虚拟现实技术在脑卒中运动康复中的应用现状

王宏图

虚拟现实技术在脑卒中运动康复中的应用现状

王宏图

脑卒中患者的运动康复是虚拟现实技术应用的一个新领域。研究者们研制和利用不同的虚拟现实训练系统，对可能的影响因素进行观察后发现，光流速度、输出设备差异和提供反馈的类型均影响虚拟治疗的效果。对不同病程脑卒中患者疗效的研究证实，虚拟现实技术不仅能够改善脑梗死偏瘫患者的上肢和下肢运动功能，而且能够提高患者的日常生活能力；与机器人、减重平板训练等联合使用的初步结果安全有效。并在影像学研究方面找到支持使用虚拟现实技术的部分证据。这些研究对于虚拟现实技术的应用前景具有重要的临床意义。

脑卒中；康复；虚拟现实；运动；综述

[本文著录格式]王宏图.虚拟现实技术在脑卒中运动康复中的应用现状[J].中国康复理论与实践,2014,20(10):911-915.

始于20世纪60年代的虚拟现实(virtual reality,VR)技术研究成为近年来十分活跃的领域，是21世纪重要的发展学科和影响人们生活的重要技术之一。它涉及众多学科新的实用技术，集先进的计算机技术、传感与测量技术、仿真技术和微电子技术于一体。

1 虚拟现实技术的原理和软、硬件设备分类

虚拟现实是由计算机产生一个集多种感官刺激于一体的沉浸交互式虚拟环境，使用者借助必要的输入设备以自然的技能(如手的挥动、身体的运动等)，从各个角度操作三维虚拟环境中的物体，同时从输出反馈设备中得到视觉、听觉或触觉等多种感觉的反馈，使用者可进行下一步操作，这样达到实时交互，产生身临该虚拟环境的感受与体验。

虚拟现实技术的三个基本特征为3I，即沉浸(Immersion)、交互(Interaction)和想象(Imagination)[1]。

沉浸是指使用者通过多种方式与计算机所创造的虚拟环境进行交互，全身心地沉浸在计算机所生成的三维虚拟环境中，产生身临其境的感觉。交互是指使用者与虚拟环境中的对象进行相互作用。想象是使用者沉浸虚拟环境中，获取新的知识，提高感性和理性认识，产生新的创意和思想。

硬件设备在虚拟现实技术的发展中具有非常重要的作用。一个虚拟现实系统主要由信号输入和输出反馈两个部分组成。输入设备可以是键盘、数据手套、立体鼠标、数据衣等；输出反馈设备可以是头盔显示器(head mounted display,HMD)、桌面显示器、大屏幕投影(screen projection systems,SPS)等。根据沉浸的程度，虚拟现实系统分为沉浸系统和非沉浸系统。沉浸系统利用SPS、HMD、洞穴系统或视频捕捉系统等进行互动；非沉浸系统则通过鼠标或触觉设备、力量传感器等与虚拟环境互动[2]。

虚拟现实技术的发展与虚拟现实软件相辅相成。OpenGL是通用共享的开放式三维图形标准，常与Visual C++紧密接口；WorldToolKit(WTK)提供完整的三维虚拟环境开发平台；Virtools是一套具备丰富的互动行为模块的实时3D环境虚拟实境编辑软件；Vega主要应用于实时视觉模拟；Open Inventor是面向对象和交互式的专业3D图形开发工具包；OpenGVS用于场景图形的实时开发；EON是实时视觉效果与物理机制以及真实人体动作的有机结合体[3]。

2 虚拟现实胜于康复的作用机制和优点

虚拟现实技术运用于康复治疗时涉及重复、反馈和动机三个关键环节[1]。反复练习是康复治疗中学会一项运动技能的首要因素，但仅仅不断重复训练是不够的，还必须逐步获得成功的反馈和体验。视觉和本体感觉所提供的反馈，可以强化练习者在练习中的正确行为，维持练习者的动机水平和积极性，并获得愉快的成功情绪体验，促使其不间断地练习直至习得该行为。虚拟现实技术提供了重复练习、成绩反馈和维持动机三个关键要素的技术手段。

传统的康复训练耗费人力、物力较大，并且治疗是一对一的；治疗必须在医院或康复中心等专门的机构进行；训练强度和训练效果不易评估，训练场所和日常生活场所的差异不利于患者日常生活的康复；治疗过程枯燥单一，不易引起患者的兴趣，并受患者依从性制约。

与之相比较，虚拟现实的优势在于：①以自然方式与多种感官刺激的虚拟环境中的对象进行交互，使被动治疗成为患者的主动治疗；②一致性强，比治疗师更有耐心，患者可以反复观察模仿练习；③虚拟现实技术保障患者康复运动的安全性，减少了在真实环境中由错误操作导致的危险；④虚拟环境沉浸感强，内容丰富，反馈形式多样，使枯燥单调的运动康复过程更轻松、更有趣和更容易；⑤虚拟现实允许个性化设置，将运动训练、心理治疗及功能测评有机地结合起来，制定个体化康复训练计划；⑥虚拟环境中获得的运动技能可更好地迁移到现实环境中[4-6]。

3 虚拟现实技术在脑卒中患者运动康复中的应用

脑卒中患者的肢体运动康复是近年来虚拟现实技术应用的热门领域[7]。国内外的研究已经利用虚拟现实技术在该领域进行探讨，取得一定的临床资料和治疗成效。

3.1 下肢

重新恢复步行是脑卒中患者最重要的康复目标之一。步行康复标准治疗包括任务导向性训练、减重平板步行训练和训练步态前活动。包括虚拟现实技术在内的创新型技术正在用来辅助脑卒中后患者的步行康复。

Deutsch等首先使用力反馈的虚拟设备RutgersAnkle对1例脑卒中后9个月、依靠助行架的69岁男性患者进行踝关节控制驾驶虚拟飞机和小船的康复训练。研究发现，虚拟现实训练不仅提高该患者的踝背屈力量、外翻力矩和功率，而且改善患者的上下楼梯能力。由于研究中使用了Stewart平台机器人支持，故不能证明取得的疗效是应用虚拟现实技术的结果[8]。Mirelman等使用同样的虚拟设备对脑卒中后1年以上的部分足背屈、无辅助下步行15 m以上、大部分佩戴矫形器的患者进行对照观察发现，与单独使用Stewart平台机器人训练相比，机器人联合虚拟现实技术不仅改善患者在实验室内的步速和步行距离等时间参数，而且改善患者的社区内步行；该疗效能维持到治疗后3个月并实现部分患者无限制社区内步行[9]。进一步的运动学和运动力学研究证实，接受机器人联合虚拟现实训练的脑卒中偏瘫患者在足跟离地时踝关节功效增加更明显；踝的关节活动度改善更明显；站立相和摆动相的患侧膝关节活动度改善更大；髋关节则没有明显变化。大部分动力学和运动学变化保持到3个月随访时[10]。上述结果不仅证实虚拟现实技术的效果，还提示疗效的持续性，可为脑卒中患者的康复训练重点提供指导。

Yang等[11]和Walker等[12]均使用运动平板前的电视屏幕为参与者显示沿街道行走感觉的虚拟环境，并用头盔式传感器提供姿势反馈。研究观察到，与仅进行平板训练的参与者相比，虚拟现实结合减重平板训练的脑卒中患者在步行速度和社区步行测试上获得更大的改善，日常活动功能得到更大提高。Kizony等利用CAREN系统生成虚拟商店走廊，并对社区居住、脑卒中后3个月以上、能在自动调速的平板上步行和简易精神状态检查(MMSE)评分≥25的患者进行双重任务(认知和运动活动)对步态影响的对照观察。结果发现，无论是只进行平板训练还是平板训练同时完成在虚拟商店中购买商品的双重任务，脑卒中组均比健康对照组步行慢、步速的变异性更大和步长更短。双重任务条件中，步速和步长有提高的趋势；购买一件商品的双重任务条件中发现步速和步幅时间变异性有显著改善。因此，建议使用虚拟环境中的双重任务改善脑卒中患者的步行功能及日常生活活动能力[13]。

脑卒中后的步态时空不对称性大部分不能改变。Lewek等使用速度不同的双履带平板在虚拟环境中训练脑卒中患者，并通过GaitRite软件分析发现，经过6周训练，1例18个月前脑卒中致左侧偏瘫、有心律不齐既往史的60岁男性患者的步长对称性明显改善；另1例21个月前脑卒中致右侧偏瘫、既往患心内膜炎并接受过瓣膜修补手术的53岁女性的站立相对称性明显改善[14]。该结果提示，可通过“旋转”虚拟环境提供的视觉反馈和不同速度平板履带提供的本体感觉反馈的时空非对称性组合反馈，改善脑卒中慢性期的步态。但是，缺乏对照降低了该结果的信度。

国内学者将MyoTrac Train治疗仪、Sunlight-Tetrax平衡仪桌面式虚拟现实技术生物反馈系统应用于脑卒中后3周内患者中，结果发现，与常规康复比较，虚拟现实技术明显改善患者的肢体运动功能，提高患者日常生活能力[15-16]。该研究中没有详细描述脑卒中患者的人口学特征和疾病史。肖湘等利用街道、运动场、公园、森林、海景、沙漠、湖泊、城堡等虚拟场景对脑卒中患者同步进行减重步行训练(VR+BWSTT)。12例脑卒中后3个月内、辅助步行10 m以上的患者分为实验组(VR+ BWSTT)和常规组(常规物理治疗)，6名正常人作为正常对照。经过3周训练，Vicon Nexus三维步态分析发现，VR+BWSTT和常规物理治疗均改善脑卒中患者的步态；但VR+BWSTT在改善脑卒中患者的步长不对称性、髋关节最大后伸角方面更有优势[17]。该研究没有提及虚拟现实设备类型。张廷峰使用MR Cube运动控制魔方结合功能训练对脑卒中1个月内患者进行膝关节控制训练的对照研究。结果显示，经过8周训练，与常规康复治疗组相比，使用MR Cube运动控制魔方训练的患者下肢运动功能和平衡功能均有改善[18]。但由于该研究中同时使用肌电生物反馈仪，故结果缺乏说服力。

3.2 上肢和手功能

尽管已有的证据显示，脑卒中康复治疗的强度增加引起更好的运动恢复，但是虚拟现实技术对脑卒中上肢康复影响的证据甚少。

Jack等首次将Cyber-Glove和Rutgers Master II-ND(RMII)力反馈手套与WTK图像库组合的虚拟现实系统用于脑卒中后手功能的康复。对2例左侧大脑半球梗死、右利手、3年以上病程、2年内未接受过治疗的患者进行2周虚拟训练，发现每位患者拇指的运动范围、肌力、手指的分离运动和运动速度均有显著改善。证明该训练系统在改善脑卒中患者手功能方面的有效性和可行性[19]。但训练时穿插画图、堆卡片等现实环境训练，故不能证明取得的疗效是虚拟现实训练的结果。

脑卒中后应加强上臂和手熟练运动的干预。在使用新型虚拟现实系统的一个可行性研究中，Stewart等使用OpenGL和Ghost在C++编程4个3D可视性沉浸虚拟现实任务——击球、对捏、旋转魔方和伸手接住正方体，对2例70岁以上、病程超过2年的脑卒中偏瘫患者进行训练，证实虚拟现实可提高患者的上肢运动能力，但没有影响残疾水平。考虑可能与任务编程中手的训练项目少而上臂的训练项目多有关[20]。Subramanian等利用CAREN VR模拟系统的虚拟电梯操作场景，分别使用HMD和SPS进行训练时发现，无论健康人还是1年以上的脑卒中偏瘫患者，Optotrak系统记录的上肢终点轨迹直线性、肩关节屈曲和肩关节水平内收范围和矢状位躯干位移没有差异；但是在垂直方向，与使用SPS比较，使用HMD时错误更多、动作更慢和肘关节伸展范围更小。提示不同的输出设备影响虚拟现实训练的效果[21]。

van den Hoogen等在验证使用3D触觉互动设备进行康复训练时虚拟环境两个特征对疗效的影响——立体可视化(单屏图像显示vs.立体图像显示)和图形环境(2.5D vs.3D)的研究中发现，训练任务要求动作深度时，虚拟环境中使用立体显示受益明显；进一步研究发现，就患者的运动而言，2.5D环境产生的效率和准确性较高。但是训练任务不要求动作深度时，3D显示并不带来益处[22]。由此可见，虚拟任务的设计、布局以及输出设备和虚拟环境的类型均影响患者的功能恢复。

上肢预后恢复不满意争议之一可能是由于正常手功能的感觉加工和运动输出复杂。Merians等设计融合上臂、腕关节和手指运动的4个虚拟现实训练模块——混沌弹球、捕捉蜂鸟、敲木锤和演奏虚拟钢琴，并与机器人技术结合起来，对12例脑卒中后6个月以上、腕关节背伸大于10°、手指伸展10°以上的患者进行8 d的训练。运动学结果和临床评估表明，患者肢体近端稳定性提高，运动路线平滑度和效率提高，偏瘫手功能明显改善[23]。该研究中虚拟现实机器人治疗比常规治疗或提供更多的训练。观察融合功能性电刺激(functional electrical stimulation,FES)、机器人和虚拟现实三种技术的3D康复平台(SAIL)对5例脑卒中半年以上、不能伸肘伸手抓握患者的上肢影响时，Meadmore等为患者提供在虚拟环境中追踪一只沿设定轨迹移动的球的训练。经过18个阶段的训练，不仅发现SAIL的可行性，而且发现脑卒中患者训练后Fugl-Meyer评分改善，电刺激辅助和无电刺激辅助的虚拟训练时表现改善，辅助训练的电刺激量下降[24]。Shiri等则把虚拟现实和镜像反馈结合起来，在C++环境下开发自我面孔识别动作捕捉系统。该系统使用一只虚拟上臂模拟瘫痪的上臂，并通过镜像实现患者瘫痪上臂做很小的动作就能看到虚拟环境中自己完成正常的全关节活动。虚拟场景为摘水果、把物品分类上架、躲避炸弹接钱等。6例脑卒中后6个月内的患者接受常规康复的同时完成10个节段的虚拟现实治疗，虚拟训练中的表现和治疗前、治疗1周和3个月后随访，包括Brunnstrom分期、Fugl-Meyer评分、SF-36等在内的一系列临床功能评估结果不仅证实该系统是安全、可行的，而且证实患者的神经学状态和功能得到全面改善[25]。以上研究说明，随着科技进步，虚拟现实技术和多种技术的综合使用，有利于脑卒中慢性期患者上肢和手运动功能的恢复。缺乏对照条件影响说服力。

Cameirão等在开发以虚拟现实为基础的神经康复程序(Rehabilitation Gaming System,RGS)研究中设计了两只虚拟上臂在一个春天般的绿色虚拟环境中追逐移动球的训练。结果发现，RGS能被脑卒中患者高度接受，且其关键成分PTM(Personalized Training Module)允许在线自动调节任务的难度，并捕捉使用者双上臂的特殊特征。与健康人相比，脑卒中患者瘫痪侧上臂活动范围更小、速度更慢，非瘫痪侧上臂仅表现为速度明显减慢。20 min训练的结果显示，健康对照组在虚拟环境中的运动速度下降，而脑卒中组不变。脑卒中患者现实环境中双上臂之间的相对速度差异保留到虚拟环境中[26]。该研究中脑卒中患者的病程均在3个月以上。使用同样的RGS系统训练，da Silva Cameirão等在脑卒中后3周内、上肢中重度损伤(英国医学研究委员会肌力分级2～3级)患者中的对照研究中观测到，与常规治疗相比，RGS提高瘫痪上臂的速度更快，呈对数类型地持续改善。随时间推移，RGS组瘫痪侧上臂的表现接近非瘫痪上臂。明显的组间差异在随访时消失(治疗结束后12周)，提示RGS优先加快脑卒中后的恢复[27]。在此基础上，向脑卒中后1年以上、上肢中重度损伤的患者推广RGS时，Cameirão等进行了虚拟现实系统的视觉追踪(标准配置)、触觉和被动外骨骼支持3种不同配置的训练，对脑卒中患者上肢恢复影响的研究发现，视觉、触觉反馈组合改善患者的功能最明显，并且这种改善能够保持到治疗后12周随访时[28]。上述研究成果为脑卒中不同时期的虚拟现实康复策略设计提供了重要参考。

Turolla等对376例大脑中动脉区首次脑卒中且意大利版美国国立卫生研究院卒中量表评分上肢运动子部分在1～3分的住院患者(实验组263例，对照组113例)进行前瞻性对照观察。实验组每天接受各1 h的上肢常规治疗和虚拟现实治疗，而对照组为每天2 h的常规治疗。训练4周后发现，虚拟现实联合上肢常规治疗获得的改善明显高于单独上肢常规治疗。这是目前文献中证明脑卒中后虚拟现实有效的最大样本试验[29]。但资料收集时间超过10年是本研究一个较大的局限。

大多数虚拟现实研究设备复杂、价格昂贵，并需要专门人员。商用虚拟游戏系统成为研究者关注的方向。Saposnik等观察Wii系统(Nintendo Wii gaming system)对脑卒中后1个月内患者的训练效果时发现，2周治疗期间没有不良事件，并且Wii组患者的上肢功能改善更明显[30]。故推荐VRWii系统作为促进脑卒中后上肢运动恢复的一个康复手段。在脑卒中后1年以上，患侧拇指、肘关节和肩关节的随意屈曲运动活动范围≥10°的患者中，Mouawad等进一步观察到Wii游戏治疗明显改善患者的上肢主被动关节活动度。2个月后的随访结果证实患者的上肢功能继续改善，提示以Wii为基础的运动治疗有持续的疗效[31]。在该研究中，患者在家中使用第2套Wii系统进行训练。上述研究结果为出院在家居住和在偏远农村居住的患者进行虚拟现实治疗提供了事实依据。

国内虚拟现实技术应用较晚。有学者发现，虚拟现实上肢训练结合常规作业治疗能更好地改善脑卒中恢复期患者偏瘫上肢的运动功能，更有效地提高患者的日常生活活动能力[32-33]。联合开发的虚拟厨房操作避免了真实厨房操作时发生的跌倒、被物体碰伤及被开水烫伤等危险，更好地保证了训练的安全性[33]。进一步的表面肌电分析证实，虚拟厨房上肢训练结合常规作业治疗能更好地增强脑卒中恢复期患者偏瘫上肢伸肘力量，改善肘关节屈伸运动的协调性[34]。李文等结合表面肌电信号与Visual C++环境下开发的飞机射击虚拟环境，并对脑卒中患者进行训练尝试，发现这种组合认同性高，并且康复效果明显[35]。

4 虚拟现实技术在脑卒中康复中的作用机制

虚拟现实康复训练越来越多地被用来改善脑卒中患者的运动功能，但是其促进运动功能恢复的神经机制尚不清楚。You等用fMRI和标准运动测试来评估10例脑卒中后1年以上、膝关节伸展大于60°的患者使用IREX VR系统进行上下楼梯、海底冒险和滑板滑雪等虚拟训练前后兴趣区偏侧化指数的变化和运动恢复的程度，经过4周20个节段的训练，结果显示虚拟现实训练可引起大脑损伤同侧向对侧转移的感觉运动皮质重组[36]。这在脑卒中患者的运动功能恢复过程中起着重要的作用。Merians等在使用虚拟环境对偏瘫上肢进行康复的新方法的fMRI研究中也观察到，虚拟镜像反馈激活映射手对侧的感觉运动皮层(移动手同侧)，从而重组损伤的大脑半球[37]。但是Tunik等在对1例70岁、左侧轻瘫女性的患侧上肢进行2周10个节段的机器人联合虚拟现实训练中发现，训练后双侧大脑半球的初级运动皮层均有明显的激活[38]。上述结果说明，虚拟现实对脑卒中后皮层重组影响的机制尚有争议，造成差异的原因可能是研究条件和方法的不同。

Kang等在对照研究中记录受试者休息、使用真正镜子和虚拟镜子三种条件时的上肢桡侧腕屈肌的运动诱发电位(motor evoked potential,MEP)，结果发现脑卒中患者和健康受试者三种条件时的MEP振幅有明显不同的类型，虚拟镜像任务中MEP平均振幅的增加和平均潜伏期的缩短最明显。进一步研究发现，无论是健康受试者还是脑卒中患者，与连续视觉反馈任务比较，间断视觉反馈任务时MEP振幅更高，平均潜伏期更短。故他们认为间断视觉反馈的虚拟镜像任务促进皮层脊髓通路[39]。Bagce等则在脑卒中慢性期患者中发现，与虚拟图像变大或不变相比，图像变小明显改善脑卒中患者的动作表现和MEP振幅。提示虚拟反馈的图像调节可能是选择性调节M1活性一个强有力的方法[40]。由此可见，虚拟图像的大小、提供反馈的形式均影响虚拟治疗对大脑皮层的作用。

5 应用前景

虚拟现实技术应用于脑卒中患者的肢体康复训练已经取得了一定成绩。它具有反馈形式多样、环境与真实环境相似、可重复性、操作安全等优势，使枯燥乏味的运动训练变得容易、轻松有趣。但是很多试验存在设计上的问题，包括样本小、脑损伤的部位以及病理生理的选择标准没有一致的意见、脑卒中患者的病程长短不一、虚拟现实训练方案缺乏科学统一的标准等，需要具有大样本量的临床试验、严谨的随机对照设计以及合理的数据统计方法等高质量的研究来证实其价值[41]。

随着虚拟现实技术的不断完善以及相关技术的不断融合，相信脑卒中患者的康复训练将日臻完善，脑卒中患者的运动功能将得到更好的康复。

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Status of Application of Virtual Reality Technique in Motor Rehabilitation in Stroke(review)

WANG Hong-tu.Department of Rehabilitation Medicine,Tianjin Huanhu Hospital,Tianjin 300060,China

Using virtual reality(VR)-based technology in motor rehabilitation for stroke patients is a new field.The researchers developed different kinds of VR-based training systems and used those existed.They found some possible variables that influenced outcome,including optic flow,different output device and feedback type that provided.The data from the stroke patients with hemiparesis in different stages demonstrated that training with VR-based training paradigms contributed in motor function and activities of daily living.Moreover, they also proved that training with VR-based training systems combined with robot and/or partial body weight-supported treadmill training was safe and effective.It also presented some evidences that supported VR-based technology in the neuroimaging studies.Overall,these studies had important clinical implications for the development of future VR training protocols.

stroke;rehabilitation;virtual reality;motor;review

10.3969/j.issn.1006-9771.2014.10.004

R743.3

A

1006-9771(2014)10-0911-05

2013-11-25

2014-01-06)

天津市环湖医院康复医学科，天津市300060。作者简介：王宏图(1972-)，男，汉族，河北唐山市人，硕士，副主任医师，主要研究方向：神经康复。