半沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)在腦卒中上肢運動功能康復(fù)的應(yīng)用*

新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 陳怡然 楊冰彥 李玉 何星宇 孟怡辰 高智賢

腦卒中會引發(fā)上肢運動功能障礙，若不及時恢復(fù)會嚴(yán)重影響患者的日常生活和社會參與度。半沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR）減少了對患者肢體的束縛，對患者運動能力要求低，可以實現(xiàn)與虛擬環(huán)境安全的自然式交互，而且易于與其他康復(fù)療法聯(lián)合，為個性化康復(fù)方案的實現(xiàn)提供了更高的安全性和靈活性。半沉浸式VR 已在卒中上肢運動功能康復(fù)中取得了諸多成效，作為一種康復(fù)訓(xùn)練的補充策略，為腦卒中患者的康復(fù)帶來了全新的治療手段。

腦卒中是我國致殘、致死率最高的疾病[1]，每年新增腦卒中病人約240 萬人[2]。如果得不到及時康復(fù)，會嚴(yán)重限制患者的日?；顒雍蜕鐣⑴c度。傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練依賴醫(yī)師經(jīng)驗，強調(diào)動作分解練習(xí)，雖使患者獲得一定的協(xié)調(diào)和運動能力，但缺少實踐意義的導(dǎo)向性任務(wù)需求，不利于實現(xiàn)運動功能遷移。加之，訓(xùn)練模式單一枯燥，缺乏患者生理信息反饋，使患者康復(fù)效果受限。虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)借助計算機系統(tǒng)、建模技術(shù)和反饋裝置等構(gòu)建出可提供用戶視、聽、觸等多種感覺逼真的富集環(huán)境。2016 年，發(fā)布《成人腦卒中康復(fù)指南》，建議VR 在腦卒中后上肢功能康復(fù)中的應(yīng)用為Ⅱa 類推薦、B 級證據(jù)[3]。這是因為基于VR 技術(shù)的卒中康復(fù)干預(yù)符合康復(fù)的四項指導(dǎo)原則：特定任務(wù)訓(xùn)練、強度、動機和生物反饋[4]。通過引導(dǎo)患者在游戲場景中完成虛擬任務(wù)，針對性促進運動功能恢復(fù)；根據(jù)患者康復(fù)需求和運動能力，為康復(fù)訓(xùn)練提供個性化模式和難度選擇；利用實時的視覺、聽覺或觸覺等多種反饋，增加患者的積極性和主動性；與多種設(shè)備結(jié)合，實時跟蹤記錄患者的康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)和運動情況，為診療方案改進提供科學(xué)可靠的依據(jù)，提升康復(fù)效率。因此，VR 技術(shù)作為一種新興的輔助治療手段，在腦卒中的臨床康復(fù)訓(xùn)練中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

1 半沉浸式VR 技術(shù)及優(yōu)勢

根據(jù)沉浸程度, VR 可分為沉浸式和半沉浸式兩大類。沉浸式VR 康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)通常借助頭戴顯示器、多功能控制手柄、立體耳機等外部設(shè)備來為患者構(gòu)建一個完全虛擬、逼真的虛擬場景和交互。這種系統(tǒng)要求使用者具有較強的適應(yīng)能力和較好的精細(xì)運動操控能力，限制了其在卒中患者上肢康復(fù)中的應(yīng)用。首先，頭戴顯示器將視覺與真實環(huán)境完全脫離，視覺的相對運動和前庭器官的相對靜止易引起相對運動錯覺，引發(fā)暈動癥。其次，精準(zhǔn)操控手柄超出了具有上肢運動功能障礙的卒中患者能力范圍。與沉浸式VR 不同，半沉浸式VR 系統(tǒng)通過顯示器、投影設(shè)備等輸出設(shè)備呈現(xiàn)影像，允許用戶以觀察者的身份體驗虛擬環(huán)境。這種開放性有效減少了患者眩暈癥狀產(chǎn)生，保證了訓(xùn)練安全。另外，半沉浸式VR 系統(tǒng)是通過深度傳感相機或穿戴式傳感器等捕捉患者動作識別運動指令，減少了肢體束縛，降低了運動能力要求，可實現(xiàn)患者與虛擬環(huán)境的自然式交互。特別是，半沉浸式VR 訓(xùn)練設(shè)備可靈活地結(jié)合多種康復(fù)療法，便于制定安全有效的個性化康復(fù)方案。

根據(jù)用途，半沉浸式VR 系統(tǒng)有專用虛擬環(huán)境（Virtual Environments，VE）和商業(yè)游戲（Commercial Gaming，CG）兩大類?？▊愊到y(tǒng)是VE 系統(tǒng)典型代表，主要針對患者康復(fù)訓(xùn)練設(shè)計，將全面的運動測評和訓(xùn)練融為一體，能夠滿足訓(xùn)練者在不同環(huán)境下的訓(xùn)練要求和能力測試。卡倫系統(tǒng)采用全方位投影體系，巨大的球形屏幕能夠?qū)崿F(xiàn)360°全景屏幕投影，訓(xùn)練者在訓(xùn)練過程中可全視角范圍內(nèi)看到卡倫系統(tǒng)的虛擬場景。此外，雙帶自適應(yīng)跑臺和六自由度活動平臺可讓訓(xùn)練者從本體感覺及前庭感覺上真正體驗各種生活場景。其中，特色雙跑帶自適應(yīng)跑臺可根據(jù)訓(xùn)練者實際的行走速度自動調(diào)整運轉(zhuǎn)速度，高度還原訓(xùn)練者在地面行走的感覺。而六自由度活動平臺可以實現(xiàn)x、y、z 軸方向位移，坡角變化、水平轉(zhuǎn)角變化和傾斜角變化，即進行上下、左右、前后等單一方向或疊加方向的運動。運動跑臺的六個自由度運動輔以虛擬環(huán)境的視覺、聽覺效果，極大地增強了患者的沉浸感，可逼真地模仿崎嶇的山路、搖晃的吊橋、顛簸的海浪等自然環(huán)境，給人以身臨其境的感覺?？▊愊到y(tǒng)通過紅外攝像機來跟蹤、記錄訓(xùn)練者身上的反光點（Marker）以獲取運動信息。使用計算機構(gòu)建人體模型，結(jié)合傳感技術(shù)來實時呈現(xiàn)訓(xùn)練者運動肌肉的激活狀態(tài)。在此過程中，系統(tǒng)通過D-Flow 軟件處理可為訓(xùn)練者和康復(fù)師提供實時反饋，其中包含了患者在虛擬環(huán)境中完成治療時的所有信息和相關(guān)身體參數(shù)。訓(xùn)練過程中，康復(fù)醫(yī)師可根據(jù)病人情況，及時個性化地調(diào)整訓(xùn)練參數(shù)，并留存訓(xùn)練數(shù)據(jù)以供追蹤。此外，卡倫系統(tǒng)支持多種外接設(shè)備、各種科室評定和治療需求。但目前專業(yè)VE 系統(tǒng)多處于研究階段，不僅價格昂貴，且場地要求高，不便于普及。

相比之下，CG 系統(tǒng)成本低、易獲取，可面向家庭、社區(qū)使用。其中，Kinect 使用較為普遍的一款商業(yè)人體動作感知設(shè)備。該設(shè)備主要通過紅外攝像頭和RGB 攝像頭來感知識別玩家及其動作，操控游戲人物，實現(xiàn)交互。先使用紅外攝影機投射近紅外照射人體和物體，紅外攝像頭讀取其散斑，創(chuàng)建人體和物體的深度圖像；再利用計算機圖形視覺技術(shù)從中區(qū)分出人體和背景環(huán)境，利用機器學(xué)習(xí)算法進一步識別出人體部位，定出人體的20 個主要關(guān)節(jié)點，最終生成骨架系統(tǒng)，構(gòu)造豐滿的肢體，在屏幕上呈現(xiàn)出虛擬人。使用者通過肢體運動即可控制VR 游戲中的人物運動，而且，根據(jù)獲取的關(guān)節(jié)點位置信息，可計算出關(guān)節(jié)活動度、速度等運動信息，供運動功能量化評估使用。

2 半沉浸式VR 技術(shù)在上肢運動功能康復(fù)中的應(yīng)用

由于半沉浸式VR 的開放性、安全性以及靈活性，常被用在卒中上肢運動功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)中。例如，基于商用虛擬設(shè)備（如Kinect、Wii 等）預(yù)留的接口，可針對性地開發(fā)設(shè)計出靈活多樣的上肢康復(fù)任務(wù)，提升患者上肢關(guān)節(jié)活動度、運動靈活度和肌肉協(xié)同程度。針對卒中后患者普遍存在向前取物、夠物困難的問題，麥王向[5]等人使用Kinect 設(shè)計了切食物和射擊訓(xùn)練場景，引導(dǎo)患者完成屈肩、伸肘、內(nèi)收和外展等組合動作訓(xùn)練，實驗組在肩關(guān)節(jié)前屈、外展和肘關(guān)節(jié)屈曲互補角度關(guān)節(jié)活動度方面顯著高于接受對照組。Mouawad 等人[6]利用Wii 游戲設(shè)備引導(dǎo)患者進行網(wǎng)球、高爾夫、拳擊、保齡球和棒球訓(xùn)練,發(fā)現(xiàn)上肢主、被動關(guān)節(jié)活動度均有所增加。此外，官娉等[7]發(fā)現(xiàn)經(jīng)10 天的VR 廚房任務(wù)訓(xùn)練后，患者肘屈伸力矩明顯改善，且肘屈曲時肱二、三頭肌的協(xié)同收縮率明顯降低。這可能是因為VR 促使患者用患側(cè)進行反復(fù)訓(xùn)練，神經(jīng)突觸連接增強，誘導(dǎo)神經(jīng)運動通路皮質(zhì)重組。隨著VR 康復(fù)訓(xùn)練的有效性和優(yōu)勢被不斷證實，VR 技術(shù)已被納入卒中康復(fù)的七大重要技術(shù)之列。

半沉浸式VR 康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)可靈活地與其他康復(fù)手段聯(lián)用，利用VR 多感官刺激的優(yōu)勢，可以促進患者的大腦功能連接恢復(fù)和改善，增強大腦對肢體的控制，進而提高康復(fù)療效。目前常聯(lián)用的康復(fù)方法有鏡像療法、重復(fù)經(jīng)顱磁刺激和經(jīng)顱直流電刺激等。

（1）鏡像療法利用鏡像視錯覺，將健側(cè)肢體運動影像反饋至患側(cè)，產(chǎn)生具身化體驗。通過強化對患側(cè)肢體的意識，易化患側(cè)運動皮質(zhì)興奮性，再建卒中后大腦半球間興奮性平衡，重塑神經(jīng)結(jié)構(gòu)與功能，改善受損上肢的運動功能和運動表現(xiàn)。借助于VR 的多感官刺激，增強了具身化體驗的切實性，喚起鏡像神經(jīng)元系統(tǒng)和行為觀察機制，從而更好地發(fā)揮鏡像療法功效。Choi[8]等人使用半沉浸式LEAP 設(shè)備的手勢識別功能，實現(xiàn)了手勢識別鏡像療法（GR 鏡像療法），發(fā)現(xiàn)治療組手功能評分和SF-8 量表評分顯著高于常規(guī)鏡像療法組和對照組，且運動執(zhí)行的速度和準(zhǔn)確性也有所提高。

（2）重復(fù)經(jīng)顱磁刺激（rTMS）利用強脈沖磁場連續(xù)規(guī)律地重復(fù)刺激大腦皮質(zhì)，引發(fā)大腦興奮性變化，調(diào)整皮質(zhì)興奮性異常，重塑大腦半球間平衡。然而，僅靠調(diào)控皮質(zhì)興奮性對于上肢康復(fù)是不夠的，還需聯(lián)合運動鍛煉產(chǎn)生行為學(xué)效應(yīng)。崔海超等[9]使用低頻刺激健側(cè)初級運動皮質(zhì)，與半沉浸式VR 康復(fù)設(shè)備誘導(dǎo)的重復(fù)性運動訓(xùn)練結(jié)合，訓(xùn)練后患者的Brunnstrom 分期，F(xiàn)ugl-Meyer 上肢運動功能、簡易上肢功能、改良Barthel 指數(shù)評分均顯著提高，有效改善了患者的上肢運動功能。

（3）經(jīng)顱直流電刺激（tDCS）使用直流電流來調(diào)節(jié)皮質(zhì)區(qū)神經(jīng)元靜息電位閾下電位，改變初級運動皮質(zhì)興奮性。借助VR 的重復(fù)性外周訓(xùn)練，增強中樞正性反饋和輸入，利用面向任務(wù)訓(xùn)練，促進皮質(zhì)重組、提高神經(jīng)系統(tǒng)可塑性，促進上肢功能改善。有研究使用tDCS 聯(lián)合半沉浸式VR 智能手套進行訓(xùn)練，患者的盒塊測試和Jebsen-Taylor 手功能評分、手靈巧度和日常生活手功能顯著提升，而且認(rèn)知和執(zhí)行功能也得到有效提高[10]。

3 總結(jié)與展望

半沉浸式VR 技術(shù)能夠為卒中患者提供安全有效的多感官富集交互環(huán)境，通過擬實的生活場景和有趣的訓(xùn)練任務(wù)，提升患者訓(xùn)練主動性和依從性。該技術(shù)的開放性使其可與多種康復(fù)手段聯(lián)用，達到更好的康復(fù)效果，具有良好的應(yīng)用前景。目前VR 康復(fù)技術(shù)仍處于探索階段，臨床干預(yù)結(jié)果差異性較大，且缺少評估VR 康復(fù)訓(xùn)練效果的特異性指標(biāo)和行業(yè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。因此，需要進一步深入研究VR 在卒中后上肢康復(fù)中的作用機制，從而確定與卒中各時期運動能力相適應(yīng)的規(guī)范化訓(xùn)練方案，以及與其他康復(fù)手段聯(lián)用的最佳方式，提高康復(fù)療效。