虚拟现实技术在脑卒中患者平衡功能康复中的应用进展

周婷婷，蔡婷婷，袁长蓉

（复旦大学护理学院，上海 200032）

脑血管疾病目前已跃升为我国国民死亡原因之首，其中脑卒中是单病种致残率最高的疾病[1]。全球每年约1 200万脑卒中患者中近80%伴有运动功能受损，需要进行全面的康复锻炼[2-3]。其中，平衡功能障碍是脑卒中患者常见的运动功能障碍，与患者日常生活、跌倒风险等密切相关[3]。有效的康复是减轻脑卒中后功能残疾、改善患者预后的重要方式[4]。脑卒中患者的康复是长期的过程，传统的康复方式受医疗资源可及性和患者依从性等因素的影响，往往难以达到理想的效果[5]。随着智慧化技术的发展，虚拟现实（vir‐tual reality，VR）技术在解决上述局限性方面展现出较大优势。VR是通过计算机对复杂数据进行可视化操作和交互的一种创新形式[6]，可为患者提供逼真的虚拟环境和积极的任务性训练，包含重复练习、训练反馈和动机维持3个关键要素[7-8]。目前，VR已经在脑卒中患者平衡功能康复中得到了较多应用[9]。本文现就VR技术在脑卒中患者平衡功能康复中的应用进行综述，以期为临床实践提供借鉴。

1 用于脑卒中患者平衡功能康复的常见VR技术概述

在实际场景中，VR技术的应用多以系统的形式呈现。根据其广义内涵进行分类，包括桌面式VR系统、沉浸式VR系统、增强式VR系统和分布式VR系统4种模式[6]。目前，VR技术在脑卒中患者平衡功能康复中的应用以桌面式VR系统和沉浸式VR系统为主。桌面式VR利用计算机屏幕作为用户观察虚拟世界的窗口，成本低且易于实现，但沉浸感欠佳。沉浸式VR则需用户穿戴头盔、数据手套等传感跟踪装置与虚拟世界交互，具有良好的沉浸感和系统整合优势。此外，根据不同的康复目的，参与者需要借助特殊的输入/输出设备与虚拟世界中的事物进行交互。其中，VR输入设备通常包括三维定位跟踪设备、人体运动捕捉设备等，如常用的Wii平衡板是一种平衡测试平台，可测量施加在其上的重量和压力，并通过压力中心的位移变化评估患者的平衡能力[10]。Kinect相机是一款便携式红外摄像仪，可实时捕捉患者的运动和姿势[11]。VR输出设备通常包括视觉显示器、声音显示器和力/触觉输出显示器。视觉显示器可通过计算机、头戴式显示器等设备的屏幕显示所交互的虚拟环境；声音显示器通过耳机或外部扬声器的形式输出声音；力/触觉输出设备主要有数据手套、力反馈操纵杆等。

2 VR技术在改善脑卒中患者平衡功能方面的应用

平衡功能是由肌张力、感觉输入、大脑整合作用、神经交互和骨骼肌系统多个因素综合作用的一种复杂功能，是人体处于稳定状态以及运动或受到外力作用时，能自动调整并维持姿势的能力[12]。VR技术在改善脑卒中患者坐姿平衡及站立平衡方面均有相关应用。

2.1 坐姿平衡坐姿平衡障碍在脑卒中患者中发病率很高，会影响其倾斜和伸展活动。VR技术通过模拟相关运动可有效改善脑卒中患者的坐姿平衡。①VR独木舟划桨训练。Lee等[13]以近6个月内诊断为亚急性脑卒中的患者为研究对象，对观察组患者进行每周3次、每次30 min的VR独木舟划桨训练，持续干预5周，并通过改良功能伸展试验和姿势摆动试验评估患者平衡功能的改善情况。该训练过程模拟了实际独木舟行驶过程中发生的左右摆动，患者坐在固定于跳板的椅子上，并通过安全带固定，双手握住独木舟划桨配件，一边划水一边保持姿势平衡，患者通过观看其正前方的屏幕了解自身划行的具体情况。每次训练包括3个部分：第1部分为5 min的“自由练习”环节，让患者进行热身并熟悉游戏内容；第2部分为15 min的“定时划行”环节，其间为每位患者建立划水距离的个人记录；第3部分为10 min的“竞赛”环节，患者通过与护理人员或治疗师竞争来提高自己的表现。该研究结果表明，基于VR游戏的独木舟划桨训练是一种有效的康复治疗方法，与传统康复手段相结合可增强亚急性脑卒中患者的上肢功能和姿势平衡。②VR交互式踏板训练。也有研究者[14]以确诊时间超过6个月的慢性脑卒中患者为研究对象，进行每周5次、每次40 min的VR交互式踏板训练，持续干预6周，并采用改良功能伸展试验、姿势摆动试验和躯干损伤量表来评估患者平衡功能的改善。该训练过程模拟了患者坐在自行车上进行交互式踏板的过程，并使用智能手机摄像头对患者进行运动跟踪。当患者开始踩踏板时，其前方的屏幕即可同步显示出道路前进的画面。每次训练包括5 min手臂向上伸展运动、5 min缓慢踏板运动、25 min的主要运动和5 min的冷却运动。该研究结果表明，基于VR的坐姿交互式踏板训练有利于增强患者坐姿平衡和躯干控制。③VR坐姿训练的注意事项。基于以上相关训练，Sheehy等[15]的研究提出，脑卒中患者在参与各类坐姿VR游戏时所产生压力中心位移出现了差异，提示在为脑卒中患者选择游戏时需根据康复目标匹配游戏的挑战难度。

2.2 站立平衡步行是脑卒中偏瘫患者的重要康复目标，站立平衡则是患者保持站立姿势及开始步行活动的重要前提条件。结合VR的平衡训练可促进脑卒中后患者平衡功能的改善，通过有效刺激提高患者站立时管理身体摆动的能力[16]。①结合VR游戏的步行训练。Fishbein等[17]以脑卒中后偏瘫至少1年、在有或没有支撑的情况下能够进行10 m常规步行的患者为研究对象，实验组每次进行约30 min结合VR游戏的跑步机步行训练，每周2次，持续4周，并采用10 m步行测试、定时启动、功能伸展测试和Berg平衡量表评估患者站立平衡功能的改善。训练时，患者完成10 min的热身锻炼后，在绑有安全带的情况下开始在跑步机上行走，跑步机前安装有用于显示虚拟画面的屏幕和用于捕捉患者运动的摄像头，患者需在步行的同时完成屏幕上的VR游戏任务，如上肢击打不同方向出现的虚拟障碍物、擦拭虚拟窗户上的污垢等。该研究结果表明，与单独跑步机步行训练相比，VR游戏结合的跑步机步行训练在改善患者步行能力和平衡功能方面具有更加显著的效果。②VR技术康复机器人辅助的步态训练。Park等[18]将VR技术与康复机器人相结合，以诊断脑卒中超过6个月、在有或没有支撑的情况下能够步行10 min的患者为研究对象，实验组实施结合VR的机器人辅助步态训练，每次45 min，每周3次，共持续6周，干预前后采用10 m步行测试、定时启动、Berg平衡量表等评估患者平衡功能和步态的改善。在训练过程中，患者穿戴具有传感装置的康复机器人设备模拟正常步态在跑步机上行走，两者之间的相互作用力程度通过传感器表现为屏幕上化身的移动，患者即可参与屏幕上所显示的躲避障碍物、捕捉动物等VR游戏。结果表明，训练后患者步行能力和平衡功能均得到改善。③其他VR站姿平衡训练。Kumar等[19]将VR平衡训练游戏与操作性条件反射相结合，使偏瘫患者站在两块平衡测力板上，测量患者在重心转移的VR游戏中每条腿的压力中心位移，并采用操作性条件反射的方式促使患者在游戏过程中更多地使用其瘫痪的下肢，以解决脑卒后患者习得性不使用瘫痪腿的问题，并以此改善患者的平衡功能。

3 VR在脑卒中患者平衡功能康复中的其他应用效果

3.1 可降低患者的跌倒风险跌倒可以发生在脑卒中的各个阶段，包括急性期、康复期和慢性期。平衡功能障碍会增加患者跌倒发生的风险。有研究[20]表明，14%～65%的脑卒中患者在住院期间至少跌倒过1次，37%～73%的脑卒中患者在出院回家后的6个月内发生过跌倒。而有效的康复锻炼是预防跌倒发生的重要措施。Cortes等[21]以在12个月内诊断为急性脑卒中、能够在站立状态下保持平衡10 min的患者为研究对象，实验组进行每周3次、每次45 min的沉浸式VR康复游戏，持续干预2个月后，采用特定活动平衡信心量表和跌倒效能量表评估患者的跌倒风险。在所有游戏环节中，患者均处于站立状态，并通过头戴式显示器和手持控制器与虚拟环境进行交互，虚拟游戏场景包括国家公园、太阳系、徒手攀岩和居家厨房。有2个运动跟踪基站用于追踪患者的运动，所有过程由1名治疗师进行监督和指导。该研究结果显示，基于沉浸式VR的干预提高了脑卒中患者与跌倒相关的平衡能力，也减轻了患者对跌倒的恐惧。Pedreirad等[22]以确诊时间超过6个月并出现偏瘫的脑卒中患者为研究对象，实验组进行每周2次、每次约45 min的VR康复训练，持续干预3个月，并比较VR康复干预前后患者平衡功能和跌倒发生率。训练过程包括15 min的热身和45 min的体感游戏，游戏包括网球、呼啦圈、足球和拳击。该研究结果显示，VR平衡训练可使脑卒中患者的平衡功能得到改善，跌倒发生率也显著降低。

3.2 有助于提高患者的康复依从性多数脑卒中患者出院后仍需进行持续的康复锻炼[23]。有研究[24]指出，脑卒中患者最佳的康复时期为发病后的半年。其中，出院后康复效果不明显、出现相关并发症、缺乏专业人员的监督指导等因素是影响患者出院后康复积极性及依从性的重要因素。VR技术能够为患者提供丰富有趣的虚拟环境，并通过激励、反馈的方式增加患者康复锻炼的信心。Held等[25]将远程康复与VR技术相结合，以首次诊断为脑卒中的患者为研究对象，康复计划为期12周，并通过实际训练天数与计划训练天数之比评估患者康复的依从性。该远程自主康复平台包括患者站、医院站和网络站3个部分。在康复计划开始前，康复治疗师进行每周随访并根据患者情况制订具体到每天的周康复计划，每天训练时长持续10～40 min。患者站使用的主要设备包括测力板、Kinect摄像仪、计算机和电视显示屏，患者可以在电视显示屏中看到自身的动作，同时屏幕中的虚拟治疗师会在每个训练部分指导患者。检测到错误姿势时，虚拟治疗师将在屏幕中出现并解释执行游戏所需要的正确姿势，且会在结束后给予总结。医院站的医生也可根据网络站收集到的前1周数据及治疗师每周随访的结果调整游戏之间的组合、游戏难度水平和持续时间。在该研究中，患者平均完成了71%的预定康复计划，且未出现相关不良事件。Bellomo等[26]也将远程康复与VR技术相结合，以慢性卒中门诊的患者为研究对象实施了一项为期12周的居家康复锻炼计划，且更加强调康复训练时陪伴者的作用。正式训练开始前，康复治疗师需要对患者及其陪伴者进行信息培训，陪伴者还被指导应如何在患者需要时帮助和支持患者，需要时可电话联系康复治疗师。训练结束后，患者或其陪伴者需要将康复数据通过网络上传，以便康复治疗师远程监控患者每天所进行的训练，并给予相应的指导和建议。

3.3 有利于改善患者心理状况脑卒中发生后患者面临着身体机能缺失、社会角色受影响等问题，易出现焦虑、抑郁等不良心理状况[27-28]。其中，抑郁在卒中后5年内的综合发生率为31%，如不能及时发现和治疗，将影响患者神经功能的恢复和重返社会的能力[29]。近年来，越来越多的证据证实了VR技术在改善患者心理状况方面的有效性。在一项针对脑卒中患者应用VR游戏训练和传统康复方式进行平衡训练的随机对照研究中，VR干预组患者相较于对照组患者表现出了更加强烈的愉悦感[30]。许楠婕等[31]研究者探讨了基于VR的平衡康复训练对脑卒中后发生倾斜综合征患者平衡功能及抑郁状况的作用。观察组选择了3种不同类型的平衡训练，包括轨迹追踪训练、采蘑菇训练和行走训练。训练过程中，患者站在训练踏板上，依次进行3个游戏，每个游戏10 min，每周6次，持续4周。该研究结果表明，基于VR技术的康复训练不仅可改善患者的平衡功能，也可有效改善患者的抑郁状态。

4 目前研究的不足与展望

基于VR技术的康复训练在改善脑卒中患者平衡功能、降低跌倒风险、提高康复依从性和改善心理状况等方面具有独特的优势，有望成为传统康复手段的有效辅助方式。同时，VR技术也有利于减轻脑卒中患者的康复负担，提升其康复体验。但现有VR技术在脑卒中平衡功能康复领域中的应用仍存在着一定不足：①多数研究样本量较小，在训练时间、训练强度上也存在差异，缺乏标准化的康复训练体系；②多数研究所采用的VR康复训练内容大多使用现有的游戏，较少针对脑卒中的特点定制相关游戏；③现有研究多是针对本身具备一定步行能力和认知状况的患者开展，较少研究关注VR技术在步行能力和认知状况欠佳的脑卒中患者中的应用。因此，后续仍需要进行大样本、高质量的研究，以进一步探讨VR技术在脑卒中患者平衡功能康复中的应用；并通过开展多学科团队协作，推动VR技术在脑卒中康复领域的实践与发展。