虚拟现实在脑卒中康复中的应用及展望

陈雪婷 姚黎清 李旺祥 李政超 毛锐涛

昆明医科大学第二附属医院康复医学科，云南昆明 650000

脑卒中是我国致死率和致残率最高的疾病，在全球范围也分别位列第二和第三位[1]。脑卒中后常遗留运动、感觉、认知、言语和吞咽等多种功能障碍；康复医疗在我国起步较晚，多数地区康复手段还较为单一，各级医院康复资源有限，亚专科覆盖面较窄且住院周期短暂导致患者在漫长的恢复期中很难得到连续规范有效的康复训练，日常生活不同程度受限，给家庭和社会带来沉重的负担。

虚拟现实（virtual reality，VR）技术，又称灵境技术，是20 世纪发展起来的全新的实用技术，它将计算机、电子信息、仿真技术结合一体，使虚拟环境具有与真实环境相似的沉浸感[2]。近年来，VR 技术被认为是康复治疗领域中最具潜力的新技术之一，现已尝试用于促进脑卒中患者多方面的功能康复。本文将结合目前VR 技术在脑卒中康复中的应用进展，探讨运动和认知在脑卒中后高级运动功能恢复中的关联，继而根据现阶段的相关研究提出一些意见与建议。

1 VR 技术

1.1 VR 技术与康复

VR 技术早期主要应用于军事领域，供士兵在虚拟环境内进行战术和团队协作等科目训练。目前，民用方面可提供此技术且较为成熟的厂商和设备包括任天堂（Nintendo Wii）、微软（Xbox Kinect）、索尼（PlayStation VR）及宏达（HTC VIVE）等。近年来康复医学领域开始尝试利用VR 技术促进脑卒中患者的功能恢复[3]。一套VR 系统通常由特定的软件程序、输入/输出及外围设备组成，利用仿真技术与计算机图形学、人机接口技术和多媒体技术等让用户通过输出设备接收到由计算机程序所构建的虚拟环境，再通过捕捉设备（体感手套、操纵杆、鼠标）将用户的手势、动作、表情、语音，甚至眼球或脑电波等人体产生的反应由输入设备传入电脑，电脑重新计算并依据真实世界规则对虚拟环境进行调整，再传递给用户实现实时互动，如此反复使用户感受到身临其境般的沉浸式体验。已有研究显示，在功能改善方面VR 技术较传统康复治疗具有更佳的促进效果[4-5]。

1.2 VR 技术的优势

1.2.1 适合我国目前的脑卒中康复现状 VR 技术的使用和操作较传统康复治疗技术简单，并有一定趣味性和激励作用，在获得训练相关参数反馈后及时做出相应调整，可辅助或替代部分人工治疗。随着5G 通信技术的推广，可以利用智能手机、平板电脑、远程医疗中心等多媒体通信设备，将患者、照护者与专业的康复团队联系起来，提供个性化的VR 家庭治疗方案，通过实时监控来满足脑卒中康复治疗需要重复、强化、以目标为导向等要求[6]；从而弱化目前普遍存在的住院周期短，康复从业人员水平参差不齐的现实壁垒，让患者出院后能继续接受持续有效的康复治疗。

1.2.2 患者高参与度，训练效率提升 在澳大利亚和国际卒中指南中VR 技术被推荐作为改善运动和功能结局的可行辅助治疗[7]。与传统康复治疗手段比较，使用VR 技术进行功能训练的患者具有更高的参与度[8]。VR 技术能够让患者在更高强度的治疗下参与功能任务的模拟实践，随着时间的推移自动评估运动表现，灵活地缩放任务限制，以及各种奖励模式，帮助患者保持较高的依从性[9]，并通过改善患者的参与水平和自主性培养治疗过程中的幸福感[10]。此外，VR 技术可以改善大脑皮层功能或再激活，并优化感觉皮层的信息处理功能[11-12]。

2 VR 技术在脑卒中康复中的应用

2.1 上肢运动功能

统计显示，约50%的脑卒中患者其功能障碍会伴随终生，约40%的脑卒中患者个体日常生活为重度依赖[6,13]。由于大脑皮层控制区对人体各部位包括运动精细程度在内的多种功能调控存在差异，以及上下肢功能需求的不同，上肢通常比下肢更难恢复。Choi 等[6]开发了一种运动类的VR 游戏程序来替代一部分由作业治疗师进行的常规作业治疗以促进上肢运动功能的康复，治疗两周后，偏瘫上肢的运动功能和患者满意度较传统训练模式显著提高。Ikbali 等[14]利用微软Xbox 360 Kinect 地VR 视频游戏进行试验发现，4 周后实验组上肢Brunnstrom 分期和Box&Block Test（箱块测试）改善明显高于对照组。Lee 等[15]利用基于划艇游戏的VR 系统为亚急性期脑卒中患者进行康复训练，5 周后实验组的改良功能性前伸测试、手功能测试均有显著改善。相反，Ögün 等[16]利用基于上举（特指上肢在空中摆动的动作）的VR 游戏对缺血性脑卒中患者进行上肢功能训练，包括融入了日常生活活动能力任务导向性的四项训练：①抓握游戏；②融合上举动作的游戏，如用树叶和水果装饰一棵树；③厨房体验，如炒菜、加入调味品等任务；④击鼓游戏（训练上肢屈曲和伸展）。结果显示，VR 似乎能够改善上肢功能和自我照护技能，但对功能独立性没有明显改善。Brunner 等[17]研究发现，在亚急性期脑卒中患者上肢功能恢复方面VR 训练并不优于额外的常规治疗，但二者具有同样的效果，VR 可以作为常规康复治疗的一种辅助或替代手段，有着节省人力、物力，增加患者主动性、安全性、趣味性兼具治疗方案个性化的优势，可以实现患者出院回归社区后继续获得专业有效的训练以改善功能，提高独立生活能力和社会参与度。

2.2 平衡功能和步态

脑卒中后本体感觉、姿势控制和平衡等功能障碍导致患者出现中至重度的跌倒风险，严重影响其日常生活和社会参与能力。de Rooij 等[18]研究显示，加入VR 训练较传统的平衡、步态训练更具改善效果；另一项研究通过观测10 米步行试验、计时起立行走测试、Berg 平衡量表和Mini BESTest 等指标，证明VR较传统康复治疗对脑卒中患者的平衡和步态有显著改善[19]。一方面用VR 训练代替部分或全部传统训练在步速、平衡和综合运动功能方面均有明显改善；另一方面VR 用于康复的后续成本较少，就社会层面而言，VR技术节省了大量人工和时间，提供了便捷且较为正规的康复治疗；就患者家庭而言，VR 技术降低了后续治疗的经济成本且不受时间场地限制，个性化的训练方案正向促进康复进程[20]。与此相反，也有研究表示与传统的物理治疗比较，VR 技术在改善亚急性期和恢复期脑卒中患者的动态平衡和预防跌倒方面可能有效，但不一定优于传统治疗[21]。一项中等证据强度的研究显示，对于恢复期的脑卒中患者，VR 技术相比于传统训练具有显著增益作用，但对于急性期或亚急性期的患者平衡功能的影响尚不清楚，有待进一步研究[22]。

2.3 认知功能

高达80%的脑卒中患者存在认知障碍，表现在再入院率和死亡率的增加，同时也加重了医疗资源的压力[23]。Faria 等[24]通过Reh@City（在模拟城市中将记忆、注意力、视觉空间能力和执行任务整合到一些日常事务的执行中）进行对照研究，以Addenbrooke 认知评估量表为主要观测指标，证明VR 技术较传统疗法在整体认知功能、注意力和执行功能方面有更大的改善。Rogers 等[9]发现，使用定制的Elements VR 系统（需要患者调动注意力、推理和解决问题能力来辨别任务要求并推断出完成任务的正确方法）对21 例亚急性期脑卒中患者进行对照研究，1 个月后，实验组蒙特利尔认知评估量表、格罗顿迷宫学习测试和神经行为功能调查表得分明显优于传统治疗的对照组，并在随访中得以维持，提供了基于游戏设计的VR 系统对于脑卒中患者的认知功能恢复具有正向作用，且优于传统治疗的有力证据。Maier 等[25]发现仅针对某一特定认知能力的训练远远不能满足日常生活活动的需要，也不能充分刺激和训练大脑潜在的认知过程，通过沉浸在多模态任务环境中的虚拟角色，从第一人称具象化的角度提供游戏化任务导向，对随机分组的38 例患者进行自适应性连接认知训练，实验组在注意力、记忆、执行功能和空间意识计算方面的表现均优于常规对照组，结果有力地证明了VR 对于恢复期脑卒中患者的注意力和空间意识以及抑郁情绪有积极影响。此外，Wiley 等[26]荟萃分析结果表明，VR 治疗在改善脑卒中患者认知能力方面并没有明显优势，未来的研究应该包括高质量有力的试验来检验VR 治疗对脑卒中后认知的影响。

2.4 运动与认知

VR 技术对脑卒中后恢复期患者的上肢运动功能康复具有显著促进作用，上肢运动功能的恢复需要多样化和重复指定任务，认知损害程度和认知训练效果与脑卒中患者运动功能恢复之间有着重要关联，上肢运动功能的恢复相比较下肢更容易受认知的影响，认知障碍越严重，上肢运动功能恢复越差[27-29]。运动导向的VR 训练可改善脑卒中患者的注意力和记忆[6,30]。研究者使用Reh@Task（结合了手臂伸展，注意力和记忆训练的一项VR 技术）对24 例认知和运动障碍恢复期的脑卒中患者进行对照试验，使用VR 技术进行认知和运动训练的患者Fugl-Meyer 评分、改良Ashworth 量表、Barthel 指数均优于常规治疗组，结果支持了结合运动和认知训练的VR 工具的可行性[31]。Kannan 等[32]使用任天堂Wii（一款包含四个运动任务的VR 游戏）评估了认知运动训练的疗效，患者站在带有测力功能的平衡板上，同时进行三个不同的认知任务，反复提醒患者对平衡和认知两者给予同等关注，每场训练结束后给予分数反馈，作为运用VR 进行运动认知训练可以有效改善平衡控制和认知（意识和反应、执行功能和注意力）的证据，外界对注意力的干扰与自我能力认知的不足会对脑卒中患者的运动表现造成一定影响，因此在卒中患者运动和认知功能的训练中还应考虑二者之间的关系和影响[33]。

3 总结与展望

尽管有很多积极的研究结果，但仍有一些问题需要正视，一是患者通常存在多方面的功能障碍，仅仅关注运动或认知某一方面的治疗可能无法解决作为一个整体调控中枢的神经学问题；二是目前针对VR的应用研究结局指标的选择较为单一，规模较小，得出的结论还不够全面，证据等级还不够高。目前对于脑卒中后运动功能和认知功能的独立研究较多，且研究也已经发现二者之间存在的相互影响，但机制尚未明确。既往对于运动认知的定义在于心理层面是如何计划和产生技能动作，关注动作的准备和产生阶段以及再认知、预期和对他人动作的解释[34]，基于脑卒中后运动和认知二者之间的相互影响，我们试着将脑卒中后的运动认知详细化，是指个体对运动表现的自我认知，对自身能力与运动强难度之间契合度的认知水平，同时包括个体对周围环境，时机和对完成目标任务的影响因素的综合判断能力。例如判断在跨上一级台阶时下肢各关节应该如何协调抬至合适的高度、支撑侧躯体及下肢能否维持身体平衡，拿起一块豆腐需要用多大的力量；这些都需要个体对自身能力是否满足所执行的任务有正确的认知，类似于运动的前馈控制作用。VR 技术已经被应用于体育领域（运动员）运动认知的研究[35]，医疗领域对运动认知的关注少之又少，在现代Bobath 理念中[36]，理解高效的运动功能是理解临床推理的根本，帮助患者加深对运动的理解是康复的关键，高级运动认知有助于患者理解高效运动，转换到临床实施中可以具体为姿势控制，姿势控制是高效运动的根本，这其中包括了如何选择最佳的平衡策略，形成正确有效的运动模式、速度和准确性以及力量和耐力，我们应当更加关注高级认知脑功能和运动表现之间的关系以及二者之间相互作用的机制研究。VR 技术通过捕捉人的脑电波并传入电脑计算分析，进而给出表现反馈；改善大脑皮层功能或再激活，并优化感觉皮层的信息处理功能，一系列理论基础指向VR 对高级运动认知的作用及影响，具体的作用机制以及如何将高效运动与VR 紧密结合起来，将是一个值得研究的新领域，一旦机制明确，将为临床应用提供可靠依据。此外，有关VR 应用于恢复期脑卒中相应功能障碍最佳的训练频率、强度、时间以及某类定制的VR 技术是否适用于目标人群，都需要更细致的研究及进一步延长随访时间以期得到结论。