虚拟现实 (Virtual Reality) ,又称“灵境” ,是近年来出现的一种新的人机界面[1 \ 〗 . 它在计算机中构造出一个形象逼真的模型 ,从而生成一种具有三维世界效果的模拟环境 (如飞机驾驶舱、操作现场等) .同时 , 还可以通过各种传感设备使用户“沉浸”于该环境中 ,实现用户与该环境进行直接交互操作 ,并产生与现实世界中相同的反馈信息 ,使人们得到与在现实世界中同样的感受.它实际上就是一种先进的人机接口 ,为用户同时提供诸如视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段 ,最大限度地方便用户的操作.当人们需要构造当前不存在的环境和人类不可能到达的环境或构造虚拟环境以代替耗资巨大的现实环境时 ,虚拟现实技术是必不可少的[2 ].VR具有沉浸性 (Immersion) 、交互性 (interaction) 、构想性 (imagination)等特点。浙江大学医学院附属邵逸夫医院康复医学科李建华

VR系统根据其沉浸程度和系统组成可分为 3种。 ( 1)桌面式:以计算机显示器或其它台式显示器的屏幕为虚拟环境的显示装置 ,其特点是虚拟系统视野小 ,沉浸感差 ,但成本与制作要求低 ,易普及和实现。 (2)大屏幕式:包括弧形宽屏幕、 360°环形屏幕甚至全封闭的半球形屏幕。这种大视野的虚拟环境较好地把观察者与现实环境隔离开来,使人和环境完全融合,虚拟效果接近完美。但是,该虚拟方式的实现技术非常复杂,开发和运行费用昂贵,通常只为特殊用途而专门开发研制。(3)头盔式:是上述 2种系统的折中。它将观察景物的屏幕拉近到观察者眼前这样便大大扩展了观察者的视角,而头盔又把观察者与周围现实环境隔离开来,反过来增加了身临其境的效果。另外,在头盔上安装立体声和一些控制装置,更加增强它的沉浸感。

虚拟现实技术已经被广泛应用于康复治疗的各个方面: 在注意力缺陷、 空间感知障碍、 记忆障碍等认知康复, 焦虑、 抑郁、 恐怖等情绪障碍和其他精神疾患的康复, 运动不能、 平衡协调性差和舞蹈症等运动障碍康复等领域都取得了很好的康复疗效[1]。空间感知障碍和运动功能受损患者的康复训练是康复医疗的重要内容之一。 运动障碍是以运动异常为特征的各种障碍, 包括运动不能( 运动发动困难)、 震颤、 舞蹈症、扭转痉挛、 斜颈、 张力障碍、 颤搐、 抽动和肌阵挛等症状, 本文所论述的运动障碍包括所有运动性、 观念性、观念- 运动性和记忆缺失性的, 有目标的空间运动能力的丧失。

运动障碍可能由脑卒中、 帕金森症、 注意缺陷多动症、 获得性脑损伤等多种原因造成, 患者不能将空间视觉、 知觉运动、 记忆、 任务概念、 运动控制、 反馈信息等因素有效地进行整合, 从而给生活带来极大的不便。 感知缺陷和运动功能障碍的患者利用虚拟现实技术进行康复性训练, 旨在通过物理疗法、 体育疗法、 作业疗法、 生活训练、 技能训练、 语言训练和心理咨询等多种手段, 使受损技能得到最大限度的恢复, 使身体的部分或全部功能得到最充分的发挥, 以达到最大可能的生活自理、 劳动和工作能力, 提高患者独立生活的质量[2]。

1 虚拟现实用于运动康复的科学原理
讨论虚拟现实技术运用于康复治疗的科学原理及优势, 涉及到重复、 反馈和动机 3 个关键性问题[3]。反复练习是学会一项运动技能的首要因素, 但仅仅不断重复训练是不够的, 还必须逐步获得成功的反馈和体验。视觉和本体感所提供的反馈, 可以强化练习者在尝试-错误练习中的正确行为, 维持练习者的动机水平和积极性, 并获得愉快的成功情绪体验, 促使其不间断的练习直至习得该行为。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。虚拟现用于康复训练的优势在于, 它能为接受康复训练的患者提供两种反馈, 包括每次练习结果的实时反馈和一组练习后的成绩反馈, 可以提高患者对结果知晓感[4]。通过编制虚拟环境还可以增加任务的趣味性, 以多种反馈形式激发和维持患者重复练习的动机。大量研究结果表明, 患者能在虚拟环境中学会运动技能, 并且能将习得的运动技能迁移到现实世界的真实环境中。

2 虚拟现实技术在运动康复工程中的应用
在运动康复领域, 除了测量诊断、 辅助支持和社交娱乐, 虚拟现实技术最重要的用途在于对受损的运动功能进行康复性训练[5]。康复训练的运动量是否合适,运动是否平稳, 运动方式是否符合一般的生活习惯, 是决定康复训练是否成功的关键。虚拟现实能提供精确的测评、 辅助、 监控、 训练等技术, 保证运动康复训练的有效性。按照运动训练的内容分类, 虚拟现实在运动康复：

2.1 平衡和体态康复训练本体感觉是用来感知躯体各部分的位置和运动状态的, 如果内耳前庭系统的平衡觉感受器或肌肉、 关节内的运动觉感受器受损, 患者会出现平衡感丧失和动作不协调症状。最早用于平衡训练的虚拟现实系统, 包括一辆固定的自行车和提供视觉虚拟环境的虚拟现实平面显示器, 研究发现经过一段时间在虚拟视觉空间里的骑行训练后, 患者保持姿势平衡的控制水平有了很大提高[6]。 虽然该系统为患者提供了一种相对安全的训练技术, 但由于技术方面的不足, 还存在自行车运动和视觉、 听觉等线索信息不匹配的问题。近年来采用 VividGroup 的 GX或 IREX系统视频俘获技术的虚拟现实平面显示器和头盔显示器(HMD), 也被广泛用于呈现三维的动态视觉环境。该系统能同时呈现用户影像和虚拟环境的视觉信息, 允许用户和虚拟环境中的物体进行交互, 使患者获得高度的沉浸感和参与体验。 Kizony 等[7]用该技术对 13 例脊髓损伤的截瘫患者进行平衡训练, 以患者反应的正确率和反应时为指标, 考察发现患者协调运动能力有所提高。

目前, 已开发的用于平衡和动作协调训练的虚拟现实程序, 包括多种训练任务。例如, 抛接球任务: 要求患者横向朝目的地行走的同时抛接虚拟篮球。传送带任务: 要求患者从虚拟传送带上搬起虚拟木箱, 并转身放到另一条虚拟传送带上。滑雪任务: 要求患者学习从小山坡上滑雪而下, 并练习躲避两旁的树木、 岩石等虚拟障碍物[8]。根据患者受损感官的康复情况, 通过程序设置虚拟环境的复杂程度、 虚拟对象的数量、 对象的运动速度、 目的地距离等参数, 可以随时调控任务难度以确保训练难度和强度的适当性。

2.2 行走运动康复训练 帕金森症患者的运动失能主要表现为发起运动和保持动作困难, 例如行走中很难迈出第 1 步, 患者往往要借助外部线索才能发起行为动作。利用虚拟现实视觉呈现技术, 在行走训练的虚拟道路上提供一个视觉线索, 可以有效引导患者迈出行走的第一步; 在行走过程中, 该线索始终位于患者脚面前方指示前进方向, 有助于患者持续行走, 视觉线索越真实, 对患者行走能力的康复越有利[9]。由于脑卒中偏瘫患者常产生身体的前倾运动感, 站立姿势和步态不协调, 可用 GaitMas ter2(GM2)虚拟现实设备对此类患者进行步态训练。患者两脚分立于两块脚踏板上, 脚踏板按照正常人行走的轨迹和步幅交替运动, 向患者的双腿传递正常行走的本体感觉, 同时用显示屏幕提供各种虚拟地形环境的视觉空间[10]。临床康复训练的结果标明, 患者的行走速度、 步幅长度、 持续行走的距离和步态协调性等有显著提高, 腿部肌肉活性明显改善。运用位置追踪定位系统, 能对患者在虚拟环境中的空间行走线路进行精确定位[11], 通过空间行走行为加深空间感知记忆障碍患者对空间线路的记忆。Rose等[12]用虚拟现实创建了 4 个相互连通的房间及房间内物体, 研究主动操作对脑卒中患者在空间记忆和物体再认方面的影响。结果表明, 虽然积极主动操作对物体

再认的影响不显著, 但对于空间任务, 积极组比消极组的成绩好。这个结果很有启发意义,也就是说脑卒中患者如果想提高空间记忆能力, 可以通过自己或操纵虚拟人物在虚拟空间中行走, 肌肉运动会对空间布局形成表征, 获得相应的程序性记忆, 从而促进空间感知记忆功能的康复。在偏瘫的脑卒中患者跨越障碍物行走和单侧空间忽视的脑卒中患者行走过街的训练方面,虚拟现实也体现出了优越性[13 , 14]。

2.3 上下肢康复训练 偏瘫是最常见的脑卒中后遗症,它是指一侧肢体肌力减退、 活动不利或完全不能活动,还常伴有同侧肢体的感觉障碍。基于感觉刺激和运动训练能促进肢体功能恢复和增强大脑皮质的可塑性等原则[15], 传统的偏瘫康复, 主要是采用物理性的功能训练疗法, 通过运动功能训练促进正常运动姿势的建立,控制病态的异常和恢复肢体正常的运动能力。脑卒中偏瘫患者的上下肢运动康复是虚拟现实技术应用的一个新领域, 国内外许多研究组织已经利用虚拟现实技术, 在该领域进行了许多研究, 取得了一定的临床资料和治疗成效。Holden 等[16]最先成功运用虚拟现实对脑卒中后

的患者进行运动康复训练。他们开发了一套虚拟康复系统, 通过模仿学习虚拟老师的动作, 使患者有意识地习得各种肢体运动。系统由电磁运动追踪装置, 台式计算机显示器和虚拟软件构成。虚拟软件包括一套基本的三维图形版本, 可以针对患者的具体情况创建不同的治疗场景, 场景通常表现为一些简单任务, 例如用锤子钉钉子等。 目前, 大约有 20 个虚拟的训练场景, 每个场景又包含多种难度水平。首先, 采用运动跟踪设备在虚拟环境中预先记录正常人执行这些活动的动作, 将这些预定轨迹作为 “虚拟老师” , 提供给患者观察并模仿习如何正常执行动作。在训练中, 电磁运动追踪设备同时记录虚拟老师和患者的动作, 通过监控和对比他们肢体运动的轨迹差异, 可以采用语言或线索匹配的方式为患者提供大量反馈信息。Holden 等多项研究表明由 “虚拟老师” 指导训练的患者, 康复速度有极大提高。Burdea 等[17]开发了脚踝关节运动控制的康复训练程序。在虚拟飞行任务中, 患者将脚放在与设备( 6个自由度活动与反馈)相连的踏板上, 训练利用脚驾驶虚拟飞机的运动控制能力。当飞机前进时, 屏幕上出现一系列方形通道, 要求患者操纵飞机穿过这些通道且不能碰壁, 这需要患者在飞行过程中不断变换脚踝用力的方向和大小。训练程序可以通过调节通道的个数和位置、 飞机速度和触觉接口数量, 来设置不同难度水平。他们的几项研究都发现, 利用虚拟现实技术能提高患者脚踝运动功能的康复速度。国内将虚拟现实技术应用于运动康复也进入了实践阶段, 河北工业大学自主研制了利用虚拟现实和外骨骼技术进行手臂外骨骼康复治疗的方案[18], 清华大学研制的虚拟健身车能以自行车骑行方式训练和恢复受损的下肢运动功能[19]。

2.4 日常生活行为康复训练 康复训练的根本目的在于最大限度恢复患者的受损功能, 提高患者独立生活的质量, 日常生活行为是运动康复必不可少的训练项目。这就要求康复训练的环境和内容与真实生活密切相关, 患者才能将训练习得的技能迁移运用到实际生活去。虚拟现实技术在模拟真实生活场景, 提供日常生活技能训练方面具有不可比拟的优越性[20]。在虚拟环境中跟随计算机程序学习诸如倒茶、 烹饪、 打扫、 购物等日常行为, 可以保证训练指导跨条件的一致性, 并降低错误操作导致危险的可能性[21]。Tam 等[22]开发了训练智力障碍患者在虚拟超市中购物的程序。 16 例智障患者接受了虚拟的购物训练, 对比前后测成绩发现, 所有患者按照清单采购商品的能力都有显著提高。

3.虚拟现实应用于感知运动康复的优势和展望
实验研究和临床资料显示, 利用虚拟现实进行运动康复训练,具有现实世界的真实环境所不具备的优势。正常人进行乒乓球击球训练和动作平稳性练习[23 , 24]，健忘症患者识记行走路线[25], 偏瘫患者操作轮椅训练[26]慢性脑卒中患者躲避障碍物行走训练[27], 单侧空间忽

视的脑卒中患者过街训练等一系列研究表明[28], 和真实环境中康复训练的结果相比, 虚拟环境中动作技能学习和运动康复训练的效果更好。总之, 虚拟现实在运动康复方面具有以下的优越性: 第一, 利用计算机和传感技术生成的具有多种感官刺激的虚拟环境, 可以使人产生一种身临其境的感觉, 接受康复训练的患者能以自然方式与虚拟环境中的对象进行交互。第二,计算机通过既定程序说明运动要求, 或通过虚拟教练演示规范动作, 比人类教练更有耐心和一致性, 患者可以根据自己的情况反复观察模仿练习。第三, 虚拟现实能简化训练任务, 减少在真实环境中由错误操作导致的危险。第四, 虚拟现实可以提供多种形式的反馈信息, 根据患者状态给予鼓励、 暗示或建议等, 从而使枯燥单调的运动康复训练过程更轻松、 更有趣和更容易。第五, 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[29]。第六, 由于虚拟环境与真实世界的高度相似性, 在虚拟环境中习得的运动技能能更好的迁移到现实环境中[30]。将虚拟现实技术应用到运动康复医疗领域, 可以有效解决传统康复训练方法的局限性。随着虚拟现实技术本身的不断进步, 以及该技术在康复治疗领域的不断推广和深入, 它必将带来一场影响深远的康复训练革命并推动运动康复训练技术日臻完善。

VR相对传统的干预训练方法有着如下不可比拟的优势: (1)虚拟现实技术可以提供多种治疗场景和刺激 ,患者在安全的环境中进行康复治疗; (2) VR系统可以根据患者的实际情况进行治疗过程设计 ,而且同样的场景和任务可以重复进行; (3)系统可以迅速得到治疗效果的反馈信息 ,通过多种模式的传感设备得到患者治疗时的状态和效果 ,并对数据进行存储 ,对医生掌握患者的病情有一定作用; (4)虚拟现实疗法还有利于开展远程治疗 ,大大方便了患者 ,增加了受益的范围; ( 5)虚拟现实疗法还可以减少患者的治疗费用。尽管虚拟现实治疗法在某些方面取得了令人惊奇的成果 ,但相关研究目前还处于初级阶段 ,而且这种方法目前尚有一些不足 ,主要体现在缺乏相关治疗和评估标准、 系统的交互性现实还不是很好、 较好的虚拟现实系统外围设备还较贵[ 27 ],致使大规模使用还不行。但我们可以看到 ,在不久的将来 ,虚拟现实治疗法会作为一种新兴的治疗手段出现在我们生活中。

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