虚拟现实技术在我国康复医学领域中的研究进展
引言虚拟现实技术是一种跨学科的综合技术。它汇集了计算机图形学、多媒体技术、显示技术、人工智能、人机交互技术、传感器技术等多个领域的技术。虚拟现实技术是一种通过计算机产生的对真实世界模拟的技术,它的目标是创造一种身临其境的感觉,通过这种感觉,用户可以投入及沉浸于虚拟的环境[1]。虚拟现实技术应用到康复医学治疗中,可以突破传统康复医学治疗的局限,给康复医学领域注入新鲜血液。 本文对2007年1月至2017年12月间虚拟现实技术在康复医学领域中的应用研究作回顾性分析,总结虚拟现实技术在国内外康复医学领域中的应用现状,探讨运用虚拟现实技术运用于康复医学领域的效果,及其存在的优势与不足,为今后发展虚拟现实技术在康复医学领域中的应用提供一些思路和启示。 1 资料和方法1.1 资料来源通过计算机检索两大中文数据库:万方数据库和中国期刊全文数据库(CNKI)。万方获得文献424篇,知网获得文献336篇,共获得文献760篇。 1.2 资料检索策略检索词:虚拟现实/康复医学/应用;检索方式:主题词检索;时间限制:2007年1月至2017年12月。通过对核心文章的阅读和参考文献的追查,使用搜索词“virtual reality, rehabilitation”,Pubmed补充检索英文文献。 1.3 文献纳入与排除标准纳入:与虚拟现实技术在康复医学领域中应用现状相关的文献及相关综述。排除:① 与虚拟现实技术相关度不高、介绍不明确的文献;② 重复发表的研究;③ 总结报告;④ 通讯报道;⑤ 会议论文;⑥ 知识介绍。 1.4 文献筛选过程及纳入情况对两个数据库所检索出来的文献遵照文献纳排标准,对文献进行筛选,筛选后共获得文献156篇,然后,逐篇阅读文献并制作信息提取表,提取标题、关键字、所使用的虚拟现实技术在康复医学领域中的应用现状、应用效果以及文献类型等信息,最终筛选出核心文献42篇,加上Pubmed上检索的外文文献3篇共45篇[1-45],对这45篇文献进行具体分析(图1)。 图1 文献筛选流程图 1.5 资料提取与分析对最终纳入的45篇文献制定数据提取表,按照文献的年份、虚拟现实技术在康复医学领域的应用现状、应用效果等方面提取有效信息,用于后期文献分析总结。 2 文献分析结果从筛选出的45篇文献[1-45]分析,从2007~2010年关于虚拟现实技术在康复医学领域的研究还相对较少,从2011年开始到2017年,对虚拟现实技术在康复医学领域的应用的文献逐年在波动中逐渐增加,2017年达到最多。预计在2018年,虚拟现实技术在国内应用于康复医学领域的相关研究同样会呈现增长趋势(图2)。 2.1 在不同疾病康复中的应用现状在这45篇文献中,有43篇文献[1-43]都介绍了虚拟现实技术应用于各种不同类型疾病的康复治疗状况,其中应用次数较多的包括脑卒中、脑损伤、帕金森、骨科疾病、脑血管疾病等,其余还包括老年病、脑瘫、手外伤等(表1)。从表1中可以看出,虚拟现实技术在已有的研究中应用于最多的康复治疗疾病类型是脑卒中。但随着应用技术的成熟和成本的降低,在不同类型疾病的康复治疗中虚拟现实技术的应用可能都会得到相应的增长。 图2 2007~2017年虚拟现实技术在康复医学中的文献分布情况 表1 虚拟现实技术应用于不同疾病频次统计 疾病类型 频次统计 (次)脑卒中 19脑损伤 4帕金森病 4骨伤 2髋关节置换术 2脑血管病 2自闭症 2残疾人 1断指再造 1脊髓损伤 1老年病 1慢性阻塞性肺疾病 1脑瘫 1手外伤 1听力障碍 1 2.2 在不同疾病康复应用中的优势分析在这45篇文献中,有26篇文献[4-29]描述了虚拟现实技术应用于不同疾病康复治疗存在的优势。其中,对存在的各优势进行整理,发现大多数研究者认为,趣味性、安全性、调动患者的主观能动性及操作简便易推广是虚拟现实技术无论应用于何种疾病的康复医学治疗都存在的主要优势。除此之外,可以进行针对性的个性化设置治疗方案,缓解康复医学人员不足局面,可重复性及有效性,也是虚拟现实技术在康复医学领域存在的优势。优势统计结果,见表2。 2.3 在不同疾病康复应用中的效果评价在这45篇文献中,有13篇文献[13-21,33-36]对虚拟现实技术应用于不同疾病的治疗效果借助不同的量表及相应数据进行统计,研究中选取一定数量的情况基本相同的样本,分成实验组与对照组,分别用虚拟现实技术和传统治疗手段进行治疗,分别用表3中不同量表进行评价。结果表明,虚拟现实技术对以下疾病的康复医学治疗都有明显改善效果。这些治疗效果也展示出虚拟现实技术在不同疾病中存在的优势,也是由于这些优势,才能使虚拟现实技术表现出其不同于以往传统治疗方法的治疗效果。 2.4 在康复应用中辅助技术的研究概况在这45篇文献中,有14篇文献[20-33]介绍了虚拟现实技术应用于康复医学领域借助的辅助技术。辅助技术是指为改善功能障碍者状况而设计和利用的装置、服务、策略和训练,主要包括辅助技术装置和辅助技术服务两部分的内容。辅助技术是康复医学工程的重要组成部分和核心技术,是康复医学工程学理论的技术体现[45]。通过借助其他辅助技术,虚拟现实技术在康复治疗中,可以发挥其更大的优势。在研究中,借助较多的为动作捕捉仪和康复医学机器人。除此之外,其他辅助技术包括平衡训练游戏,数据手套和可穿戴设备等。详见表4。 表2 虚拟现实技术在康复医学中不同疾病中存在优势统计表 注:√表示该疾病认为虚拟现实技术应用时有该优势。 虚拟现实技术在康复医学中存在优势 脑损伤 帕金森病频次(次)趣味性 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √12安全性 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √10调动其训练的主观能动性 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 11进行针对性的个性化设置治疗方案慢性阻塞性肺疾病脑卒中手外伤脑损伤自闭症脑血管病残疾人听力障碍 骨伤 脊髓损伤断指再植√√√√4操作简便,易推广 √ √ √ √ √ √ √ √ √ 9缓解康复医学人员不足局面 √ √ √ 3可重复性 √ √ 2相对传统康复医学更具有效性 √ √ √ √ √ √ 6 表3 不同疾病效果评价方式及结论 疾病类型 效果评价方式结论脑损伤 Berg平衡量表 (BBS)、在睁眼1 min的状态下姿势控制能力观测指标轨迹长度、轨迹外周面积和轨迹移动速度[13]。平衡功能和姿势控制能力均明显改善。慢性阻塞性肺疾病肺功能、6 min步行距离、红细胞分布宽度[14]。 肺功能、运动能力及生活活动能力有显著提高。脑血管病 Furg-Meyer量表、Furg-Meyer躯体平衡功能、日常生活能力Barthel指数[15]。 有效改善由脑血管疾病造成的躯体、肢体运动功能障碍。断指再植 Carroll上肢功能评估量表 (UEFT)、Barthel日常生活能力指数量表 (BI)[19]。 有效改善断指再植患者的手部运动功能及生活自理能力。听力障碍 Torrance测验[20]。 有效改善听障儿童的听力水平。脊髓损伤 FIM量表、SilverFit量表[21]。 操纵轮椅的能力及功能独立性显著提高。帕金森病 Berg平衡量表 (BBS)、“起立—行走”测试 (TUGT)、改良Barthel指数(MBI)。静态跌倒风险指数 (SFI)、姿势稳定极限性 (LOS)、动态跌倒风险指数评价 (DFI)[33]。有效改善静态和动态平衡功能。脑卒中 Rivermead行为记忆测验量表第2版 (RBMT-Ⅱ)、简式Fugl-Meyer量表上肢部分 (FMA评分)、改良Barthel指数 (MBI评分)及Brunnstrom指数[34]。有效改善记忆功能障碍,上肢运动功能及日常生活能力。髋关节置换术有效的缓解术后疼痛及肿胀程度,促进膝关节功能的恢复。脑瘫 运动功能量表 (GMFM-88)、改良Ashworth量表 (MAS)、Berg平衡量表(BBS)[36]。VAS疼痛评分、膝关节肿胀程度、膝关节活动度、膝关节功能评分(HSS)、Berg平衡量表评分 (BBS)、膝关节本体感觉评分[35]。有效提高运动功能及步行功能。 2.5 在康复应用中的辅助技术使用情况虚拟现实技术可与传统的康复相结合,成为一种新颖、有用且有潜力的技术用于康复医学领域,其与辅助技术相结合的使用情况,见表5。就已有的研究来看,虚拟现实技术与辅助技术结合应用于康复医学领域在我国还尚处于研究发展阶段,有待于进一步的完善和推广,并具有潜在的应用前景。 表4 虚拟现实技术应用于康复医学领域的辅助技术 辅助技术 频次 (次)动作捕捉仪 2平衡游戏训练 1数据手套 1远程康复治疗系统 1旋转游戏 1下肢康复训练系统 1 3D眼镜 1传感器 1康复医学机器人 2可穿戴设备 1轮椅训练 1步态训练系统 1 3 讨论3.1 虚拟现实技术将在康复医学中发挥越来越广阔的作用虚拟现实技术应用到康复医学领域中,可以有效解决目前治疗手段所存在的局限性,且其存在着趣味性,安全性,有效性,能够调动患者的主观能动性等优点,有着巨大的潜力。随着虚拟现实技术本身的不断进步,以及该技术在康复医学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医学训练革命并推动运动康复医学训练技术日臻完善。另外在基层医疗中,康复医疗资源的短缺,尤其是康复医生的不足和康复医学技术的短缺,为虚拟现实技术在康复医学中的应用提供了广阔的前景。除此之外,社区康医学和家庭康复的开展与推广,也为虚拟现实技术的应用提供了充足的空间。除了康复医学的临床需求,康复医学生的学习需求,康复医学对于从业者在操作技能方面的熟练掌握,也使得虚拟现实技术在康复医学院校和康复医学专业的教育方面的应用前景十分广阔。相信随着技术的进步,资金的投入和康复医学市场的不断扩大,虚拟现实技术将在康复医学中发挥越来越广阔的作用。 表5 虚拟现实技术在康复应用中的辅助技术使用情况 辅助技术 使用情况轮椅训练 证明运用SilverFit进行轮椅训练在重复、反馈和动机维持等方面具有显著优势,适于在轮椅训练康复中推广[21]。动作捕捉仪 实验验证了系统的有效性和实时性。相信随着后续的工作和努力,基于虚拟现实和运动捕捉的上肢康复训练系统会更进一步完善[22]。下肢康复训练系统 该系统可以提供丰富多样的环境刺激和增强受试者的主动性、积极性,在下肢偏瘫患者的康复治疗领域有潜在的应用前景[25]。康复医学机器人 国内外目前使用的康复机器人很少,大都是纯机械结构,效率低小且控制精度低,无法满足患者使用要求[29]。远程康复治疗系统 远程认知康复在国外发展迅速,方兴未艾,令人刮目相看,现文献报道主要集中于注意力、记忆力、视空间能力、功能性语言交流、执行功能和解决问题能力等方面的改善[30]。平衡游戏训练 虚拟现实技术做为一种新兴的康复技术,虚拟现实平衡游戏训练在脑卒中平衡障碍的康复中应用广泛[33]。 3.2 虚拟现实技术应用于康复医学的未来发展方向随着虚拟现实技术的不断发展,科技和人工智能等不断进步,在康复医学治疗领域的不断深入,虚拟现实技术将成为改善康复医学中各项功能的一种新型有效的康复医学手段。但目前的研究中普遍还存在的不足有:样本量较小,缺乏大样本试验和研究;没有明确哪些人群最有可能通过虚拟现实技术获益;患者之间应用虚拟现实技术是否存在差异性;在虚拟环境中进行训练的最优条件并不明确;虚拟设备开发和投入费用较高,该方法目前还无法大规模推广。这些问题都是未来研究的方向,所以简化操作系统、降低虚拟现实技术的使用成本、开发多用户的康复医学虚拟系统、虚拟现实技术结合远程康复等也都还需要康复医学工作者长足的努力。 3.3 本研究的局限性本文在文献资料的获取时选择了使用频率较多的两个中文数据库(万方和CNKI)和一个英文数据库(Pubmed),这可能导致所得的研究对象有限;而文献中只有综述性和应用性两种文献,缺乏政府文件和协会指南文件等官方和行业文件,文献的类型不全面。要进一步完善本文的研究结果还需要多方面地搜集资料和文件,对虚拟现实技术的发展态势进行进一步的追踪,为虚拟现实技术在康复医学领域中的规划和发展提供更加有效的参考信息和建议。 [1] 麦王向,张朝霞.虚拟现实技术在脑卒中患者步态康复中的应用进展[J].中国康复理论与实践,2016,22(4):433-437. 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Research Progress of Virtual Reality Technology in the Field of Rehabilitation in China |