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方法文章

基于移动游戏的虚拟现实上肢卒中康复方案

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DOI：

10.3791/56241

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2018年3月8日

 , 
1Department of Rehabilitation Medicine, Seoul National University College of Medicine, Seoul National University Bundang Hospital, 2Department of Physical Medicine and Rehabilitation, Soonchunhyang University College of Medicine, Soonchunhyang University Hospital

本文内容

摘要

本文介绍了一种基于移动游戏的虚拟现实程序的开发与应用方案，用于中风患者上肢功能障碍的康复。本研究表明，该移动程序具有可行性，并能有效促进中风患者的上肢功能恢复。

摘要

脑卒中康复需要重复性高、强度大且以目标为导向的治疗。虚拟现实（VR）技术有望满足这些要求。基于游戏的治疗可作为一种更有趣且更具激励性的工具，提高患者对康复治疗的参与度。智能手机和平板电脑等移动设备能够提供个性化的居家治疗，并实现患者与临床医生之间的互动交流。本研究开发了一种基于移动设备的VR上肢康复训练项目，采用游戏应用程序进行干预。研究结果表明，该基于移动设备的游戏式VR项目能有效促进脑卒中患者的上肢功能恢复。此外，患者在无不良反应的情况下完成了为期两周的治疗，且普遍对该项目表示满意。该基于移动设备的游戏式VR上肢康复项目可部分替代由作业治疗师一对一实施的传统治疗。这一节省时间、易于实施且具有临床疗效的项目，是用于脑卒中患者上肢功能恢复的远程康复的理想工具。患者与治疗师可通过此类电子健康康复项目实现远程协作，同时降低经济和社会成本。

引言

脑卒中是导致成人神经功能障碍的最常见原因之一。脑卒中后的功能恢复通常不完全，约50%的患者会遗留残疾，需要依赖他人1。特别是上肢功能障碍，使脑卒中幸存者在日常生活活动（ADL）中需要他人协助2。与恢复下肢正常行走功能相比，恢复上肢丧失的功能可能更加困难。尽管双侧下肢运动对行走至关重要，但患者仅靠单侧上肢运动即可完成大部分日常生活活动。这会导致患侧肢体出现“习得性废用”现象3。该现象是脑卒中幸存者上肢康复的重要障碍。因此，大量研究聚焦于上肢功能的恢复。多项研究已强调了大量练习和重复性任务特异性训练的重要性4,5,6。

虚拟现实（VR）技术最近已被引入康复领域7。VR 允许用户与模拟环境进行交互，并获得与表现相关的持续、即时反馈。VR 有望将神经康复的基本概念应用于脑卒中患者，例如高强度、重复性和以任务为导向的训练8。具体而言，非沉浸式 VR 不需要高性能图形处理或特殊硬件，因此是非沉浸式 VR 提供低成本、普及性强且富有趣味性的治疗方案的理想选择。以往的研究使用计算机、显示器和特殊设备（如游戏主机、传感器手套、操纵杆和商用游戏系统）来实现非沉浸式 VR9。这些系统需要较高的启动成本和足够的使用空间。近年来，研究人员已利用低成本工具（如商用游戏设备）开发新的康复系统10,11。然而，这些设备中的传感器和主机在体积和重量上仍不够小巧便携。因此，为了提高非沉浸式 VR 作为脑卒中后上肢康复治疗方法的普及性，并为脑卒中幸存者创造一个无处不在的康复环境，亟需便携且经济的工具。

此外，基于游戏的疗法可作为中风康复的一种良好选择。许多患者反映，用于上肢功能恢复的传统作业疗法（OT）枯燥且单调12,13。因此，有必要采用更具趣味性和激励性的治疗工具，以提高患者对康复训练的参与度。已有许多研究涉及商业游戏的使用14,15,16。然而，这些游戏并未针对中风患者上肢所需的目标动作进行设计，也未充分考虑中风后可能出现的痉挛问题。

本文介绍了基于移动游戏的虚拟现实（VR）项目的开发及其在中风后上肢功能障碍患者中的应用（图1）。

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方案

该研究已获得首尔国立大学盆唐医院机构审查委员会的批准，所有参与者在筛选前均签署了书面知情同意书。

1. 游戏内容开发

注意：针对卒中患者的基于移动游戏的上肢虚拟现实康复程序（MoU-Rehab）由移动游戏应用程序组成。

  1. 使用编程语言安装开发所需的工作室和环境。
  2. 通过智能手机内置传感器采集患者在 x、y 和 z 轴方向上的运动位置数据。
  3. 使用以下源代码为运动、位置和速度数据分配存储空间：
    float[ ] gravity_data = new float[3];
    float[ ] accel_data = new float[3];
    float[ ] m_acc_data = new float[3];
    final float alpha = (float)0.8;
    使用以下源代码采集内置传感器测得的数据。
    SensorManager sm = (SensorManager) getSystemService(SENSOR_SERVICE);
    Sensor mSensor = sm.getDefaultSensor(Sensor.TYPE_ACCELEROMETER);
  4. 通过短距离无线连接将经过图像处理的数据发送至平板电脑，以在屏幕上以图像形式显示 x、y 和 z 坐标。
  5. 设计所有游戏应用程序，以改善上肢的力量、耐力、活动范围、控制能力、运动速度和准确性。
    注：由具有资质认证的物理医学与康复科医生（康复医学医生）和作业治疗师共同讨论并确定哪些治疗性动作为适合转化为游戏程序的内容。各关节的运动设计基于传统的作业治疗方法，旨在促进上肢功能恢复，并提升上肢运动的力量、耐力、活动范围、控制能力、速度和准确性。
  6. 根据 Brunnström 分期（B 期）评估的患者上肢功能，为每位患者推荐相应的游戏应用程序。
    注：Brunnström 分期（B 期）用于评估上肢功能恢复阶段（1=弛缓期，无自主运动；7=正常功能）16。例如，被归类为 Brunnström 1 期的患者使用可诱发肩关节屈伸运动的应用程序，并借助健侧上肢辅助完成；而被归类为 Brunnström 5 期的患者则使用需要精确控制运动的应用程序。
  7. 根据上肢功能障碍的严重程度，通过调整游戏应用程序的运动速度、特定姿势的维持时间以及活动范围， individually 调整其难度水平。具体示例及详细信息参见下文（图 2）。

2. 研究设计

注意：本研究采用准随机化、双盲、对照试验设计，以评估该方案的可行性和有效性。纳入标准为：（1）诊断为缺血性卒中；（2）能够遵从一步指令；（3）医学状况稳定，可参与主动康复治疗；（4）存在上肢功能障碍。排除标准为：（1）存在谵妄、意识模糊或其他严重意识障碍；（2）患有未得到控制的内科疾病；（3）因严重认知功能障碍而无法遵从指令；（4）存在视觉障碍；（5）坐位平衡能力差。受试者在大学医院招募。

  1. 为了使参与者完全对分组情况设盲，根据入组时间段将其分配至对照组或实验组，因为参与者需要共用作业治疗室。
  2. 确保干预组患者每天接受30分钟常规作业治疗（OT）和30分钟基于智能手机与平板电脑的移动游戏式虚拟现实上肢康复训练。
  3. 确保对照组患者每天单独接受1小时的常规作业治疗。
    注：两组的康复治疗方案均为每周5天，持续2周，共10次治疗。
  4. 在首次治疗时，向干预组患者讲解该程序的使用方法，尽管每个游戏应用在开始时均提供简要说明。确保患者在研究期间独立使用该程序30分钟。
  5. 在治疗开始前、治疗结束后以及一个月随访时进行结局指标评估。
  6. 由一名经验丰富的、设盲的作业治疗师在所有测试阶段完成全部临床评估。
    注：主要结局指标为上肢Fugl-Meyer评估量表（FMA-UE），用于评估患者偏瘫上肢的运动功能（0 = 最低分；66 = 最高分）。17 次要结局指标包括上肢和手部的Brunnström分期（B-stage）以及徒手肌力测试（0–5级）。

3. 基于移动游戏的虚拟现实上肢康复方案的应用

  1. 让参与者坐在桌旁。
  2. 将平板电脑放在桌面上，并打开平板电脑。
  3. 打开智能手机，并开启智能手机的短距离无线连接功能。
  4. 通过触摸平板电脑屏幕，在平板电脑上选择游戏应用程序。
  5. 在平板电脑上启用短距离无线连接，并与智能手机建立连接。
  6. 将智能手机放入臂带中，并使用市售的智能手机臂带根据所需运动部位将其固定在上臂或前臂。
  7. 选择基础版本或自定义版本。
  8. 在自定义版本中，根据参与者的能力，在平板电脑的触摸屏上选择游戏速度、时间、目标动作次数以及预期达成目标。
  9. 让参与者点击开始按钮。要求参与者按照游戏指令摆出相应姿势，并进行最大活动范围的校准动作。
  10. 开始游戏，当游戏结束后进入下一游戏（通常持续 5–10 分钟）。
    1. "Honey Pot Guard" 游戏
      注：该游戏针对肘关节屈曲和伸展运动。
      1. 要求患者通过肘关节运动投掷苹果，将熊从蜂巢赶走。
      2. 当屈曲的肘关节伸展时，让患者投掷苹果。
      3. 根据患者肘关节可用的活动范围及运动速度，调整熊出现的位置以及新熊出现的速度，以调节游戏难度。
    2. "Protect the Bunny" 游戏
      注：该游戏针对肩关节外展和内收运动。
      1. 要求患者通过肩关节运动使用网具接住石头，以保护小兔子。
      2. 确保当肩关节由内收转为外展时，网具随之移动。
      3. 根据患者肩关节可用的活动范围及运动速度，调整石头出现的位置以及新石头出现的速度，以调节游戏难度。
    3. "Put out Fire" 游戏
      注：该游戏针对肩关节外展和内收，或肩关节屈曲和伸展运动。
      1. 要求患者通过肩关节运动操控水带，将火焰从窗口扑灭；水带的移动与肩部运动同步。
      2. 确保水带能根据肩关节运动上下左右移动；扑灭火焰所需时间取决于火势大小。
      3. 根据患者肩关节可用的活动范围、运动速度和耐力，调整火焰出现的位置、新火焰出现的速度以及火焰大小，以调节游戏难度。
    4. "Flower Splash" 游戏
      注：该游戏针对肩关节外展和内收、肘关节屈曲和伸展，或腕关节旋前和旋后运动。
      1. 要求患者通过关节运动操控浇水壶为移动的种子浇水，使花朵绽放。
      2. 确保当种子移动时，浇水动作能根据关节运动准确跟随。
      3. 根据种子的移动速度，结合动作的准确性和速度，调整游戏难度。
  11. 利用智能手机内置传感器（加速度计、陀螺仪）追踪患者上肢运动，并通过短距离无线连接将运动信息传输至平板电脑。
  12. 通过平板电脑的显示界面为患者提供视觉和听觉反馈，反映其运动情况。
  13. 在游戏结束时，展示实际达成结果与预期目标的对比情况。

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结果

共纳入24名患者，并将其分配至对照组或实验组（表1）。与传统治疗相比，采用基于移动游戏的虚拟现实上肢康复程序治疗后，患者的FMA-UE评分、B期阶段及徒手肌力测试均有更显著的改善（图3）。该疗效在治疗后一个月的随访期间仍得以维持。这表明，MoU-Rehab的疗效不劣于由作业治疗师一对一实施的传统疗法。

实验组患者完成了为期两周的治疗，未出现不良反应，且对MoU-Rehab总体满意（表2），尽管参与者在信息技术（计算机、平板电脑和智能手机）使用熟练程度方面存在差异（图4）。在5点Likert评分（0–5）中，实验组患者对程序显示效果评分为4.25 ± 0.62，对程序可读性评分为4.25 ± 0.62，对程序使用便捷性评分为4.08 ± 0.67。此外，他们表示愿意为该...

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讨论

脑卒中患者通常由于运动功能恢复不完全而出现与运动障碍相关的残疾。此类残疾、前往诊所的长途交通时间或社会经济困难可能阻碍患者获得充分的康复治疗。普及型医疗保健（u-Health）项目可能是消除这些障碍的良好选择。作为此类u-Health项目的一部分，本研究开发了一种基于移动游戏的虚拟现实（VR）康复程序，用于缺血性脑卒中后的上肢功能恢复。研究结果表明，与传统疗法相比，该程序在促进上肢功能恢复方面具有可行性且更为有效。在一个月随访评估时，所取得的改善效果得以成功维持。

我们推测，由于游戏能够提供即时反馈、趣味性、高度动机和积极参与等效果，MoU-Rehab 的治疗效果等于或优于传统疗法。参与性游戏可能在提高康复兴趣和促进动机的同时，促进运动学习19。此外，听觉和视觉反馈可增强患者互动的意愿。这些因素可能通过实现患者对训练的高度依从性并提高治疗参与度，从而增强康复治疗的疗效。

以往大多数基于游戏的研究使用的是现成的商业游戏14。然而，这些...

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披露

所有作者均声明无利益冲突。

致谢

本研究由SK电信研究基金资助，项目编号06-2013-105。本工作由顺天乡大学研究基金资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
Galaxy Note 10.0SamsungGalaxy Note 10.0平板电脑
Galaxy S2SamsungGalaxy S2智能手机
BluetoothBluetooth SIGBluetooth短距离无线连接 
JavaOracleJava编程语言

参考文献

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