虚拟现实技术在脑性瘫痪康复中的应用现状

杨泽烘 吴金飞 通信作者：杨泽烘

广东三九脑科医院康复治疗科，广州， 510510

【摘要】脑性瘫痪是儿科中最严重的身体残障，严重影响了脑瘫儿童的日常生活和社会参与。针对脑瘫的康复手段有很多种，虚拟现实技术作为最前沿的治疗手段，其优势是趣味性和安全性。多项研究表明虚拟现实技术不仅能改善上肢、平衡和步行等功能，还在神经可塑性上有了初步的研究，推动了康复治疗技术的完善。本文将对虚拟现实技术在脑性瘫痪中康复中的应用现状进行简要的综述。

【关键词】脑性瘫痪；虚拟现实；康复；应用现状

脑性瘫痪是一组永久性运动障碍与姿势发育障碍症候群^[1]，其核心表现是运动发育和姿势的异常，常伴有认知、交流和行为障碍及癫痫、继发性肌肉骨骼问题^[2]。有数据统计，全世界脑瘫的患病率约为1.5‰至4.0‰^[3]，我国每1000个活产儿中，就会有2.0~3.5个诊断为脑瘫^[4]。随着脑瘫儿童年龄的增长，其功能障碍会表现得更为明显，从而影响日常生活活动和社会参与，同时也给家庭和社会造成一定的负担。目前对脑瘫儿童的康复治疗主要集中在常规手段的康复训练（主要是基于Bobath和Rood治疗方法），随着虚拟现实（virtual reality, VR）技术的不断迭代，我国在康复领域逐渐用它进行研究应用^[5]，国外也已经在家庭康复中进行应用推广^[6,7]。本文旨在对国内外临床上针对脑性瘫痪在康复中应用VR技术的现状进行简要的综述，希望能为读者对VR技术作为一种前沿的康复治疗技术有一定的了解和展望。

1.VR技术的介绍

VR技术是一种计算机技术，用于生成个人可以在虚拟环境和用户之间进行交互的环境^[8]。有多种设备可用于实现虚拟环境，其中包括使用标准台式机或笔记本电脑设备、基于摄像头的视频捕捉手势控制设备（如微软Kinect）、头戴式显示器、触觉和其他基于传感器和执行器的设备，以及大屏幕沉浸式系统（如，Motek’s CAREN，www.motekmedical.com/)）。VR技术分为沉浸式、半沉浸式和非沉浸式^[9]，其在运动学习中有三个关键要素：重复、反馈、动机^[10]。这种学习是愉快的、激励性的，但也具有挑战性和安全性^[7]，它能为参与者提供强大的动力，提高注意力^[11]，这种优势是常规康复手段在技术上很难实现的。

2.VR技术的作用机制

有越来越多的神经可塑性研究表明，在VR技术的干预过程中，VR技术与积极参与和动机呈正相关^[9]，在脑瘫儿童的应用中，其运动技能、平衡、步态和功能移动性方面表现出积极的作用^[8,10,12,13]。You等^[14]已经证明，在VR提供的虚拟环境中活动能够增加初级运动皮层的激活，而初级运动皮层主要负责运动功能，从而改善患肢的运动功能。在功能性磁共振成像上，用VRGolomb等进行训练后，发现患肢对侧原发性运动区增大，小脑活动增强^[15]。VR技术还可能通过增加大脑中负责运动控制的特定区域的激活来产生皮层神经可塑性的变化，反映在脑瘫儿童反应时间的减少上^[16]。

3.VR技术在脑性瘫痪康复中的应用

众所周知，儿童都是在游戏中成长起来的，VR技术是在游戏体验中进行的，更能激发孩子的兴趣。游戏式训练可提高脑瘫儿童主动运动的积极性，提高康复疗效，故VR技术是脑瘫康复治疗的一种选择^[17]。目前VR技术在脑瘫康复中主要进行上肢功能训练、平衡功能训练、步行功能训练和ADL训练等方面。

3.1上肢功能的训练

痉挛型偏瘫儿童由于一侧肌张力高、同时肌力下降，引起主动和被动关节活动度减小，导致在日常生活中多使用健侧手，而忽略了患侧手的使用，最后形成废用症。Ji Won Yoo等^[18]首次在痉挛型脑瘫儿童中应用肌电图-虚拟现实反馈效果的临床试验，结果表明其即时改善了肘关节的运动、肌肉的平衡和协调，但长期的作用机制尚不明确，潜在的神经基质和控制机制尚不清楚。Chandrasekar Rathinam等^[19]研究发现，与传统物理疗法相比，VR技术在改善脑瘫儿童手功能方面的应用具有探索性，可作为治疗的辅助手段，强化虚拟现实干预可能更有可能带来改善。Shum等^[20]对痉挛型偏瘫儿童应用表明沉浸式虚拟现实技术的一个关键优势是能够定量地调整给用户的实时反馈。在肌电图和虚拟现实相结合后，改善了肘部屈肌和伸肌之间的肌肉平衡，提高了脑瘫儿童的运动功能。在一项临床研究为VR干预对痉挛型脑瘫儿童上肢功能的改善提供有效证据中,作者强调QEMG-虚拟现实系统可用于替代性治疗脑瘫儿童的生物医学和神经康复仪器^[21]。值得关注的是，Burcu Metin Okmen等^[22]在研究中发现治疗后功能性磁共振成像扫描中，三名患有严重痉挛的13-15岁偏瘫型脑瘫儿童的脑运动回路活动增强。也有国内学者研究表明VR技术结合作业治疗，可更好地改善痉挛型偏瘫儿童的手功能和提高日常生活活动能力

^[23,24]。

3.2平衡功能的训练

脑瘫儿童由于肌肉张力异常引起主动肌和拮抗肌之间的不平衡，出现感觉功能减弱、异常和协调方面的问题。静态和动态平衡的问题如果没有得到有效缓解，运动功能的发展就会受到限制。在进行平衡功能训练的各种方法中，使用VR技术最为突出^[25]。杨美霞等^[23]采用广州产Biomaster VR训练系统，通过观察脑瘫儿童动作完成的速度、幅度和稳定性等功能情况，同时在VR技术干预中给予动作示范或指导，最后显示其干预可以改善痉挛型脑瘫儿童的平衡功能。Lazzari Roberta Delasta等^[26]研究描述了单次tDCS结合VR技术运动训练对脑瘫儿童静态平衡功能有积极的影响，可使脑瘫患儿肢体摆动速度增加。Brien Marie等^[27]采用短期强化VR干预4名粗大运动功能分类系统（GMFCS）Ⅰ级分类的脑瘫儿童，连续5天完成每天90分钟的VR干预，采用视觉、统计和临床意义分析，结果显示功能平衡和运动能力在短期强化的VR干预下得到改善，训练后1个月仍能保持这种变化。Jinlong Wu等^[28]从中文数据库（万方数据和中国知网）和其他语言数据库（科学网、Pubmed、EBSCOhost、Informit、Scopus、Science Direct和ProQuest）检索到截至2019年8月3日的相关文献，选择随机对照试验进行meta分析得出，基于VR技术的游戏对改善脑瘫儿童的平衡有着积极的作用。为了更准确地确定VR技术对脑瘫儿童平衡的改善效果，以及对脑瘫儿童平衡发展的长期影响，未来还需要研究者更严格、更可靠的随机对照试验。

3.3步行的训练

独立步行是大部分脑瘫儿童在临床康复和社区康复的重要目标，提高脑瘫儿童步行能力的治疗方法包括力量训练、心肺功能训练、功能性电刺激方法、任务导向性步态训练、神经发育疗法和本体感觉神经肌肉促进技术等^[29]。Gagliardi Chiara等^[30]选择16名痉挛型双瘫的学龄儿童进行研究，干预的重点是步行能力和耐力，由步态实时分析互动实验室（GRAIL）进行，GRAIL是一个基于IVR的创新跑步机平台。参与者在4周内接受了18次治疗。采用功能评价、步态分析、父母问卷等工具性测量对治疗效果进行评价。干预后的步行模式、耐力（6MWT）、总运动能力（GMFM-88）和大多数运动学、动力学参数均有显著改善。任凯等^[31]观察基于VR技术的训练对痉挛型脑瘫儿童下肢粗大运动功能及步行速度的影响，发现其可有效提高痉挛型双瘫儿童下肢粗大运动功能及步行功能。Nadieh Warnier等^[15]研究采用系统回顾和meta分析的方法，结果证明了VR技术对脑瘫儿童在行走方面的积极作用。有学者强调沉浸式虚拟现实环境是如何促进运动或知觉能力的整合的方面，而不仅仅是步行能力的训练，这为年龄较大且已接受治疗的儿童提供了改善的机会^[30]。

3.4其它的训练

VR作为一种新的人机交互技术，给越来越多的临床医生和学者在研究上提供了更多的选择。Sahin Sedef等^[32]通过基于Kinect的VR技术干预方法对改善痉挛型偏瘫儿童在日常活动中的运动功能具有重要意义。值得注意的是，Orkun Tahir Aran等^[33]研究评估基于VR技术的康复计划对偏瘫脑瘫儿童认知功能的影响。将90例偏瘫型脑瘫儿童随机分为研究组和对照组。研究组除接受传统的治疗干预外，还接受虚拟现实干预，对照组接受传统的治疗20次。两组均由盲选治疗师对儿童进行认知方面的评估。干预10周后，两组认知功能均有改善。组间比较显示，为期数周的基于VR技术的康复训练增强了偏瘫脑瘫儿童的认知功能。也有学者通过研究显示，VR有助于缓解痉挛型脑瘫儿童疼痛应激，从而提高康复治疗效果^[34]。手术结合康复作为一种公众接受的治疗理念被越来越多临床医生所应用，有研究结果显示，VR技术治疗可以改善脑瘫儿童在术后的功能恢复和改善^[35,36]。另外也有研究发现，VR技术已经被证明是可用于评估脑瘫儿童，通过控制刺激和记录在功能性任务期间的各种结果^[7]。

4.讨论总结

随着VR技术在康复治疗中的应用越来越普及，成本也会越来越低，未来将会让更多康复治疗师所接受。尽管在脑瘫儿童治疗中应用VR技术的研究数量有限，其中许多研究的研究方法还不够严谨（例如，样本量很小或缺乏对照组），现有的数据表明，VR在脑瘫儿童康复中的潜在用途是巨大的。考虑到这种治疗方法的新颖性，目前的证据主要来自观察研究和病例报告，缺乏设计良好的研究来调查VR技术在脑瘫康复中的益处^[37]。Yuping Chen等^[38]研究指出，使用Super-Pop虚拟现实系统作为一种基于家庭的运动测量评估工具是可行的，虽然廉价的商业VR游戏系统增加了训练脑瘫儿童的虚拟现实可及性，但为娱乐而设计的商业VR系统进行康复方面的应用存在一定的挑战性。另一个挑战是泛化的问题

^[39]，如何设计治疗方案将在VR中新学到的技能转移到新的环境中，这是治疗师们所面临的问题。不可否认的是，VR技术作为前沿的技术，是治疗脑瘫儿童的一种很有前景的康复手段，相信不久的未来，VR技术结合各种康复手段进行治疗会不断出现突破和进步。

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