李沖，田石榴，劉向云，賈杰，2

卒中作為常見的腦血管疾病，具有高發(fā)病率、高死亡率、高致殘率的特點[1]。全球每年有1700萬人罹患卒中，給社會、家庭造成了沉重的經(jīng)濟負擔(dān)[2]。85%的卒中患者會存在上肢功能障礙，嚴重影響患者的日常生活，其中只有11%～14%的患者上肢功能可完全恢復(fù)，因此，需要有效的康復(fù)治療對患者上肢功能進行重塑[3-4]。隨著科技的進步，許多新的康復(fù)技術(shù)得以發(fā)展，增強現(xiàn)實（augmented reality，AR）技術(shù)就是其中之一，不過其在卒中后上肢功能康復(fù)中的研究和應(yīng)用尚處于萌芽階段[5-7]。本文對AR技術(shù)促進卒中后上肢功能康復(fù)的原理、發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢進行綜述。

1 增強現(xiàn)實技術(shù)

1.1 增強現(xiàn)實技術(shù)定義 AR技術(shù)是一種將虛擬世界和真實世界進行交互融合的技術(shù)，它將虛擬信息在現(xiàn)實場景增強后呈現(xiàn)給使用者，增強使用者對現(xiàn)實世界的感知和交互能力[8]。1966年，Sutherland發(fā)明了頭盔顯示器，并在1968年創(chuàng)建了第一個AR系統(tǒng)[9]。目前對于AR技術(shù)有兩種較為權(quán)威的定義：第一種是Milgram和Kishino[10]于1994年提出的“現(xiàn)實-虛擬連續(xù)體”概念，對虛擬和現(xiàn)實相結(jié)合的顯示環(huán)境進行分類，真實環(huán)境和虛擬環(huán)境分布在兩端，靠近真實環(huán)境的是增強現(xiàn)實，靠近虛擬環(huán)境的是虛擬現(xiàn)實，而在中間的部分稱為混合現(xiàn)實。第二種定義是Azuma[8]于1997年提出，認為AR技術(shù)應(yīng)具備三個特征：①虛實結(jié)合，在真實環(huán)境中結(jié)合真實和虛擬信息；②實時交互；③三維注冊，實現(xiàn)真實場景和虛擬信息的融合。

1.2 增強現(xiàn)實關(guān)鍵技術(shù) 增強現(xiàn)實關(guān)鍵技術(shù)一般包括跟蹤注冊技術(shù)、顯示技術(shù)和交互技術(shù)。其中，根據(jù)跟蹤的對象可將跟蹤注冊技術(shù)分為兩類：①跟蹤對象為攝像機，又可以分為基于硬件傳感器的跟蹤技術(shù)和基于計算機視覺的跟蹤技術(shù)[11]?；谟布鞲衅鞯母櫦夹g(shù)通過傳感器的信號發(fā)送器和感知器來獲取相關(guān)位置、移動數(shù)據(jù)，從而達到跟蹤注冊的目的。目前常用的基于硬件傳感器的跟蹤技術(shù)有全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）、慣性跟蹤器和磁感應(yīng)傳感器等[12-13]。基于計算機視覺的跟蹤技術(shù)利用計算機視覺的相關(guān)算法將虛擬信息和真實場景進行融合，該技術(shù)的精確度較高，常應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)[14]。②跟蹤對象為人，以使用者及周邊信息作為被跟蹤對象，對周圍環(huán)境建模從而加載虛擬場景。

顯示技術(shù)的作用是將計算機生成的虛擬信息與真實場景進行融合。常見的AR顯示技術(shù)有頭戴式顯示器、手持式顯示器、投影式顯示器。頭戴式顯示器的沉浸感最強；手持式顯示器是使用者可以手持的顯示技術(shù)，避免了使用者佩戴頭戴式顯示器的不舒適感，同時體積小、易于攜帶，但其減弱了使用者的沉浸感；投影式顯示器是將虛擬信息直接投影到真實場景中需要增強的真實物體上，該技術(shù)投影范圍大，效果穩(wěn)定，但該技術(shù)設(shè)備體積一般較大，不易攜帶[13-15]。

交互技術(shù)的作用是實現(xiàn)人機交互。常見的交互技術(shù)包括：基于傳統(tǒng)的硬件設(shè)備，如鼠標、鍵盤等通過選擇圖像中的某個點并對該點對應(yīng)的虛擬物體進行按、點等操作來實現(xiàn)交互；手勢交互，這種交互方式能降低人機交互成本；另外，還包括便攜式投影互動技術(shù)[16]。

1.3 增強現(xiàn)實技術(shù)促進上肢功能康復(fù)的原理 左右制衡模式是上肢發(fā)揮正常功能的重要機制，制衡模式的異常是卒中后患者上肢和手功能障礙的重要機制[17]。卒中后神經(jīng)功能的康復(fù)主要依賴于腦的可塑性和功能重組，而高強度、可重復(fù)、任務(wù)導(dǎo)向性、有反饋的康復(fù)訓(xùn)練可促進腦的重塑和功能重組[18-20]。有效的康復(fù)訓(xùn)練能促進患者的神經(jīng)系統(tǒng)對感覺信號重新適應(yīng)，增強中樞神經(jīng)系統(tǒng)對上肢運動功能的控制，抑制原始、異常的反射活動，從而重塑正常的左右制衡模式。AR技術(shù)以日常生活中常用動作為基礎(chǔ)，提供高強度、可重復(fù)、任務(wù)導(dǎo)向性的功能性運動，從而有效地促進損傷腦區(qū)周圍正常神經(jīng)元參與運動，重建外周到中樞的感覺反饋，促進神經(jīng)中樞對動作進行修正，恢復(fù)神經(jīng)中樞對外周的控制，最終恢復(fù)原有功能或?qū)崿F(xiàn)功能代償[21-22]。同時，AR技術(shù)能有效地提高患者的心肺體適能，有助于提高患者的生活質(zhì)量?；谝曈|覺的AR技術(shù)將增強現(xiàn)實技術(shù)和視觸覺反饋技術(shù)相結(jié)合，通過患者與AR場景中的虛擬物體進行交互，并通過觸覺等感覺反饋促進大腦高級中樞進行整合，建立新的信息接收和處理通路，從而達到功能重塑的目的[23-25]。

2 卒中后上肢康復(fù)常用的增強現(xiàn)實技術(shù)

2.1 視覺增強現(xiàn)實技術(shù) 視覺AR技術(shù)是最常見的訓(xùn)練技術(shù)，在康復(fù)訓(xùn)練中，該技術(shù)常與作業(yè)治療、鏡像療法等技術(shù)相結(jié)合。Mousavi等[26]開發(fā)了一款基于視覺的AR技術(shù)康復(fù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用投影式顯示器，治療時，患者坐在治療桌前，投影式顯示器將虛擬背景投影在治療桌上，患者使用實際物體與虛擬環(huán)境進行交互。Colomer等[27]對30例慢性期卒中患者進行了常規(guī)康復(fù)-AR技術(shù)-常規(guī)康復(fù)的交替訓(xùn)練，結(jié)果顯示，視覺AR康復(fù)系統(tǒng)能滿足運動學(xué)習(xí)原則，并能促進患者上肢功能的康復(fù)。Da Gama等[28-29]開發(fā)的另一款基于視覺的AR技術(shù)上肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)能與鏡像療法相結(jié)合。研究者采用該系統(tǒng)分別對卒中患者、物理治療師和軟件開發(fā)人員進行隊列評估，方式為肩部外展治療練習(xí)，每次訓(xùn)練時分為三個連續(xù)的子項目：①使用者在沒有系統(tǒng)幫助的情況下進行練習(xí)直到感到疲勞；②使用鏡像激勵和指導(dǎo)進行相同的練習(xí)；③使用者在沒有系統(tǒng)幫助的情況下再次進行練習(xí)。以使用者初次在沒有系統(tǒng)幫助的情況下進行運動的數(shù)據(jù)作為基線，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用該系統(tǒng)進行訓(xùn)練后，患者正確練習(xí)率從69.02%提高到93.73%，運動重復(fù)次數(shù)由34.06次提高至66.09次，提示使用者的康復(fù)動力增加。

目前關(guān)于視覺AR技術(shù)與其他技術(shù)結(jié)合的研究較少，未來需要開發(fā)相關(guān)設(shè)備并進行高質(zhì)量的研究進一步驗證其對卒中后上肢功能康復(fù)的影響。

2.2 觸覺增強現(xiàn)實技術(shù) 觸覺AR技術(shù)是在常規(guī)AR技術(shù)基礎(chǔ)上增加觸覺反饋，能有效增加患者訓(xùn)練時的感覺反饋，增強外周環(huán)境與中樞控制之間的聯(lián)系，對同時存在感覺和運動功能障礙的患者更有幫助。Luo等[30]開發(fā)了一款A(yù)R與壓力輔助設(shè)備相結(jié)合的康復(fù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的輔助設(shè)備包括身體動力矯形器或氣動裝置，患者佩戴該輔助設(shè)備進行抓取虛擬物體訓(xùn)練時，該系統(tǒng)會判斷患者的手是否處于合適的位置，輔助設(shè)備會產(chǎn)生一定的壓力幫助患者完成抓握物體動作。研究者對1例卒中患者使用該系統(tǒng)進行6周訓(xùn)練后，用箱盒測試評估患者上肢功能，結(jié)果顯示該系統(tǒng)能明顯改善患者手的抓握能力。Hossain等[31]開發(fā)了一款A(yù)R結(jié)合無線振動觸覺設(shè)備的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，振動觸覺設(shè)備放置在訓(xùn)練時所用的物品內(nèi)為患者提供感覺反饋。研究者對10例卒中患者使用該設(shè)備進行訓(xùn)練，每例患者進行一次訓(xùn)練且訓(xùn)練時間至少1 h，訓(xùn)練后對患者進行問卷調(diào)查，結(jié)果顯示多數(shù)患者認為該系統(tǒng)能增加康復(fù)訓(xùn)練的樂趣且具有挑戰(zhàn)性，但有2例患者訓(xùn)練時有挫敗感，另外有2例患者出現(xiàn)上肢的疲勞。Zhao等[32]開發(fā)了一款A(yù)R結(jié)合觸覺振動腕帶的康復(fù)系統(tǒng)，19例卒中患者使用該系統(tǒng)進行了25 d的抓握和移動物體訓(xùn)練，結(jié)果顯示有2例年齡較大的女性患者手功能沒有明顯改善，4例患者手伸展功能有明顯改善。

目前常見的觸覺反饋設(shè)備有桌面式、手持式和自制式等幾種。Geomagic Touch等設(shè)備精確度高，提供的觸覺反饋較明顯，但其成本高，對于需要居家進行康復(fù)訓(xùn)練的卒中患者，可以采用國產(chǎn)觸覺康復(fù)裝置[33-34]。

2.3 鏡像增強現(xiàn)實技術(shù) 鏡像療法最初用于減輕截肢后幻肢痛，近年來在卒中上肢功能康復(fù)治療中的應(yīng)用越來越廣泛。Assis等[35]開發(fā)了一款康復(fù)設(shè)備（NeuroR），使用者通過屏幕看到自己上肢的鏡像，用虛擬手臂模擬癱瘓手臂，通過移動未受傷的手臂和偏癱的手臂來完成所需的任務(wù)，并由標記信號觸發(fā)虛擬手臂動畫。8例卒中患者參與該研究，隨機分為試驗組（使用NeuroR進行康復(fù)治療）和對照組（常規(guī)康復(fù)治療），經(jīng)過4周康復(fù)訓(xùn)練后，試驗組的Fugl-Meyer上肢功能量表評分較對照組有顯著提高，證明使用該設(shè)備能有效改善卒中患者的上肢功能。Hoermann等[36]開發(fā)了一款相對經(jīng)濟的AR技術(shù)（增強反射技術(shù)）系統(tǒng)，該系統(tǒng)將計算機鏡像療法與AR技術(shù)結(jié)合。訓(xùn)練時患者將雙手放在治療桌上，屏幕上只有經(jīng)過鏡像的健側(cè)手，給患者一種視錯覺，即鏡像到屏幕另一邊的健側(cè)手是真正恢復(fù)功能的患側(cè)手。研究納入了12例亞急性期卒中患者，治療前后對患者進行九孔柱、握力和Fugl-Meyer上肢功能量表評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該技術(shù)有助于激發(fā)患者的康復(fù)潛力。

AR技術(shù)和鏡像技術(shù)結(jié)合對傳統(tǒng)的二維鏡像療法進行了創(chuàng)新，通過AR技術(shù)對患者進行三維鏡像治療，可促進患者上肢功能的康復(fù)，但該系統(tǒng)需要的頭戴式顯示器或設(shè)備體積較大，成本較高且不易攜帶，限制了該系統(tǒng)的臨床應(yīng)用[37-38]。

2.4 手機增強現(xiàn)實技術(shù) 基于手機的AR技術(shù)利用手機作為顯示技術(shù)完成患者訓(xùn)練時的交互過程。Lapiana等[39]開發(fā)了一款基于手機的AR游戲康復(fù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將手機和頭戴式顯示器結(jié)合，利用標識物、固定盒對患者進行訓(xùn)練。該研究為探索性研究，主要測試患者對該系統(tǒng)的接受程度。5例卒中患者使用該系統(tǒng)進行3次治療，治療后的問卷調(diào)查結(jié)果顯示，患者認為這款基于手機的AR康復(fù)系統(tǒng)可以幫助他們達到康復(fù)的目標，但有患者反饋使用該系統(tǒng)訓(xùn)練容易疲勞。Song等[40]開發(fā)的另一款更簡單的（手機和可穿戴手套）基于手機游戲的AR康復(fù)系統(tǒng)，也更經(jīng)濟且便攜。研究者對8例卒中患者使用該設(shè)備進行一次訓(xùn)練，采集患者訓(xùn)練前后運動功能得分并對患者進行問卷調(diào)查，結(jié)果顯示該康復(fù)系統(tǒng)能明顯改善患者上肢功能且患者對該系統(tǒng)接受程度良好，但有一例患者認為這款系統(tǒng)對上肢功能康復(fù)沒有作用。

基于手機的AR系統(tǒng)近幾年才開始應(yīng)用于卒中后上肢功能的康復(fù)訓(xùn)練，該類系統(tǒng)和其他AR技術(shù)系統(tǒng)相比更加經(jīng)濟、便捷，可以作為患者居家康復(fù)訓(xùn)練的一種選擇，但該類系統(tǒng)的交互技術(shù)往往較其他系統(tǒng)弱，患者的沉浸感較差。

3 總結(jié)與展望

綜上所述，目前AR系統(tǒng)在卒中后上肢功能康復(fù)研究中的可行性已經(jīng)得到證實[36-38]。應(yīng)用于上肢功能康復(fù)的AR技術(shù)能將傳統(tǒng)訓(xùn)練方式與虛擬現(xiàn)實結(jié)合，利用計算機圖形學(xué)技術(shù)、計算機視覺技術(shù)實現(xiàn)人機交互，并可實時記錄相關(guān)的康復(fù)數(shù)據(jù)，分析康復(fù)進展情況，讓康復(fù)訓(xùn)練更加高效。同時，AR技術(shù)也存在許多不足之處，包括：①部分AR康復(fù)設(shè)備（如投影式顯示器和傳感器裝置）比較昂貴，不能滿足低收入家庭的康復(fù)需求；②設(shè)備穿戴較煩瑣，可穿戴設(shè)備雖然沉浸感強且能帶來實時交互，但穿戴時有不舒適的感覺，降低了患者訓(xùn)練的積極性；③訓(xùn)練場景沉浸感不強，如通過投影式顯示器在治療臺上進行投影，增強效果不明顯，患者康復(fù)積極性得不到提高；④游戲難度設(shè)置存在問題，尚不能完全按照患者功能狀況進行針對性訓(xùn)練，降低了康復(fù)治療的效果。

AR技術(shù)正在康復(fù)領(lǐng)域逐漸發(fā)揮其強大的力量，未來的AR技術(shù)發(fā)展有以下趨勢：①增強系統(tǒng)軟硬件的通用性，降低開發(fā)成本，從而使應(yīng)用人群更加廣泛；②場景設(shè)計和游戲設(shè)計更加全面和多元化，對虛擬信息的形成機理和模型研究更加深入；③系統(tǒng)訓(xùn)練應(yīng)將康復(fù)評估、治療方案、康復(fù)訓(xùn)練等結(jié)合，滿足患者的周期性康復(fù)需求；④增加訓(xùn)練時感覺反饋的形式和種類，優(yōu)化游戲難度設(shè)置。

【點睛】增強現(xiàn)實技術(shù)通過虛擬世界和真實世界的融合，增強使用者對現(xiàn)實世界的感知和交互能力，其在卒中患者上肢功能康復(fù)中有較大的應(yīng)用價值和前景。