麥王向，張朝霞

·綜述·

虛擬現(xiàn)實技術在腦卒中患者步態(tài)康復中的應用進展①

麥王向，張朝霞

虛擬現(xiàn)實技術是一種通過計算機產(chǎn)生的對真實世界的模擬技術，具有沉浸性、交互性和構想性3個特點，是目前研究應用于腦卒中后步態(tài)康復的新方法。本文介紹了虛擬現(xiàn)實技術的特點及其在腦卒中康復中的應用，并系統(tǒng)回顧了近年來國外有關虛擬現(xiàn)實技術在腦卒中步態(tài)康復應用的最新研究進展，主要包括虛擬現(xiàn)實技術的優(yōu)勢，應用于步態(tài)康復虛擬現(xiàn)實設備，以及其治療效果。

虛擬現(xiàn)實；腦卒中；步態(tài)；康復；綜述

［本文著錄格式］麥王向，張朝霞.虛擬現(xiàn)實技術在腦卒中患者步態(tài)康復中的應用進展［J］.中國康復理論與實踐，2016，22（4）：433-437.

CITED AS：Mai WX，Zhang ZX.Application of virtual reality in gait rehabilitation for stroke（review）［J］.Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian，2016，22（4）：433-437.

腦卒中是導致永久殘疾的主要原因之一，它成為患者及其家屬的重要負擔。腦卒中患者在癱瘓側的感覺、肌力、肌張力及姿勢控制方面的缺陷，通常影響日常生活中的活動。步行障礙被認為是腦卒中后偏癱患者最嚴重的殘疾。步態(tài)的恢復是腦卒中后康復的主要目標［1］。步行能力的康復通常在腦卒中后的12周內完成。然而，步行功能的康復通常是不完全的，患者通常在出院回社區(qū)時仍遺留以不對稱性模式及慢速度為特征的步態(tài)障礙。鑒于遺留的障礙，他們會因為安全的原因而限制自身的活動，因而不能完成在社區(qū)的步行。步行功能的恢復對患者腦卒中后日常生活活動能力的提高有重大意義。步行功能的恢復是目前康復研究的重點［2］?，F(xiàn)將虛擬現(xiàn)實（virtual reality）技術在腦卒中患者步態(tài)康復中的研究進展進行綜述。

1　簡介

1.1概念

虛擬現(xiàn)實技術的應用開始于20世紀60年代，是一種跨學科的綜合技術。它匯集了計算機圖形學、多媒體技術、顯示技術、人工智能、人機交互技術、傳感器技術等多個領域的技術。虛擬現(xiàn)實技術是一種通過計算機產(chǎn)生的對真實世界模擬的技術，用戶可以通過人機界面來與這個虛擬環(huán)境進行交互［3］。虛擬現(xiàn)實的目標是創(chuàng)造一種身臨其境的感覺，通過這種感覺，用戶可以投入及沉浸于虛擬的環(huán)境。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本組成部分是：一部計算機、渲染虛擬環(huán)境的軟件、進入虛擬世界的輸入設備及協(xié)調所有元素的軟件［4］。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的3個特點是沉浸（immersion）、交互（interaction）和構想（imagination）。沉浸感是指用戶能夠作為主角投入到計算機產(chǎn)生的虛擬環(huán)境中，有身臨其境的感覺。交互性是指用戶對虛擬場景中對象的可操作性及用戶從虛擬環(huán)境中得到反饋的自然程度。構想性是指虛擬現(xiàn)實技術能讓用戶從中取得新的知識，可以讓其拓展認知的范圍，進而能夠萌生新的想象。

2　在步態(tài)康復中的應用

2.1在步態(tài)康復中的優(yōu)勢

虛擬現(xiàn)實技術可以模擬各種各樣的真實環(huán)境，可以給患者提供行走在真實世界中的感覺，患者在室內行走的同時，可以有行走于城市街道、穿越公園或逛雜貨店的體驗。在這個虛擬世界中有目標、鼓勵及成就感［17］，從而激勵患者更好地進行真實感強、復雜性高的訓練。

虛擬現(xiàn)實可以通過計算機模擬真實三維環(huán)境下的特定場景或情景，例如街道或商店，通過虛擬環(huán)境減少實驗環(huán)境與真實環(huán)境的差異。同時可以讓患者在康復過程中忽略肢體功能的障礙而進行無拘束的交互，使患者更容易接受及適應。

雖然康復治療致力于在康復過程中的神經(jīng)重塑過程，但是傳統(tǒng)的步態(tài)康復方法并沒完全達到這個目的。相反，有豐富的訓練任務，模擬出一系列虛擬場景的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，可以提供有意義、重復的練習，從而通過運動學習及運動康復可以使神經(jīng)重塑達到最大的程度［18］。

虛擬現(xiàn)實技術易于收集數(shù)據(jù)，可以對患者的訓練提供即時的反饋，實現(xiàn)設備和患者的互動，治療師可以針對個人的情況選擇最合適的運動模式，包括持續(xù)時間、強度及反饋。

2.2設備

應用于步態(tài)康復的虛擬現(xiàn)實設備通常由硬件、軟件及患者和虛擬環(huán)境的連接組成［19］。好的硬件可以產(chǎn)生觸覺反饋，例如鞋子的震動，當需要通過踏步清除在虛擬環(huán)境中的障礙物被接觸時，產(chǎn)生鞋子的震動；當腳接觸一個目標或在暴風雨環(huán)境中航行時與湍流撞擊時，腳被往回推的感覺；或者是在扶梯上走上走下時感覺整個身體的運動。聲音及觸覺可以增加虛擬環(huán)境的真實感［20］。多數(shù)系統(tǒng)由任務型的軟件組成虛擬環(huán)境，需要用戶在不同的場景上行走，例如公園、街道或室內環(huán)境。有研究使用步行相關的活動，例如側步走；或者與步行無關的活動，例如劃船或開飛機。虛擬環(huán)境可以由頭盔顯示器產(chǎn)生，用戶佩戴一個類似護目鏡的設備，在用戶的眼前產(chǎn)生虛擬環(huán)境；也可由臺式電腦顯示器、大型投影屏幕或電視產(chǎn)生［21］。用戶與虛擬環(huán)境的交互通過數(shù)據(jù)手套、控制桿、跑步機或傳感器來完成。這些設備能探測用戶的運動，然后讓它跟虛擬環(huán)境中的物體或角色的行為相連。主要的與環(huán)境的交互通過在踏步車上行走，使頭、足或踏步車的運動與虛擬環(huán)境相聯(lián)系。有一種特殊的運動捕捉系統(tǒng)，可以通過鏡像和下肢機器人接口來獲得身體位置，進而與虛擬環(huán)境聯(lián)系［22］。

2.2.1虛擬現(xiàn)實羅格斯踝關節(jié)康復系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實羅格斯踝關節(jié)康復系統(tǒng)是有6個自由度的斯圖爾特平臺力反饋康復系統(tǒng)［23］。這一系統(tǒng)由顯示器、傳感器、計算機及控制器組成?；颊咄ㄟ^在虛擬環(huán)境中飛行訓練下肢運動，患者通過踝關節(jié)的運動而操控虛擬環(huán)境中的飛機，以躲避各處出現(xiàn)的障礙物。設備可以減輕患肢運動時的負重，從而使患者更易于適應訓練?；颊啧钻P節(jié)運動的位置和方位由踝關節(jié)上的傳感器感知，其將踝關節(jié)運動信號傳遞給計算機，通過患者踝關節(jié)的運動而控制虛擬環(huán)境中物體的運動。系統(tǒng)中有力反饋裝置，它可以根據(jù)患者訓練時的用力情況提供相應的阻力或動力，協(xié)助患者更好地完成康復訓練。

2.2.2步態(tài)的主被動虛擬康復訓練系統(tǒng)

目前單一的下肢機器人康復訓練系統(tǒng)只能對受損神經(jīng)進行主動或者被動的刺激，根據(jù)大腦神經(jīng)可塑性理論，信息傳遞形成封閉的回路可以對患者受損神經(jīng)進行主動和被動的協(xié)同刺激，從而促進神經(jīng)的重塑。郭曉輝等開發(fā)了步態(tài)的主被動虛擬康復訓練系統(tǒng)，可實現(xiàn)患者主動及被動的協(xié)同刺激［24］。該系統(tǒng)由虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)聯(lián)合XYKXZFK-9型臥式下肢反饋訓練系統(tǒng)組成。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)給患者提供城市生活街道的虛擬場景，患者在虛擬環(huán)境中進行行走、與人交談等動作，通過傳感器實時反饋患者的運動信息。下肢反饋訓練系統(tǒng)可以給患者提供主動和被動運動的模式。在主動模式下，患者主動帶動康復床運動，從而在虛擬環(huán)境下運動。在被動模式下下肢反饋系統(tǒng)會驅動患者患側肢體的重復運動，同時在虛擬環(huán)境下刺激患者主動參與的興趣。通過這個系統(tǒng)的訓練，能在患者康復的過程中形成信息傳遞的封閉回路，從而完成對受損神經(jīng)的主動被動協(xié)同刺激，能促進神經(jīng)的重塑，以實現(xiàn)患者步態(tài)的康復。

2.2.3虛擬現(xiàn)實運動平板訓練系統(tǒng)

Walker等開發(fā)了一種把虛擬現(xiàn)實技術和減重平板步行訓練相結合的虛擬現(xiàn)實減重平板訓練系統(tǒng)［25］。該系統(tǒng)由減重平板、大屏幕電視、計算機和傳感器組成。減重平板提供重力補償，預防患者跌倒，可以承載163 kg體質量。大屏幕電視安裝在平板的前面以展示虛擬環(huán)境。有3個自由度的慣性定位追蹤裝置位于患者頭上的棒球帽上。追蹤裝置可以監(jiān)測患者是否維持正確姿勢，并進行實時反饋。虛擬環(huán)境為城市街道，患者在街道中行走，街道中還有其他行人、車輛和建筑。該虛擬環(huán)境中還有一個頭像作為患者的同伴，與患者交流，給予鼓勵或祝賀的語言。當患者姿勢不正確時，會有聽覺反饋，提示患者糾正姿勢。治療師可以及時發(fā)現(xiàn)患者步態(tài)的異常，并給予糾正，更好地促進患者步態(tài)的康復。

Katsavelis等在步行機訓練中增加視覺引導，患者在虛擬走廊中行走，視覺的行走速度可以進行改變，增加了步態(tài)變化的復雜性，可以增加受試者可獲得的自由度［26］。Sloot等研發(fā)的虛擬現(xiàn)實步行機系統(tǒng)中，患者在虛擬的簡單的無盡頭的道路中行走，可以根據(jù)自己的喜好而調節(jié)步行機步行的速度，從而在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)更真實的行走條件，增加步行的可變性及步態(tài)康復的可能性［27］。Paolini等把微軟的三維體感攝影機Kinect與虛擬現(xiàn)實運動平板系統(tǒng)相結合，可以在步態(tài)訓練時實時追蹤足部位置與方向，而不需要在腳上佩戴傳感器。研究證實這種方法可以有效地用于在虛擬現(xiàn)實及基于運動平板的步行訓練系統(tǒng)中追蹤腳步運動［28］。

2.2.4步態(tài)的虛擬現(xiàn)實姿勢控制系統(tǒng)

腦卒中后常遺留姿勢控制的問題，它會影響步態(tài)的康復及日常生活能力的提高［29］。姿勢控制的康復是促進步態(tài)康復的重要組成部分。之前有研究表明，腦卒中患者步行能力的進步可以通過4周的基于虛擬現(xiàn)實的姿勢控制訓練來實現(xiàn)。Park等應用基于虛擬現(xiàn)實的姿勢控制系統(tǒng)對患者進行康復訓練。此系統(tǒng)可以讓患者通過觀看他們實時運動的視覺反饋來進行姿勢控制。它由視覺反饋程序及頭盔顯示器組成，患者通過頭盔顯示器的輸出，可以觀看到他們的實時動作，從而可以及時調整姿勢。同時電腦端會記錄患者的姿勢數(shù)據(jù)，供康復治療師分析。研究證實腦卒中后遺癥患者接受基于虛擬現(xiàn)實的姿勢控制訓練可以更好地提高步態(tài)能力。用實時信息的虛擬現(xiàn)實姿勢控制訓練，是增加腦卒中后遺癥患者步態(tài)控制的有效方法［30］。

2.3在步態(tài)康復中的效果

腦卒中偏癱患者的步行功能障礙，常表現(xiàn)為左右步長不對稱，步行速度緩慢，步長、步頻的減少。目前研究證實，虛擬現(xiàn)實技術在腦卒中患者步態(tài)康復中的應用有效［31］。

有研究表明，虛擬現(xiàn)實機器人系統(tǒng)對患者步行速度、爬樓梯能力和步行距離、步態(tài)對稱性都有改善［32-33］。Mirelman等進行單盲隨機對照試驗，18例腦卒中患者隨機分為虛擬現(xiàn)實組和對照組，虛擬現(xiàn)實組給予虛擬現(xiàn)實機器人訓練系統(tǒng)訓練，對照組給予傳統(tǒng)的機器人步態(tài)訓練，經(jīng)過4周治療后，虛擬現(xiàn)實組患者的步行速度及距離較對照組有明顯的改善，這種改善可持續(xù)至訓練結束后3個月［34］。趙雅寧等應用虛擬現(xiàn)實技術聯(lián)合康復訓練機器人對腦梗死偏癱急性期（病程＜1個月）患者進行步態(tài)訓練，患者FMA下肢運動功能評分高于常規(guī)治療聯(lián)合康復訓練機器人組［35］。

近年來，虛擬現(xiàn)實技術與運動平板系統(tǒng)的聯(lián)合應用在腦卒中后患者步態(tài)康復中取得較好的效果。研究表明腦卒中后偏癱患者經(jīng)過虛擬現(xiàn)實運動平板系統(tǒng)訓練可以增加步態(tài)速度及改善感覺缺陷。Walker等應用虛擬現(xiàn)實減重平板訓練系統(tǒng)對腦卒中患者進行步行訓練，結果顯示，治療后患者的步行速度及功能性步態(tài)評價（Functional GaitAssessment，F(xiàn)GA）均較前提高。Shema等應用虛擬現(xiàn)實的運動平板訓練系統(tǒng)對患者進行訓練，患者在運動平板行走的同時躲避虛擬障礙物，通過5周的訓練，患者的2 min步行測試提高9.5%，四方步測試（Four Square Step Test，F(xiàn)SST）提高13%，移動性及姿勢控制都有明顯提高［36］。陳佩順等對80例腦卒中患者（病程15 d～6個月）進行隨機對照試驗顯示，患者接受4周的治療后，在傳統(tǒng)康復治療的基礎上接受增加有虛擬現(xiàn)實技術結合運動平板訓練的40例患者，較僅接受傳統(tǒng)康復治療的患者，其偏癱下肢的運動功能、步行功能和日常生活活動能力均較對照組有明顯的改善［37］。肖湘等研究證實虛擬現(xiàn)實同步減重訓練可改善腦卒中患者的步行速度和單腿支撐時間不對稱性，還可改善步長不對稱性和患側髖關節(jié)最大后伸角度［38］。

3　展望

虛擬現(xiàn)實技術的出現(xiàn)和發(fā)展，為腦卒中患者的步態(tài)康復提供了全新的治療手段。它可以增加患者治療的積極性，根據(jù)患者的訓練情況提供實時的反饋，可根據(jù)患者的個人條件制定訓練任務，有著傳統(tǒng)的康復方法難以比擬的優(yōu)勢。但是目前對于虛擬現(xiàn)實在步態(tài)康復中的研究還有很多需要解決的問題，虛擬現(xiàn)實技術患者入選條件、訓練的時間及強度、選擇何種虛擬現(xiàn)實模式等，都需要進一步的研究。虛擬現(xiàn)實步態(tài)康復訓練對患者腦功能重組的影響機制，也需要進一步采用分子生物學、生理學等方法進行探討。患者康復的長期療效也需要進一步證實。虛擬現(xiàn)實步態(tài)康復技術的設備較昂貴，較難在臨床上廣泛推廣使用。研制出費用較低，體積小巧的虛擬現(xiàn)實步態(tài)康復系統(tǒng)，讓患者可以進行社區(qū)甚至家庭康復也是今后研究的方向。相信隨著科技發(fā)展，基于虛擬現(xiàn)實的步態(tài)康復訓練系統(tǒng)會更進一步完善，并且在腦卒中患者的康復治療過程中得到廣泛的應用。

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Application of Virtual Reality in Gait Rehabilitation for Stroke（review）

MAI Wang-xiang，ZHANG Zhao-xia
Department of Neurological Rehabilitation，Haizhu District Hospital of Traditional Chinese Medicine in Guangzhou，Guangzhou，Guangdong 510220，China
Correspondence to MAI Wang-xiang.E-mail：maiwx1985@126.com

Virtual reality is a technology to simulate the real world by computer，with 3 characteristics of immersion，interaction and imagination.It is a new method applied to gait rehabilitation after stroke.This article briefly introduced the characteristics of virtual reality，and the value for rehabilitation in stroke patients.The recent development of the studies on virtual reality in gait rehabilitation for stroke was summarized，mainly included the advantages of virtual reality technology，virtual reality hardware devices applied to the gait rehabilitation，and its therapeutic effect.

virtual reality；stroke；gait；rehabilitation；review

10.3969/j.issn.1006-9771.2016.04.013

R743.3

A

1006-9771（2016）04-0433-05

廣州市海珠區(qū)中醫(yī)醫(yī)院康復科，廣東廣州市510220。

麥王向（1985-），男，漢族，廣東湛江市人，碩士研究生，主要研究方向：神經(jīng)康復。E-mail：maiwx1985@126.com。

1.2在腦卒中康復中的應用

隨著虛擬現(xiàn)實技術的不斷發(fā)展，軟件及硬件的逐步完善，其越來越多地應用于醫(yī)療事業(yè)中。虛擬現(xiàn)實技術被引入腦卒中患者的評估及康復治療，開創(chuàng)了康復醫(yī)學治療的一個新時代。與傳統(tǒng)的康復方法相比，虛擬現(xiàn)實技術具有可以創(chuàng)造更真實的場景、可提供特定任務的重復訓練、有更強的參與感等優(yōu)點［5-6］。虛擬現(xiàn)實在腦卒中康復中的應用主要包括腦卒中患者步態(tài)、上肢運動功能、平衡功能及認知功能的康復治療［7］。

1.2.1上肢運動功能障礙

在獲得性腦損傷導致上肢運動功能障礙患者中，康復的主要目的是特定運動技能和日常任務的再學習［8］。這一點至關重要，因為上肢運動功能障礙通常導致生活質量的下降。Shin開發(fā)出基于虛擬現(xiàn)實的RehabMaster系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以進行任務特異性的交互游戲，提高患者的注意力及沉浸感［9］。Shin等用此系統(tǒng)對腦卒中患者進行上肢功能訓練，每天30 min，連續(xù)2周，發(fā)現(xiàn)訓練后患者的Fugl-Meyer評分（Fugl-Meyer Assessment，F(xiàn)MA）及改良Barthel指數(shù)（modified Barther Index，MBI）評分均有顯著提高。Camilo等開發(fā)出一個虛擬現(xiàn)實本體感覺康復系統(tǒng)，可以在上肢運動訓練中阻斷視覺反饋，讓受試者僅依賴本體感覺反饋。Cho等通過隨機對照研究證實腦卒中上肢運動功能障礙患者進行本體感覺康復的有效性和可行性［10］。

1.2.2平衡功能障礙

跌倒是腦卒中后的一個重要并發(fā)癥，因此平衡功能訓練對腦卒中患者是必要的［11］。Lloréns等將虛擬現(xiàn)實技術與傳統(tǒng)康復療法相結合，將20例慢性腦卒中患者隨機分為實驗組和常規(guī)組，以Berg平衡量表（Berg Balance Scale，BBS）及Tinetti平衡與步態(tài)量表（Performance Oriented Mobility Assessment，POMA）評分評估患者的平衡功能，結果提示虛擬現(xiàn)實聯(lián)合傳統(tǒng)康復療法可顯著提高腦卒中患者的平衡功能［12］。Lloréns等應用基于虛擬現(xiàn)實的平衡康復系統(tǒng)BioTrak對急性腦損傷患者進行康復治療，結果提示患者治療后的BBS及POMA評分均較治療前顯著提高，而且這種效果可以持續(xù)至治療后1個月［13］。

1.2.3認知功能障礙

腦卒中后認知功能障礙是影響患者獨立功能的一個重要因素［14］。嚴重認知功能障礙降低急性期患者參加密集康復訓練的能力和動力，并影響其恢復運動技能的能力。最近，三維虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開始應用于認知功能的康復［15］。Kim等用三維虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)對腦卒中患者進行認知功能訓練；28例患者隨機分為虛擬現(xiàn)實組和對照組，虛擬現(xiàn)實組給予虛擬現(xiàn)實訓練及基于計算機的認知功能訓練，對照組給予基于計算機的認知功能訓練，經(jīng)過4周的訓練，虛擬現(xiàn)實組與對照組相比，其視覺連續(xù)作業(yè)測試有更明顯的提高［16］。

（2015-12-09

2016-01-22）