基于丰富环境的增强现实训练对脑卒中步行功能的影响

魏天祺， 罗家麒， 李紫娟， 吴雪良， 许攀攀， 张艳美， 赵晓萌， 吴勤峰

南京大学医学院附属苏州医院康复医学科，江苏苏州市 215153

0 引言

脑卒中是具有极高致残率和较高死亡率的脑血管疾病，是危害人类生命健康的主要疾病之一，其中近40%脑卒中患者存在步行障碍[1]。脑卒中患者步行的主要特点有步行速度减慢，步态对称性下降，患侧支撑相短、摆动相延长，行走不稳定，耗能加大，避障能力下降等[2]，他们参与家庭、社区活动受到限制，严重影响患者的生活质量，给患者、家庭和社会带来沉重负担。目前临床上常见的下肢康复治疗方案主要包括常规步行功能训练、功能性电刺激治疗、针刺治疗等，然而整个训练过程缺乏趣味，往往导致患者训练积极性和依从性不高。

近些年，国内外学者已经在临床工作中应用丰富环境治疗脑卒中患者。相比于普通环境，暴露于丰富环境的脑卒中患者主观能动性明显增强，平衡、认知和日常生活能力、抑郁状态有显著改善[3-6]。本研究以增强现实(augmented reality, AR)技术为载体实现家庭丰富环境，探讨基于丰富环境的AR 技术对脑卒中步行功能障碍的临床疗效。

1 资料与方法

1.1 一般资料

2021 年1 月至2022 年6 月南京大学医学院附属苏州医院康复医学科脑卒中患者36例，均符合全国脑血管病诊断标准[7]，并经颅脑CT或MRI确诊为脑梗死或脑出血。

纳入标准：①首次发病，单侧病灶；②年龄20～80 岁；③病程≤ 3 年，可接受训练，生命体征平稳；④能够听懂并执行指令，简易精神状态检查(Mini-Mental State Examination, MMSE)评分≥ 24分；⑤功能性步行量表(Functional Ambulation Category, FAC)分级≥ 3 级；可自行独立完成由坐位到站立位的动作，并在室内监护下独立步行(可配助行器、拐杖等辅助)；⑥自愿加入本试验，并签署知情同意书。

排除标准：①蛛网膜下腔出血、短暂性脑缺血发作；②严重心脏病、未控制高血压及疼痛；③伴其他影响步行能力的神经系统疾患(震颤、帕金森病等)或骨关节疾患(关节炎、骨折等)；④听力障碍；⑤视野缺损、视空间忽视、视力严重减退。

中止或剔除标准：①治疗中出现明显头晕不适等不良反应；②未按规定完成疗程；③主动要求退出。

将患者按照随机数字表法分为对照组(n= 18)和试验组(n= 18)。两组性别、年龄、病程、卒中类型、偏瘫侧、MMSE 评分和FAC 分级比较均无显著性差异(P＞ 0.05)。见表1。

表1 两组基线资料比较

本研究经过南京大学医学院附属苏州医院伦理委员会批准(No.IRB2019065)，并在医学研究登记备案信息系统备案(No.MR-32-23-040670)。

1.2 方法

两组均给予常规康复治疗，包括以神经肌肉促进技术和运动再学习技术为核心的运动疗法及理疗、作业治疗、针灸治疗等。其中作业治疗主要是在家庭化治疗病房中进行穿衣、转移、用餐等日常生活能力训练。

对照组辅以常规步行训练，包括患侧下肢肌力训练、单腿负重训练、重心转移训练、步态训练等，每次30 min，每天1次，每周5 d，连续4周。

试验组辅以基于丰富环境的AR 训练，训练频率和单次训练时间与对照组相同。AR 训练具体治疗方案如下。

我们研发的基于丰富环境的AR 康复训练系统，由BT-300 爱普生AR 智能眼镜(爱普生中国有限公司)呈现[8]。AR智能眼镜可实现无线投屏，便携式主机可充电携带。患者带上智能眼镜后，可看见各种丰富的家庭日常生活活动场景叠加到真实世界的房间中，同时眼镜中的治疗场景可通过无线路由器同步投屏到平板电脑方便治疗师观察，通过眼镜内置相应的治疗任务及治疗师任务口令进行步行训练、日常生活能力训练。

具体场景如下。①卫生间场景(图1)：包括马桶、洗漱台、浴室等。画面中加入开关水龙头声音、冲马桶声音等，增强视觉、听觉刺激输入。画面中出现“请开水龙头”“请冲马桶”“浴缸中的花瓣有几种颜色”“毛巾有几条”等任务提示。治疗师给予洗漱、如厕、洗澡、够浴架上的物品、转身向后等任务口令增加运动刺激。②卧室场景：包括床、窗外风景、储物柜等。治疗师给予穿衣、转移等任务口令增加运动刺激。③走廊及餐厅场景：包括餐桌椅子、沙发等。治疗师给予穿过走廊、避开椅子、坐在沙发上等任务口令。画面中加入音乐增强听觉刺激输入。

图1 卫生间场景

1.3 评定方法

治疗前和治疗4 周后，由同一名经过培训且对分组不知情的评估人员进行以下评估。

1.3.1 Berg平衡量表(Berg Balance Scale, BBS)[9]

由14 个项目组成，每项0～4 分，总分56 分。0～20 分，平衡功能差，应轮椅出行；21～40 分，有一定的平衡能力，可辅助步行；41～56分，平衡功能较好，能独立行走。

1.3.2 计时起立-行走测试(Timed Up and Go Test,TUGT)[10]

患者从靠背椅上站起，向前走3 m 后转身走回到椅子前坐下。记录患者背部离开椅背到再次坐下靠到椅背所用的时间，测试3次，取平均值。正式测试前，练习1～2次。在必要时允许使用辅助设备。

1.3.3 10米步行测试(10-meter walk test, 10MWT)[11]

准备10 m长的步行通道，让患者以舒适的速度从一端直线走向另一端，记录所需时间，测量3 次，计算步速，取平均值。

1.3.4 步态分析

采用Zebris FDM 步态分析系统(德国ZEBRIS 公司)。受试者脱鞋，以舒适的步行速度在包含传感器的垫子上行走3次。测量之间休息3 min。测量站立或步行时足底的静态和动态压力分布，记录步速、步频、患侧单腿支撑相占比。

1.3.5 Barthel指数(Barthel Index, BI)[12]

包括10 项内容，满分100 分。0～20 分，完全残疾、生活完全依赖；20～40 分，重度功能障碍，生活明显依赖；40～60分，中度功能障碍，生活需要帮助；60分以上，生活基本自理。

1.4 统计学分析

采用SPSS 19.0 进行统计学分析。计量资料符合正态分布，以(xˉ±s)表示，组间比较采用独立样本t检验，组内比较采用配对样本t检验。计数资料采用χ2检验。显著性水平α= 0.05。

2 结果

治疗前，两组BBS 评分、TUGT 时间、10MWT步速、BI以及步速、步频、患侧单腿支撑相占比比较均无显著性差异(P＞ 0.05)。治疗后，两组各项指标均显著改善(P＜ 0.001)；除BI 外(P＞ 0.05)，试验组各项指标均优于对照组(P＜ 0.05)。见表2～表8。

表2 两组BBS评分比较

表3 两组TUGT时间比较 单位：s

表4 两组10MWT步速比较 单位：m/s

表5 两组BI比较

表6 两组步速比较 单位：m/s

表7 两组步频比较 单位：min-1

表8 两组患侧单腿支撑相占比比较 单位：%

3 讨论

美国学者Hebb 于1947 年首次提出丰富环境概念[13]。丰富环境被定义为能提高感觉、认知及行为能力的居住条件。它是一个实验模型，主要在动物居住环境中增加身体活动、学习经历、感觉及视觉输入、社交活动[14]。丰富环境包含3 个方面的内容：感觉刺激、运动刺激和社会交往刺激[15]。本研究通过AR 眼镜内逼真视觉输入、声音输入体现感觉刺激，在画面中坐站、行走等任务导向性训练体现运动刺激，治疗师任务互动体现社会交往刺激，从而满足丰富环境的三要素。丰富环境能够多方面促进突触可塑性，从而有利于神经再生：促进与突触可塑性相关的蛋白(包括突触前膜和突触后膜的支架蛋白)充分表达；上调神经营养因子；通过影响N-甲基-D-天冬氨酸受体通道的开放性，加快海马CA3区学习依赖性长时程增强过程[16-17]。

近些年，国内外学者已经在临床工作中应用丰富环境治疗脑卒中患者。相比于普通环境，暴露于丰富环境的脑卒中患者主观能动性明显增强，患者之间的交流增多，也更愿意参与各种常规康复训练，脑卒中患者的平衡、认知和日常生活能力、抑郁状态有显著改善[3-6]。但丰富环境改善脑卒中步行障碍相关临床研究较少，且目前缺乏针对丰富家庭环境的研究设计，而居家环境下的康复训练更有利于患者早日回归家庭。因此，我们研发了基于丰富环境的AR 康复训练系统。该系统将各种丰富的居家环境如房间、物体等大场景叠加到真实的房间或场景中，利用医院有限的场景和空间，提供患者出院后回归家庭生活的治疗场景，通过眼镜内置相应的治疗任务及治疗师任务指令，完成针对步行能力的康复训练。

本研究显示，基于丰富环境的AR 技术可以提高脑卒中患者步行能力。Yang等[18]的研究表明，虚拟环境提供的多重感觉(视觉和听觉)反馈可以促进皮质可塑性，改善运动功能，且在虚拟环境中进行与真实世界相似的任务活动可以提高训练效果。Cho 等[19]将真实世界影像运用到虚拟步行训练系统，慢性脑卒中患者步行速度和步频提高，平衡功能改善，TUGT 时间缩短，本研究与之相符。

任务导向性训练是通过将运动训练融入特定任务环境中，设立足够明确的任务目标，进而激发患者训练动机，可以显著改善偏瘫患者下肢运动功能、平衡功能、日常生活能力，提高运动控制[20]。社会交往刺激可以激活中脑-边缘-皮质多巴胺系统，引起愉悦的情感体验，诱导动机行为，进一步调动训练积极性[21]。此外，佩戴AR 眼镜转移及行走过程中需要一定的行走速度保持画面流畅性，因此试验组10MWT速度、步行速度和步频较对照组提高。

在日常生活能力方面，试验组在模拟家庭环境场景中进行洗漱、如厕、洗澡、穿衣、转移等日常生活能力训练，日常生活能力较治疗前提高，但与对照组相比未改善，与李亮等[22]的研究结果一致。考虑原因为两组均在家庭化治疗病房内进行日常生活能力训练，且BI评分总分为100 分，存在天花板效应，导致两组BI无显著性差异。

虚拟现实(virtual reality, VR)技术是利用计算机生成一种与真实场景相似的虚拟环境，通过穿戴各种传感设备让用户沉浸到该环境中，实现用户与虚拟环境直接进行自然交互的技术。VR 干预可以促进神经运动通路的皮质重组，抑制对侧皮质的过度激活，兴奋患侧运动皮质，增强患侧皮质脊髓束的兴奋性，促进神经可塑性从而促进脑损伤康复[23-24]。虚拟环境训练与真实环境训练相比训练效果更佳，可能与VR 能够强化感觉刺激的信号反馈有关[25-26]。AR 是在VR 的基础上发展起来的新技术，是将数字影像叠加在现实世界中，将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的技术[27]。患者在AR 环境中，可以在场景中看到自己真实的肢体，以更加自然的方式与真实场景和虚拟物体进行三维交互，提高了真实性、交互性和实用性。Ku 等[28]将3D 互动的AR 平衡训练系统应用于老年患者，可改善老年人平衡功能。刘佳等[29]将AR 技术应用于脑卒中上肢康复领域，以改善脑卒中患者上肢和手功能。增加视觉环境(如障碍物和踩踏目标)的C-Mill 跑步机训练系统可改善脑卒中患者步态适应性，提高平衡能力[30-32]。将AR与跑步机相结合需要特定治疗室、占地面积较大；利用AR 系统实现虚拟小场景，缺乏基于家庭丰富环境的居家大场景。本研究利用AR 技术实现家庭丰富环境，减少打造真实家庭环境的成本，使患者在医院有限条件中提前适应居家环境，更有利于患者早日回归家庭。且AR 训练拥有VR 沉浸、交互的优点，避免医院环境训练的单调乏味，提高患者的治疗兴趣和积极性，主动的训练更易改善运动表现，促进皮质重组[33]。由于AR 眼镜的灵活性，无需特定治疗室和固定空间，仅需提供患者可自由走动的空间，基于无线投屏技术减少VR 技术大量线材的使用，更方便患者步行训练。且佩戴AR 眼镜在康复治疗过程中可看到真实环境，降低跌倒风险，极大提高了使用的安全性。本研究中无跌倒等不良事件发生。因此，利用AR 技术实现家庭丰富环境具有成本低、趣味性强、便捷、安全等优点。

脑卒中后偏瘫侧躯干和下肢的负重能力下降，双侧下肢的负重不对称，重心无意识地向健侧发生偏移，使头部和躯干保持正中位置比较困难，身体倾斜，从而发生身体力线的改变，难以完成重心转移，导致运动控制障碍，最终影响日常生活能力[34]。以头眼运动为主的感觉运动整合训练有利于脑卒中患者平衡功能的改善[35]。因此，脑卒中康复训练中提高头颈部控制，促使头部和身体重心位于中线位置，可以纠正身体力线，提高负重对称性，提高躯干运动控制和重心转移能力，从而改善患者的活动能力。本研究中AR 眼镜可感受头部位置变化，患者在佩戴眼镜行走过程中如头部倾斜则眼镜中整体画面倾斜，因此患者可自动校正头部，提高头颈部控制，保持头部正中位置，通过改善头部控制而纠正身体力线，提高负重对称性，改善重心偏移，试验组患侧单腿负重改善，BBS评分提高。

本研究样本量较小，选取的研究对象功能状态较好，无认知、言语障碍，且未纳入发病3 年后的脑卒中后遗症期患者，因此结果无法适用于所有脑卒中患者。本研究仅讨论训练的短期效果，后续研究将加大样本量，研究不同阶段的治疗效果，延长随访时间以明确长期疗效。并将引入神经影像学评估，明确基于丰富环境的AR影响中枢神经系统可塑性的具体机制。

4 结论

基于丰富环境的AR 训练可以改善脑卒中步行功能，效果优于常规步行训练。

利益冲突声明：本文作者魏天祺和吴勤峰为康复虚拟眼镜的专利持有人。