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腦卒中病人運動功能康復中虛擬現實的使用

時間:2021-08-03作者:劉書軒 邱鵬 聶永琦
本文導讀:這是一篇關于腦卒中病人運動功能康復中虛擬現實的使用的文章,腦卒中是我國致死率、致殘率最高的疾病,每年新增約240萬例患者,其中有六成以上患者因病致殘而無法正常的生活,極大地降低了其所在家庭幸福指數。

  摘    要: 針對傳統康復醫學卒中后康復訓練模式治療周期長、訓練內容枯燥、康復費用過高、醫患比例失衡問題,虛擬現實技術輔助康復治療具有現實意義。進行了虛擬現實在腦卒中患者訓練康復應用近十年發文量檢索,對虛擬現實運動功能康復訓練模式進行了可行性分析。基于虛擬現實在國內外卒中后運動功能康復中的應用進展,對其在康復醫學進一步的發展方向進行了展望。

  關鍵詞 :     虛擬現實;康復醫學;腦卒中;腦血管病;運動功能康復;

  Abstract: In view of the problems of the traditional rehabilitation training mode of stroke, such as long treatment cycle, boring training content, high rehabilitation cost and imbalance of doctor-patient ratio, the assisted rehabilitation treatment with virtual reality technology has realistic significance. The number of published literatures on the application of virtual reality in post-stroke rehabilitation in recent ten years has been retrieved, and the feasibility analysis of the model of virtual reality motor rehabilitation training has been carried out. Based on the application progress of virtual reality in motor rehabilitation after stroke at home and abroad, the further development of virtual reality in rehabilitation medicine was prospected.

  Keyword: virtual reality; rehabilitation medicine; stroke; cerebrovascular disease; motor rehabilitation;

  隨著人口老齡化進度增快,慢性病發病率呈現出“井噴式”增長。慢性病治療代價高、患者康復治療周期長且病發后致殘致死率高,其嚴重性正危害著我國健康醫療的發展。2016年世界衛生組織(World Health Organization, WHO)調查數據顯示,中國疾病譜正發生著重大轉向——腦卒中與缺血性心臟病已經成為主要疾病負擔原因,預計到2030年,這些慢性病患病率將增加50%以上[1]。據柳葉刀雜志發表的2019全球疾病負擔研究(Global Burden of Disease Study 2019, GBD)調查,心腦血管疾病是全球最主要致死因素,其中缺血性心臟病、腦卒中致死率最高,二者占比為84.9%[2]。

  腦卒中是我國致死率、致殘率最高的疾病[3],每年新增約240萬例患者[4],其中有六成以上患者因病致殘而無法正常的生活,極大地降低了其所在家庭幸福指數[5]。研究顯示,經過科學、正確的醫學康復訓練,約有85%的腦卒中患者能夠直立行走或達到生活自理水平[6]。然而2016年我國40歲以上腦卒中患病率已達到2.19%,對比2012年上升了零點三個百分點[7],據2019年江濱等[4]推算,我國現因腦卒中而致殘患者685萬人左右。目前我國專業康復治療師僅5640人,醫患比例嚴重失衡[8],仍有30%~60%的腦卒中患者在住院期間沒有接受過康復訓練治療[9],導致患者錯過最佳的康復“黃金時間”。
 

腦卒中病人運動功能康復中虛擬現實的使用
 

英国代写,Assignment代写,代做功課-Akatyan 代 写   利用虛擬現實技術(virtual reality, VR)與傳統康復訓練結合的虛擬現實康復訓練系統可以為每位患者提供個性化康復方案,這種以患者為中心的康復醫學模式,不僅減少了康復治療師單一康復訓練時間,降低康復治療師的工作壓力,且增加了患者參與康復訓練的主動性,對于康復訓練時間的選擇也更為靈活,極大地促進了遠程康復醫療的發展。

  1、文獻檢索

  1.1、 文獻檢索策略

英国代写,Assignment代写,代做功課-Akatyan 代 写   使用PubMed、Web of Science、中國知網、萬方數據庫,檢索了虛擬現實在腦卒中患者康復中應用近十年實驗發文,時間跨度為2011年1月至2020年11月。

英国代写,Assignment代写,代做功課-Akatyan 代 写   中文檢索詞:中風、腦卒中、腦血管意外、康復、虛擬現實。

  英文檢索詞:stroke、cerebral stroke、cerebrovascular accident、rehabilitation、virtual reality。

  1.2 、檢索結果及分析

英国代写,Assignment代写,代做功課-Akatyan 代 写   提取文獻題目與摘要進行初步篩選并通過Python編程篩除不符合分析標準的文獻:1)不同數據庫得到的重復性文獻;2)參考價值不高的相關會議文獻;3)綜述性文獻。

  共檢索獲得文獻2184篇,經篩查,共將1296篇文獻納入分析范圍,其中運動功能康復應用文獻1232篇,神經功能康復應用文獻64篇(圖1)。據統計,虛擬現實在卒中后的應用主要分為運動功能和神經功能康復兩大部分,其中以運動功能康復為主,占總發文數95%。在運動功能康復中的應用分為上肢功能康復、下肢功能康復,其中上肢功能康復包括上肢遠端功能康復、上肢近端功能康復,下肢功能康復主要包括步態康復、下肢平衡與協調功能康復等(圖2)。

  圖1   虛擬現實在腦卒中患者康復應用文獻檢索分析
圖1   虛擬現實在腦卒中患者康復應用文獻檢索分析

  Fig.1 Literature retrieval analysis of virtual reality in stroke rehabilitation

  圖2   虛擬現實在運動功能康復應用主題詞分析
圖2   虛擬現實在運動功能康復應用主題詞分析

英国代写,Assignment代写,代做功課-Akatyan 代 写   Fig.2 Keywords analysis of virtual reality in motor function rehabilitation

  本文結合腦卒中患者運動功能傳統康復訓練與虛擬現實康復訓練進行分析,并在此基礎上介紹虛擬現實在腦卒中患者運動功能康復中的應用進展,為后續腦卒中運動康復治療方法的研究提供參考。本文第2節闡述了腦卒中運動功能康復訓練,并從關鍵技術和評定工具兩方面對虛擬現實運動功能康復訓練進行介紹;根據文獻分析,第3、4節分別從不同虛擬現實康復訓練系統在上肢功能康復、下肢功能康復兩大方面的應用對虛擬現實在腦卒中患者運動功能康復中的應用現狀進行綜述,第5節分析了虛擬現實應用的局限性及相關改進措施;最后對全文進行了總結,對于虛擬現實在康復醫學中下一步的發展方向進行了展望。

  2、 腦卒中運動功能康復訓練

  2.1、傳統運動功能康復訓練局限性

  現階段傳統康復訓練方法有運動療法、運動想象療法、生物反饋療法、中醫干預和心理干預等[10]。訓練模式治療周期長、訓練過程枯燥單一、康復費用高,導致腦卒中患者康復效果并不理想[11]。

  近年來,國內外許多臨床試驗證實,對于腦卒中患者來說早期康復訓練能更好的改善患者日常生活能力(Activities of Daily Living,ADL)[12,13,14]。然而據2018年陳煌等[15]調查顯示:我國半數以上科室并未成立專項康復團隊,且康復團隊以醫生、護士和專職康復治療師協同工作模式為主,消耗了過多的人力物力;具有康復訓練項目的科室占比不到一半,49.02%的科室并未對腦卒中患者康復效果進行評估;腦卒中患者康復訓練開始時間多為患者病情穩定兩天之后,時間較晚,近80%患者及家屬因為康復效果達不到期望值而對科室不滿意。

  2.2、虛擬現實運動功能康復訓練

英国代写,Assignment代写,代做功課-Akatyan 代 写   隨著虛擬現實的發展完善,其已經融入工程、影視娛樂、設計、軍事、航空航天以及醫學等領域之中,并且在各個領域發揮重要的作用[16,17]。虛擬現實主導的康復訓練模式具有安全性、反饋性和可控性的特點,展現出了強大的交互性、想象性、沉浸性,激勵了患者訓練主動性,通過提供有趣的交互功能,幫助患者完成枯燥單一的重復性康復訓練,增加了患者依從性[18]。虛擬現實康復訓練可以為患者提供個性化訓練強度選擇,實時采集并記錄康復訓練數據,康復治療師可以通過遠程查詢患者訓練數據,調整康復方案,提升了工作效率。

英国代写,Assignment代写,代做功課-Akatyan 代 写   目前,腦卒中患者運動功能康復訓練虛擬現實設備分為沉浸式與非沉浸式兩種,且根據其用途分為專門設計的虛擬環境(Virtual Environments ,VE)與商業游戲(Commercial Gaming,CG)兩種類型。VE系統通常為患者康復訓練而設計,以增強康復訓練、減少不必要的動作及運動為目的,但目前專業VE系統多處于研究階段,并未達到臨床應用量產需求;CG系統多為Xbox、Wii為主的成品設備,與VE系統相比具有相對便宜的優勢,但由于其系統通常為健康人群設計,相對缺乏可擴展性。表1列舉了現階段腦卒中患者常用沉浸式、非沉浸式虛擬現實康復訓練設備。

  表1 腦卒中運動功能康復訓練常用虛擬現實設備
表1 腦卒中運動功能康復訓練常用虛擬現實設備

  2.2.1、沉浸式虛擬現實康復訓練系統

  得益于頭戴式顯示器(Head Mounted Display,HMD)在游戲領域的快速發展,沉浸式虛擬現實康復訓練系統作為近年來較新的康復治療干預措施,在康復醫學領域也逐漸得到了發展。沉浸式虛擬現實設備包括帶有多項反饋(聽覺、視覺)的HMD和患者動作捕捉系統,在顯示器中創建一個實時反饋的虛擬化身,為患者提供更為逼真的虛擬場景和交互模式。非沉浸式康復訓練系統需要患者訓練時始終注視前方屏幕,進行康復訓練時僵硬感明顯,與真實日常生活運動相悖。HMD內置虛擬場景隨患者扭頭或其他運動即時轉換,可以良好的解決此類問題。

  2.2.2、 非沉浸式虛擬現實康復訓練系統

  非沉浸式虛擬現實康復訓練系統主要使用屏幕、基于視覺的游戲機和其他輸入設備(如手柄、游戲機方向盤和操縱桿)以加強患者真實感。通過使用各種輸入設備,患者可以更好的與其虛擬場景中第一視角或第三視角虛擬化身進行聯系,達到與系統交互的目的,提升患者沉浸感。同時,非沉浸式虛擬現實康復訓練系統具有開放性,降低了患者眩暈或者疲勞的可能性,更為開闊性的訓練環境緩和了部分患者焦慮心理(如幽閉恐懼癥)。

  2.3、虛擬現實運動功能康復訓練臨床評定工具

  《國際功能、殘疾和健康分類》(international classification of functioning, disability and health, ICF)作為WHO繼ICD之后分類家族成員,其作為功能評定工具分類已經在大量研究臨床試驗上得到認可[19]。ICF將康復功能評定工具分為身體結構與功能、活動與社會參與、環境因素三大評定領域。表2、表3列舉了腦卒中患者在運動功能虛擬現實康復訓練中常用的9項評定工具,并按照ICF將其分為身體結構與功能、活動與社會參與兩類[20]。

  表2 身體結構與功能評定
表2 身體結構與功能評定

  表3 活動與社會參與評定
表3 活動與社會參與評定

  3、上肢功能康復

  3.1、 沉浸式康復訓練系統

英国代写,Assignment代写,代做功課-Akatyan 代 写   相較于傳統常規康復訓練,沉浸式康復訓練系統在改善患者MAS、FMA-UE[21]、平均運動速度[22]等方面已被證實更加有效,差異性更為顯著,且沉浸式康復訓練系統進行康復訓練時往往會帶來常規康復訓練所沒有的治療效果,如使用融入鏡像療法的沉浸式康復訓練系統的患者大腦功能連接(Functional connectivity,FC)恢復能力得到了較大提升[23,24],然而現實世界中多感知性器官如嗅覺、味覺增加了虛擬現實構建的沉浸式虛擬世界與真實世界的差異性,導致患者康復訓練時會產生相應的反差感和不適性,2021年,危昔均等[22]也發現在使用沉浸式系統康復訓練時的疲勞程度是常規訓練的兩倍左右,加速了病人疲勞指數。

  由于沉浸式康復訓練系統發展時間較短,很少有臨床試驗對于康復訓練時長進行深入研究,2020年Erhardsson等[21]基于臨床試驗所得數據推測虛擬現實康復訓練整體時間控制在200~900分鐘時獲得的康復訓練效果較高。但其試驗納入受試者人數較少,后續仍需進行大樣本試驗進行驗證。

  3.2、非沉浸式康復訓練系統

  使用非沉浸式康復系統進行訓練的患者無需佩戴外部設備,這種不完全脫離真實環境的開放性特點進一步降低了頭暈的可能性,其關鍵技術主要取決于研究者所采用的人體動作捕捉系統,如Kinect所使用的RGB攝像頭+紅外攝像頭能夠捕捉到患者運動中的空間信息以及不同關節點運動時產生的角度和速度,降低了患者動作捕捉難度,且多項研究表明,基于Kinect的非沉浸式康復訓練系統可以有效改善患者FMA-UE[25,26,27,28]、MAL[27,28,29],縮短正中神經N20、P50潛伏期[25],相較于康復治療師輔助訓練,使用Kinect游戲可以得到更好的康復治療效果,患者參與度較高[26],基于Kinect技術開發的虛擬現實康復系統多支持患者康復訓練數據存檔、自定義不同難度的訓練任務,如Jintronix系統[27,29]、Mira平臺[30],便于康復治療師及時調整康復訓練計劃,為遠程醫療和家庭康復模式提供了基礎。

  基于非沉浸式康復訓練系統的開放性,研究者們可以輔以大腦皮層刺激以建立FC,增強患者大腦對于肢體的控制,達到恢復的目的,目前已知的經顱直流電刺激[31,32]、經顱磁刺激[33,34]、間歇性痛覺刺激[35]等非侵入式刺激方法聯合非沉浸式康復訓練系統均得到了較好的療效。

  3.3、虛擬現實+康復訓練系統

  3.3.1、基于數據手套的虛擬現實康復訓練系統

英国代写,Assignment代写,代做功課-Akatyan 代 写   目前,康復外骨骼可以降低患者康復訓練難度,但這種剛性驅動裝置由于其硬度和重量,降低了患者康復舒適度,對于肌肉活動能力低的嚴重患者來說成為了新的康復訓練負擔,且多數外骨骼設備基于康復治療師提前設定的執行程序主動帶動患者進行康復訓練,無法充分探究患者的康復主動性和注意力狀態。數據手套通過不同數量的高精度傳感器捕捉患者手部細微動作,將患者手部活動實時映射在虛擬現實場景中,并實時反饋患者訓練數據,康復治療師可以更加精確的制定康復訓練計劃。數據手套多采用柔性材料,具有較高舒適度及輕便性的特點,間接降低了手功能恢復的難度。現階段市場卒中后常用數據手套如表4、圖3所示。

  表4 腦卒中運動功能康復常用數據手套
表4 腦卒中運動功能康復常用數據手套

  圖3  腦卒中運動功能康復常用數據手套
圖3  腦卒中運動功能康復常用數據手套

英国代写,Assignment代写,代做功課-Akatyan 代 写   Fig.3 Data gloves for stroke motor function rehabilitation

英国代写,Assignment代写,代做功課-Akatyan 代 写   對于數據手套結合虛擬現實系統的康復治療效果,基于不同設計方案的臨床試驗結果具有一定的差異性。Fluet等[36]試驗顯示,患者FC發生了相應的擴展,相比于治療前,患者手部捏、握力提升了50%,手指伸展度增加了25%;Lansberg等[37]發現在無人監督的家庭環境中,使用數據手套的虛擬現實康復訓練對改善腦卒中患者是有效的,但試驗進行了長達兩周的磨合期準備,且患者滿意度不高(僅85%滿意度),有20%患者反饋手功能改善效果不明顯;2020年,Kang等[38]進行了4周的對照試驗,雖然試驗結果顯示實驗組FMA-UE治療效果優于對照組(P=0.023),但實際臨床活動表現差異并不明顯,研究者推測與康復治療周期較短有關,Lee等[39]將對照試驗治療周期提升一倍(8周)后,實驗組治療前、后WMFT評分、BBT評分平均分數提升(8.6;6.9)明顯高于對照組(2.8;1.7),但與Kang等試驗結果一致,ADL并未發現明顯差異。

  絕大部分試驗顯示,基于數據手套的虛擬現實康復訓練對于修復腦卒中患者上肢損傷效果明顯。但單位時間內運動能力、ADL并沒有明顯優勢。主要原因是ADL對于上肢遠端和近端的整體協調能力要求更高,研究者忽略了上肢近端對上肢遠端運動功能的影響。后續康復訓練應將康復重點從改善上肢功能損傷轉向ADL的提升,同時增加上肢整體協調能力訓練項目是必要的。相比于傳統康復訓練,基于數據手套的虛擬現實康復訓練更為迎合未來遠程醫療、家庭醫療的走向。但康復訓練時機是腦卒中患者卒中后功能康復的重要因素,患者需要更長時間的磨合期熟悉并正確運用數據手套進行康復訓練是得不償失的,下一步需要繼續簡化虛擬現實康復訓練系統操作復雜度,盡可能避免無用功能設計,增強訓練項目科學性,進一步提升腦卒中患者康復效率。

  3.3.2、基于腦-機接口的虛擬現實康復訓練系統

  強制性誘導運動療法(Constraint Induced Movement Therapy, CIMT)、運動想象療法 (motor imagery, MI)或神經肌肉電刺激療法(Neuromuscular Electrical Stimulation, NMES)是腦卒中后上肢康復訓練中常用的治療方法,然而這些康復訓練方法需要患者有一定程度的自主運動能力,重度患者由于運動控制水平、耐疲勞程度普遍較低,康復訓練改善效果并不理想,有著嚴重的局限性。基于腦-機接口(brain-computer interface, BCI)的VR-BCI系統利用侵入性或非侵入性方式捕獲患者腦部神經活動信號,通過計算機解碼并結合實時反饋的外部虛擬現實設備與患者大腦進行雙向交互,使患者直接或間接借助大腦活動控制自身虛擬三維重建化身參與到康復訓練中(圖4),這種患者大腦意識與VR場景響應虛擬動作的交互機制無須患者進行自主運動,相比于傳統康復訓練,安全性更高,更加適用于重度損傷患者康復。可以有效幫助腦卒中患者重新學習因腦卒中而遺忘的動作,增強患者神經可塑性,協助患者運動功能康復[35,36]。

  圖4  基于BCI的虛擬現實康復訓練系統原理
圖4  基于BCI的虛擬現實康復訓練系統原理

英国代写,Assignment代写,代做功課-Akatyan 代 写   Fig.4 The principle of VR-BCI system

  作為BCI領域研究團隊,Vourvopoulos團隊成員早于2016年對市場上三款定制的VR-BCI系統性能進行了對比[40]并得出低成本開源系統比商業醫療級的VR-BCI系統更具成本效益的結論。同年,該團隊設計了一款具有震動觸覺反饋的NeuRow頭戴式VR-BCI模型[41],在健康受試者中取得了平均70.7%的識別準確率。2019年,Vourvopoulos團隊根據患者損傷程度不同基于EEG設計了具有多模式接口(腦-VR接口、肌肉-VR接口和手部追蹤接口)的VR-BCI康復系統REINVENT[42]。但通過12名健康受試者對照試驗反饋,沉浸感更強的HMD康復系統REINVENT并沒有比非沉浸式康復系統獲得更為顯著的效果。隨后一年里,團隊又先后增加五名腦卒中后不同損傷程度患者進行REINVENT試驗[43,44],患者總體FMA-UE提升了1~6個百分點,SIS提升了15~40個百分點,證實了重度損傷患者可以通過VR-BCI獲得更高的恢復效果。

  基于VR-BCI系統的現狀,研究者多增加外部輔助設施或觸覺反饋等以增強VR-BCI系統沉浸感,以求提高康復治療效果,張桃等[45]增加MI研發了MI-BCI手功能康復系統,受試者平均動作識別準確率達到了75%;Cheng等人[46]在此基礎上使用了柔性機器人手套,實驗組受試者均報告患側肢具有更為真實的運動感,且大部分表示在干預后感覺持續存在;Marti等[47]將VR-BCI系統康復訓練任務游戲化,得到了更高的用戶滿意度,并基于小樣本試驗中得出年齡并不是影響識別準確率因素的結論。

英国代写,Assignment代写,代做功課-Akatyan 代 写   雖然VR-BCI康復訓練被證實對于腦卒中重癥患者康復是有效的,且多項試驗問卷調查顯示受試者對VR-BCI滿意度整體較高,但現階段VR-BCI系統對于患者腦部活動信號識別準確率除個別受試者達到95%以上[43],整體平均準確率不到80%,個別試驗也顯示出康復訓練中有出現患者疲勞的問題。推斷因為腦卒中患者受損腦部區域并不相同,每位患者的注意力集中能力也有一定差異,康復訓練劑量的把握程度仍有欠缺。說明VR-BCI具有很強研究前景,但如何進一步提升系統識別準確率仍然是此領域的關鍵性問題。近期,Willett團隊5月在Nature雜志發表的一篇關于BCI的最新研究[48],對于使用BCI系統識別并實現高難度、精細化的手寫字母能力取得了重要突破。該系統通過兩根微電極陣列芯片進行侵入性獲取患者腦部神經活動信號,并借助循環神經網絡、主成分分析和非線性降維方法將神經活動可視化,書寫速度達到了90字符/分鐘,且平均錯誤率僅為5.9%,為后續VR-BCI系統的研發提供了良好的前景。

  3.4、小結

英国代写,Assignment代写,代做功課-Akatyan 代 写   多項研究表明,HMD對于恢復FC有著很高的積極作用且有著較高體驗滿意度。但基于現階段的沉浸式康復訓練臨床試驗來看,仍然有少數患者反映出使用HMD對其有負面影響,如頭暈、疲憊[26]等,HMD屏幕分辨率和刷新率、動作捕捉系統的靈敏性均影響著HMD對患者的視覺反饋,目前HMD屏幕分辨率相較于非沉浸式系統屏幕較低,動作捕捉系統靈敏性和HMD畫面流暢度的提升是下一步發展的關鍵性問題;非沉浸式設備多采用手柄或其他具有反饋性傳感器進行傳輸數據,更為適合Brunnstrom3期及以上腦卒中患者進行上肢康復訓練,Brunnstrom1期和2期患者由于肌無力程度較嚴重,手柄的抓握更為困難,康復訓練過程中手部顫抖造成虛擬訓練任務失敗和因抓握能力不足導致手柄滑落會對患者造成沒必要的困擾和信心的降低,對于Brunnstrom1、2期患者,無須手柄的Kinect體感技術或leapmotion進行動作捕捉、采用無需患者自主運動的MI-BCI系統或輔以康復外骨骼均是有效的干預措施;輕中度卒中患者可以采用HMD結合數據手套開發康復訓練系統,或在非沉浸式系統的手柄內增加壓力感應器捕獲患者手部抓握能力,通過可視化數據實時反映患者康復訓練狀況,便于康復治療師及時調整康復訓練計劃。

  4、下肢功能康復

  4.1 、沉浸式康復訓練系統

英国代写,Assignment代写,代做功課-Akatyan 代 写   為了對比不同沉浸式系統適用范圍,Adrián等[49]對HTC Vive和Oculus Rift進行了橫向對比。結果顯示,HTC Vive工作范圍(24.87m2)可以達到Oculus Rift(11.75m2)兩倍,在較低位置測試時精度更高,Oculus Rift則更適合站立位置時使用;Winter等[50]對照試驗發現沉浸式組治療效果優于非沉浸式組(P=0.025),且健康受試者和腦卒中患者均表示更傾向于使用沉浸式系統(89%;71%),證實了使用沉浸式系統的患者可以得到更好的步速恢復能力且受眾更多。

英国代写,Assignment代写,代做功課-Akatyan 代 写   為了增強沉浸式虛擬設備的真實感,增加真實世界映射或感知反饋是研究者們常用的干預手段。Zakharov等[51]使用腳底氣動裝置對模擬虛擬場景腳底真實觸感進行了模擬,Kim[52]使用Insta360 ONE X(Insta360?, 美國)建立了虛擬現實社區街景,均得到了比常規訓練更好的康復效果。但Kim團隊試驗為了防止患者康復訓練強度過高,為每位患者配備了一名治療師檢測康復訓練時的狀態和心率情況,以便對患者康復訓練強度及時調整,增加了康復治療師工作量。

  4.2、非沉浸式康復訓練系統

  在使用非沉浸式康復訓練系統進行下肢訓練時,多項試驗顯示患者平衡能力的改善效果較高[53,54,55],且大腦左半球受損患者康復治療過后對于復雜性操作能力優于右半球受損患者[56],張麗華等[54]研究發現患者除BBS評分有顯著提升外,動態睜、閉眼站立以及穩定反應時間相比于治療前明顯降低(P<0.05,0.01,0.05),驗證了虛擬游戲訓練是治療腦卒中患者姿勢控制能力的有效方法;2020年李文鋒團隊[55]和付虧杰團隊[57]研究得到了一致性結果,實驗組治療過后BBS、步行能力與對照組相比差異性顯著。

英国代写,Assignment代写,代做功課-Akatyan 代 写   但相較于患者下肢平衡能力的顯著性改善,有研究顯示ADL的治療效果并沒有達到預期的效果[53,55],為了增強對患者ADL的訓練,錢平安等[58]使用了Kinectfor Xbox聯合Bobath康復療法,試驗顯示,實驗組ADL、FMA、BBS高于對照組且具有統計學差異(P<0.05);Miclaus團隊[59]在Mira平臺上結合鏡像療法也得到了較好的療效,患者肌肉力量和下肢功能恢復效果優于常規訓練對照組。

  4.3、虛擬現實+康復訓練系統

  4.3.1 、基于運動平臺的虛擬現實康復訓練系統

  虛擬現實下肢干預措施通常結合運動平臺(跑步機、運動平板和平衡板)進行。運動平臺的使用降低了患者對訓練場地的空間需求,提升了空間利用率,虛擬現實技術對真實場景的再現能力可以取得更好的腦卒中步態康復訓練環境條件[60],滿足了患者對于不同訓練場地的需求。

  Solanki等[61]在運動平板中加入了心率監測系統,使用自適應技術通過檢測患者康復訓練時實時心率情況改變跑步機速度,為不同損傷程度的腦卒中患者提供了針對性的運動強度訓練,解決了上文Kim團隊[52]額外工作量負擔的問題。2020年金慶華[62]在常規康復訓練基礎上應用運動平板虛擬現實訓練,得到了一致性試驗結果,BBS、FMA均有顯著提升,與常規訓練對照組差異性更加明顯(P<0.01)。但由于該對照試驗兩組并未設定相同的康復訓練時長,僅證明了虛擬現實訓練+常規康復訓練模式康復效果優于傳統常規訓練模式。

  Wii平衡板價格相對低廉,因其CG系統的開源性設計為用戶內置了大量操作性游戲,可以為患者提供不同的虛擬場景,在改善患者平衡[63]和患側腿承重能力[64]有著出色的表現;作為頂級虛擬現實運動控制公司,Motek旗下的STABLE系統[65]、GRAIL步態實時分析互動實驗室[66,67]和C-Mill[68]等系統也在下肢康復治療領域發揮著重要的作用。

英国代写,Assignment代写,代做功課-Akatyan 代 写   相較于腦卒中重癥患者,輕中度下肢功能損傷患者在使用運動平臺時可以獲得更高的改善效果。由于腦卒中重癥患者患側肢的承重能力較差,著力點不穩定,導致患者在使用運動平臺訓練或在日常生活中嚴重依賴非患側肢的支撐作用,降低了對患側腿的使用,造成身體重心產生單側偏移,嚴重影響了患者自身平衡和協調能力。且卒中后下肢肌力減弱,腦卒中重癥患者下肢難以支撐上身重量,往往在康復訓練過程中出現重心不穩、身體前傾等安全性問題,從而影響了訓練的康復效果。

  4.3.2、 基于減重步行訓練的虛擬現實康復訓練系統

  為解決上述問題,研究者將減重步行訓練(Body Weight Support Treadmill Training, BWSTT)加入運動平臺虛擬現實系統中,BWSTT的牽引式吊帶減重系統可以有效減輕患者下肢承重壓力,同時使用懸吊裝置和安全帶保證患者自身安全性(圖5),通過調整減重系統,協助重癥腦卒中患者更好的進行不同強度的負荷訓練,從而使腦卒中患者康復訓練更加有效。

  圖5  NxStep Unweighing減重步行訓練系統(Biodex,美國)
圖5  NxStep Unweighing減重步行訓練系統(Biodex,美國)

  Fig.5 NxStep Unweighing System (Biodex, USA)

  早在2010年Walker等[69]設計了增加BWSTT的虛擬現實同步減重步行訓練系統(VR+BWSTT),該系統使用的BWSTT系統最大可以承受163kg的重量,滿足了絕大部分患者使用要求。試驗發現患者在VR+BWSTT上行走時患側單腿支撐時長更長,比地面行走更具有對稱性。后續有研究顯示[70]VR+BWSTT在改善患者的下肢運動功能和步行能力方面更具有優勢,且在康復訓練時腦部運動前區、楔前葉和聯想視覺區域激活更為明顯[71],證實了VR+BWSTT對于CF重建起著積極作用。

英国代写,Assignment代写,代做功課-Akatyan 代 写   在使用虛擬現實康復訓練系統時,患者的實時運動數據是康復治療師對于訓練強度進行調整的有效參照物,Dhaval等[72]使用該團隊自主研發的儀表鞋采集患者在使用VR+BWSTT時步態穩定性、對稱指數等相關參數,結果顯示,系統在檢測參與者步態特征變化具有有效性,腦卒中患者步態對稱性同樣得到了顯著改善。黃飛等[73]對VR+BWSTT進行了更為詳細的臨床試驗,將120名腦卒中患者按照隨機數字表法分為四組(VR組、減重組、VR+BWSTT組、對照組)。試驗顯示,VR+BWSTT組步行能力、下肢功能、患側支撐能力均明顯優于其他三組(P<0.05)。

  4.4、小結

英国代写,Assignment代写,代做功課-Akatyan 代 写   在進行下肢訓練時,患者多需要在康復訓練場所或運動平臺上進行運動,使用沉浸式康復系統時往往沒有辦法關注到現實場景景象,對于心理建設較差或伴有精神類疾病的患者并不友好[53],對于下肢肌力不足或有一定心理疾病的患者,采用更具開放性的非沉浸式虛擬現實技術結合BSWTT進行康復訓練更加適合;基于商業用途的非沉浸式虛擬現實游戲針對性不足,患者往往會通過代償運動完成設定的虛擬現實游戲任務,康復訓練效果降低,篩選出具有針對性的虛擬現實游戲或為輕中度損傷患者開發相應虛擬現實任務是有必要的;HMD在康復訓練時需要高性能處理器快速運轉,其重量和產生的熱量往往也會有干擾患者正常康復訓練,采用制程更小的芯片可以有效提升性能、減少發熱量,基于虛擬現實產生的現實增強技術(Augmented Reality,AR)將虛擬場景根據現實場景進行渲染與虛擬化,是一種將虛擬場景映射在真實世界的一種技術,現階段AR眼鏡也逐漸進入到市場中,將AR融入到康復訓練系統中或許會產生更好的效果。

  5、 面臨的挑戰及改進措施

英国代写,Assignment代写,代做功課-Akatyan 代 写   虛擬現實給予患者以高沉浸感的同時往往增加了虛擬現實暈動癥的風險。真實世界個體運動過程中伴隨著多感知刺激,當患者使用虛擬現實設備時因刺激性差異會引起視覺相對運動和前庭器官相對靜止反饋的相對運動錯覺,從而導致虛擬現實暈動癥的產生。部分腦卒中患者會出現訓練中頭痛、精神恍惚、眩暈的現象,其中少數患者訓練過后眼前仍會出現虛擬現實場景,會對患者康復訓練效果及訓練后休息產生干擾[22,26,58]。根據美國高通公司發布的《Reducing Cybersicknessin Virtual Reality》[74],致病因素大致分為三類:系統因素(硬件及操作系統問題);軟件因素(應用的設計、人機交互技術的選擇);用戶個人因素(患病程度、心態問題)。

英国代写,Assignment代写,代做功課-Akatyan 代 写   降低患者視覺感受野和畫面渲染強度、避免沒必要的光學性污染是目前研究者對于系統影響處理的主要手段,主要分為視覺動態模糊、動態改變視場和增加靜止框架三種方法。王新悅等[75]通過高斯函數對目標區域外的背景進行模糊處理,成功降低了62%眩暈發生率;Farmani等[76]使用離散視覺控制降低視覺刺激,分別對旋轉視角(增加黑場過渡達到視角切換的目的)和對平移(短程傳送方式進行前進式畫面切換)進行了處理,得到了旋轉捕捉(40%)和平移捕捉(47%)降低發病率水平;增加虛擬鼻子[77]、眼鏡、棒球帽[78]等靜止框架以縮小患者視場的方式也同樣得到了較好的效果,Wienrich團隊[77]發現當患者被告知畫面中存在虛擬鼻子后更大程度的降低了眩暈發生率。有研究顯示[79]三種處理手段均可減緩暈動癥癥狀,且差異性并不明顯,但動態改變視場和視覺動態模糊方法會導致信息丟失,靜止框架方法則不會造成此類問題。

  為了降低軟件因素對虛擬現實康復訓練的影響,張曉婷等[80]通過優化系統運動參數(更改加速度、線性速度)、增強嗅覺(加裝氣味散發裝置)和聽覺反饋(設計三維立體背景音樂)增強多通道信息反饋。106名受試者測試過后眩暈占比僅2%,低于對照組三倍,降低了60%發病率。Weech等[81]利用前庭電刺激(galvanic vestibular stimulation,GVS)技術加入HMD中,將電極片貼在乳突處,通過骨傳導震動方式增強前庭反饋。但經過試驗,與對照組相比,GVS的增加并沒有降低患者的眩暈感,另有研究顯示[82],增加了GVS的虛擬現實系統起到了更強的副作用,增加了暈動癥的發生率。

  與司機開車不易引發暈車癥一樣,采用手柄增強患者康復時對虛擬化身的控制可有效降低暈動癥的發生[83]。藥理學的治療干預也通常用于暈動癥中,如鹽酸異丙嗪[84]、茶苯海明和苯海拉明[75],但這些藥物多具有一定的副作用,且并不清楚和卒中后所服用藥物是否有藥性沖突。中藥具有藥性溫和、副作用小的特點,Chen等[85]使用生姜、木香和廣藿香三種中藥組成的復方在小鼠試驗效果中優于茶苯海明和苯海拉明,為后續針對暈動癥藥物的開發提供了參考。

英国代写,Assignment代写,代做功課-Akatyan 代 写   除GVS引入產生的負影響外,其他優化方式均得到了較好的反饋,其中靜止框架方法和增強多通道感知器官信息反饋的方法具有一定優勢,證實了虛擬現實暈動癥是可以進一步避免的,增強患者各感知反饋能力的協調性,降低單一感知器官的突出性刺激是減少虛擬現實暈動癥的有效措施,但在使用相應藥物時仍需注意其藥性機制與其副作用,檢測其與卒中后藥物的沖突性,降低不穩定風險。

  6、結束語

  目前國內康復訓練存在著醫患比例嚴重失衡、康復手段不完善等缺點,近年來,虛擬現實技術在康復醫學領域中不斷深入研究,為腦卒中患者提供了更有效的治療途徑。虛擬現實技術結合傳統康復訓練效果較好、患者依從性高,打破了傳統康復訓練模式的諸多局限性,減輕了康復治療師工作壓力,高度自由性訓練模式降低了患者康復心理負擔。本文梳理了虛擬現實國內外在腦卒中患者運動功能康復中的相關應用,對不同虛擬現實系統進行了歸納總結,闡述了各自系統之間的優點及局限性,并對其后續可行性發展方向進行了展望,匯總比較了虛擬現實所面臨的挑戰和相應改進措施。

英国代写,Assignment代写,代做功課-Akatyan 代 写   從本文篩選各篇臨床對照試驗來看,各自結果具有較大差異性,部分試驗顯示虛擬現實康復訓練并沒有展現出比對照組更優秀的康復治療效果。主要因素可能是源自各團隊之間所采取的虛擬康復訓練計劃具有差異性,且不同虛擬現實康復訓練系統的治療劑量、強度和頻率不盡相同;研究受試者數量有限,缺乏準確的有效性評價,需要深入進行大樣本、高質量臨床試驗;研究者所選不同訓練效果評定量表的針對性同樣影響著試驗最終結果,需大批量臨床試驗,統一康復訓練計劃強度并進行系統間橫向對比。隨著近幾年虛擬現實技術逐漸成熟,越來越多的研究者投身于康復領域之中,同類型之間康復訓練系統的對比試驗得到了更好的展開;參與到虛擬現實康復訓練試驗中的患者也越來越多,從開始的單樣本試驗到現在百余例患者對照試驗均顯示出了虛擬現實在康復醫學領域應用的美好前景。

英国代写,Assignment代写,代做功課-Akatyan 代 写   為了擁抱遠程醫療、智慧醫療,制定更具有針對性的個性化虛擬現實康復訓練計劃是未來重要走向。目前處于醫療大數據的重要時期,海量醫療數據的分析對于康復訓練制定具有指導性,但現階段虛擬現實在康復領域中進行康復訓練缺少統一的金標準,不同系統之間開發更具有主觀性,臨床試驗結果特異性太強,難以基于現在的數據進行相關性分析;專門用于評估虛擬現實康復訓練效果的量表較少,與傳統康復訓練評定工具不同的是,虛擬現實康復訓練優勢為實時性、可視化、反饋性的高精度數據,康復治療師可以通過不同數據之間的實時反饋情況及時的調整患者康復訓練時間或強度,但目前很少有公認的對于高精度康復數據進行分析和測試的評定工具。建議后續可以使用可視化量表、散點圖、曲線圖等形式反映患者不同時期康復訓練數據,通過建立更適合、更具科學性的虛擬康復訓練系統評定工具為后續康復訓練方案的修改和臨床研究提供更為客觀的結果。

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