基于沉浸式虚拟现实技术的助步车自然步行康复训练改善卒中患者行走能力

孔倩倩，林少英，何丹，张赫娱

步行能力损害见于约3/5 的卒中幸存者[1]，其发生与卒中导致的肌力及肌张力障碍、感觉异常、平衡和协调问题、认知功能下降、疲乏等因素相关[2,3]，严重限制了卒中患者的日常生活，增加其跌倒风险，并对其身心健康和生活质量产生重大影响[4]。

早期和持续的步行康复训练可有效提高卒中患者的步行能力[5]，但传统训练方案强度及重复性较高，趣味性欠缺，部分患者在训练过程中难以得到有效及时的正向反馈；同时，其康复过程对康复治疗师的数量、康复训练场地、患者的经济状况及安全保障体系亦有很高的要求[6]。所以，亟需新的康复技术作为辅助治疗手段以提高卒中后步行障碍的康复治疗效果和依从性。

从运动学习角度看，虚拟现实（virtual reality，VR）技术在步行康复领域的应用为长时程、高强度、任务导向、多感官正向反馈训练提供了可能[7]。VR 技术目前主要用于上肢功能的恢复[8]，而步行能力的康复由于受肌力、平衡、协调等多方面因素制约，发展相对滞后。一项针对65 岁以上老龄人群的随机对照试验中，8 周的VR 康复训练联合传统康复训练可以显著改善参与者的下肢力量、平衡和行走能力[9]。各种VR系统对卒中后患者平衡、行走功能及社区独立活动能力的恢复也有促进作用[10]。但既往研究多针对6 个月以上的卒中患者[11,12]，且采用半沉浸式VR 训练[13,14]，所结合的康复机器人或跑步机等设施并不是基于自然行走状态[15,16]，且价格昂贵，不适于家用。

基于此，本研究拟进一步观察在常规训练的基础上联合基于沉浸式VR技术的助步车自然步行康复训练对缺血性卒中患者平衡及行走能力的影响。

1 资料与方法

1.1 一般资料

本研究纳入2019 年7 月至2021 年12 月我院收治的缺血性卒中患者40 例。入选标准：①诊断符合《缺血性卒中基层诊疗指南（2021）》标准[17]，有急性起病的神经功能缺损症状和体征，经头颅CT 或MRI 证实为脑梗死；②发病3个月以内，生命体征平稳，意识清晰；③年龄18～70 岁；④能够独立行走＞10 米（依靠或不依靠辅具）[4,13]；⑤认知及言语功能正常。排除标准：①非脑血管病引起的平衡和步行功能障碍；②有显著的视觉和听觉功能障碍；③有精神、认知障碍及不能配合检查；④有重要脏器功能减退或衰竭。本研究经本院医学伦理委员会审核批准，所有患者在入组前均签署知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 训练方法 使用随机数表法将患者随机分为对照组和观察组。对照组接受言语指导下的常规步行训练，包括重心转移训练、走直线训练、绕圈训练，3次/周，共4周；观察组患者在对照组训练基础上增加VR联合传感助步车自然步行康复训练，30 min/次，3 次/周，共4 周。2 组的训练各由1 位医生指导。在训练前（第0周）和训练后（第4周）由1名对分组不知情的独立评估人员进行评估。

1.2.2 基于VR 的步态康复系统和静平衡检测系统本研究所采用VR步态康复系统包括：①一台可升降传感助步器，用于采集患者行走当中的生命体征和步态数据，并在患者在行走不稳时给予支撑；②标准化商用VR设备HTC Vive Pro，包含1个头显、2个手持控制器和4个HTC独立定位器；③基于VR技术的步行康复训练场景（图1），包括：基础动作练习、基本路径训练、过马路训练。其中，基础动作练习主要用于熟悉场景和设备；路径训练中为患者指定固定训练路径（直线、S型、L型和O型路径），可在训练时针对患者步速偏差、重心偏移、步距的不对称性等问题给予实时提醒；过马路训练以日常生活典型场景为训练环境，患者需自行规划路线，躲避行人和障碍物，根据红绿灯的提示在斑马线处横穿马路，最终到达目的地。④静平衡检测仪通过测压元件测量压力中心，采集患者不同姿态站立时的静平衡数据[18]。

图1 基于VR的步态康复训练场景

1.2.3 观察指标和评价标准 收集所有患者的临床资料，并由2名临床医生进行神经系统体格检查，完善头颈部CTA及颅脑MRI检查。

所有患者治疗前后均有平衡及行走能力的评估。主要包括：①通过Barthel 指数（Barthel Index，BI）评估患者的日常生活能力[19]；②通过Tinetti 平衡和步态量表（Tinetti Balance and Gait，TGS）评估患者的平衡和步态情况[20]；③通过10 米步行试验（10 Meter Walk Test，10MMT）评估患者的步行速度[9]；④通过Romberg试验[21]和平衡检测仪[18,22,23]评估患者站立时的静平衡能力；⑤通过传感助步车采集步态信息以评估患者行走过程中重心控制能力：主要包括步幅和重心各向偏移量[23]；⑥记录研究中不良反应和治疗失败次数，作为治疗安全性指标。

1.3 统计学处理

2 结果

2.1 人口学资料

入组的40 例缺血性卒中患者，纳入对照组21 例，观察组19例；2组一般资料差异无统计学意义，见表1。

表1 2组人口学资料比较[(±s)或例或例(%)]

组别对照组观察组P值例数21 19年龄/岁55.10±2.33 49.74±2.74 0.142男/女8/13 11/8 0.342身高/cm 160.90±1.42 164.50±1.74 0.113体质量/kg 61.86±2.21 61.79±2.20 0.983高血压13(61.90)13(68.42)0.748糖尿病8(38.10)9(47.37)0.750发病时间/d 8.19±0.85 8.53±0.81 0.778

2.2 平衡能力改善情况

Romberg 试验检验患者平衡能力的结果显示：训练前，对照组2例患者睁闭眼均发生摇晃，2例患者在闭眼时发生摇晃；观察组3例患者睁闭眼时发生摇晃，2 例患者在闭眼时发生摇晃。训练后，所有患者完成Romberg动作时均未发生摇晃。

平衡检测仪对患者静平衡能力的检测结果（表2）显示，2组训练前静平衡能力差异无统计学意义。训练后，①对照组在双足站立+双手叉腰/前伸+睁眼动作下，重心总移动速率及垂直移动速率较训练前明显改善（P＜0.05）；在双足站立+双手叉腰+闭眼动作下，重心垂直移动速率较训练前改善（P＜0.05）；双足站立+双臂前伸+睁眼动作下，重心总移动速率、垂直移动速率较训练前改善（P＜0.05）；在双足站立+双臂前伸+闭眼动作下，重心总移动速率、垂直移动速率、水平移动振幅及重心覆盖面积均较训练前明显改善（P＜0.01）；②观察组患者，除双足站立+双臂前伸+闭眼动作下，重心垂直移动振幅较训练前无改善，其余动作重心总移动速率、水平移动速率、水平移动振幅、垂直移动速率、重心覆盖面积均较训练前改善（P＜0.01）；③2 组患者训练后，在睁眼情况下，观察组患者双手叉腰时重心水平移动振幅和重心覆盖面积较对照组显著减少（P＜0.05）；而双臂前伸时，重心总移动速率和垂直移动速率较对照组显著减少（P＜0.03）。

表2 观察组和对照组训练4周平衡数据

2.3 行走功能和日常生活能力改善情况

TGS 评估患者的平衡和步行功能改变结果显示，康复训练后，2 组的平衡和步态能力均高于训练前（P＜0.01），但2 组间的改善程度差异无统计学意义。进一步，10MWT监测结果显示，康复训练前，对照组和观察组患者的步行速度分别为（0.67±0.03）m/s 和（0.66±0.02）m/s，提示2组患者均有社区步行能力的受限。康复训练后，对照组和观察组患者的步行速度提高为（0.75±0.02）m/s 和（0.75±0.01）m/s，均高于训练前（P＜0.05、0.01）。最后，BI 评估发现2 组训练后日常生活能力均较训练前明显改善（P＜0.01），但2 组间步行和日常生活能力的改善程度差异无统计学意义（P＞0.05），见表3。

表3 2组训练4周行走及日常生活能力

通过传感助步车采集患者的步态信息分析结果显示，2 组的平均步幅在训练后均有所提高（P＜0.05、0.01），但2 组间差异无统计学意义。直线行走过程中患者重心向右偏移量在训练后较前缩短，且观察组缩短程度更明显（P＜0.05）。观察组训练后重心向上偏移量较训练前也有所缩短（P＜0.01），见表3。

在训练过程中，2组患者无跌倒及卒中进展发生。观察组出现头晕4 例、疲劳4 例、视物重影1 例、头痛1例；对照组出现头晕2 例、疲劳7 例，恶心1 例、腰痛2例。休息后均可缓解，无患者因不良反应终止训练。

3 讨论

平衡与步行能力的恢复是提高卒中患者生活质量的基础，也是康复治疗的重点[24]。尽管大多数研究表明基于VR的步行康复训练是传统训练方式的有益补充，但是这些研究中VR接口多基于机器人和跑步机等设施[25]。而研究报道基于自然行走的训练对于恢复步态的对称性和运动能力有更明显的作用[26]。因此，本研究的目的是比较基于VR技术的助步车自然步行康复训练与传统步行训练对卒中患者行走能力恢复的影响。结果提示4 周的传统步态训练联合基于沉浸式VR 技术的助步车自然步行康复训练能有效提高卒中患者静止和运动时的重心控制能力，改善患者的行走和日常生活能力，与既往急性和亚急性卒中患者无法从VR训练获益的观点不同[27]。

本研究进一步发现，在步幅、步速以及步行和日常生活能力量表的评估中，2组训练方案对平衡和行走功能的改善程度类似。其原因包括：①本研究所采用的VR训练方案和传统步行训练方案原理相似，可能导致类似的训练效果[9]。②在VR环境中，自然行走的速度下降，步幅缩短[28]，缩小了本研究中的组间差异。③传统康复量表不够敏感。因此，当使用平衡检测仪和传感助步车检测患者静平衡和行走中的重心控制能力时，部分指标提示观察组康复效率更高（P＜0.05），支持将其作为传统康复训练的有益补充。这也与meta分析显示非自然行走状态下，基于VR的平衡和步态训练仍然优于传统康复措施的研究结果相一致[29]。

在本研究中，我们自主开发了基于自然行走的VR步行训练系统来满足特定的需求：①训练环境从简单的路径训练，到复杂的认知-步态综合训练，每个任务具有广泛、可调节的难度范围，符合神经系统可塑性的建立原则[30]；②卒中患者站立或行走时重心控制能力下降是步行障碍的成因之一[31]。因此，本VR系统针对患者训练中重心变化给予可视化提醒，结果发现训练后观察组站立或行走时重心偏移程度显著小于对照组。③认知-步态双任务执行能力与卒中患者能否顺利回归社会有密切关系。既往有研究通过VR康复游戏训练患者的双任务执行能力，例如虚拟健身、滑雪游戏、障碍物躲避游戏、球类游戏等[32]，发现其较传统康复训练能更加有效的改善患者的平衡、步频和步速。本研究的训练任务在借鉴既往游戏思维的基础上，通过更加日常的过马路场景，帮助患者进行更加安全实用的双任务步态和社区训练[23]。④尽管本研究入组的患者已具备独立行走能力，但为了增加独立训练的安全性，我们采用了传感助步车进行辅助行走。据报道，卒中后早期大脑可塑性和结构重组能力更高[33]，因此传感助步车的引入有助于患者更早投入步行康复训练，以获得更好的疗效。

本研究存在一定局限性：①样本量相对较小。②治疗师和患者无法对治疗分组保持绝对盲法。为减少偏倚，本研究中评估人员对分组情况并不了解。同时，我们在传统步行康复训练中选取了与VR系统相似的行走路径，并延长了训练时间，以更好地控制偏倚。③没有提供随访数据，无法观察训练的长期效果。

综上，本研究发现卒中后早期联合基于沉浸式VR技术的助步车自然步行康复训练有助于恢复轻型卒中患者的平衡和步行能力。建议未来扩大样本量，以探索沉浸式虚拟现实的更多应用。