虚拟现实技术在脑卒中患者步态康复中的应用进展_麦王向

中国康复理论与实践2016年4月第22卷第4期ChinJRehabilTheoryPract,Apr.,2016,Vol.22,No.4·综述·虚拟现实技术在脑卒中患者步态康复中的应用进展①麦王向，张朝霞[摘要]虚拟现实技术是一种通过计算机产生的对真实世界的模拟技术，具有沉浸性、交互性和构想性3个特点，是目前研究应用于脑卒中后步态康复的新方法。本文介绍了虚拟现实技术的特点及其在脑卒中康复中的应用，并系统回顾了近年来国外有关虚拟现实技术在脑卒中步态康复应用的最新研究进展，主要包括虚拟现实技术的优势，应用于步态康复虚拟现实设备，以及其治疗效果。[关键词]虚拟现实；脑卒中；步态；康复；综述ApplicationofVirtualRealityinGaitRehabilitationforStroke(review)MAIWang-xiang,ZHANGZhao-xiaDepartmentofNeurologicalRehabilitation,HaizhuDistrictHospitalofTraditionalChineseMedicineinGuang-zhou,Guangzhou,Guangdong510220,ChinaCorrespondencetoMAIWang-xiang.E-mail:[e-mail]:Virtualrealityisatechnologytosimulatetherealworldbycomputer,with3characteristicsofimmersion,interactionandimagination.Itisanewmethodappliedtogaitrehabilitationafterstroke.Thisarticlebrieflyintroducedthecharacteristicsofvirtualreality,andthevalueforrehabilitationinstrokepatients.Therecentdevelopmentofthestudiesonvirtualrealityingaitrehabilitationforstrokewassummarized,mainlyincludedtheadvantagesofvirtualrealitytechnology,virtualrealityhardwaredevicesappliedtothegaitrehabilitation,anditstherapeuticeffect.Keywords:virtualreality;stroke;gait;rehabilitation;review[中图分类号]R743.3[文献标识码]A[文章编号]1006-9771(2016)04-0433-05[本文著录格式]麦王向，张朝霞.虚拟现实技术在脑卒中患者步态康复中的应用进展[J].中国康复理论与实践,2016,22(4):433-437.CITEDAS:MaiWX,ZhangZX.Applicationofvirtualrealityingaitrehabilitationforstroke(review)[J].ZhongguoKangfuLilunYuShijian,2016,22(4):433-437.脑卒中是导致永久残疾的主要原因之一，它成为患者及其家属的重要负担。脑卒中患者在瘫痪侧的感觉、肌力、肌张力及姿势控制方面的缺陷，通常影响日常生活中的活动。步行障碍被认为是脑卒中后偏瘫患者最严重的残疾。步态的恢复是脑卒中后康复的主要目标[1]。步行能力的康复通常在脑卒中后的12周内完成。然而，步行功能的康复通常是不完全的，患者通常在出院回社区时仍遗留以不对称性模式及慢速度为特征的步态障碍。鉴于遗留的障碍，他们会因为安全的原因而限制自身的活动，因而不能完成在社区的步行。步行功能的恢复对患者脑卒中后日常生活活动能力的提高有重大意义。步行功能的恢复是目前康复研究的重点[2]。现将虚拟现实(virtualreality)技术在脑卒中患者步态康复中的研究进展进行综述。1简介1.1概念虚拟现实技术的应用开始于20世纪60年代，是一种跨学科的综合技术。它汇集了计算机图形学、多媒体技术、显示技术、人工智能、人机交互技术、传感器技术等多个领域的技术。虚拟现实技术是一种通过计算机产生的对真实世界模拟的技术，用户可以通过人机界面来与这个虚拟环境进行交互[3]。虚拟现实的目标是创造一种身临其境的感觉，通过这种感觉，用户可以投入及沉浸于虚拟的环境。虚拟现实系统的基本组成部分是：一部计算机、渲染虚拟环境的软件、进入虚拟世界的输入设备及协调所有元素的软件[4]。虚拟现实系统的3个特点是沉浸(immersion)、交互(interaction)和构想(imagination)。沉浸感是指用户能够作为主角投入到计算机产生的虚拟环境中，有身临其境的感觉。交互性是指用户对虚拟场景中对象的可操作者单位：广州市海珠区中医医院康复科，广东广州市510220。作者简介：麦王向(1985-)，男，汉族，广东湛江市人，硕士研究生，主要研究方向：神经康复。E-mail:[e-mail]。--4332016-06-2311:49:37中国康复理论与实践2016年4月第22卷第4期ChinJRehabilTheoryPract,Apr.,2016,Vol.22,No.4作性及用户从虚拟环境中得到反馈的自然程度。构想性是指虚拟现实技术能让用户从中取得新的知识，可以让其拓展认知的范围，进而能够萌生新的想象。1.2在脑卒中康复中的应用随着虚拟现实技术的不断发展，软件及硬件的逐步完善，其越来越多地应用于医疗事业中。虚拟现实技术被引入脑卒中患者的评估及康复治疗，开创了康复医学治疗的一个新时代。与传统的康复方法相比，虚拟现实技术具有可以创造更真实的场景、可提供特定任务的重复训练、有更强的参与感等优点[5-6]。虚拟现实在脑卒中康复中的应用主要包括脑卒中患者步态、上肢运动功能、平衡功能及认知功能的康复治疗[7]。1.2.1上肢运动功能障碍在获得性脑损伤导致上肢运动功能障碍患者中，康复的主要目的是特定运动技能和日常任务的再学习[8]。这一点至关重要，因为上肢运动功能障碍通常导致生活质量的下降。Shin开发出基于虚拟现实的RehabMaster系统，该系统可以进行任务特异性的交互游戏，提高患者的注意力及沉浸感[9]。Shin等用此系统对脑卒中患者进行上肢功能训练，每天30min，连续2周，发现训练后患者的Fugl-Meyer评分(Fugl-MeyerAssess-ment,FMA)及改良Barthel指数(modifiedBartherIndex,MBI)评分均有显著提高。Camilo等开发出一个虚拟现实本体感觉康复系统，可以在上肢运动训练中阻断视觉反馈，让受试者仅依赖本体感觉反馈。Cho等通过随机对照研究证实脑卒中上肢运动功能障碍患者进行本体感觉康复的有效性和可行性[10]。1.2.2平衡功能障碍跌倒是脑卒中后的一个重要并发症，因此平衡功能训练对脑卒中患者是必要的[11]。Lloréns等将虚拟现实技术与传统康复疗法相结合，将20例慢性脑卒中患者随机分为实验组和常规组，以Berg平衡量表(BergBalanceScale,BBS)及Tinetti平衡与步态量表(PerformanceOrientedMobilityAssessment,POMA)评分评估患者的平衡功能，结果提示虚拟现实联合传统康复疗法可显著提高脑卒中患者的平衡功能[12]。Lloréns等应用基于虚拟现实的平衡康复系统BioTrak对急性脑损伤患者进行康复治疗，结果提示患者治疗后的BBS及POMA评分均较治疗前显著提高，而且这种效果可以持续至治疗后1个月[13]。1.2.3认知功能障碍脑卒中后认知功能障碍是影响患者独立功能的一个重要因素[14]。严重认知功能障碍降低急性期患者参加密集康复训练的能力和动力，并影响其恢复运动技能的能力。最近，三维虚拟现实系统开始应用于认知功能的康复[15]。Kim等用三维虚拟现实系统对脑卒中患者进行认知功能训练；28例患者随机分为虚拟现实组和对照组，虚拟现实组给予虚拟现实训练及基于计算机的认知功能训练，对照组给予基于计算机的认知功能训练，经过4周的训练，虚拟现实组与对照组相比，其视觉连续作业测试有更明显的提高[16]。2在步态康复中的应用2.1在步态康复中的优势虚拟现实技术可以模拟各种各样的真实环境，可以给患者提供行走在真实世界中的感觉，患者在室内行走的同时，可以有行走于城市街道、穿越公园或逛杂货店的体验。在这个虚拟世界中有目标、鼓励及成就感[17]，从而激励患者更好地进行真实感强、复杂性高的训练。虚拟现实可以通过计算机模拟真实三维环境下的特定场景或情景，例如街道或商店，通过虚拟环境减少实验环境与真实环境的差异。同时可以让患者在康复过程中忽略肢体功能的障碍而进行无拘束的交互，使患者更容易接受及适应。虽然康复治疗致力于在康复过程中的神经重塑过程，但是传统的步态康复方法并没完全达到这个目的。相反，有丰富的训练任务，模拟出一系列虚拟场景的虚拟现实系统，可以提供有意义、重复的练习，从而通过运动学习及运动康复可以使神经重塑达到最大的程度[18]。虚拟现实技术易于收集数据，可以对患者的训练提供即时的反馈，实现设备和患者的互动，治疗师可以针对个人的情况选择最合适的运动模式，包括持续时间、强度及反馈。2.2设备应用于步态康复的虚拟现实设备通常由硬件、软件及患者和虚拟环境的连接组成[19]。好的硬件可以产生触觉反馈，例如鞋子的震动，当需要通过踏步清除在虚拟环境中的障碍物被接触时，产生鞋子的震动；当脚接触一个目标或在暴风雨环境中航行时与湍流撞击时，脚被往回推的感觉；或者是在扶梯上走上走下时感觉整个身体的运动。声音及触觉可以增加虚拟环境的真实感[20]。多数系统由任务型的软件组成虚拟环境，需要用户在不同的场景上行走，例如公园、街道或室内环境。有研究使用步行相关的活动，例如侧步走；或者与步行无关的活动，例如划船或开飞机。虚拟环境可以由头盔显示器产生，用户佩戴一个类似护目镜的设备，在用户的眼前产生虚拟环境；也可由台式电脑显示器、大型投影屏幕或电视产生[21]。用户与虚拟环境的交互通过数据手套、控制杆、跑步机或传感器来完成。这些设备能探测用户的运动，然后让它跟虚拟环境中的物体或角色的行为相连。主要的与环境的交互通过在踏步车上行走，使头、足或踏步车的运动与虚拟环境相联系。有一种特殊的运动捕捉系统，可以通过镜像和下肢机器人接口来获得身体位置，进而与虚拟环境联系[22]。2.2.1虚拟现实罗格斯踝关节康复系统虚拟现实罗格斯踝关节康复系统是有6个自由度的斯图尔特平台力反馈康复系统[23]。这一系统由显示器、传感器、计算机及控制器组成。患者通过在虚拟环境中飞行训练下肢运动，患者通过踝关节的运动而操控虚拟环境中的飞机，以躲避各处出现的障碍物。设备可以减轻患肢运动时的负重，从而使患者更易于适应训练。患者踝关节运动的位置和方位由踝关节上的传感器感知，其将踝关节运动信号传递给计算机，通过患者踝关节的运动而控制虚拟环境中物体的运动。系统中有力反馈装--434中国康复理论与实践2016年4月第22卷第4期ChinJRehabilTheoryPract,Apr.,2016,Vol.22,No.4置，它可以根据患者训练时的用力情况提供相应的阻力或动力，协助患者更好地完成康复训练。2.2.2步态的主被动虚拟