虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在脊髓損傷下肢功能障礙康復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)展

杜芊華

（衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 衢州 324000）

數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)脊髓損傷（spinal cord injury,SCI）年患病率為37人次/100萬(wàn)，其中男性高于女性，汽車碰撞和高空墜落是SCI的主要原因[1]。許多SCI患者存在完全或不完全損傷，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)和感覺(jué)障礙及活動(dòng)受限。SCI患者常常出現(xiàn)損傷平面以下肌痙攣、肌無(wú)力及肌肉協(xié)調(diào)性異常等問(wèn)題，影響著患者步行功能，甚至一些完全性脊髓損傷患者運(yùn)動(dòng)和感覺(jué)功能均受損，失去了行走能力[2]。這些問(wèn)題影響著患者生活質(zhì)量和社會(huì)功能，給患者心理及身體上帶來(lái)傷害的同時(shí)增加經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。隨著社會(huì)生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)的虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality,VR）技術(shù)需求日益旺盛，近年來(lái)VR被廣泛的應(yīng)用于各類神經(jīng)系統(tǒng)疾病的康復(fù)當(dāng)中，其中VR在SCI康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用也在日益增多[3-5]。本文主要對(duì)VR在SCI下肢功能障礙康復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，以期為日后臨床研究提供相應(yīng)的支持。

1 VR技術(shù)概述

VR技術(shù)是一種綜合計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、人體交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、立體顯示技術(shù)及仿真技術(shù)等多種技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的綜合性技術(shù)，并且在計(jì)算機(jī)高度逼真的模擬下模擬出不同的環(huán)境[6]。使用者可以在模擬出的環(huán)境下進(jìn)行互動(dòng)，產(chǎn)生身臨其境的體驗(yàn)。VR具有三大特性：沉浸性（immersion）、交 互 性（interaction）和 構(gòu) 想 性（imagination），即“3I”特性[7]；并且根據(jù)沉浸程度，可將VR分為3類：非沉浸式、半沉浸式和沉浸式[8]。非沉浸式VR在屏幕或墻壁上顯示虛擬圖像，而半沉浸式VR可顯示真實(shí)圖像，從而提供更多信息。沉浸式VR使用頭戴式顯示器，獲得最高的沉浸感，此頭戴式顯示器可阻擋外部環(huán)境的視線并使患者完全沉浸在3D虛擬環(huán)境中[9]。在傳統(tǒng)的康復(fù)治療中，一項(xiàng)重要的因素就是早期進(jìn)行干預(yù)，但長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行重復(fù)的動(dòng)作會(huì)使患者感到生畏和無(wú)聊，從而導(dǎo)致治療積極性不高。然而，要想使患者功能有良好改善所需要的運(yùn)動(dòng)次數(shù)可能達(dá)到上千次，故把康復(fù)治療與VR相結(jié)合的好處在于患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)恢復(fù)鍛煉的同時(shí)可以為其提供游戲體驗(yàn)，增加娛樂(lè)性和趣味性[10]。也正是由于VR的趣味性，可以幫助患者減少對(duì)他人的依賴，提高訓(xùn)練的耐受度，并且與其它感受器相結(jié)合，能夠更容易地記錄患者的行為及生理反應(yīng)[11-12]。

2 VR在SCI下肢功能障礙評(píng)定中的應(yīng)用

功能評(píng)定是在患者整個(gè)康復(fù)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，也是制定康復(fù)方案的依據(jù)。而傳統(tǒng)的評(píng)定方法不能客觀評(píng)定患者的治療效果[13]。目前，最為常用的評(píng)定工具是等級(jí)量表，而等級(jí)量表在測(cè)量某些微小變化時(shí)效率低下，并且容易受到主觀影響，造成結(jié)果不準(zhǔn)[14-15]。并且，現(xiàn)在比較先進(jìn)的、能對(duì)患者進(jìn)行客觀量化評(píng)定的技術(shù)是在康復(fù)過(guò)程中使用傳感器，該技術(shù)能捕捉患者在運(yùn)動(dòng)中的軌跡和任務(wù)執(zhí)行期間的具體細(xì)節(jié)，并跟蹤人體運(yùn)動(dòng)[16-17]。然而這種技術(shù)在分析復(fù)雜的3D運(yùn)動(dòng)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)傳感器被遮擋等問(wèn)題，造成誤差[18]。而VR技術(shù)恰好能解決這些問(wèn)題，如Hasson CJ等[19]開(kāi)發(fā)了一款虛擬交互式運(yùn)動(dòng)模擬器，這種模擬器在計(jì)算機(jī)中設(shè)計(jì)出可以效仿真實(shí)患者運(yùn)動(dòng)模式的虛擬患者，并讓模擬器操控者操控虛擬患者的步態(tài)，以便了解患者運(yùn)中的力學(xué)變化。Karatsidis A等[20]用VR穿戴設(shè)備、跑步機(jī)和光學(xué)傳感器對(duì)受試者步行時(shí)的足部角度進(jìn)行測(cè)量。另外，目前對(duì)于截癱患者佩戴下肢機(jī)械外骨骼的研究也在日益盛行，而VR可以輔助患者在佩戴機(jī)械外骨骼時(shí)像正常人一樣行走。如Smith AJ等[21]通過(guò)對(duì)30名正常人佩戴下肢動(dòng)力外骨骼在CAR‐EN-Extended虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中和儀表化的自定進(jìn)度跑步機(jī)上收集人體運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，以及步行速度，從運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)和逆動(dòng)力學(xué)中識(shí)別出人類常見(jiàn)的矢狀運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)步態(tài)參數(shù)，并分析佩戴下肢動(dòng)力外骨骼時(shí)髖膝踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的角度及步行速度，步調(diào)和步幅的步態(tài)參數(shù)關(guān)系。日后若截癱患者佩戴下肢動(dòng)力外骨骼并用VR進(jìn)行分析，可幫助患者擁有和正常人一樣的步行能力。此外，有研究將VR與單向跑步機(jī)結(jié)合，用來(lái)分析患者起始和轉(zhuǎn)彎時(shí)的步態(tài)。該系統(tǒng)可以分析受試者頭部轉(zhuǎn)動(dòng)、骨盆旋轉(zhuǎn)角度，左右髖關(guān)節(jié)的內(nèi)收和外展、腘繩肌激活能力、內(nèi)側(cè)-外側(cè)地面反作用力，以及步幅和步寬[22]。

3 VR在SCI患者下肢功能障礙中的應(yīng)用

3.1 不完全性脊髓損傷 數(shù)據(jù)表明，大約80%的SCI患者由于創(chuàng)傷或感染造成不完全損傷[23]。步態(tài)和平衡康復(fù)是SCI患者康復(fù)計(jì)劃的一個(gè)重要方面。An C等[24]用半沉浸式VR讓患者一次性完成6款游戲，包括足球、傳送帶、排球、方程式賽車、空降和滑雪板。其中足球游戲需要患者模擬足球守門(mén)員的角色，并在虛擬足球網(wǎng)前擋住球進(jìn)入網(wǎng)中，這需要在肩關(guān)節(jié)屈曲和外展的同時(shí)轉(zhuǎn)移重心；傳送帶游戲需要患者必須在虛擬工業(yè)環(huán)境中將虛擬箱子從一條傳送帶轉(zhuǎn)移動(dòng)到另一條傳送帶上，在虛擬環(huán)境中，傳送帶可以在屏幕上以不同高度和距離出現(xiàn)，而參與者需要進(jìn)行重心轉(zhuǎn)移來(lái)完成箱子搬運(yùn)；排球游戲需要患者與虛擬游戲?qū)κ诌M(jìn)行比賽，要把虛擬排球擊回到對(duì)手場(chǎng)地中，這需要患者協(xié)調(diào)能力和多個(gè)方向轉(zhuǎn)移重心的能力；方程式賽車游戲需要患者坐在一級(jí)方程式賽車上，并在賽道上駕駛汽車，導(dǎo)航會(huì)提示賽車向左還是向右，患者通過(guò)重心轉(zhuǎn)移操控賽車；空降游戲需要患者在降落傘上引導(dǎo)虛擬人物通過(guò)障礙物并降落在指定目標(biāo)上，并通過(guò)側(cè)屈使虛擬人物傾斜；單板滑雪游戲是模擬人沿著狹窄斜坡的單板滑雪，該游戲的目的是通過(guò)傾斜身體并在滑雪時(shí)盡可能跳動(dòng)來(lái)躲避虛擬障礙物。每項(xiàng)游戲進(jìn)行4min，每完成一項(xiàng)游戲休息1min，每周訓(xùn)練3次。經(jīng)過(guò)6周游戲訓(xùn)練治療后，用Berg平衡量表（BBS）、“站起-走”計(jì)時(shí)測(cè)試（TUG）、脊髓損傷步行能力量表（WISCI-Ⅱ）進(jìn)行評(píng)定，發(fā)現(xiàn)患者平衡能力和步行能力有所改善。同時(shí)，Maresca G等[25]運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)系統(tǒng)（VRRS）對(duì)患者進(jìn)行康復(fù)，該系統(tǒng)由康復(fù)治療師、康復(fù)醫(yī)師和神經(jīng)科醫(yī)師共同設(shè)定能夠刺激患者運(yùn)動(dòng)和感覺(jué)的特定任務(wù)，用來(lái)刺激腿部肌肉、肌腱和韌帶，改善患者姿勢(shì)、骨盆運(yùn)動(dòng)和平衡反應(yīng)，并且患者用頭戴式顯示器進(jìn)入虛擬沉浸式場(chǎng)景，用安裝在四肢和軀干的傳感器完成任務(wù)。此外，該研究發(fā)現(xiàn)VRRS除了可以提高患者運(yùn)動(dòng)功能外，還能夠減輕患者焦慮和抑郁狀態(tài)及改善認(rèn)知功能。van Dijsseldonk RB等[26]在步態(tài)實(shí)時(shí)分析交互實(shí)驗(yàn)室對(duì)15名不完全脊髓損傷患者進(jìn)行步態(tài)穩(wěn)定訓(xùn)練，該實(shí)驗(yàn)室由含有兩個(gè)嵌入式測(cè)力板雙皮帶跑步機(jī)和一個(gè)具有八臺(tái)攝像機(jī)的VICON運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)組成；在跑步機(jī)前，將虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境投影在180°半圓柱屏幕上。該訓(xùn)練包括多種任務(wù)，如在跑步機(jī)上盡可能快速地行走，并在受到干擾的同時(shí)保持站姿平衡；患者還進(jìn)行“堵車”游戲訓(xùn)練，該游戲可以通過(guò)抬起腳讓汽車過(guò)馬路。經(jīng)過(guò)6周訓(xùn)練后，患者平衡信心、步行速度、步長(zhǎng)、步行穩(wěn)定性均有改善。此外，在家進(jìn)行VR治療同樣能使患者的下肢功能得到改善。如Villiger M等[27]讓患者在家里接受了為期4周的VR任務(wù)訓(xùn)練，每次30~45min，每個(gè)患者將完成一系列游戲。在訓(xùn)練期間，患者每條腿進(jìn)行約500次重復(fù)的踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和100次膝部運(yùn)動(dòng)。全部訓(xùn)練完成后對(duì)患者進(jìn)行下肢肌肉力量（LEMS）、TUG和BBS測(cè)試，發(fā)現(xiàn)比治療前有明顯改善，6min和10min步行測(cè)試有所提高。

3.2 完全性脊髓損傷 由于完全性脊髓損傷破壞了患者大腦與身體之間的雙向傳遞，使患者下肢感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)功能均喪失。Shokur S等[28]對(duì)8名患者進(jìn)行沉浸式VR下肢訓(xùn)練，該訓(xùn)練通過(guò)將缺失的腿/腳觸覺(jué)重新映射到患者前臂的皮膚上，可以使患者下肢本體感覺(jué)得到恢復(fù)。該訓(xùn)練在觸覺(jué)顯示器上，模擬在沙灘、街道和草地三種不同類型的地面上行走的真實(shí)感覺(jué)，患者在三種模擬地面總共進(jìn)行120次觸覺(jué)刺激。此外，患者在擺動(dòng)相期間會(huì)感受虛擬腿的運(yùn)動(dòng)，并在步行時(shí)會(huì)感到腳踩在不同路面上的感覺(jué)?；颊邇H依靠這種觸覺(jué)反饋，使患者在虛擬行走過(guò)程中感受身腿的位置。此技術(shù)可以在未來(lái)讓截癱患者使用下肢機(jī)械外骨骼等設(shè)備的幾率增加，并提高運(yùn)動(dòng)熟練程度。另外，Khurana M等[29]對(duì)30名T6~T12節(jié)段的完全性脊髓損傷患者研究發(fā)現(xiàn)，用VR游戲的方式進(jìn)行坐位平衡訓(xùn)練比現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的常規(guī)訓(xùn)練效果更好。而對(duì)于需要自己操控輪椅的患者，Nunnerley J等[30]使用能夠提供虛擬康復(fù)環(huán)境的Oculus Rift輪椅培訓(xùn)系統(tǒng)對(duì)截癱患者進(jìn)行輪椅訓(xùn)練，該系統(tǒng)可以讓輪椅使用者能夠在安全的環(huán)境中學(xué)習(xí)輪椅使用方法。并且Gefen N等[31]讓脊髓損傷后無(wú)法行走的孩子使用MiWe-C沉浸式輪椅模擬器，使孩子更安全地學(xué)習(xí)如何操控輪椅，增加自身獨(dú)立性，減少大人對(duì)孩子的幫助。這些訓(xùn)練使患者活動(dòng)范圍增大，提高了患者生活質(zhì)量。并且，有研究發(fā)現(xiàn)VR除了可以改善運(yùn)動(dòng)功能，還可以減輕SCI帶來(lái)的神經(jīng)病理性疼痛[32-33]。如Pozeg P等[34]對(duì)20名截癱患者進(jìn)行了研究，其首先將觸覺(jué)刺激作用于患者損傷平面上方的背部或肩部，同時(shí)刺激患者在VR顯示屏上看到的虛擬腿，隨后僅刺激背部，患者看到的是其背部在接受刺激。結(jié)果顯示VR對(duì)SCI患者的腿部擁有感和身體擁有感有著不同程度的影響，并對(duì)SCI患者神經(jīng)病理性疼痛有輕度緩解的作用。此外，由于截癱患者不能像正常人一樣進(jìn)行日常生活活動(dòng)，從而導(dǎo)致心理上的問(wèn)題，將VR技術(shù)和心理療法相結(jié)合，可以改善這種情況。Araceli F等[35]對(duì)截癱患者使用正念療法，并讓患者帶上VR眼鏡，幻想身體在河水中漂浮，可以減少患者因疾病帶來(lái)的負(fù)面情緒。

4 現(xiàn)階段VR技術(shù)在SCI康復(fù)方面存在的問(wèn)題

4.1 老年人對(duì)VR的使用接受度低 隨著人口老齡化加劇，老年人口逐漸增多，對(duì)于新興技術(shù)也應(yīng)該讓老齡人適應(yīng)。Syed UE等[36]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，使用VR進(jìn)行康復(fù)治療的患者在性別方面未發(fā)現(xiàn)差異；但在年齡方面，老年人使用VR治療的效果不如年輕人。這可能與老年人接受新事物較慢有關(guān)，因此日后對(duì)于VR方面應(yīng)該側(cè)重老年人的體驗(yàn)性。

4.2 對(duì)VR治療耐受度低并且VR設(shè)備昂貴 與傳統(tǒng)物理療法相比，VR在中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后對(duì)個(gè)體進(jìn)行的訓(xùn)練確實(shí)對(duì)患者有更大的幫助。然而，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行訓(xùn)練可能會(huì)導(dǎo)致患者頭暈[37]，這影響治療時(shí)患者的體驗(yàn)性。并且目前一套VR設(shè)備造價(jià)昂貴，一些設(shè)備又不容易被臨床工作者應(yīng)用，造成目前VR訓(xùn)練無(wú)法大量開(kāi)展。

4.3 VR治療缺少真人互動(dòng) 目前VR治療多是單人性的，只有患者一人沉浸在虛擬的環(huán)境中。而人作為社會(huì)關(guān)系的總和，應(yīng)該使更多的人參與其中。有研究表明，多人VR游戲更能激發(fā)患者的積極性，并且多人游戲可以進(jìn)行社交互動(dòng)，以促進(jìn)所參與玩家的娛樂(lè)性[38]。不同的玩家為游戲環(huán)境增加了更多的可能性，這是單人游戲中預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序所不能出現(xiàn)的；并且多人游戲體驗(yàn)性會(huì)更好，游戲的模式也可以指定參與者是相互競(jìng)爭(zhēng)模式還是共同合作模式。此外，Tamplin J等[5]開(kāi)發(fā)的線上VR音樂(lè)治療程序?qū)λ闹c瘓的SCI患者研究發(fā)現(xiàn)，讓患者在該系統(tǒng)上集體唱歌，不但可以改善患者呼吸功能，還能促進(jìn)患者心理健康

5 總結(jié)與展望

不同于傳統(tǒng)的康復(fù)方式，VR技術(shù)“3I”特性可更好地調(diào)動(dòng)患者的積極性，并使患者更愿意接受這種治療方式。VR技術(shù)不僅能為SCI患者下肢功能進(jìn)行評(píng)估，還能讓患者主動(dòng)參與治療當(dāng)中，改善下肢功能及生活質(zhì)量。因此，VR技術(shù)在SCI下肢功能康復(fù)提供了新的治療手段。

目前，VR技術(shù)尚未廣泛應(yīng)用于SCI的康復(fù)領(lǐng)域。但隨著第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）、云技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能（AI）等科學(xué)技術(shù)的興起，VR技術(shù)在康復(fù)領(lǐng)域?qū)⒃絹?lái)越完善，如把具有康復(fù)功能的治療程序通過(guò)云技術(shù)儲(chǔ)存到云存儲(chǔ)空間，寄托于5G低時(shí)延、高傳輸速率的特性[39]，患者通過(guò)佩戴與5G相連的VR設(shè)備，可在互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)時(shí)進(jìn)行治療；并且通過(guò)AI技術(shù)，可以根據(jù)患者的恢復(fù)狀態(tài)及個(gè)人喜好推薦適合的康復(fù)訓(xùn)練。另外，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)，使治療師手機(jī)與患者VR設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督，了解患者情況，治療師可以隨時(shí)隨地通過(guò)手機(jī)對(duì)患者進(jìn)行指導(dǎo)。

隨著科技的進(jìn)步，VR技術(shù)在康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)更加廣泛和深入，也會(huì)在醫(yī)療領(lǐng)域大放異彩。隨著技術(shù)的成熟，VR技術(shù)將節(jié)省大量的人力物力，提升治療效率，進(jìn)而提SCI患者的治療效果及生活質(zhì)量。