湯一格，韋宇煒，胡兆勇，王俊華

（1.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510000；2.廣東省第二中醫(yī)院，廣東 廣州 510000）

虛擬現(xiàn)實在下肢康復(fù)治療中的應(yīng)用及設(shè)備研究

湯一格1，韋宇煒1，胡兆勇1，王俊華2

（1.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510000；2.廣東省第二中醫(yī)院，廣東 廣州 510000）

虛擬現(xiàn)實技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代，至今它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、教育、經(jīng)濟、娛樂甚至軍事領(lǐng)域，為用戶提供各種逼真的體驗。在康復(fù)醫(yī)療中，虛擬現(xiàn)實為患者提供身臨其境的沉浸感，使患者能夠通過與場景的交互來進(jìn)行感官刺激，達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練的目的。近年來，很多研究證實，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠改善下肢運動障礙的病人的下肢運動功能。本文主要介紹虛擬現(xiàn)實用于下肢康復(fù)在國內(nèi)外的應(yīng)用研究情況。

虛擬現(xiàn)實；下肢康復(fù)；研究現(xiàn)狀

0 引言

人體下肢在人類的日常生活中起著至關(guān)重要的作用，由于我國的人口老齡化，老年人越來越多，在這之中有很多人患上了腦血管疾病以及神經(jīng)系統(tǒng)疾病，他們的行走以及站立存在功能性障礙，還有一些人因為意外發(fā)生了交通事故而造成下肢癱瘓。針對這些患者，傳統(tǒng)的治療方式包括治療師的按摩、針灸、熏蒸等外加一些簡單的訓(xùn)練器械進(jìn)行治療，訓(xùn)練單調(diào)無趣且其效率很低。

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality），又稱虛擬環(huán)境，是由計算機硬件和軟件合成人工環(huán)境，使沉浸其中的用戶產(chǎn)生視覺、聽覺、觸覺上的體驗，并且讓用戶能夠在創(chuàng)造的這個空間中進(jìn)行人機交互，給其一種身臨其境的真實感覺。

醫(yī)療事業(yè)在不斷進(jìn)步發(fā)展，近幾年虛擬現(xiàn)實(VR)在醫(yī)學(xué)臨床研究上有不少研究，例如，在一些注意力缺陷、記憶障礙、感知障礙等認(rèn)知康復(fù)，焦慮癥、抑郁癥等精神上的情緒障礙康復(fù)，運動障礙、平衡協(xié)調(diào)性障礙與多動癥等運動障礙康復(fù)等，在這些臨床研究中應(yīng)用了虛擬現(xiàn)實，并取得好的療效。

腦卒中、注意缺陷多動癥、帕金森癥、獲得性腦損傷等多種原因都有可能導(dǎo)致運動障礙，患者不能自己將空間視覺、運動控制、知覺運動、任務(wù)概念、反饋信息等因素有效地進(jìn)行整合，這樣，他們的生活無法自理，給自己以及家人帶來極大的不便。有感知缺陷或者運動功能障礙的患者能夠通過VR技術(shù)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，主要方法有物理療法、作業(yè)療法、技能訓(xùn)練、生活訓(xùn)練、語言訓(xùn)練和心理咨詢等，使精神上及身體的部分或全部功能得到最大限度地恢復(fù)，從而達(dá)到最大可能的生活自理甚至勞動和工作能力的恢復(fù)。

1 虛擬現(xiàn)實下肢康復(fù)訓(xùn)練對比傳統(tǒng)康復(fù)療法

虛擬現(xiàn)實應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)療中是由Wann和Turnbull在1993年首次提出。與傳統(tǒng)下肢康復(fù)治療進(jìn)行比較，虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用能夠讓患者通過虛擬的環(huán)境，給他們身臨其境的感覺，這種沉浸讓患者的訓(xùn)練變得有趣，能夠給訓(xùn)練體驗帶來正向的驅(qū)動力量。將虛擬現(xiàn)實應(yīng)用于下肢康復(fù)治療有如下特點：

（1）趣味性：能夠提供給患者豐富多樣的訓(xùn)練方式，以及多樣的訓(xùn)練場景；

（2）真實性：在虛擬的場景中訓(xùn)練，可以讓感官受到刺激，患者在虛擬的訓(xùn)練環(huán)境中訓(xùn)練，并且能夠?qū)⒂?xùn)練過程中練習(xí)的技能應(yīng)用到日常生活中；

（3）反饋性：能夠在虛擬的環(huán)境添加很多反饋信息，讓應(yīng)用了虛擬現(xiàn)實的康復(fù)訓(xùn)練變得輕松有趣，同時也能夠使患者的康復(fù)信息的到提高；

（4）獨特性：應(yīng)用了虛擬現(xiàn)實的康復(fù)系統(tǒng)能夠?qū)颊叩闹委煼绞竭M(jìn)行個性化設(shè)置，將訓(xùn)練與評測結(jié)合起來，做到因人而異。

2 基于虛擬現(xiàn)實的下肢康復(fù)治療在國外的研究應(yīng)用

日本香川大學(xué)智能機械系統(tǒng)與工程學(xué)系和學(xué)校醫(yī)院的康復(fù)醫(yī)學(xué)部門合作開發(fā)了一套應(yīng)用了虛擬現(xiàn)實的滑雪系統(tǒng)，如圖1。它主要用于運動治療中，可以給緩則提供虛擬滑雪訓(xùn)練，患者通過控制虛擬的滑板左右擺動，從而達(dá)到訓(xùn)練的目的，如圖1所示。

加拿大蒙特利爾McGill大學(xué)猶太康復(fù)醫(yī)院和魁北克康復(fù)研究協(xié)會合作研究出了一套基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的多自由度反饋的下肢訓(xùn)練器，如圖2所示。他們在計算機中建立了跟現(xiàn)實生活一樣的一個三維場景，在這個場景中患者需要進(jìn)行過街訓(xùn)練。場景中的模型有患者本身，還有一些由計算機控制的虛擬的人以及正常行駛的汽車等。研究人員想要這種具有真實意義的并且能給患者帶來強烈真實感的訓(xùn)練讓患者達(dá)到正常人的步態(tài)及步速，能夠讓他們具備和正常人一樣獨立地生活的能力。

圖1 虛擬現(xiàn)實滑雪系統(tǒng)

圖2 下肢訓(xùn)練器

Yang等和Walker等在運動平板前放置一個電視屏幕，為參與者顯示虛擬環(huán)境。這個虛擬環(huán)境是模擬人在街道行走的，利用一個頭盔式傳感器提供計算機一個姿勢的反饋，如圖3所示。

一系列研究表明，與單單只進(jìn)行平板訓(xùn)練的人相對比，虛擬現(xiàn)實結(jié)合了減重平板進(jìn)行訓(xùn)練的腦卒中患者在步行速度和社區(qū)步行測試上獲得的改善更大，日常生活能力也得到更大提高。You等利用基于虛擬現(xiàn)實的游戲系統(tǒng)針對患者的步行能力進(jìn)行訓(xùn)練，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，步行速度、社區(qū)中的行走距離，以及跨越的臺階數(shù)均有明顯增加。

圖3 Yang等和Walker等的運動平板訓(xùn)練系統(tǒng)

3 基于虛擬現(xiàn)實的下肢康復(fù)治療在國內(nèi)的研究應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)。仿真能夠使用戶沉浸到該環(huán)境中，并能夠與虛擬環(huán)境進(jìn)行直接互動從而產(chǎn)生與現(xiàn)實世界中相同的反饋信息。

孟凡、賈曉宏等表示基于虛擬游戲建立的視覺生物反饋技術(shù)，能夠讓患者與虛擬環(huán)境進(jìn)行互動，同時布置一個個虛擬人物讓患者取完成，這樣的訓(xùn)練能夠讓患者感覺有趣，更加具有目的性，通過這種方式能夠提高功能訓(xùn)練效果。中山大學(xué)肖湘等將虛擬現(xiàn)實與同步減重步態(tài)訓(xùn)練（BWSTT）相結(jié)合，把12個腦卒中患者，他們都是發(fā)病3個月內(nèi)的患者，將他們隨機分組，分為試驗組和常規(guī)組兩個組，利用三維步態(tài)進(jìn)行分析，評估虛擬現(xiàn)實與同步BWSTT對腦卒中患者步態(tài)的影響。研究結(jié)果表明虛擬現(xiàn)實同步BWSTT可改善腦卒中患者的平衡能力和步行速度。

張雷杰等人提出了一種基于虛擬現(xiàn)實的步態(tài)訓(xùn)練康復(fù)機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)下肢康復(fù)訓(xùn)練單一乏味的問題。虛擬游戲以腦—機接口為啟動端口，以線程方式在系統(tǒng)中運行，以單例設(shè)計模式為主要模式，通過與系統(tǒng)控制主軟件協(xié)同合作，對病人的步態(tài)速度、心跳等生理信息進(jìn)行快速合理有效的存取操作，并將速度等信息恰當(dāng)?shù)伢w現(xiàn)在游戲中。引入了虛擬游戲后，康復(fù)訓(xùn)練過程變得更有趣味性，這也在很大程度上提高了病人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的積極性。

廣州中醫(yī)藥大學(xué)劉言薇等人通過把80例腦卒中患者按照隨機數(shù)字表達(dá)為治療組（40例）和對照組（40例），對照組采取一般內(nèi)科藥物和常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練，治療組在對照組基礎(chǔ)上應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)訓(xùn)練，采用三維步態(tài)分析和下肢Fugly-Meyer運動功能評分（FMA）評估兩組下肢步行功能。結(jié)果表明，治療后兩組患者FMA評分及三維步態(tài)軍明顯優(yōu)于治療前，且治療組優(yōu)于對照組。

因此虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠應(yīng)用在下肢康復(fù)訊可憐中，并且對腦卒中患者下肢步行功能有促進(jìn)作用。

林玲，江利，肖湘等人研究了虛擬現(xiàn)實(VR)結(jié)合減重平板訓(xùn)練(VR+BWSTT)對急性腦卒中患者步行功能早期回復(fù)中的作用和機制，他們將11例急性缺血性腦卒中患者隨機分入跑臺組(6例)和常規(guī)組(5例)，分別采用不同的康復(fù)訓(xùn)練方案，并在康復(fù)訓(xùn)練前及訓(xùn)練后3周、3個月和6個月各進(jìn)行一次腦功能成像和下肢運動功能的評定。

結(jié)果表明跑臺組步行速度和下肢Fugl-Meyer評分進(jìn)步程度較常規(guī)組顯著，跑臺組進(jìn)步較大的患者患肢對側(cè)旁中央小葉(PCL)激活強度較訓(xùn)練前增大較明顯；患肢運動激活輔助運動區(qū)(SMA)的LI值訓(xùn)練后3周多數(shù)為負(fù)值；跑臺組6名患者中有4名患者在訓(xùn)練后3周患肢運動時出現(xiàn)雙側(cè)前額葉皮層多發(fā)激活區(qū)。

這結(jié)果可說明VR+BWSTT對腦卒中患者步行功能的改善作用優(yōu)于常規(guī)步態(tài)訓(xùn)練；下肢功能恢復(fù)的中樞神經(jīng)機制與上肢不完全相同，VR的作用機制可能與雙側(cè)前額葉皮質(zhì)有關(guān)。

4 虛擬現(xiàn)實在下肢康復(fù)治療中仍存在的問題及展望

結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)的康復(fù)治療在康復(fù)治療領(lǐng)域取得了令人滿意的效果，但這種技術(shù)的應(yīng)用尚存在一些不足：

（1）沒有相關(guān)的治療評估。

（2）硬件的技術(shù)要求需要進(jìn)一步發(fā)展來支持相應(yīng)的軟件。

（3）虛擬現(xiàn)實技術(shù)的開發(fā)人員需要對與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相關(guān)的軟硬件有著深刻的認(rèn)識，并且還需要對人體的心理生理等有一定程度的認(rèn)知。

（4）硬件要求較高，制造成本比較昂貴，無法大規(guī)模推廣應(yīng)用。

傳統(tǒng)下肢康復(fù)治療枯燥乏味，有了虛擬現(xiàn)實這一元素的加入，把枯燥的訓(xùn)練變得生動有趣。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，人機交互技術(shù)的不斷提高，未來將康復(fù)治療需求與VR技術(shù)、機電技術(shù)交叉結(jié)合，一定能夠給患者帶來更好的康復(fù)治療效果。

[1]周柳，王英華，劉強，等.虛擬現(xiàn)實在運動康復(fù)中的應(yīng)用[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2007,11(5):957～960.

[2]謝笑，黃國志.虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于腦卒中康復(fù)治療的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J/CD].中華腦科疾病與康復(fù)雜志：電子版，2014,4(4):257～260.

[3]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.

[4]T Wada,N Yoshii,K Tsukamoto,et al.Development of virtual reality snowboard system for therapeutic exercise[J]. IEEE/ RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems(IROS), 2004,3(3): 2277～2282.

[5]Fung J,Malouin F,Katz N,Weingarden H,et al. Video-capture virtual reality system for patient with paraplegic spinal cord injury [J]. J Rehabil Res Dev,2005,42(5):595～608.

[6]Yang YR,Tsai M,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.

[7]Kizony R ,LevinMF,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.

[8]You SH,Jang SH, Kim YH, et al.Virtual reality-induced cortical reorganization and associated locomoter recovery in chronic stroke:an experimenter-blind randomized study erratum appears in stoke [J]. 2005, 36(7): 1166～1171.

[9]劉永奎，周曉敏。虛擬現(xiàn)實技術(shù)和科學(xué)計算可視化[J].中國圖像圖形學(xué)報，2000,5(9):794～798.

[10]孟凡，賈曉宏，等?；谔摂M游戲的視覺生物反饋技術(shù)在康復(fù)運動訓(xùn)練中的應(yīng)用[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志，2009,24(2):165～166.

[11]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.

[12]張雷杰，劉永久，王慧，等?；谔摂M現(xiàn)實的步態(tài)訓(xùn)練康復(fù)機器人系統(tǒng)軟件設(shè)計[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2012,21(12):8～12.

[13]劉言薇，黃臻，等.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)訓(xùn)練對腦卒中患者下肢步行功能障礙的影響[J].按摩與康復(fù)醫(yī)學(xué)，2016,7(7):13～14.

[14]林玲，江利，肖湘，等。虛擬現(xiàn)實結(jié)合減重平板訓(xùn)練對腦卒中患者步行功能恢復(fù)的作用和機制：縱向功能磁共振研究[J]中國醫(yī)學(xué)計算機成像雜志，2014,20(4):313～317.

TP242

A

1671-0711（2016）11（下）-0107-03

廣東省科技計劃項目，項目編號：2013B010102010，項目名稱：基于功能電刺激的癱瘓患者步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機器人的設(shè)計及研發(fā)。