并使患者完全沉浸在3D虚拟环境中[9]。在传统的康复治疗中，一项重要的因素就是早期进行干预，但长时间进行重复的动作会使患者感到生畏和无聊，从而导致治疗积极性不高。然而，要想使患者功能有良好改善所需要的运动次数可能达到上千次，故把康复治疗与VR相结合的好处在于患者进行运动恢复锻炼的同时可以为其提供游戏体验，增加娱乐性和趣味性[10]。也正是由于VR的趣味性，可以帮助患者减少对他人的依赖，提高训练的耐受度，并且与其它感受器相结合，能够更容易地记录患者的行为及生理反应[11-12]。

2 VR在SCI下肢功能障碍评定中的应用

功能评定是在患者整个康复过程中的重要环节，也是制定康复方案的依据。而传统的评定方法不能客观评定患者的治疗效果[13]。目前，最为常用的评定工具是等级量表，而等级量表在测量某些微小变化时效率低下，并且容易受到主观影响，造成结果不准[14-15]。并且，现在比较先进的、能对患者进行客观量化评定的技术是在康复过程中使用传感器，该技术能捕捉患者在运动中的轨迹和任务执行期间的具体细节，并跟踪人体运动[16-17]。然而这种技术在分析复杂的3D运动时可能会出现传感器被遮挡等问题，造成误差[18]。而VR技术恰好能解决这些问题，如Hasson CJ等[19]开发了一款虚拟交互式运动模拟器，这种模拟器在计算机中设计出可以效仿真实患者运动模式的虚拟患者，并让模拟器操控者操控虚拟患者的步态，以便了解患者运中的力学变化。Karatsidis A等[20]用VR穿戴设备、跑步机和光学传感器对受试者步行时的足部角度进行测量。另外，目前对于截瘫患者佩戴下肢机械外骨骼的研究也在日益盛行，而VR可以辅助患者在佩戴机械外骨骼时像正常人一样行走。如Smith AJ等[21]通过对30名正常人佩戴下肢动力外骨骼在CAR‐EN-Extended虚拟现实环境中和仪表化的自定进度跑步机上收集人体运动学和动力学数据，以及步行速度，从运动捕捉数据和逆动力学中识别出人类常见的矢状运动和动力学步态参数，并分析佩戴下肢动力外骨骼时髋膝踝关节运动的角度及步行速度，步调和步幅的步态参数关系。日后若截瘫患者佩戴下肢动力外骨骼并用VR进行分析，可帮助患者拥有和正常人一样的步行能力。此外，有研究将VR与单向跑步机结合，用来分析患者起始和转弯时的步态。该系统可以分析受试者头部转动、骨盆旋转角度，左右髋关节的内收和外展、腘绳肌激活能力、内侧-外侧地面反作用力，以及步幅和步宽[22]。

3 VR在SCI患者下肢功能障碍中的应用

3.1 不完全性脊髓损伤 数据表明，大约80%的SCI患者由于创伤或感染造成不完全损伤[23]。步态和平衡康复是SCI患者康复计划的一个重要方面。An C等[24]用半沉浸式VR让患者一次性完成6款游戏，包括足球、传送带、排球、方程式赛车、空降和滑雪板。其中足球游戏需要患者模拟足球守门员的角色，并在虚拟足球网前挡住球进入网中，这需要在肩关节屈曲和外展的同时转移重心；传送带游戏需要患者必须在虚拟工业环境中将虚拟箱子从一条传送带转移动到另一条传送带上，在虚拟环境中，传送带可以在屏幕上以不同高度和距离出现，而参与者需要进行重心转移来完成箱子搬运；排球游戏需要患者与虚拟游戏对手进行比赛，要把虚拟排球击回到对手场地中，这需要患者协调能力和多个方向转移重心的能力；方程式赛车游戏需要患者坐在一级方程式赛车上，并在赛道上驾驶汽车，导航会提示赛车向左还是向右，患者通过重心转移操控赛车；空降游戏需要患者在降落伞上引导虚拟人物通过障碍物并降落在指定目标上，并通过侧屈使虚拟人物倾斜；单板滑雪游戏是模拟人沿着狭窄斜坡的单板滑雪，该游戏的目的是通过倾斜身体并在滑雪时尽可能跳动来躲避虚拟障碍物。每项游戏进行4min，每完成一项游戏休息1min，每周训练3次。经过6周游戏训练治疗后，用Berg平衡量表（BBS）、“站起-走”计时测试（TUG）、脊髓损伤步行能力量表（WISCI-Ⅱ）进行评定，发现患者平衡能力和步行能力有所改善。同时，Maresca G等[25]运用虚拟现实康复系统（VRRS）对患者进行康复，该系统由康复治疗师、康复医师和神经科医师共同设定能够刺激患者运动和感觉的特定任务，用来刺激腿部肌肉、肌腱和韧带，改善患者姿势、骨盆运动和平衡反应，并且患者用头戴式显示器进入虚拟沉浸式场景，用安装在四肢和躯干的传感器完成任务。此外，该研究发现VRRS除了可以提高患者运动功能外，还能够减轻患者焦虑和抑郁状态及改善认知功能。van Dijsseldonk RB等[26]在步态实时分析交互实验室对15名不完全脊髓损伤患者进行步态稳定训练，该实验室由含有两个嵌入式测力板双皮带跑步机和一个具有八台摄像机的VICON运动捕捉系统组成；在跑步机前，将虚拟现实环境投影在180°半圆柱屏幕上。该训练包括多种任务，如在跑步机上尽可能快速地行走，并在受到干扰的同时保持站姿平衡；患者还进行“堵车”游戏训练，该游戏可以通过抬起脚让汽车过马路。经过6周训练后，患者平衡信心、步行速度、步长、步行稳定性均有改善。此外，在家进行VR治疗同样能使患者的下肢功能得到改善。如Villiger M等[27]让患者在家里接受了为期4周的VR任务训练，每次30~45min，每个患者将完成一系列游戏。在训练期间，患者每条腿进行约500次重复的踝关节运动和100次膝部运动。全部训练完成后对患者进行下肢肌肉力量（LEMS）、TUG和BBS测试，发现比治疗前有明显改善，6min和10min步行测试有所提高。

3.2 完全性脊髓损伤 由于完全性脊髓损伤破坏了患者大脑与身体之间的双向传递，使患者下肢感觉和运动功能均丧失。Shokur S等[28]对8名患者进行沉浸式VR下肢训练，该训练通过将缺失的腿/脚触觉重新映射到患者前臂的皮肤上，可以使患者下肢本体感觉得到恢复。该训练在触觉显示器上，模拟在沙滩、街道和草地三种不同类型的地面上行走的真实感觉，患者在三种模拟地面总共进行120次触觉刺激。此外，患者在摆动相期间会感受虚拟腿的运动，并在步行时会感到脚踩在不同路面上的感觉。患者仅依靠这种触觉反馈，使患者在虚拟行走过程中感受身腿的位置。此技术可以在未来让截瘫患者使用下肢机械外骨骼等设备的几率增加，并提高运动熟练程度。另外，Khurana M等[29]对30名T6~T12节段的完全性脊髓损伤患者研究发现，用VR游戏的方式进行坐位平衡训练比现实场景中的常规训练效果更好。而对于需要自己操控轮椅的患者，Nunnerley J等[30]使用能够提供虚拟康复环境的Oculus Rift轮椅培训系统对截瘫患者进行轮椅训练，该系统可以让轮椅使用者能够在安全的环境中学习轮椅使用方法。并且Gefen N等[31]让脊髓损伤后无法行走的孩子使用MiWe-C沉浸式轮椅模拟器，使孩子更安全地学习如何操控轮椅，增加自身独立性，减少大人对孩子的帮助。这些训练使患者活动范围增大，提高了患者生活质量。并且，有研究发现VR除了可以改善运动功能，还可以减轻SCI带来的神经病理性疼痛[32-33]。如Pozeg P等[34]对20名截瘫患者进行了研究，其首先将触觉刺激作用于患者损伤平面上方的背部或肩部，同时刺激患者在VR显示屏上看到的虚拟腿，随后仅刺激背部，患者看到的是其背部在接受刺激。结果显示VR对SCI患者的腿部拥有感和身体拥有感有着不同程度的影响，并对SCI患者神经病理性疼痛有轻度缓解的作用。此外，由于截瘫患者不能像正常人一样进行日常生活活动，从而导致心理上的问题，将VR技术和心理疗法相结合，可以改善这种情况。Araceli F等[35]对截瘫患者使用正念疗法，并让患者带上VR眼镜，幻想身体在河水中漂浮，可以减少患者因疾病带来的负面情绪。

4 现阶段VR技术在SCI康复方面存在的问题

4.1 老年人对VR的使用接受度低 随着人口老龄化加剧，老年人口逐渐增多，对于新兴技术也应该让老龄人适应。Syed UE等[36]通过研究发现，使用VR进行康复治疗的患者在性别方面未发现差异；但在年龄方面，老年人使用VR治疗的效果不如年轻人。这可能与老年人接受新事物较慢有关，因此日后对于VR方面应该侧重老年人的体验性。

4.2 对VR治疗耐受度低并且VR设备昂贵 与传统物理疗法相比，VR在中枢神经系统损伤后对个体进行的训练确实对患者有更大的帮助。然而，在虚拟环境中进行训练可能会导致患者头晕[37]，这影响治疗时患者的体验性。并且目前一套VR设备造价昂贵，一些设备又不容易被临床工作者应用，造成目前VR训练无法大量开展。

4.3 VR治疗缺少真人互动 目前VR治疗多是单人性的，只有患者一人沉浸在虚拟的环境中。而人作为社会关系的总和，应该使更多的人参与其中。有研究表明，多人VR游戏更能激发患者的积极性，并且多人游戏可以进行社交互动，以促进所参与玩家的娱乐性[38]。不同的玩家为游戏环境增加了更多的可能性，这是单人游戏中预先设计好的程序所不能出现的；并且多人游戏体验性会更好，游戏的模式也可以指定参与者是相互竞争模式还是共同合作模式。此外，Tamplin J等[5]开发的线上VR音乐治疗程序对四肢瘫痪的SCI患者研究发现，让患者在该系统上集体唱歌，不但可以改善患者呼吸功能，还能促进患者心理健康

5 总结与展望

不同于传统的康复方式，VR技术“3I”特性可更好地调动患者的积极性，并使患者更愿意接受这种治疗方式。VR技术不仅能为SCI患者下肢功能进行评估，还能让患者主动参与治疗当中，改善下肢功能及生活质量。因此，VR技术在SCI下肢功能康复提供了新的治疗手段。

目前，VR技术尚未广泛应用于SCI的康复领域。但随着第五代移动通信技术（5G）、云技术、物联网、人工智能（AI）等科学技术的兴起，VR技术在康复领域将越来越完善，如把具有康复功能的治疗程序通过云技术储存到云存储空间，寄托于5G低时延、高传输速率的特性[39]，患者通过佩戴与5G相连的VR设备，可在互联网上实时进行治疗；并且通过AI技术，可以根据患者的恢复状态及个人喜好推荐适合的康复训练。另外，运用物联网和远程医疗技术，使治疗师手机与患者VR设备进行实时监督，了解患者情况，治疗师可以随时随地通过手机对患者进行指导。

随着科技的进步，VR技术在康复领域的应用会更加广泛和深入，也会在医疗领域大放异彩。随着技术的成熟，VR技术将节省大量的人力物力，提升治疗效率，进而提SCI患者的治疗效果及生活质量。