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沉浸式虚拟现实技术在脑卒中病人康复治疗中应用进展

2024-05-16 81 上传者：管理员

摘要：阐述沉浸式虚拟现实技术的发展以及在脑卒中康复中的应用，总结目前存在的问题，指导沉浸式虚拟技术在该领域的继续研究。

关键词：
康复
沉浸式虚拟现实技术
脑卒中
虚拟现实技术
血管阻塞
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脑卒中是由于脑部血管突然破裂或因血管阻塞导致血液不能流入大脑而引起脑组织损伤的一种急性脑血管疾病，是全世界成人的第二大死亡原因和第三大致残原因，具有高发病率和高致残率的特点[1,2]。有效的康复治疗能够减轻病人在运动、语言、感觉及认知等方面的障碍，提高其生存质量，节约医疗成本和社会资源。近年来，除了传统康复技术外，虚拟现实技术(VR)作为近年来发展迅速的新兴康复治疗手段，也被运用于脑卒中病人的康复中。现将沉浸式虚拟现实技术在脑卒中病人康复治疗中的应用进展综述如下。

1、虚拟现实技术的概述

虚拟现实技术是一种具沉浸感，允许用户在计算机生成的模拟视、听、触一体化的仿真环境中进行人机互动的技术。

基于沉浸感水平，虚拟现实技术可分为沉浸式以及非沉浸式模式两大类。非沉浸式模式通常是通过使用电脑和主机游戏系统(以及非游戏实验室生成系统)生成的，所开发的治疗方法被称为基于游戏的康复治疗游戏、基于数字游戏的治疗等[3]。在这里计算机生成的虚拟现实环境视觉方面被呈现在传统计算机显示器上或投影到屏幕上，受试者通过操纵杆或其他控制装置来控制其在环境中的运动。虽然受试者能看到立体图像，但缺乏真实现实体验感，用户并没有沉浸在虚拟环境中[4]。

沉浸式虚拟现实可通过结合计算机、头戴式显示器(HMDs)、身体跟踪传感器、专用接口设备和实时图形在三维环境中提供更全面的虚拟现实体验，让参与者沉浸在计算机生成的模拟世界中，该世界随着参与者头部和身体的运动而自然变化。在完全沉浸式虚拟现实系统中主体只能看到计算机生成的图像，而其他部分被阻止观看。除利用头戴式显示器，沉浸式虚拟现实系统还可以使用触觉设备、运动跟踪器、数据手套和无线控制器作用于用户的视觉、听觉或触觉，用户可以感知纹理，甚至是温度[5]。此外，还可以将虚拟现实跑步机用于沉浸式虚拟现实疗法，允许用户在适当的位置跑步或移动，解决了虚拟现实疗法常见的空间限制这一问题[6,7,8,9]。

2、沉浸式虚拟现实在脑卒中病人康复治疗中的应用

2.1干预方法

不同研究的干预时间不同：从2周[10,11]到9周[12,13]不等。多数研究在4周内进行[14,15,16,17,18,19,20],少数研究[21,22]是在6周内进行，而Jung等[23,24]的干预持续了3周，Kim等[25]的研究持续了8周。总体干预频率每周2～5 d,疗程持续时间20～120 min[10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25]。多数研究比较了一个试验组(接受虚拟现实治疗)和一个对照组(接受常规治疗)的表现[10,11,14,16,17,20,21,22,23,24]。然而在Kang等[18]的研究中光流组接受在光流调控(通过操纵光流速度使受试者调整步态)下的跑步机训练，跑步机组和对照组分别接受常规跑步机训练和关节活动训练。Hsu等[12]将54例参与者随机分为传统职业治疗(COT)组、镜像治疗(MT)组和基于虚拟现实的MT(VR-MT)训练组。除了20 min的特定任务训练外，VR-MT组、MT组和COT组病人分别接受30 min VR-MT、30 min MT治疗和30 min COT训练。在Kim等[25]的研究中3组都进行了跑步机步态训练，但沉浸式虚拟现实组和其中一个跑步机组接受了功能性电刺激(FES)。

2.2用于促进上肢康复

沉浸式虚拟现实训练能提高脑卒中病人的上肢Fugl-Meyer运动功能评估量表(FM-UE)评分，在促进上肢康复方面具有优势[10,13]。Ögün等[22]利用侧重于抓握和处理的任务导向型游戏对病人上肢特定功能(握力、复杂手势完成度、完成任务时手和前臂的运动)进行干预，6周后虚拟现实组FM-UE、上肢动作研究量表(Action Research Arm Test, ARAT)、功能独立性量表评定(Functional Independence Measure, FIM)和自我护理量表(Performance Assessment of Self-Care Skills, PASS)评分均显著高于对照组(P<0.05)。且其中FM-UE和ARAT的最小临床差异(MCID)高于MCID临界值，FIM评分低于MCID临界值。沉浸式虚拟现实康复能有效改善病人上肢功能和自我护理能力，但并没有改善功能独立性。Lee等[26]使用头戴式显示器对12例卒中病人进行上肢康复，结果显示使用头戴式显示器进行卒中后上肢康复是可行的，没有发现严重不良反应。Subramanian等[17]也发现使用虚拟现实环境训练后病人肩部水平内收时“针对目标改变”更明显，可正确瞄准同侧下、中、上目标(P<0.01)。Mekbib等[10]认为虚拟现实训练能增加初级皮层与颞上回等区域的血流灌注，干预后病人的神经特别是在涉及镜像神经元(MNs)的大脑区域，如初级运动皮层活动会增加，但目前具体理论机制仍不明确，需进一步研究。

但也有研究呈现了不一样的结果。Hsu等[12]研究结果显示FM-UE评分组时间交互效应无统计学意义(P=0.075),但FM-UE腕部子量表得分(P=0.012)和组块测试(P=0.044)的组时间交互效应有统计学意义。Weber等[19]研究显示沉浸式虚拟现实镜像治疗慢性脑卒中病人后其上肢FM-UE评分略有改善但没达到统计学意义(P=0.084),ARAT评分差异也无统计学意义(P=0.330)。Crosbie等[24]研究也表明虚拟现实和传统治疗两组病人的上肢活动指数和ARAT差异并无统计学意义(P>0.05),可能与试验样本量过小、评估方法灵敏度一般相关。因此，目前病人上肢功能康复的短期训练效果并不一致，尚缺乏统一有效的评估工具，沉浸式虚拟现实训练发挥治疗效果的最短干预时间仍有待确定。

2.3用于促进下肢康复

2.3.1用于改善平衡功能

沉浸式虚拟现实场景充分考虑了复杂的现实环境，通过再现各种日常活动场景、激励病人与之互动，提高病人的平衡功能并带来了趣味性的真实体验。

Kang等[18]将30例脑卒中病人随机分为光流组、跑步机组和对照组进行干预。4周后光流组步态评估问卷(Timed Up and Go, TUG)评分改善明显高于跑步机组和对照组，光流组的局灶平衡量表(FRT)得分显著高于对照组。采用光流速度调控下的跑步机训练可显著改善脑卒中病人的平衡性。Kim等[14]研究结果显示基于社区的虚拟现实跑步机训练(CVRTT组)静态平衡功能较对照组有明显改善，病人姿态摆动速度和前后总振动路径长度较训练前均显著降低，CVRTT可有效改善脑卒中病人的静态平衡能力。Jung等[23]研究结果也显示与基线相比两组病人的平衡能力和平衡自我效能感均有显著提高，且试验组改善得更多。

然而有研究呈现了不一样的结果[10,21],可能与样本量不足，纳入病人种类不一、治疗时长、频率差异以及干预方法不同相关，未来需进一步扩大样本量，严格纳入样本标准，精细训练方案，选择灵敏的评估工具及增加重复次数来验证训练效果。

2.3.2用于改善步态

沉浸式虚拟训练可以营造类似真实生活的训练场景，有利于恢复病人的下肢步行功能、改善病人的步态[18]。Lee等[16]将21例卒中病人随机分配，对照组仅接受一般物理治疗，试验组在接受一般物理治疗基础上还接受了额外基于增强现实(AR)的姿势控制训练。4周后病人步态速度、步长和步幅均有显著改善，为将AR环境纳入姿势控制训练以改善脑卒中病人的步态提供了证据。Jaffe等[11]研究也表明，在快速行走测试中，虚拟障碍训练相比于真实训练产生了更大的步态速度改善(P<0.01)。Kim等[25]也证实了增强现实功能性电刺激(AR-FES)有助于改善脑卒中病人的肌力和步态，但还需要对跑步机上的功能性电刺激(FES)步态训练和AR-FES步态训练进行更多的研究。Park等[20]研究结果显示在组间比较中虚拟现实组仅步幅改善效果明显大于对照组(P<0.05),但其他步态参数如步速、步长、步幅以及10 m步行测试改善效果差异无统计学意义。未来需要更多的研究来确定两组之间步态能力的差异。

2.4用于促进认知功能恢复

脑卒中病人认知功能障碍主要表现为感知觉、定向力、注意力和记忆力障碍，虚拟现实训练可通过促进神经可塑性加快认知功能恢复。

Cho等[15]将慢性卒中病人随机分为虚拟现实+认知功能训练(VRTCL组)和对照组。所有受试者参加包括物理治疗和职业治疗在内的标准康复计划，此外VRTCL组参加虚拟现实+认知功能训练，受试者在跑步机上行走时，被试观看虚拟环境并执行认知功能训练任务(包括记忆、计算和语言功能)。对照组中跑步机速度和持续时间以及虚拟环境与VRTCL组相同，但受试者不执行认知功能训练任务。结果无论是否整合认知训练，在单一任务情境下使用虚拟现实训练对运动功能有积极的影响，可以提高步态速度、节奏、步长和步幅。在双任务情境下两组病人的运动参数均有所改善，其中认知虚拟现实训练组的运动效果更高，然而没有足够数量的严格试验在临床上进行验证，未来可深入研究。

Dehn等[27]将20例脑卒中后偏盲病人置于完全沉浸式虚拟现实超市中并要求其完成购物任务。6周训练后病人的视空间记忆及视觉搜索能力明显改善、正确购物数量有所提高，购物时间较干预前少且情绪评估量表显示病人的焦虑、抑郁症状在游戏后有明显的好转，但是在视野恢复方面效果不佳，且研究存在性别差异性，治疗长期效果不确定，进一步的研究需要评估虚拟现实训练的“剂量”及其与脑卒中发作时间的关系。

有研究证明在干预6周后，虚拟现实步态训练组(VRT)与非虚拟现实步态训练(非VRT)组乌得勒支康复参与评估量表(Utrecht Scale for Evaluation of Rehabilitation-Participation, USER-P)包括参与频率、参与限制级及参与满意度这3个子量表差异无统计学意义，但与非VRT组相比，USER-P参与限制评分在VRT组中每月提高了1.23分。对16例病人进行半结构化访谈发现多数病人给基于虚拟现实步态训练的干预予积极评价，认为虚拟现实步态训练是一种安全且耐受性良好的干预措施，对他们行走能力的提升有积极的影响。此外，一些参与者提到虚拟现实步态训练干预后，其步行体验更轻松，对日常生活的参与提高了信心[21]。因此，沉浸式虚拟现实训练可能是脑卒中康复的一个有价值的补充。

3、小结与展望

沉浸式虚拟现实治疗在脑卒中康复中具有很大的潜力，可以促进病人上下肢运动功能、平衡能力及认知功能的恢复，与其他康复手段如镜像治疗、跑步机训练等有协调作用。沉浸式虚拟现实为多感官刺激和具挑战性任务提供了一个有效的生态实践环境，可能提高了病人的依从性和满意度，这是继续治疗和改善康复结果的重要因素之一[28]。

沉浸式虚拟现实技术或成为一种新型有效康复手段，但目前脑卒中康复系统多处于试验阶段难以完全满足临床训练要求，未来应进行对照严格、设计严谨的大样本量、高质量的临床随机对照研究来探讨虚拟现实训练的治疗效果，同时简化操作系统、降低成本、开发多用户的沉浸式脑卒中康复虚拟系统等也都需要长足的努力。

基金资助:安徽省高等学校科学研究项目,编号:2023AH053121;

文章来源:卞毛毛.沉浸式虚拟现实技术在脑卒中病人康复治疗中的应用进展[J].全科护理,2024,22(09):1654-1657.