虚拟现实技术与康复治疗--危昔均 博士

2020-11-05

       虚拟现实技术自1968年以来,经过50多年的发展,已经成为了一门多学科交叉融合的新兴技术。近些年,虚拟现实技术作为一种新型治疗方式已经被广泛的应用到康复临床治疗以及科研当中,涉及的方向包括运动,感觉,以及心理健康等。

1 虚拟现实技术的简单介绍

        虚拟现实 (Virtual reality, VR) 是指通过计算机的软件以及硬件共同建立的人机交互式模拟,为使用者提供一个可以感受以及体验到模拟真实世界的场景 [1]。

        虚拟现实早期被用于各种职业的培训之中,例如:飞行模拟训练 [2]以及外科手术操作 [3]。在医疗诊治方向,大多数应用于情感失调,例如恐惧症 [4]以及创伤后应激综合症 [5]。近些年,由于虚拟现实技术的易得性以及低成本,在康复医疗中越来越受欢迎,但是目前还未成为康复治疗的常规治疗方式。目前,研究员以及临床医生开始采用低成本的商业游戏作为替代方式进行虚拟现实的治疗 [6]。这些游戏最初的目的是为了娱乐,临床医生使用时,为了治疗的不同目的还常常进行个性化调试。除此之外,越来越多针对康复训练的交互性游戏正在由许多初创公司开发并推向市场 [7, 8]。

        与传统的医疗手段相比,虚拟现实技术在目标导向的任务训练以及重复功能训练中有很大的优势,在神经康复中有着更为重要的意义 [9, 10]。在一些基础实验中,研究者发现,与普通环境进行比较时,动物在丰富的环境中(例如虚拟环境)的功能性测试中表现出更强的解决问题的能力和更好的活动表现 [11]。基于虚拟现实提供的丰富的环境 (Enriched environment), 脑卒中的患者可以在虚拟世界中学习解决问题并掌握新的技能。儿童和成年人形容虚拟任务相比较传统目标训练更加有趣以及享受,因此可以吸引他们进行更多的重复性训练 [12]。迄今为止,虚拟现实的另外一个优点仍没有得到充分的利用,临床医生可以做一些在真实世界中相对危险的功能性测试,例如过马路。除此之外,某些虚拟程序可以在无需医护人员陪同下进行训练,这样既可以减低医护人员的数量又可以增加患者训练的强度,加速恢复。

2 虚拟现实技术的理论基础

       在虚拟康复治疗中, 患者可通过一个头戴式装置, 投影系统或者纯平屏幕对虚拟场景以及物体产生了一个视觉反馈。这样的一个视觉反馈, 还可以通过感觉来进行传导,例如: 听觉, 触觉, 移动, 平衡以及嗅觉 [1]。患者与虚拟环境的交互主要通过各种不同的传感设备实现。简单的设备包括鼠标、手柄、操作杆、追踪器等,复杂的设备包括用于动作捕捉的摄像头、手势识别系统、惯性传感器、气味播放器、力反馈模拟器等 [1]。因此,患者的活动强度可以根据干预的强度从低强度的活动(如:使用鼠标坐在计算机旁)到高强度的活动 (如:全身协调性活动), 使个体化治疗得以实现。

        沉浸感是虚拟现实技术应用于康复领域需要考虑的重要因素。 沉浸感是指患者在虚拟环境中感知到与现实世界的差异程度,沉浸感越强,患者感知到虚实间的差异程度就会越低。沉浸感的强弱与硬件和软件均有关系,例如:通过投影仪或台式显示器显示虚拟环境,要求用户始终注视前方屏幕,无法模拟真实的人机交互方式,因此较VR头盔的沉浸感低;手势识别系统较手柄在人机交互的真实感方面更具优势;六自由度的VR头盔的自由度较三自由度的VR头盔给用户带来更好的沉浸感;画面延迟低于感知水平可以让用户的本体感觉与视觉更趋于统一;虚拟环境的画质越真实,用户的沉浸感越强[1, 13, 14]。

3 虚拟现实疗法在康复治疗中的循证支持

        虚拟现实技术目前常用于神经系统疾病和损伤的评估和治疗, 如:脑卒中,脊髓损伤、帕金森氏综合症和脑性瘫痪等。

3.1 阿尔兹海默症 (Alzheimer’s disease)

       虚拟现实是筛查阿尔兹海默症早期迹象的有效工具,同样也是区分认知障碍不同阶段的有效工具。根据Werner等 研究表明 [15],虚拟现实还可以通过使用沉浸式任务在虚拟超市中收集和购买一些产品来扩展和加深我们对疾病的了解。 在健康的老年人和患有轻度认知障碍(Mild cognitive impairment, MCI)的老年人之间进行比较现患者的路径,停顿和错误(例如选择错误的产品或无偿退出)的轨迹。 当大多数参与者完成任务时,过程中会发生差异(持续时间,距离和错误率)。 所有这些变量在MCI患者中评估均明显较差,因此证明了虚拟现实工具的敏感性。 这些结果跟MMSE(Mini-mental state examination)的评估结果是相似的。

3.2 脑卒中 (Stroke)

        虚拟现实目前对脑卒中患者的上肢功能以及日常生活功能有一定的治疗效果。Laver 等人 [16] 发表在Cochrane database的系统分析显示,与传统治疗方法进行比较,使用虚拟现实技术并不会提高上肢的功能 (标准化均值差 0.07, 95%置信区间 -0.05 to 0.20, 22项研究,1038名受试者,低质量的证据) 。然而,当虚拟现实加上常规治疗或者康复训练,可以通过增加患者的训练时间而促使患者获得更明显的上肢的功能恢复(标准化均值差 0.49, 95% 置信区间0.21 to 0.77, 10项研究,210名受试者,低质量的证据)。当与传统治疗相比,虚拟现实显示组的步态速度和平衡并没有统计学意义的提高,但是日常活动活动(Activities of daily living,ADL)功能(如:沐浴和穿衣)展现出有统计学意义的显著提高 (标准化均值差0.25, 95%置信区间0.06 to 0.43, 10项研究,466名受试者,中度质量的证据) 。目前,虚拟现实对脑卒中患者的治疗效果相关证据质量有待加强,导致这一结果的主要原因可能包括受限于样本量的不足;评价指标不统一;研究方法差异明显。

3.3 脊髓损伤 (Spinal cord injury)

        虚拟现实疗法可以改善脊髓损伤患者的平衡和步态。Abou等人 [17] 最新的一篇系统回顾和荟萃分析发现,与单独常规疗法相比,虚拟现实疗法加常规疗法可以有效提高坐姿平衡(标准化均值差=1.65, 95%置信区间=1.21 to 2.09, p<0.01,3项随机研究)。荟萃分析7项前后对照研究 (pre-post studies) 显示单独虚拟现实疗法可以有效的改善站立的平衡能力 (均值=8.53,95%置信区间=2.52 to 14.53, p=0.01) 以及有效的步态改善趋势(标准化均值差=0.34, 95%置信区间=0.02 to 0.66, p=0.04)。以上的研究都是基于一些初步数据而且只有少量的随机对照试验。

3.4 帕金森综合症 (Parkinson disease)

        Albani等人将虚拟现实技术搭建的康复系统用于帕金森患者的认知功能筛查 [18]。 该研究在虚拟现实中向受试者展示了一些简单的任务,以了解他们如何进行空间定向并实现自己并与虚拟环境的交互。 后来,亦尝试应用虚拟超市内的多重差错测试 (Virtual multiple errands test,VMET)评估帕金森患者决策能力的工具,以发现与睡眠功能障碍的相关性 [19]。

       虚拟现实疗法将会是潜在的新的干预方式,可以用来提高平衡力在帕金森的患者。Chen等人 [20] 的荟萃分析发现,与主动治疗方法相比,虚拟现实疗法可以显著提Berg平衡表 (Berg balance scale) (均值=1.23,95%置信区间=0.15 to 2.31; I2=56%,中等质量)的功能表现。另外,敏感性分析也发现虚拟现实疗法可以改善动态步态指数 (Dynamic gait index) 以及功能步态评估 (Functional gait assessment) (均值=0.69,95%置信区间=0.12 to 1.26; I2=0%,中等质量)。然而,虚拟现实疗法对站起-走计时测试(Timed up and go test (TUG))和特定活动平衡信心量表 (Activities-specific balance confidence scale)没有显示出具有统计学意义的改善。虽然以上的量表或者测试中发现了统计学的意义,但均未达到最小临床意义变化值(Minimal clinically important difference,MCID),也就是说其临床实用价值仍需要深入探讨。

3.5 脑瘫 (Cerebral palsy)

        初步证据表明,虚拟现实治疗可以改善脑瘫患儿的步态康复。Ghai等人[21] 的荟萃分析 (16项研究,274名儿童) 发现虚拟现实治疗与步速 (Gait velocity, Hedge’s g=0.68),步幅 (Stride length, Hedge’s g=0.30),步频 (Cadence, Hedge’s g=0.66) 以及运动功能测试(Gross motor function measure, Hedge’s g=0.44) 有统计学意义的正相关。亚组分析发现每次训练的时间为20-30分钟,每周的训练次数小于等于4次,长达8周的虚拟现实疗法可以最大程度的提高脑瘫患儿的步速。

4 虚拟现实技术的展望

        从目前的临床应用和研究趋势可以看出,虚拟现实技术在康复领域的应用变得越来越广泛,但目前的研究证据仍然比较缺乏,尤其缺少多中心、大样本的临床随机对照研究,许多系统回顾或者荟萃分析均发现当前大部分研究的异质性较大。大部分的研究均可以看出,虚拟现实虽然没有较传统康复方法产生更优的临床疗效。但均显示出与传统康复方法等效的结果。这提示我们,目前的虚拟现实技术可能并非用于取代传统康复方法,而是作为一种有益的补充,挖掘虚拟现实在康复领域的应用价值也不能仅仅围绕临床疗效,还应该拓展其它领域,包括卫生经济学分析、患者体验和依从性、人力和设备成本分析、社区和居家康复支持及其它传统康复方法难以开展的方向。

 

参考文献

1. Weiss, P.L., et al., Virtual reality in neurorehabilitation. Textbook of neural repair and rehabilitation, 2006. 51(8): p. 182-97.

2. Lintern, G., S.N. Roscoe, and J.E. Sivier, Display principles, control dynamics, and environmental factors in pilot training and transfer. Human Factors, 1990. 32(3): p. 299-317.

3. Larsen, C.R., et al., Effect of virtual reality training on laparoscopic surgery: randomised controlled trial. Bmj, 2009. 338: p. b1802.

4. Raghav, K., et al., Efficacy of virtual reality exposure therapy for treatment of dental phobia: a randomized control trial. BMC oral health, 2016. 16(1): p. 1-11.

5. Jiandani, N., S.R. Nair, and H. Shukla, Efficacy of virtual reality exposure therapy in the management of symptoms associated with post traumatic stress disorder. Value in Health, 2014. 17(7): p. A572.

6. Levac, D., et al., “Kinect-ing” with clinicians: A knowledge translation resource to support decision making about video game use in rehabilitation. Physical therapy, 2015. 95(3): p. 426-440.

7. Lange, B., et al., Development of an interactive game-based rehabilitation tool for dynamic balance training. Topics in stroke rehabilitation, 2010. 17(5): p. 345-352.

8. Lange, B., et al., Designing informed game-based rehabilitation tasks leveraging advances in virtual reality. Disability and rehabilitation, 2012. 34(22): p. 1863-1870.

9. Veerbeek, J.M., et al., What is the evidence for physical therapy poststroke? A systematic review and meta-analysis. PloS one, 2014. 9(2): p. e87987.

10. Langhorne, P., J. Bernhardt, and G. Kwakkel, Stroke rehabilitation. The Lancet, 2011. 377(9778): p. 1693-1702.

11. Risedal, A., et al., Environmental influences on functional outcome after a cortical infarct in the rat. Brain research bulletin, 2002. 58(3): p. 315-321.

12. Lewis, G.N. and J.A. Rosie, Virtual reality games for movement rehabilitation in neurological conditions: how do we meet the needs and expectations of the users? Disability and rehabilitation, 2012. 34(22): p. 1880-1886.

13. Gaggioli, A., E.A. Keshner, and P.L.T. Weiss, Advanced technologies in rehabilitation: Empowering cognitive, physical, social and communicative skills through virtual reality, robots, wearable systems and brain-computer interfaces. Vol. 145. 2009: IOS Press.

14. Schuemie, M.J., et al., Research on presence in virtual reality: A survey. CyberPsychology & Behavior, 2001. 4(2): p. 183-201.

15. Werner, P., et al., Use of the virtual action planning supermarket for the diagnosis of mild cognitive impairment. Dementia and geriatric cognitive disorders, 2009. 27(4): p. 301-309.

16. Laver, K.E., et al., Virtual reality for stroke rehabilitation. Cochrane database of systematic reviews, 2017(11).

17. Abou, L., et al., Effects of Virtual Reality Therapy on Gait and Balance Among Individuals With Spinal Cord Injury: A Systematic Review and Meta-analysis. Neurorehabilitation and Neural Repair, 2020. 34(5): p. 375-388.

18. Albani, G., et al., Common daily activities in the virtual environment: a preliminary study in parkinsonian patients. Neurological Sciences, 2002. 23(2): p. s49-s50.

19. Albani, G., et al. Sleep dysfunctions influence decision making in undemented Parkinson's disease patients: a study in a virtual supermarket. in MMVR. 2011.

20. Chen, Y., et al., Effect of virtual reality on balance in individuals with Parkinson disease: a systematic review and meta-analysis of randomized controlled trials. Physical therapy, 2020.

21. Ghai, S. and I. Ghai, Virtual reality enhances gait in cerebral palsy: a training dose-response meta-analysis. Frontiers in neurology, 2019. 10: p. 236.