莫海燕，劉 靜，曹 慧

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用與發(fā)展

莫海燕，劉 靜，曹 慧

分析了傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練方式的局限性，闡述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于康復(fù)醫(yī)學(xué)的必要性，總結(jié)了其在運(yùn)動(dòng)康復(fù)、認(rèn)知康復(fù)和遠(yuǎn)程康復(fù)方面的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用進(jìn)展及其在應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題，并且指出了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)必將在康復(fù)醫(yī)療中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；運(yùn)動(dòng)康復(fù)；認(rèn)知康復(fù)；遠(yuǎn)程康復(fù)

0 引言

隨著老齡化進(jìn)程的加快和重大自然災(zāi)害的頻發(fā)，我國(guó)康復(fù)醫(yī)療產(chǎn)業(yè)正在逐漸引起醫(yī)學(xué)界和社會(huì)的高度重視。傳統(tǒng)的康復(fù)醫(yī)療一般在康復(fù)中心進(jìn)行，是醫(yī)師與患者之間一對(duì)一的指導(dǎo)訓(xùn)練，但是現(xiàn)有的康復(fù)中心以及康復(fù)醫(yī)師的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足目前康復(fù)訓(xùn)練人群的需求。近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）技術(shù)成為十分活躍的研究領(lǐng)域，已被運(yùn)用到軍事、建筑工程、醫(yī)學(xué)、教育、娛樂(lè)影視等各個(gè)方面，現(xiàn)就其在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)又稱“靈境”，由三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、多功能傳感器的交互式接口技術(shù)以及高清晰度和高更新速度的顯示技術(shù)構(gòu)成[1-2]。VR技術(shù)就是在計(jì)算機(jī)中建立一個(gè)模擬真實(shí)世界效果的特殊環(huán)境，通過(guò)各種傳感器設(shè)備，使用戶“沉浸”在這個(gè)虛擬環(huán)境中并進(jìn)行操作和控制，以達(dá)到特殊的目的。

VR具有3個(gè)特性——3I，即immersion（沉浸性）、interaction（交互性）和imagination（構(gòu)想性）[3]，它為處在該環(huán)境下的用戶提供包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多種直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知交互。用戶在該虛擬環(huán)境中能夠產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)，并且可以通過(guò)操作來(lái)改變或選擇可以感受的內(nèi)容，同時(shí)又留給用戶可以自由發(fā)揮想象的空間進(jìn)行大膽的嘗試，進(jìn)而擴(kuò)展其認(rèn)知的范圍，提高用戶的探索和創(chuàng)新意識(shí)。

2 康復(fù)醫(yī)學(xué)目前存在的問(wèn)題

臨床經(jīng)驗(yàn)表明，早期的康復(fù)介入，對(duì)患者的身心功能恢復(fù)、預(yù)防二次損傷和廢用綜合征都起到關(guān)鍵性的作用，因而康復(fù)治療和手術(shù)藥物等的治療同等重要。我國(guó)幅員遼闊，地形復(fù)雜，近年來(lái)自然災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，給災(zāi)區(qū)人民的身體和心理都帶來(lái)巨大的創(chuàng)傷，加之老齡化問(wèn)題的日益嚴(yán)峻及其帶來(lái)的疾病譜的變化，康復(fù)醫(yī)學(xué)工程正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的康復(fù)治療通常是醫(yī)師與患者一對(duì)一形式的訓(xùn)練，存在諸多局限性：（1）現(xiàn)有資源不夠充足。無(wú)論是專業(yè)的康復(fù)醫(yī)師還是康復(fù)器械都無(wú)法滿足當(dāng)前康復(fù)人群的需要。（2）訓(xùn)練過(guò)程單調(diào)而乏味。傳統(tǒng)的訓(xùn)練過(guò)程通常是對(duì)一組訓(xùn)練動(dòng)作的不斷重復(fù)，導(dǎo)致整個(gè)過(guò)程十分枯燥，難以有效調(diào)動(dòng)患者主動(dòng)參與的積極性，甚至使患者產(chǎn)生厭煩情緒，降低了康復(fù)效率。（3）功能定量化測(cè)評(píng)難以實(shí)現(xiàn)。隨著康復(fù)治療的不斷進(jìn)行，患者的身體狀況發(fā)生變化，其承受的活動(dòng)量強(qiáng)度也在改變，而目前無(wú)法對(duì)患者在訓(xùn)練中的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和保存，不利于康復(fù)訓(xùn)練計(jì)劃的制訂和調(diào)整，也在一定程度上影響了康復(fù)進(jìn)程。

3 康復(fù)醫(yī)學(xué)結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的必要性

VR康復(fù)系統(tǒng)可以打破傳統(tǒng)訓(xùn)練方式的局限性，它可以針對(duì)不同類型功能障礙的患者提供不同的虛擬訓(xùn)練平臺(tái)，使患者以做游戲或完成趣味性任務(wù)的方式進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，以此調(diào)動(dòng)患者的積極性。系統(tǒng)還能夠詳細(xì)地記錄患者的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，康復(fù)醫(yī)生可以遠(yuǎn)程監(jiān)控患者的訓(xùn)練情況，進(jìn)而根據(jù)需要實(shí)時(shí)地調(diào)整訓(xùn)練計(jì)劃和訓(xùn)練強(qiáng)度，推薦康復(fù)治療方案。通過(guò)這種方式，一個(gè)醫(yī)生可以同時(shí)指導(dǎo)多名患者，提高了醫(yī)療人員的工作效率，減輕了其工作強(qiáng)度。

VR技術(shù)可提供重復(fù)練習(xí)、效果反饋和動(dòng)機(jī)維持3種關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這正是患者習(xí)得某種功能的必要條件。另外，VR康復(fù)系統(tǒng)能將心理引導(dǎo)與生理治療結(jié)合起來(lái)，在患者進(jìn)行“游戲式”康復(fù)訓(xùn)練的過(guò)程中，通過(guò)音樂(lè)、畫(huà)面、文字和語(yǔ)音提示等形式給患者以正面的激勵(lì)反饋，提高患者的信心和主動(dòng)性[4]。因此，將康復(fù)訓(xùn)練與VR技術(shù)相結(jié)合具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

4 VR技術(shù)在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用與進(jìn)展

4.1 VR在運(yùn)動(dòng)康復(fù)中的應(yīng)用

運(yùn)動(dòng)障礙是指以運(yùn)動(dòng)異常為特征的各種障礙，包括運(yùn)動(dòng)不能、震顫、舞蹈癥、扭轉(zhuǎn)痙攣、斜頸、張力障礙、顫搐、抽動(dòng)和肌陣攣等癥狀[5]。當(dāng)前，在運(yùn)動(dòng)障礙康復(fù)領(lǐng)域，對(duì)患者受損的運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行康復(fù)性訓(xùn)練是VR技術(shù)最重要的用途[6]。

4.1.1 平衡和協(xié)調(diào)訓(xùn)練

許多中風(fēng)患者存在姿態(tài)和平衡方面的問(wèn)題，例如身體搖擺和不對(duì)稱的質(zhì)量分布降低了其靈動(dòng)性，影響了他們的日常生活。DING Qi-cheng等[7]結(jié)合CIMT原理對(duì)Nintendo Wii Fit游戲系統(tǒng)進(jìn)行改造，構(gòu)建了一款基于VR的下肢平衡康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)使患者的雙腳分別站立在2塊平衡板上，通過(guò)雙腳用力動(dòng)態(tài)地控制壓力中心，進(jìn)而操控虛擬人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)這種方法能成功地迫使患者增加患側(cè)肢體的使用，使其體質(zhì)量分布更加均勻，對(duì)稱性能力得到大幅改善。R Lloréns等[8]開(kāi)發(fā)的BioTrak VR系統(tǒng)涵蓋一系列的平衡康復(fù)活動(dòng)，包括端坐時(shí)頭部和軀干姿勢(shì)控制的恢復(fù)和站立時(shí)的動(dòng)態(tài)平衡練習(xí)等多個(gè)管理項(xiàng)目，同時(shí)允許用戶通過(guò)選擇不同的練習(xí)和規(guī)劃自己的持續(xù)時(shí)間、休息時(shí)間和重復(fù)次數(shù)進(jìn)行個(gè)性化訓(xùn)練。然而，我國(guó)對(duì)平衡功能障礙的研究起步較晚，應(yīng)用VR技術(shù)的研究成果尚鮮見(jiàn)報(bào)道，有待于進(jìn)一步探索。

4.1.2 行走及步態(tài)訓(xùn)練

與正常人相比，腦卒中偏癱患者往往具有運(yùn)動(dòng)發(fā)起難、步速慢、步態(tài)周期延長(zhǎng)、患側(cè)支撐時(shí)間短等特點(diǎn)[9]。集中的特定任務(wù)式的訓(xùn)練可以提高腳踝的推力、髖部的拉力和行走的速度。Anat Mirelman等[10]用Rutgers踝關(guān)節(jié)康復(fù)系統(tǒng)對(duì)18名中風(fēng)后的輕偏癱患者進(jìn)行試驗(yàn)，受試者只能使用踝背屈、跖屈、反轉(zhuǎn)、外翻以及這些動(dòng)作的組合來(lái)駕駛虛擬環(huán)境中的飛機(jī)或船。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，患者腳踝的推力、踝關(guān)節(jié)活動(dòng)度（range of motion，ROM）均有明顯改善，膝關(guān)節(jié)ROM及站立和擺動(dòng)情況也有大幅提高?？梢?jiàn)，VR技術(shù)對(duì)患者步態(tài)康復(fù)有一定作用。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)步態(tài)康復(fù)的研究主要以簡(jiǎn)單重復(fù)性訓(xùn)練的康復(fù)機(jī)器人為主，對(duì)結(jié)合VR技術(shù)的研究較少。張磊杰等[11]提出了一種基于VR的步態(tài)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，可以快速提取患者的步態(tài)速度、心跳等生理信息并恰當(dāng)?shù)伢w現(xiàn)在游戲中，使枯燥的訓(xùn)練變得有趣，也提高了患者的注意力集中程度。因此，結(jié)合VR技術(shù)的步態(tài)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)將逐漸引起眾多學(xué)者和醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)的關(guān)注。

4.1.3 上下肢康復(fù)訓(xùn)練

由于力量減弱和利用反饋能力的下降，腦卒中偏癱患者難以進(jìn)行精確的運(yùn)動(dòng)控制，Sangwoo Cho等[12]基于VR技術(shù)開(kāi)發(fā)出一種新型上肢康復(fù)系統(tǒng)，用本體感覺(jué)反饋取代視覺(jué)反饋來(lái)提高患者的運(yùn)動(dòng)控制能力。系統(tǒng)采用模擬起居室的虛擬環(huán)境，患者需要依靠自己本體感受的反饋信息，將患側(cè)手握的虛擬半透明柱體移動(dòng)到不透明柱體所在的目標(biāo)位置，用這種方法亦能提高患者的日常生活能力。Burdea等[13]開(kāi)發(fā)了康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)“Rutger Arm II”，系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)跟蹤、重力和虛擬現(xiàn)實(shí)游戲3個(gè)模塊組成，利用紅外技術(shù)跟蹤到患者的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，使其能在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行游戲式訓(xùn)練，并能得到相關(guān)的觸覺(jué)反饋。

國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)上下肢康復(fù)也作了很多研究。王瑞利等[14]設(shè)計(jì)了結(jié)合主動(dòng)、被動(dòng)和助力訓(xùn)練的踝關(guān)節(jié)康復(fù)系統(tǒng)，并添加了功能評(píng)價(jià)機(jī)制，為患者制訂治療方案提供可靠的證據(jù)。柯福全等[15]借助Kinect設(shè)備開(kāi)發(fā)了一款基于視頻運(yùn)動(dòng)跟蹤的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)用來(lái)輔助患者的上肢康復(fù)。張金龍[16]設(shè)計(jì)了一款手指康復(fù)系統(tǒng)，包含了手勢(shì)變換、坦克射擊和賽車競(jìng)速3種游戲，非常具有趣味性。華南理工、中南大學(xué)附屬第三醫(yī)院與廣州一康醫(yī)療設(shè)備有限公司三方聯(lián)合研發(fā)的虛擬廚房訓(xùn)練系統(tǒng)[17]，患者通過(guò)在其中漫游并完成燒開(kāi)水、擺餐具、盛水果等一系列的廚房操作來(lái)訓(xùn)練偏癱上肢的運(yùn)動(dòng)功能，將該系統(tǒng)應(yīng)用到33例上肢功能障礙患者身上，結(jié)果顯示比傳統(tǒng)訓(xùn)練方式的康復(fù)效果更為顯著。

4.2 VR在認(rèn)知康復(fù)中的應(yīng)用

認(rèn)知是指人腦接受外界信息，經(jīng)過(guò)加工處理轉(zhuǎn)換成內(nèi)在的心理活動(dòng)，從而獲取知識(shí)或應(yīng)用知識(shí)的過(guò)程，它包括記憶、語(yǔ)言、視空間、執(zhí)行、計(jì)算和理解判斷等方面。認(rèn)知功能障礙對(duì)患者日常生活的影響有時(shí)甚至超過(guò)了軀體功能障礙，因此也成為醫(yī)學(xué)界面臨的重要課題之一。將VR技術(shù)應(yīng)用于認(rèn)知康復(fù)，可以在虛擬環(huán)境中為患者提供安全可控的刺激進(jìn)行治療，并能監(jiān)測(cè)多種重要指標(biāo)，表現(xiàn)出傳統(tǒng)方法無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

Godehard等[18]利用VR系統(tǒng)治療有空間認(rèn)知和記憶缺陷的輕度認(rèn)知功能障礙患者，讓他們?cè)谔摂M的公園和迷宮里根據(jù)地標(biāo)（房子、汽車、高山等）尋找寶藏，加強(qiáng)患者以自我和非自我為中心記憶的能力。Caglio等[19]利用3D電子游戲進(jìn)行記憶康復(fù)的研究，發(fā)現(xiàn)虛擬航行訓(xùn)練可以激活記憶區(qū)域，改善成人腦損傷患者的記憶功能。王文春等[20]設(shè)計(jì)的虛擬認(rèn)知康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，包括注意力、記憶力、思維操作能力等七大訓(xùn)練模塊，每個(gè)模塊又設(shè)計(jì)了高、中、低3種級(jí)別的題目。將該系統(tǒng)應(yīng)用到38例有認(rèn)知功能障礙的患者身上，結(jié)果表明，虛擬認(rèn)知康復(fù)系統(tǒng)在注意力和空間知覺(jué)的改善方面優(yōu)于傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練模式，且更具趣味性，適用于臨床推廣。戚淮兵等[21]設(shè)計(jì)了基于Agent的虛擬認(rèn)知康復(fù)系統(tǒng)，能為患者提供感官上的刺激，糾正認(rèn)知偏差，具有開(kāi)放、自主、可移植的特點(diǎn)。盡管如此，在我國(guó)內(nèi)陸地區(qū)，VR技術(shù)輔助認(rèn)知康復(fù)治療的研究仍處于初級(jí)階段，能夠真正進(jìn)行臨床應(yīng)用的系統(tǒng)較少，還需要不斷的探索和研究。

4.3 VR在遠(yuǎn)程康復(fù)中的應(yīng)用

目前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展均衡度還較低，各地的醫(yī)療設(shè)施建設(shè)也存在很大差異，康復(fù)醫(yī)療機(jī)構(gòu)集中在大中城市，許多地區(qū)缺乏必要的康復(fù)服務(wù)，給廣大群眾帶來(lái)不便。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)可以將一流的醫(yī)療資源傳送到較落后的地區(qū)，為康復(fù)醫(yī)學(xué)帶來(lái)革命性的變化。M J Johnson等[22]利用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)使中風(fēng)的患者可以在家中進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。李軍強(qiáng)等[23]設(shè)計(jì)了一套遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，用虛擬人的運(yùn)動(dòng)再現(xiàn)患者手臂的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能，從而使醫(yī)生掌握患者手臂的運(yùn)動(dòng)情況。王月姣等[24]設(shè)計(jì)了基于力反饋的遠(yuǎn)程康復(fù)訓(xùn)練虛擬駕駛系統(tǒng)，治療師端的計(jì)算機(jī)能實(shí)時(shí)顯示患者訓(xùn)練視頻、相關(guān)訓(xùn)練數(shù)據(jù)及當(dāng)前訓(xùn)練方案，并能據(jù)此實(shí)時(shí)修改訓(xùn)練方案。可見(jiàn)，VR技術(shù)有利于提高落后地區(qū)的醫(yī)療水平，優(yōu)化醫(yī)學(xué)資源分配，推動(dòng)我國(guó)社區(qū)康復(fù)的建設(shè)進(jìn)程。

5 結(jié)語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在康復(fù)醫(yī)療各方面的應(yīng)用已取得重大成果和進(jìn)步，能夠打破傳統(tǒng)訓(xùn)練方式的諸多局限，節(jié)省大量的人力物力。然而，目前還是存在著一些問(wèn)題：（1）當(dāng)前VR康復(fù)系統(tǒng)大多是針對(duì)某類障礙設(shè)計(jì)的，而患者由于個(gè)體文化、年齡、性別、受教育程度等各種因素的差異，同樣的病可能需要不同的方法、虛擬環(huán)境和系統(tǒng)進(jìn)行有針對(duì)性的治療。（2）對(duì)認(rèn)知康復(fù)研究較少。臨床康復(fù)醫(yī)學(xué)的重點(diǎn)正在向失語(yǔ)、失認(rèn)、失用及認(rèn)知康復(fù)發(fā)展[25]，認(rèn)知功能在很大程度上決定了患者的日常自理生活，也利于患者肢體功能的康復(fù)，應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視。（3）VR康復(fù)系統(tǒng)的建設(shè)還處在不斷發(fā)展的階段，虛擬設(shè)備生產(chǎn)成本較高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模使用。（4）系統(tǒng)受試者數(shù)量有限，缺乏全面的臨床對(duì)照試驗(yàn)，難以進(jìn)行精確的有效性評(píng)價(jià)。但是我們相信，經(jīng)過(guò)眾多學(xué)者的不斷探索，此技術(shù)必將日臻完善，在康復(fù)醫(yī)療中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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（收稿：2014-04-02 修回：2014-07-15）

Application and development of virtual reality technology in rehabilitation medicine

MO Hai-yan,LIU Jing,CAO Hui
(School of Science and Engineering,Shandong University of Traditional Chinese Medicine,Jinan 250355,China)

The deficiencies of traditional rehabilitation training are analyzed,and the necessity of virtual reality technology for rehabilitation medicine is described.The progress and problems of the technology for rehabilitation medicine are expounded from the aspects of exercise rehabilitation,cognitive rehabilitation and remote rehabilitation.The prospects of virtual reality technology in rehabilitation medicine are pointed out.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（11）：100-102，140]

virtual reality technology;exercise rehabilitation;cognitive rehabilitation;remote rehabilitation

R318；TP391.9

A

1003-8868（2014）11-0100-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.11.100

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（81373661）

莫海燕（1990—），女，主要研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，E-mail：mohaiyan1990@163.com。

250355濟(jì)南，山東中醫(yī)藥大學(xué)理工學(xué)院（莫海燕，劉 靜，曹 慧）

曹 慧，E-mail：caohui63@163.com