王宏圖

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在腦卒中運動康復(fù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

王宏圖

腦卒中患者的運動康復(fù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用的一個新領(lǐng)域。研究者們研制和利用不同的虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練系統(tǒng)，對可能的影響因素進行觀察后發(fā)現(xiàn)，光流速度、輸出設(shè)備差異和提供反饋的類型均影響虛擬治療的效果。對不同病程腦卒中患者療效的研究證實，虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅能夠改善腦梗死偏癱患者的上肢和下肢運動功能，而且能夠提高患者的日常生活能力；與機器人、減重平板訓(xùn)練等聯(lián)合使用的初步結(jié)果安全有效。并在影像學(xué)研究方面找到支持使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的部分證據(jù)。這些研究對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用前景具有重要的臨床意義。

腦卒中；康復(fù)；虛擬現(xiàn)實；運動；綜述

[本文著錄格式]王宏圖.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在腦卒中運動康復(fù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].中國康復(fù)理論與實踐,2014,20(10):911-915.

始于20世紀60年代的虛擬現(xiàn)實(virtual reality,VR)技術(shù)研究成為近年來十分活躍的領(lǐng)域，是21世紀重要的發(fā)展學(xué)科和影響人們生活的重要技術(shù)之一。它涉及眾多學(xué)科新的實用技術(shù)，集先進的計算機技術(shù)、傳感與測量技術(shù)、仿真技術(shù)和微電子技術(shù)于一體。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的原理和軟、硬件設(shè)備分類

虛擬現(xiàn)實是由計算機產(chǎn)生一個集多種感官刺激于一體的沉浸交互式虛擬環(huán)境，使用者借助必要的輸入設(shè)備以自然的技能(如手的揮動、身體的運動等)，從各個角度操作三維虛擬環(huán)境中的物體，同時從輸出反饋設(shè)備中得到視覺、聽覺或觸覺等多種感覺的反饋，使用者可進行下一步操作，這樣達到實時交互，產(chǎn)生身臨該虛擬環(huán)境的感受與體驗。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三個基本特征為3I，即沉浸(Immersion)、交互(Interaction)和想象(Imagination)[1]。

沉浸是指使用者通過多種方式與計算機所創(chuàng)造的虛擬環(huán)境進行交互，全身心地沉浸在計算機所生成的三維虛擬環(huán)境中，產(chǎn)生身臨其境的感覺。交互是指使用者與虛擬環(huán)境中的對象進行相互作用。想象是使用者沉浸虛擬環(huán)境中，獲取新的知識，提高感性和理性認識，產(chǎn)生新的創(chuàng)意和思想。

硬件設(shè)備在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展中具有非常重要的作用。一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要由信號輸入和輸出反饋兩個部分組成。輸入設(shè)備可以是鍵盤、數(shù)據(jù)手套、立體鼠標、數(shù)據(jù)衣等；輸出反饋設(shè)備可以是頭盔顯示器(head mounted display,HMD)、桌面顯示器、大屏幕投影(screen projection systems,SPS)等。根據(jù)沉浸的程度，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分為沉浸系統(tǒng)和非沉浸系統(tǒng)。沉浸系統(tǒng)利用SPS、HMD、洞穴系統(tǒng)或視頻捕捉系統(tǒng)等進行互動；非沉浸系統(tǒng)則通過鼠標或觸覺設(shè)備、力量傳感器等與虛擬環(huán)境互動[2]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展與虛擬現(xiàn)實軟件相輔相成。OpenGL是通用共享的開放式三維圖形標準，常與Visual C++緊密接口；WorldToolKit(WTK)提供完整的三維虛擬環(huán)境開發(fā)平臺；Virtools是一套具備豐富的互動行為模塊的實時3D環(huán)境虛擬實境編輯軟件；Vega主要應(yīng)用于實時視覺模擬；Open Inventor是面向?qū)ο蠛徒换ナ降膶I(yè)3D圖形開發(fā)工具包；OpenGVS用于場景圖形的實時開發(fā)；EON是實時視覺效果與物理機制以及真實人體動作的有機結(jié)合體[3]。

2 虛擬現(xiàn)實勝于康復(fù)的作用機制和優(yōu)點

虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用于康復(fù)治療時涉及重復(fù)、反饋和動機三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。反復(fù)練習(xí)是康復(fù)治療中學(xué)會一項運動技能的首要因素，但僅僅不斷重復(fù)訓(xùn)練是不夠的，還必須逐步獲得成功的反饋和體驗。視覺和本體感覺所提供的反饋，可以強化練習(xí)者在練習(xí)中的正確行為，維持練習(xí)者的動機水平和積極性，并獲得愉快的成功情緒體驗，促使其不間斷地練習(xí)直至習(xí)得該行為。虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供了重復(fù)練習(xí)、成績反饋和維持動機三個關(guān)鍵要素的技術(shù)手段。

傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練耗費人力、物力較大，并且治療是一對一的；治療必須在醫(yī)院或康復(fù)中心等專門的機構(gòu)進行；訓(xùn)練強度和訓(xùn)練效果不易評估，訓(xùn)練場所和日常生活場所的差異不利于患者日常生活的康復(fù)；治療過程枯燥單一，不易引起患者的興趣，并受患者依從性制約。

與之相比較，虛擬現(xiàn)實的優(yōu)勢在于：①以自然方式與多種感官刺激的虛擬環(huán)境中的對象進行交互，使被動治療成為患者的主動治療；②一致性強，比治療師更有耐心，患者可以反復(fù)觀察模仿練習(xí)；③虛擬現(xiàn)實技術(shù)保障患者康復(fù)運動的安全性，減少了在真實環(huán)境中由錯誤操作導(dǎo)致的危險；④虛擬環(huán)境沉浸感強，內(nèi)容豐富，反饋形式多樣，使枯燥單調(diào)的運動康復(fù)過程更輕松、更有趣和更容易；⑤虛擬現(xiàn)實允許個性化設(shè)置，將運動訓(xùn)練、心理治療及功能測評有機地結(jié)合起來，制定個體化康復(fù)訓(xùn)練計劃；⑥虛擬環(huán)境中獲得的運動技能可更好地遷移到現(xiàn)實環(huán)境中[4-6]。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在腦卒中患者運動康復(fù)中的應(yīng)用

腦卒中患者的肢體運動康復(fù)是近年來虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用的熱門領(lǐng)域[7]。國內(nèi)外的研究已經(jīng)利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在該領(lǐng)域進行探討，取得一定的臨床資料和治療成效。

3.1 下肢

重新恢復(fù)步行是腦卒中患者最重要的康復(fù)目標之一。步行康復(fù)標準治療包括任務(wù)導(dǎo)向性訓(xùn)練、減重平板步行訓(xùn)練和訓(xùn)練步態(tài)前活動。包括虛擬現(xiàn)實技術(shù)在內(nèi)的創(chuàng)新型技術(shù)正在用來輔助腦卒中后患者的步行康復(fù)。

Deutsch等首先使用力反饋的虛擬設(shè)備RutgersAnkle對1例腦卒中后9個月、依靠助行架的69歲男性患者進行踝關(guān)節(jié)控制駕駛虛擬飛機和小船的康復(fù)訓(xùn)練。研究發(fā)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練不僅提高該患者的踝背屈力量、外翻力矩和功率，而且改善患者的上下樓梯能力。由于研究中使用了Stewart平臺機器人支持，故不能證明取得的療效是應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)果[8]。Mirelman等使用同樣的虛擬設(shè)備對腦卒中后1年以上的部分足背屈、無輔助下步行15 m以上、大部分佩戴矯形器的患者進行對照觀察發(fā)現(xiàn)，與單獨使用Stewart平臺機器人訓(xùn)練相比，機器人聯(lián)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅改善患者在實驗室內(nèi)的步速和步行距離等時間參數(shù)，而且改善患者的社區(qū)內(nèi)步行；該療效能維持到治療后3個月并實現(xiàn)部分患者無限制社區(qū)內(nèi)步行[9]。進一步的運動學(xué)和運動力學(xué)研究證實，接受機器人聯(lián)合虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練的腦卒中偏癱患者在足跟離地時踝關(guān)節(jié)功效增加更明顯；踝的關(guān)節(jié)活動度改善更明顯；站立相和擺動相的患側(cè)膝關(guān)節(jié)活動度改善更大；髖關(guān)節(jié)則沒有明顯變化。大部分動力學(xué)和運動學(xué)變化保持到3個月隨訪時[10]。上述結(jié)果不僅證實虛擬現(xiàn)實技術(shù)的效果，還提示療效的持續(xù)性，可為腦卒中患者的康復(fù)訓(xùn)練重點提供指導(dǎo)。

Yang等[11]和Walker等[12]均使用運動平板前的電視屏幕為參與者顯示沿街道行走感覺的虛擬環(huán)境，并用頭盔式傳感器提供姿勢反饋。研究觀察到，與僅進行平板訓(xùn)練的參與者相比，虛擬現(xiàn)實結(jié)合減重平板訓(xùn)練的腦卒中患者在步行速度和社區(qū)步行測試上獲得更大的改善，日?；顒庸δ艿玫礁筇岣?。Kizony等利用CAREN系統(tǒng)生成虛擬商店走廊，并對社區(qū)居住、腦卒中后3個月以上、能在自動調(diào)速的平板上步行和簡易精神狀態(tài)檢查(MMSE)評分≥25的患者進行雙重任務(wù)(認知和運動活動)對步態(tài)影響的對照觀察。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論是只進行平板訓(xùn)練還是平板訓(xùn)練同時完成在虛擬商店中購買商品的雙重任務(wù)，腦卒中組均比健康對照組步行慢、步速的變異性更大和步長更短。雙重任務(wù)條件中，步速和步長有提高的趨勢；購買一件商品的雙重任務(wù)條件中發(fā)現(xiàn)步速和步幅時間變異性有顯著改善。因此，建議使用虛擬環(huán)境中的雙重任務(wù)改善腦卒中患者的步行功能及日常生活活動能力[13]。

腦卒中后的步態(tài)時空不對稱性大部分不能改變。Lewek等使用速度不同的雙履帶平板在虛擬環(huán)境中訓(xùn)練腦卒中患者，并通過GaitRite軟件分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過6周訓(xùn)練，1例18個月前腦卒中致左側(cè)偏癱、有心律不齊既往史的60歲男性患者的步長對稱性明顯改善；另1例21個月前腦卒中致右側(cè)偏癱、既往患心內(nèi)膜炎并接受過瓣膜修補手術(shù)的53歲女性的站立相對稱性明顯改善[14]。該結(jié)果提示，可通過“旋轉(zhuǎn)”虛擬環(huán)境提供的視覺反饋和不同速度平板履帶提供的本體感覺反饋的時空非對稱性組合反饋，改善腦卒中慢性期的步態(tài)。但是，缺乏對照降低了該結(jié)果的信度。

國內(nèi)學(xué)者將MyoTrac Train治療儀、Sunlight-Tetrax平衡儀桌面式虛擬現(xiàn)實技術(shù)生物反饋系統(tǒng)應(yīng)用于腦卒中后3周內(nèi)患者中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)康復(fù)比較，虛擬現(xiàn)實技術(shù)明顯改善患者的肢體運動功能，提高患者日常生活能力[15-16]。該研究中沒有詳細描述腦卒中患者的人口學(xué)特征和疾病史。肖湘等利用街道、運動場、公園、森林、海景、沙漠、湖泊、城堡等虛擬場景對腦卒中患者同步進行減重步行訓(xùn)練(VR+BWSTT)。12例腦卒中后3個月內(nèi)、輔助步行10 m以上的患者分為實驗組(VR+ BWSTT)和常規(guī)組(常規(guī)物理治療)，6名正常人作為正常對照。經(jīng)過3周訓(xùn)練，Vicon Nexus三維步態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，VR+BWSTT和常規(guī)物理治療均改善腦卒中患者的步態(tài)；但VR+BWSTT在改善腦卒中患者的步長不對稱性、髖關(guān)節(jié)最大后伸角方面更有優(yōu)勢[17]。該研究沒有提及虛擬現(xiàn)實設(shè)備類型。張廷峰使用MR Cube運動控制魔方結(jié)合功能訓(xùn)練對腦卒中1個月內(nèi)患者進行膝關(guān)節(jié)控制訓(xùn)練的對照研究。結(jié)果顯示，經(jīng)過8周訓(xùn)練，與常規(guī)康復(fù)治療組相比，使用MR Cube運動控制魔方訓(xùn)練的患者下肢運動功能和平衡功能均有改善[18]。但由于該研究中同時使用肌電生物反饋儀，故結(jié)果缺乏說服力。

3.2 上肢和手功能

盡管已有的證據(jù)顯示，腦卒中康復(fù)治療的強度增加引起更好的運動恢復(fù)，但是虛擬現(xiàn)實技術(shù)對腦卒中上肢康復(fù)影響的證據(jù)甚少。

Jack等首次將Cyber-Glove和Rutgers Master II-ND(RMII)力反饋手套與WTK圖像庫組合的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)用于腦卒中后手功能的康復(fù)。對2例左側(cè)大腦半球梗死、右利手、3年以上病程、2年內(nèi)未接受過治療的患者進行2周虛擬訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)每位患者拇指的運動范圍、肌力、手指的分離運動和運動速度均有顯著改善。證明該訓(xùn)練系統(tǒng)在改善腦卒中患者手功能方面的有效性和可行性[19]。但訓(xùn)練時穿插畫圖、堆卡片等現(xiàn)實環(huán)境訓(xùn)練，故不能證明取得的療效是虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練的結(jié)果。

腦卒中后應(yīng)加強上臂和手熟練運動的干預(yù)。在使用新型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的一個可行性研究中，Stewart等使用OpenGL和Ghost在C++編程4個3D可視性沉浸虛擬現(xiàn)實任務(wù)——擊球、對捏、旋轉(zhuǎn)魔方和伸手接住正方體，對2例70歲以上、病程超過2年的腦卒中偏癱患者進行訓(xùn)練，證實虛擬現(xiàn)實可提高患者的上肢運動能力，但沒有影響殘疾水平?？紤]可能與任務(wù)編程中手的訓(xùn)練項目少而上臂的訓(xùn)練項目多有關(guān)[20]。Subramanian等利用CAREN VR模擬系統(tǒng)的虛擬電梯操作場景，分別使用HMD和SPS進行訓(xùn)練時發(fā)現(xiàn)，無論健康人還是1年以上的腦卒中偏癱患者，Optotrak系統(tǒng)記錄的上肢終點軌跡直線性、肩關(guān)節(jié)屈曲和肩關(guān)節(jié)水平內(nèi)收范圍和矢狀位軀干位移沒有差異；但是在垂直方向，與使用SPS比較，使用HMD時錯誤更多、動作更慢和肘關(guān)節(jié)伸展范圍更小。提示不同的輸出設(shè)備影響虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練的效果[21]。

van den Hoogen等在驗證使用3D觸覺互動設(shè)備進行康復(fù)訓(xùn)練時虛擬環(huán)境兩個特征對療效的影響——立體可視化(單屏圖像顯示vs.立體圖像顯示)和圖形環(huán)境(2.5D vs.3D)的研究中發(fā)現(xiàn)，訓(xùn)練任務(wù)要求動作深度時，虛擬環(huán)境中使用立體顯示受益明顯；進一步研究發(fā)現(xiàn)，就患者的運動而言，2.5D環(huán)境產(chǎn)生的效率和準確性較高。但是訓(xùn)練任務(wù)不要求動作深度時，3D顯示并不帶來益處[22]。由此可見，虛擬任務(wù)的設(shè)計、布局以及輸出設(shè)備和虛擬環(huán)境的類型均影響患者的功能恢復(fù)。

上肢預(yù)后恢復(fù)不滿意爭議之一可能是由于正常手功能的感覺加工和運動輸出復(fù)雜。Merians等設(shè)計融合上臂、腕關(guān)節(jié)和手指運動的4個虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練模塊——混沌彈球、捕捉蜂鳥、敲木錘和演奏虛擬鋼琴，并與機器人技術(shù)結(jié)合起來，對12例腦卒中后6個月以上、腕關(guān)節(jié)背伸大于10°、手指伸展10°以上的患者進行8 d的訓(xùn)練。運動學(xué)結(jié)果和臨床評估表明，患者肢體近端穩(wěn)定性提高，運動路線平滑度和效率提高，偏癱手功能明顯改善[23]。該研究中虛擬現(xiàn)實機器人治療比常規(guī)治療或提供更多的訓(xùn)練。觀察融合功能性電刺激(functional electrical stimulation,FES)、機器人和虛擬現(xiàn)實三種技術(shù)的3D康復(fù)平臺(SAIL)對5例腦卒中半年以上、不能伸肘伸手抓握患者的上肢影響時，Meadmore等為患者提供在虛擬環(huán)境中追蹤一只沿設(shè)定軌跡移動的球的訓(xùn)練。經(jīng)過18個階段的訓(xùn)練，不僅發(fā)現(xiàn)SAIL的可行性，而且發(fā)現(xiàn)腦卒中患者訓(xùn)練后Fugl-Meyer評分改善，電刺激輔助和無電刺激輔助的虛擬訓(xùn)練時表現(xiàn)改善，輔助訓(xùn)練的電刺激量下降[24]。Shiri等則把虛擬現(xiàn)實和鏡像反饋結(jié)合起來，在C++環(huán)境下開發(fā)自我面孔識別動作捕捉系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用一只虛擬上臂模擬癱瘓的上臂，并通過鏡像實現(xiàn)患者癱瘓上臂做很小的動作就能看到虛擬環(huán)境中自己完成正常的全關(guān)節(jié)活動。虛擬場景為摘水果、把物品分類上架、躲避炸彈接錢等。6例腦卒中后6個月內(nèi)的患者接受常規(guī)康復(fù)的同時完成10個節(jié)段的虛擬現(xiàn)實治療，虛擬訓(xùn)練中的表現(xiàn)和治療前、治療1周和3個月后隨訪，包括Brunnstrom分期、Fugl-Meyer評分、SF-36等在內(nèi)的一系列臨床功能評估結(jié)果不僅證實該系統(tǒng)是安全、可行的，而且證實患者的神經(jīng)學(xué)狀態(tài)和功能得到全面改善[25]。以上研究說明，隨著科技進步，虛擬現(xiàn)實技術(shù)和多種技術(shù)的綜合使用，有利于腦卒中慢性期患者上肢和手運動功能的恢復(fù)。缺乏對照條件影響說服力。

Cameir?o等在開發(fā)以虛擬現(xiàn)實為基礎(chǔ)的神經(jīng)康復(fù)程序(Rehabilitation Gaming System,RGS)研究中設(shè)計了兩只虛擬上臂在一個春天般的綠色虛擬環(huán)境中追逐移動球的訓(xùn)練。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，RGS能被腦卒中患者高度接受，且其關(guān)鍵成分PTM(Personalized Training Module)允許在線自動調(diào)節(jié)任務(wù)的難度，并捕捉使用者雙上臂的特殊特征。與健康人相比，腦卒中患者癱瘓側(cè)上臂活動范圍更小、速度更慢，非癱瘓側(cè)上臂僅表現(xiàn)為速度明顯減慢。20 min訓(xùn)練的結(jié)果顯示，健康對照組在虛擬環(huán)境中的運動速度下降，而腦卒中組不變。腦卒中患者現(xiàn)實環(huán)境中雙上臂之間的相對速度差異保留到虛擬環(huán)境中[26]。該研究中腦卒中患者的病程均在3個月以上。使用同樣的RGS系統(tǒng)訓(xùn)練，da Silva Cameir?o等在腦卒中后3周內(nèi)、上肢中重度損傷(英國醫(yī)學(xué)研究委員會肌力分級2～3級)患者中的對照研究中觀測到，與常規(guī)治療相比，RGS提高癱瘓上臂的速度更快，呈對數(shù)類型地持續(xù)改善。隨時間推移，RGS組癱瘓側(cè)上臂的表現(xiàn)接近非癱瘓上臂。明顯的組間差異在隨訪時消失(治療結(jié)束后12周)，提示RGS優(yōu)先加快腦卒中后的恢復(fù)[27]。在此基礎(chǔ)上，向腦卒中后1年以上、上肢中重度損傷的患者推廣RGS時，Cameir?o等進行了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的視覺追蹤(標準配置)、觸覺和被動外骨骼支持3種不同配置的訓(xùn)練，對腦卒中患者上肢恢復(fù)影響的研究發(fā)現(xiàn)，視覺、觸覺反饋組合改善患者的功能最明顯，并且這種改善能夠保持到治療后12周隨訪時[28]。上述研究成果為腦卒中不同時期的虛擬現(xiàn)實康復(fù)策略設(shè)計提供了重要參考。

Turolla等對376例大腦中動脈區(qū)首次腦卒中且意大利版美國國立衛(wèi)生研究院卒中量表評分上肢運動子部分在1～3分的住院患者(實驗組263例，對照組113例)進行前瞻性對照觀察。實驗組每天接受各1 h的上肢常規(guī)治療和虛擬現(xiàn)實治療，而對照組為每天2 h的常規(guī)治療。訓(xùn)練4周后發(fā)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實聯(lián)合上肢常規(guī)治療獲得的改善明顯高于單獨上肢常規(guī)治療。這是目前文獻中證明腦卒中后虛擬現(xiàn)實有效的最大樣本試驗[29]。但資料收集時間超過10年是本研究一個較大的局限。

大多數(shù)虛擬現(xiàn)實研究設(shè)備復(fù)雜、價格昂貴，并需要專門人員。商用虛擬游戲系統(tǒng)成為研究者關(guān)注的方向。Saposnik等觀察Wii系統(tǒng)(Nintendo Wii gaming system)對腦卒中后1個月內(nèi)患者的訓(xùn)練效果時發(fā)現(xiàn)，2周治療期間沒有不良事件，并且Wii組患者的上肢功能改善更明顯[30]。故推薦VRWii系統(tǒng)作為促進腦卒中后上肢運動恢復(fù)的一個康復(fù)手段。在腦卒中后1年以上，患側(cè)拇指、肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的隨意屈曲運動活動范圍≥10°的患者中，Mouawad等進一步觀察到Wii游戲治療明顯改善患者的上肢主被動關(guān)節(jié)活動度。2個月后的隨訪結(jié)果證實患者的上肢功能繼續(xù)改善，提示以Wii為基礎(chǔ)的運動治療有持續(xù)的療效[31]。在該研究中，患者在家中使用第2套Wii系統(tǒng)進行訓(xùn)練。上述研究結(jié)果為出院在家居住和在偏遠農(nóng)村居住的患者進行虛擬現(xiàn)實治療提供了事實依據(jù)。

國內(nèi)虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用較晚。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實上肢訓(xùn)練結(jié)合常規(guī)作業(yè)治療能更好地改善腦卒中恢復(fù)期患者偏癱上肢的運動功能，更有效地提高患者的日常生活活動能力[32-33]。聯(lián)合開發(fā)的虛擬廚房操作避免了真實廚房操作時發(fā)生的跌倒、被物體碰傷及被開水燙傷等危險，更好地保證了訓(xùn)練的安全性[33]。進一步的表面肌電分析證實，虛擬廚房上肢訓(xùn)練結(jié)合常規(guī)作業(yè)治療能更好地增強腦卒中恢復(fù)期患者偏癱上肢伸肘力量，改善肘關(guān)節(jié)屈伸運動的協(xié)調(diào)性[34]。李文等結(jié)合表面肌電信號與Visual C++環(huán)境下開發(fā)的飛機射擊虛擬環(huán)境，并對腦卒中患者進行訓(xùn)練嘗試，發(fā)現(xiàn)這種組合認同性高，并且康復(fù)效果明顯[35]。

4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在腦卒中康復(fù)中的作用機制

虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練越來越多地被用來改善腦卒中患者的運動功能，但是其促進運動功能恢復(fù)的神經(jīng)機制尚不清楚。You等用fMRI和標準運動測試來評估10例腦卒中后1年以上、膝關(guān)節(jié)伸展大于60°的患者使用IREX VR系統(tǒng)進行上下樓梯、海底冒險和滑板滑雪等虛擬訓(xùn)練前后興趣區(qū)偏側(cè)化指數(shù)的變化和運動恢復(fù)的程度，經(jīng)過4周20個節(jié)段的訓(xùn)練，結(jié)果顯示虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練可引起大腦損傷同側(cè)向?qū)?cè)轉(zhuǎn)移的感覺運動皮質(zhì)重組[36]。這在腦卒中患者的運動功能恢復(fù)過程中起著重要的作用。Merians等在使用虛擬環(huán)境對偏癱上肢進行康復(fù)的新方法的fMRI研究中也觀察到，虛擬鏡像反饋激活映射手對側(cè)的感覺運動皮層(移動手同側(cè))，從而重組損傷的大腦半球[37]。但是Tunik等在對1例70歲、左側(cè)輕癱女性的患側(cè)上肢進行2周10個節(jié)段的機器人聯(lián)合虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練中發(fā)現(xiàn)，訓(xùn)練后雙側(cè)大腦半球的初級運動皮層均有明顯的激活[38]。上述結(jié)果說明，虛擬現(xiàn)實對腦卒中后皮層重組影響的機制尚有爭議，造成差異的原因可能是研究條件和方法的不同。

Kang等在對照研究中記錄受試者休息、使用真正鏡子和虛擬鏡子三種條件時的上肢橈側(cè)腕屈肌的運動誘發(fā)電位(motor evoked potential,MEP)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)腦卒中患者和健康受試者三種條件時的MEP振幅有明顯不同的類型，虛擬鏡像任務(wù)中MEP平均振幅的增加和平均潛伏期的縮短最明顯。進一步研究發(fā)現(xiàn)，無論是健康受試者還是腦卒中患者，與連續(xù)視覺反饋任務(wù)比較，間斷視覺反饋任務(wù)時MEP振幅更高，平均潛伏期更短。故他們認為間斷視覺反饋的虛擬鏡像任務(wù)促進皮層脊髓通路[39]。Bagce等則在腦卒中慢性期患者中發(fā)現(xiàn)，與虛擬圖像變大或不變相比，圖像變小明顯改善腦卒中患者的動作表現(xiàn)和MEP振幅。提示虛擬反饋的圖像調(diào)節(jié)可能是選擇性調(diào)節(jié)M1活性一個強有力的方法[40]。由此可見，虛擬圖像的大小、提供反饋的形式均影響虛擬治療對大腦皮層的作用。

5 應(yīng)用前景

虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于腦卒中患者的肢體康復(fù)訓(xùn)練已經(jīng)取得了一定成績。它具有反饋形式多樣、環(huán)境與真實環(huán)境相似、可重復(fù)性、操作安全等優(yōu)勢，使枯燥乏味的運動訓(xùn)練變得容易、輕松有趣。但是很多試驗存在設(shè)計上的問題，包括樣本小、腦損傷的部位以及病理生理的選擇標準沒有一致的意見、腦卒中患者的病程長短不一、虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練方案缺乏科學(xué)統(tǒng)一的標準等，需要具有大樣本量的臨床試驗、嚴謹?shù)碾S機對照設(shè)計以及合理的數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法等高質(zhì)量的研究來證實其價值[41]。

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷完善以及相關(guān)技術(shù)的不斷融合，相信腦卒中患者的康復(fù)訓(xùn)練將日臻完善，腦卒中患者的運動功能將得到更好的康復(fù)。

[1]Holden MK.Virtual environment for motor rehabilitation:review[J].Cyberpsychol Behav,2005,8(3):187-211.

[2]DeutschJE.Usingvirtualrealitytoimprovewalking post-stroke:translation to individuals with diabetes[J].J Diabetes Sci Technol,2011,5(2):309-314.

[3]王亨,王然,卓子寒,等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述及其用于輔助康復(fù)治療的研究進展[J].生命科學(xué)儀器,2013,11(4):3-9.

[4]Gachet Páez D,Aparicio F,de Buenaga M,et al.Personalized health care system with virtual reality rehabilitation and appropriate information for seniors[J].Sensors,2012,12(5): 5502-5516.

[5]Merians AS,Fluet GG,Qiu Q,et al.Learning in a virtual environment using haptic systems for movement re-education:can this medium be used for remodeling other behaviors and actions?[J].J Diabetes Sci Technol,2011,5(2):301-308.

[6]Cho KH,Lee KJ,Song CH.Virtual-reality balance training with a video-game system improves dynamic balance in chronic stroke patients[J].Tohoku J Exp Med,2012,228(1):69-74.

[7]Iosa M,Morone G,Fusco A,et al.Seven capital devices for the future of stroke rehabilitation[J].Stroke Res Treat,2012, 2012:187965.

[8]Deutsch JE,Latonio J,Burdea GC,et al.Post-stroke rehabilitation with the Rutgers Ankle system:a case study[J].Presence, 2001,10(4):416-430.

[9]Mirelman A,Bonato P,Deutsch JE.Effects of training with a robot-virtual reality system compared with a robot alone on the gait of individuals after stroke[J].Stroke,2009,40(1): 169-174.

[10]MirelmanA,Patritti BL,Bonato P,et al.Effects of virtual reality training on gait biomechanics of individuals post-stroke[J]. Gait Posture,2010,31(4):433-437.

[11]Yang YR,Tsai MP,Chuang TY,et al.Virtual reality-based training improves community ambulation in individuals with stroke:a randomized controlled trial[J].Gait Posture,2008,28 (2):201-206.

[12]Walker ML,Ringleb SI,Maihafer GC,et al.Virtual reality-enhanced partial body weight-supported treadmill training poststroke:feasibility and effectiveness in 6 subjects[J].Arch Phys Med Rehabil,2010,91(1):115-122.

[13]Kizony R,Levin MF,Hughey L,et al.Cognitive load and dual-task performance during locomotion poststroke:a feasibility study using a functional virtual environment[J].Phys Ther, 2010,90(2):252-260.

[14]Lewek MD,Feasel J,Wentz E,et al.Use of visual and proprioceptive feedback to improve gait speed and spatiotemporal symmetry following chronic stroke:a case series[J].Phys Ther,2012,92(5):748-756.

[15]夏熙雙,牛光明.虛擬現(xiàn)實康復(fù)治療對腦血管病偏癱患者運動功能恢復(fù)的療效[J].中國實用神經(jīng)疾病雜志,2010,13(2): 28-29.

[16]馬宏霞.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的運動康復(fù)應(yīng)用研究[J].中國老年學(xué)雜志,2010,30(12):1630-1631.

[17]肖湘,毛玉瑢,李樂,等.虛擬現(xiàn)實與同步減重訓(xùn)練對腦卒中患者步態(tài)影響的對照研究[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志,2012,27(6): 533-537.

[18]張廷峰.MR Cube結(jié)合功能訓(xùn)練改善腦卒中患者膝關(guān)節(jié)控制的療效[J].中國實用神經(jīng)疾病雜志,2012,15(22):65-66.

[19]Jack D,Boian R,Merians AS,et al.Virtual reality-enhanced stroke rehabilitation[J].IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng, 2001,9(3):308-318.

[20]Stewart JC,Yeh SC,Jung Y,et al.Intervention to enhance skilled arm and hand movements after stroke:A feasibility study using a new virtual reality system[J].J Neuroeng Rehabil,2007,4:21.

[21]Subramanian SK,Levin MF.Viewing medium affects arm motor performance in 3D virtual environments[J].J Neuroeng Rehabil,2011,8:36.

[22]van den Hoogen W,Feys P,Lamers I,et al.Visualizing the third dimension in virtual training environments for neurologically impaired persons:beneficial or disruptive?[J].J Neuroeng Rehabil,2012,9:73.

[23]Merians AS,Fluet GG,Qiu Q,et al.Robotically facilitated virtual rehabilitation of arm transport integrated with finger movement in persons with hemiparesis[J].J Neuroeng Rehabil,2011,8:27.

[24]Meadmore KL,Hughes AM,Freeman CT,et al.Functional electrical stimulation mediated by iterative learning control and 3D robotics reduces motor impairment in chronic stroke[J].J Neuroeng Rehabil,2012,9:32.

[25]Shiri S,Feintuch U,Lorber-Haddad A,et al.A novel virtual reality system integrating online self-face viewing and mirror visual feedback for stroke rehabilitation:rationale and feasibility[J].Top Stroke Rehabil,2012,19(4):277-286.

[26]Cameir?o MS,Badia SB,Oller ED,et al.Neurorehabilitation using the virtual reality based Rehabilitation Gaming System: methodology,design,psychometrics,usability and validation[J].J Neuroeng Rehabil,2010,7:48.

[27]da Silva Cameir?o M,Badia SB,Duarte E,et al.Virtual reality based rehabilitation speeds up functional recovery of the upper extremities after stroke:a randomized controlled pilot study in the acute phase of stroke using the rehabilitation gaming system[J].Restor Neurol Neurosci,2011,29(5):287-298.

[28]Cameir?o MS,Badia SB,Duarte E,et al.The combined impact of virtual reality neurorehabilitation and its interfaces on upper extremity functional recovery in patients with chronic stroke[J].Stroke,2012,43(10):2720-2728.

[29]Turolla A,Dam M,Ventura L,et al.Virtual reality for the rehabilitation of the upper limb motor function after stroke:a prospective controlled trial[J].J Neuroeng Rehabil,2013,10:85.

[30]Saposnik G,Teasell R,Mamdani M,et al.Effectiveness of virtual reality using Wii gaming technology in stroke rehabilitation:a pilot randomized clinical trial and proof of principle[J]. Stroke,2010,41(7):1477-1484.

[31]Mouawad MR,Doust CG,Max MD,et al.Wii-based movement therapy to promote improved upper extremity function post-stroke:a pilot study[J].J Rehabil Med,2011,43(6): 527-533.

[32]顧瑩,田利華,陳紅.虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練系統(tǒng)和康復(fù)作業(yè)治療在偏癱患者上肢功能障礙中的應(yīng)用[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志,2011, 26(6):579-581.

[33]梁明,竇祖林,王清輝,等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在腦卒中患者偏癱上肢功能康復(fù)中的應(yīng)用[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志,2013,28(2): 114-118.

[34]梁明,竇祖林,王清輝,等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)對腦卒中患者偏癱上肢肱二、三頭肌表面肌電的影響[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志, 2013,28(10):904-908,928.

[35]李文,趙麗娜,李騰飛,等.表面肌電信號在腦卒中患者上肢運動功能康復(fù)中的應(yīng)用[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志,2013,28(2): 163-165.

[36]You SH,Jang SH,Kim YH,et al.Virtual reality-induced cortical reorganization and associated locomotor recovery in chronic stroke:an experimenter-blind randomized study[J].Stroke, 2005,36(6):1166-1171.

[37]Merians AS,Tunik E,Fluet GG,et al.Innovative approaches to the rehabilitation of upper extremity hemiparesis using virtual environments[J].Eur J Phys Rehabil Med,2009,45(1): 123-133.

[38]Tunik E,Adamovich SV.Remapping in the ipsilesional motor cortex after VR-based training:a pilot fMRI study[C].Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc,2009,1:1139-1142.

[39]Kang YJ,Park HK,Kim HJ,et al.Upper extremity rehabilitation of stroke:facilitation of corticospinal excitability using virtual mirror paradigm[J].J Neuroeng Rehabil,2012,9:71.

[40]Bagce HF,Saleh S,Adamovich SV,et al.Visuomotor gain distortion alters online motor performance and enhances primary motor cortex excitability in patients with stroke[J].Neuromodulation,2012,15(4):361-366.

[41]Laver K,George S,Ratcliffe J,et al.Virtual reality stroke rehabilitation—hype or hope?[J].Aust Occup Ther J,2011,58 (3):215-219.

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)

天津市環(huán)湖醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，天津市300060。作者簡介：王宏圖(1972-)，男，漢族，河北唐山市人，碩士，副主任醫(yī)師，主要研究方向：神經(jīng)康復(fù)。