应用虚拟现实平衡训练技术对脑卒中后平衡功能改善的临床疗效观察研究

摘要

背景:
　　中国每年新发脑卒中患者约200万人，在发病人群中70％～80％的脑卒中患者多因病后残疾而不能独立生活，平衡功能障碍是脑卒中后患者常见的功能障碍之一。卒中后偏瘫患者由于高位中枢病变失去了对低位中枢的控制，出现平衡反射功能的失调，感觉、运动、肌张力及肌群间的协调能力丧失，无法维持正常的姿势控制，主要表现在身体重心的偏移，患侧肢体的负重能力、稳定性不同程度的减退。而卒中患者出院后将面临更复杂的社会环境，诸如户外步行、上下斜坡、楼梯、障碍物等都对患者的平衡功能有一定要求，其平衡功能障碍将严重影响患者的康复及生活质量。Horak等认为人体平衡功能是基于灵活的、功能性的运动技能，通过训练可以提高平衡控制能力。脑卒中后平衡能力训练是康复治疗的重要内容，也是预防、降低脑卒中患者跌倒风险的重要因素。为了在传统的治疗方式上有所创新，在解放治疗师双手的同时提高训练的效率，虚拟现实技术作为20世纪后的新型技术被引入康复治疗领域。
　　1965年，Ivan Sutherland发表了论文题目为“The Ultimate Display”。文中指出，应将电脑显示屏作为“一个观察虚拟世界(Virtual World)的窗口”，计算机系统能够使该窗口中的景象、声音、事件和行为非常逼真。随后人们开始针对这一理论构想开始进行创新改革，80年代初Jaron Lanier首次提出了“虚拟现实”(Virtual Reality，VR)一词，也称为灵境技术或者人工环境，属于电脑所建构出来的一种新的、具有三维空间的虚拟用户界面。所谓虚拟现实即使用户可以置身于系统设置的三维环境中，通过系统模拟现实提供的视、听、触、嗅、味觉等方面的感受，让使用者就像身临其境一般，可以及时、的观察三维空间里的事物。根据使用者不同的角度或位置变化，计算机进行复杂的运算后将精确的三维世界影像传回产生临场感。它强调了人在虚拟系统中的主导作用，属于跨学科的综合集成技术，涉及计算机仿真、人工智能、触觉及力觉反馈传感技术、宽视野显示技术、三维计算机图形技术、对使用者眼和四肢的跟踪技术、网络并行处理等的现代高新技术，是一种由计算机辅助生成的高技术模拟系统。
　　对比传统康复方法虚拟现实拥有许多优势:①安全性:模拟真实场景，使患者不用外出到正式环境中亦可在熟悉的环境进行训练，简化的训练任务减少了在真实环境中错误操作可能导致的危险，许多日常生活活动训练系统的开发设想来源于此。②反馈性:虚拟情景及训练过程中可以提供多种形式的反馈信息，包括视觉、听觉、触觉的反馈，训练中动作完成度的即时反馈（训练过程录像或数据并回看）、阶段性治疗结束后训练结果量化处理，前后对比，客观反映进步情况。③趣味性:多个虚拟场景以及游戏可供选择，使枯燥单调的运动康复训练过程更轻松、更有趣和更容易。③个性化:虚拟现实允许用户进行个性化设置，将运动训练、心理治疗及功能测评有机地结合起来，针对患者个人的实际情况制定恰当的康复训练计划。④良好交互性:患者能以自然方式与具有多种感官刺激的虚拟环境中的对象进行互动交流，让参与感提升，提高患者训练积极性与自主控制意识。⑤真实性:虚拟的环境越逼真越容易带来身临其境的感觉，让患者自然融入训练环境中。虚拟现实技术提供了重复练习、成绩反馈和维持动机3个关键要素的技术手段。大量研究结果表明，患者能在虚拟环境中学会运动技能，并能将习得的运动技能迁移到现实世界的真实环境中。
　　目的:
　　脑卒中患者由于中枢神经系统受损，丧失对低位神经系统的支配能力，常见肌张力增高、平衡反应减弱和肌群间相互协调能力丧失，导致平衡功能障碍。而平衡功能的缺失使得患病后患者行走能力下降、跌到风险增加，甚至于无法坐稳或单独站立。有研究证明虚拟现实技术对卒中后平衡功能恢复有促进作用。本研究的目的是观察虚拟现实技术训练对脑卒中后平衡功能障碍患者的功能改善情况，并与传统康复手段对比其为期2周的康复治疗效果。
　　对象与方法:
　　选取2014年5月～2014年12月南方医科大学珠江医院康复医学科、神经外科、神经内科住院脑卒中患者40例。随机分为试验组与对照组各20例。实验组男性12例，女性8例，年龄25～78岁，平均46.31±17.61岁，病程15～85天，平均50.00±10.02天;对照组男性14例，女性6例，年龄26～74岁，平均43.92±12.00岁，病程21～90天，平均45.00±12.04天。
　　患者随机分为实验组和对照组各20例，两组患者一般资料经统计学分析无显著性差异(P＞0.05)，具有可比性。每例患者入组前进行Brunnstrom分期、肌力等评估，训练前1天第一次评估，治疗结束后再评估1次。采用Berg平衡量表(Berg Balance Scale，BBS)、Holden步行功能分类、“起立-行走”计时测试(Timed Up and Go test，TUG)来评定两组平衡功能。BioFlex姿势控制评估与训练系统观察指标包括:①轨迹长度:它反映的是在整个测量的周期范围内人体重心移动的总距离，即人的动摇程度，其值越小提示稳定性越好;②轨迹外周面积:重心移动轨迹包围成的所有多边形表面积的总和，它直观地反映了人体晃动的重心走过的区域范围，其值越小提示稳定性越好;③轨迹移动速度:由轨迹长度除以单位时间所得到的重心移动速度，它也从侧面反映人体重心转移程度，其数值越小提示稳定性越好。
　　两组患者均以神经系统药物治疗为基础，结合常规康复疗法包括:物理治疗(30min)、作业治疗(40min)及言语治疗（按照患者治疗需求）等随机分配到对照组和实验组。对照组:予传统的平衡功能训练，包括左右、前后重心转移动作，利用训练球、平行杠、平衡板等进行站立位平衡训练。每次训练30min，1次/d，6d/周，疗程2周。实验组:在常规康复治疗的基础上（不参与传统平衡训练）运用虚拟现实系统对患者进行站位平衡功能训练，包括重心保持训练、重心前后、左右转移训练、间断性单足负重训练、踩台阶训练等，但不做传统平衡训练。BioFlex姿势控制评估与训练系统的硬件组件包括一个大屏液晶显示器、电脑主机、双杠型平衡台板及压力采集板，软件系统采用该公司自主研发的虚拟现实游戏。系统主机与压力采集板之间通过智能数据采集器建立联系。登录平衡评估及训练系统，当患者站立在压力采集板上，其重心分布及移动轨迹直接显示在评估界面上，在训练界面直接提供受训者视觉和听觉反馈。在我们的研究中，采用了以下游戏进行虚拟现实平衡训练:飞行游戏、大鱼吃小鱼、凤凰飞翔及采蘑菇游戏。训练过程中病人站立在压力面板上，利用自身重心转移控制游戏目标按指示路线完成任务。患者站立位下进行，每次训练30min（不包括设置和休息时间），1次/d，6d/周，疗程2周。训练过程中鼓励受试者不断增加挑战级别，提高参与积极性的同时改善每项活动的重心及姿势控制能力。训练安排在一个独立安静的房间，以确保受试者的注意力集中。为了防止受试者在训练中摔伤或发生其他意外，治疗师就站在受试者身后，并及时予以言语或肢体的辅助。
　　结果:
　　训练前两组脑卒中患者的性别、年龄、身高、病程天数、偏瘫侧、病变部位及MMSE等情况均无明显差异(P＞0.05)。治疗后两组BBS及TUG评分均较治疗前显著提高(P＜0.05)，比较两组的时候，试验组的BBS和TUG参数提升均明显优于对照组(P＜0.05)。而Holden步行功能均未见明显改善(P＞0.05)。患者完成2周虚拟现实训练后，在睁眼60秒及闭眼10秒的状态下，轨迹外周面积、轨迹长度及轨迹移动速度较治疗前明显改善(P＜0.05)，且试验组比对照组改善效果更为明显(P＜0.05)。
　　结论:
　　在本次研究中我们运用虚拟现实技术对早期卒中后患者进行评估功能训练，经过2周的训练后，实验组在BBS、TUG比对照组明显提高，证明患者动态平衡功能恢复较好。通过虚拟现实系统游戏的仿真性和趣味性，使得参与者在训练过程中保持了更大的积极性和主动性，同时在静态平衡训练的过程中也表现出更多的耐心。经过阶段训练后，实验组在60秒睁眼及10秒闭眼状态下身体重心移动轨迹长度、轨迹移动速度、轨迹外周面积均有明显改善(P＜0.05)，且无论从BBS、TUG还是平衡板测试结果，实验组改善明显优于对照组(P＜0.05)。这些结果表明，虚拟现实的平衡功能训练效果都优于传统平衡治疗方式。本次研究证明了虚拟现实技术运用于脑卒中后患者的平衡功能具有显著的改善效果，且更优于某些传统的平衡治疗方式，值得进行临床推广使用。

目录

摘要

第一章 研究背景

1．脑血管病概述

2．虚拟现实技术在康复治疗中的应用及进展

3．平衡功能评定与姿势控制评估与训练系统

第二章 实验部分

1．实验对象与方法

2 结果

3 讨论

全文总结

参考文献

攻读学位期间成果

致谢

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