虛擬現實技術在卒中后上肢康復中的應用現狀及可能機制

鄒鴻雁,白定群,楊力凝,柏若男,肖明朝

腦卒中是我國成年人致死和致殘的首位原因[1]。研究表明,約85%的早期卒中患者存在上肢功能障礙[2],超過50%的卒中患者存在上肢功能永久性的損傷,顯著影響了患者的日常生活活動[3],因此改善卒中后上肢功能至關重要。傳統的上肢康復治療通常耗時久且患者依從率低,結果常取決于治療師的經驗和能力,不足以誘導功能障礙肢體基于神經可塑性的運動改善[4]。虛擬現實(virtual reality,VR)的興起和應用為卒中后運動康復提供了一種新穎的有前途的方式。與傳統康復相比,VR能實現強化、高度重復、以任務為導向的訓練[5],誘導大腦皮層的重組和神經可塑性[6];同時,具有挑戰性的虛擬訓練任務及即時的訓練反饋為參與的患者帶來了更愉快的體驗,能充分調動患者的主觀能動性[7]。本文綜述了VR在卒中后上肢運動功能恢復中可能的作用機制、VR的特點和VR單獨及與其他康復技術聯合在腦卒中上肢康復中應用的現狀、有效性及存在的不足,推動VR在上肢康復治療中的發展。

1 VR的作用機制

目前,VR在卒中后上肢康復中的作用機制尚不明確,其機制可能包括:①改善大腦半球間興奮抑制的平衡:健康人兩側大腦半球存在交互性半球間抑制,并達到雙側半球興奮和抑制相對平衡的狀態[8]。在發生腦卒中后,大腦半球間興奮抑制失衡,使患側大腦的興奮性降低,健側大腦皮質活動增強,同時,健側對患側的高抑制使患側皮質興奮性受限[9],這種現象和患者的上肢功能障礙嚴重程度之間呈正相關性[10]。VR通過促進感覺運動皮層激活從對病灶區域或雙側區域向同病灶區域轉移,來重新調整半球間相互抑制的作用[11]。②增強不同功能區域之間的連通性:卒中引起的運動相關區域的損傷可能會破壞同側初級運動皮層(the primary motor cortex,M1)和其他區域之間的半球內和半球間的連接,導致上肢運動功能障礙[6]。VR干預能增強同側M1和其他區域間的連接,誘導大腦皮層重組。Mekbib等[12]的研究表明經過2周的VR訓練,雙側M1的連接得到了增強。③額葉皮質區域的激活增加:Orihuela等[13]在基于上肢VR康復治療期間對患者進行功能磁共振成像神經掃描,結果發現前額葉皮層激活,且患者表現出顯著的上肢功能改善。④鏡像神經元系統的參與:鏡像神經元(Mirror neurons,MNs)是指大腦中的一組神經元,當患者想象或觀察四肢的動作時,這些神經元可能會被激活[14]。研究表明激活MNs可以幫助恢復上肢運動功能[14]?；颊咴谔摂M環境中進行運動觀察和模擬時,可以激活大腦區域的MNs,從而促進上肢功能的恢復[15-16]。

2 VR的特點

作為一種計算機生成的模擬技術,VR可以創建豐富的虛擬環境,讓患者執行特定任務的訓練,并為患者提供多模態的感官反饋,以增強功能恢復。VR包括沉浸、想象和互動三個特點[17]。根據沉浸程度VR可分為非沉浸式VR和沉浸式VR:非沉浸式VR是一種基于臺式計算機、視頻游戲機或平面屏幕的3D圖形系統,通過鍵盤和鼠標等輸入設備使用戶與計算機進行互動[18]。與沉浸式VR相比,非沉浸式VR成本更低,復雜性更低,培訓更容易適應[19]。沉浸式VR是患者通過使用大屏幕投影或頭戴式顯示器創建沉浸感,使用戶的視覺完全被包裹[18]。在沉浸式VR中,患者大多使用控制器、操縱桿或動作捕捉攝像頭等輸入設備與虛擬環境進行交互[18]。與非沉浸式VR相比,沉浸式VR提供了更強的沉浸感,其安全、可控的模擬環境更有利于患者進行復雜技能的練習[20]。

3 VR單獨在卒中后上肢運動功能障礙中的應用

VR提供的虛擬現實訓練可以改善腦卒中患者的上肢運動功能。李毅等[21]的meta分析納入了31篇隨機對照研究發現,與時間劑量匹配的常規康復訓練相比,VR訓練對于腦卒中上肢運動功能的恢復更優,特別是當使用沉浸式虛擬環境或VR與常規康復訓練結合應用時。Song等[22]將沉浸式VR應用于腦卒中的雙側手臂訓練中,其研究結果表明,慢性卒中患者進行持續4周,每周5次的基于VR的沉浸式雙側手臂訓練后,上肢運動功能有所改善。VR輔助訓練可以提高日?；顒拥莫毩⑿?。Chen等[23]的Meta分析納入了42項隨機對照研究發現由于VR支持的運動療法可以幫助患者改善上肢運動功能,使患者更積極地參與日常生活活動,因此VR支持的運動療法可以提高日?；顒拥莫毩⑿?同時也發現,VR支持的運動療法與傳統康復療法相結合可以提高手部靈活性。Choi等[24]讓亞急性卒中患者接受持續4周,共20次的基于商業游戲的VR運動治療,使患者的上肢功能和日常生活活動能力得到了改善。VR輔助訓練可以緩解上肢疼痛,Anwar等[25]開展的VR干預研究發現,愉快而多彩的虛擬環境可以轉移患者的注意力,讓患者沉浸其中,幫助其減少焦慮,促進積極情緒,緩解疼痛。目前,由于大多數研究干預持續時間較短,缺乏干預后的長期隨訪,因此,VR的長期益處未得到證明,未來還需要開展更多高質量的研究進一步明確VR在腦卒中上肢康復中的長期療效。

4 VR聯合其他康復技術在卒中后上肢運動功能障礙中的應用

4.1 鏡像治療 鏡像療法(mirror therapy,MT)是在健側手和患側手之間放一面鏡子,通過鏡子中健側手的運動讓患者產生運動錯覺,認為患側手在運動的一種治療方法[26]。MT增加了大腦同側M1區域的興奮性[27]。但其要求患者產生視錯覺才能達到治療效果,僅通過鏡子里的影像無法讓患者產生更好的視錯覺[28],因此有研究人員改變傳統的MT,將其與VR相結合,從而增強MT的參與感及真實感[29-30]。Kang等[29]招募了18名健康的受試者和18名卒中后偏癱患者進行研究,對所有受試者使用包括放松,MT和基于VR的MT在內的3種不同的任務,隨后在非優勢或受累上肢的橈屈肌中記錄經顱磁刺激的運動誘發電位,結果表明基于VR的MT能夠激活鏡像神經元系統和同側病變運動皮層的視錯覺,促進皮質脊髓興奮性,更有利于促進卒中患者的上肢康復。Choi等[30]進行了一項隨機對照研究,患者通過基于VR的游戲完成手部運動,每天訓練15次,持續30min。結果表明基于VR的MT組比常規鏡像治療組和常規作業治療組在上肢運動功能中顯示出更多的改善。隨著VR的出現,MT不再依靠傳統的平面鏡為患者提供視覺反饋,而將簡單的動作轉化為功能性任務,為患者提供更有意義、更引人入勝的治療。但目前國內對于此類研究開展并不多,未來的研究應該加大力度探索VR-MT作為常規治療輔助手段的效果。

4.2 上肢康復機器人 上肢康復機器人能夠為患者提供高重復、高精度、適應性和可量化的功能訓練[31]。但單獨使用機器人進行重復的訓練會讓卒中患者感覺單一、無趣,不足以幫助患者長時間集中注意力以獲得最大益處。將VR整合到機器人輔助訓練中,通過信息反饋、任務導向來促進患者積極參與,從而更好地促進運動學習,提升患者在實際生活中的功能性表現[32]。Abd等[32]發現機器人介導的VR游戲訓練允許卒中患者在互動環境中重復上肢活動,使患者練習控制他們預期的運動模式,促進抗痙攣肌肉運動神經元的募集,從而更大地減少上肢肌肉痙攣;同時,機器人介導的VR游戲訓練能夠滿足患者運動所需的空間和時間,允許患者向不同方向移動他們的上肢關節,從而增加上肢運動范圍。姜榮榮等[33]將40例腦卒中患者隨機分成了上肢康復機器人輔助VR游戲訓練組和常規作業治療組,并通過2周的干預后發現上肢康復機器人輔助VR游戲訓練組的Fugl-Meyer評定量表上肢部分(Fugl-Meyer assessment-upper extremities,FMA-UE)、動作活動記錄量表(motor activity log,MAL)評分均明顯高于對照組,且在隨訪時訓練組的日常生活活動能力(modified barthel index,MBI)評分顯著高于對照組。VR與上肢康復機器人相結合,作用互補,既可以提供視聽覺、運動及感覺反饋,幫助患者獲得即時的反饋信息,機器人的外骨骼式機械手臂也可以給予偏癱側上肢適量的支撐,增加其本體感覺輸入,糾正異常的運動模式,使患者在豐富的虛擬環境中完成精準的運動訓練[33]。但目前基于VR的上肢康復機器人臨床康復有效性的證據缺乏,還需要未來開展更多的研究來證明。

4.3 腦機接口 腦機接口技術(brain-computer interface, BCI)是近年來快速發展的一種康復治療方法,它在不依賴周圍神經或肌肉的情況下將大腦活動產生的信號轉換成控制信號,并利用這些信號來控制外部設備,從而在中樞神經與外周神經系統之間形成“閉環通路”,并保證其完整性[34-35]。于2016年Vourvopoulos等[36]首次將其與VR合并。目前VR在腦機接口技術中的應用主要有2個,一是用于系統的視覺反饋,患者通過VR反饋可對自身訓練狀態進行調整;二是用于游戲娛樂,患者利用腦電控制VR游戲中的目標,在激發患者積極性的同時有效促進神經重塑。徐森威等[38]設計的新型上肢康復系統包括BCI子系統和VR子系統,擁有2種訓練方式和4種訓練場景,允許患者在虛擬場景中鍛煉手臂屈伸和抓握等功能[37]。徐森威等[38]用該系統進行了VR與3D動畫效果對比研究,發現利用VR進行視覺反饋更能激發患者的運動想象積極性,不容易產生疲勞,符合長期康復訓練的要求。高諾等[39]設計的基于腦機接口與VR的手部軟康復系統利用VR技術開發了四個康復游戲模塊,分別是:書房虛擬環境、臺球游戲、砍樹游戲和探索游戲來幫助患者完成手部康復任務,結果表明在VR環境下進行腦機接口康復訓練的患者相對應腦區的活動比單純進行腦機接口康復訓練的患者表現得更為活躍。與簡單的BCI系統相比,BCI-VR系統不需要太多的外部設備用于康復環境,VR可以通過創建三維空間的虛擬場景,更加直觀的激發患者產生腦電信號[36]。但BCI系統中的腦電信號很弱,容易受到外部干擾,尤其是當患者在虛擬場景中進行大量運動時,腦電信號會受到外界環境的極大干擾,導致腦電反饋的準確性和穩定性不佳[40],因此,還需要未來的技術和研究實時提高BCI-VR系統中腦電信號的預處理性能,從而提高腦電信號反饋的精確性和穩定性。

4.4 遠程康復 基于VR的遠程康復不僅為卒中患者提供以任務為導向的康復訓練,增加患者康復訓練的動機和愿望[41],同時保證了治療時間和地點的靈活性,最大限度地減少了傳統住院治療帶來的負擔,提高康復效率和滿意度[42]。Qiu等[43]設計了一款經濟實惠的遠程康復系統HoVRS,該系統不僅可以讓患者與治療師進行視頻通話,還可以接受來自虛擬治療師的實時反饋和鼓勵,通過后臺的監測根據受試者的表現動態改變游戲的難度級別,從而限制訓練中的挫敗感。Holden等[44]對11名卒中患者開展了基于虛擬環境的遠程康復,治療師通過互聯網技術、虛擬環境軟件和運動檢測系統對患者運動后生成的數據進行分析,并遠程調整患者康復訓練項目的難度,經過4個月的鍛煉后,FMA-UE和Wolf上肢運動功能測試(wolf motor function test,WMFT)得分均有提高。遠程康復將VR技術帶入到患者熟悉的環境下進行鍛煉,增加患者的社會互動和與他人交往的能力,改善患者的情緒,降低抑郁的風險[44]。但基于VR的遠程康復系統對患者要求高,需要患者掌握系統使用的相關知識,這對于腦卒中老年人來說難度太大。因此,實施遠程康復的醫療保健提供者和系統設計者在系統開發前應考慮患者的年齡、對培訓的要求及技術偏好,設計卒中老年人個性化的VR遠程康復系統,并加強系統使用知識的培訓和宣傳。

4.5 非侵入性腦刺激 非侵入性腦刺激(non-invasive brain stimulation,NIBS)包括經顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation, tDCS)和經顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation, TMS)兩種方法,分別通過使用線圈或鹽水浸泡電極向頭皮施加磁場或低強度電流來調節皮質興奮性[45]。當應用于M1時,它可能產生神經可塑性和運動學習效應[46]。Kim[47]等的研究發現,tDCS與VR聯合具有協同效應,短期皮質脊髓促進作用優于單獨應用VR訓練或單獨應用tDCS。鄭燦娟等[48]將低頻重復經顱磁刺激和VR訓練相結合用于亞急性腦卒中上肢功能的康復,持續4周,共24d的治療,發現兩者聯合可有效改善亞急性腦卒中后偏癱患者的上肢功能、生活活動和生活質量。VR與NIBS的聯合存在協同效應,VR輔助康復有助于卒中患者更好地獲得運動技能,促進大腦運動皮層的重組[47];NIBS輔助康復有助于調節神經可塑性[49]。但其聯合應用并不成熟,如何更好地結合這些技術,沒有指南也沒有共識;同時,最佳的結合時間及干預次數也存在不一致的看法[50],因此未來的研究可以從最佳聯合時間與干預次數入手,探討VR與NIBS的最佳結合方法。

5 總結及展望

綜上所述,作為一種新穎的有前途的康復方式,VR通過豐富的虛擬環境和實時的運動反饋更好地誘導大腦皮層重組,有效地改善卒中后上肢運動功能、促進功能活動的獨立性、緩解上肢疼痛。將VR與其他康復技術聯合,可以更好地發揮原康復技術對腦卒中上肢功能產生的作用,應用前景廣闊。但VR用于卒中后上肢功能訓練仍然存在很多不足。

首先,卒中恢復的神經可塑性是復雜的,潛在機制可能取決于許多臨床因素,包括病變類型、位置、嚴重程度和卒中的分期等[6]。而目前對VR機制的研究還存在樣本量小、研究質量參差不齊等問題,因此未來還需要開展更多大樣本、高質量的研究來探討VR的作用機制。其次,將VR中的學習效果轉移到真實環境中存在阻礙[18],這可能與上肢康復期間VR深度感知的差異有關,雖然沉浸式VR比非沉浸式VR能提供更好的深度感知,但仍需要進一步改進VR的多感官反饋功能使患者將虛擬環境中的學習效果更好地轉移到現實生活中。另外,康復是一項多學科和多模式的努力,而不是“一刀切”的干預措施[51]。將VR集成到可以增強神經可塑性的其他康復治療方式中,可以誘導更好的恢復,這值得進一步探索。需要強調的一點是目前探討VR與其他康復技術結合的研究較少,其聯合作用機制及是否能代替常規康復技術目前還不夠清楚,未來還需要進一步深入,以期從機制上尋求VR與其他康復技術的最佳組合方式,從而產生顯著而持久的康復療效。