作者:陈彬 来源:中国科学报 发布时间:2021/6/6 16:16:39
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当脑卒中遇上虚拟现实

 

虚拟现实康复训练   北航供图

上肢康复机器人系统  北航供图

如果请您列举出几个危害国人健康的重大疾病,您会首先想到哪些呢?癌症?糖尿病?高血压?……在这些疾病中,有一种疾病或许很少被人提及,但却排在了我国中老年人致死、致残疾病的首位,这就是脑卒中。

脑卒中即为百姓口中的脑中风,主要因为脑内动脉狭窄,或者出现闭塞和破裂等情况,进一步就引起脑血液循环发生了障碍,进而导致大脑功能障碍。据《中国脑卒中防治报告2019》数据显示,2018年,中国脑卒中死亡率占我国居民总死亡率的22.3%,更有统计数据显示,每21秒就有一人死于脑卒中。

“在世界范围内,我国是脑卒中的高发区,这意味着除了死亡病例外,我们还有大量病人在脑卒中后,需要进行一个康复性治疗。而如何能够更有效地恢复脑卒中患者的身体机能,这是我们必须面对的一个问题。“日前,在北京航空航天大学举行的第22期零壹科学沙龙暨北京大学第三医院—北航医工交叉专题研讨会上,北航生物医学与工程学院副教授刘笑宇如此表示。

对此问题,刘笑宇和同事想到的方法是将脑卒中治疗与虚拟现实相结合。

更适合的疗法

由于脑卒中的发生会对人体的神经系统造成损伤,进而造成患者的某些机体功能的损伤,这意味着脑卒中的恢复也要针对人体的神经系统展开。而在这方面,一些前人的实验能给我们带来很大的启示。

“早在1992年,科研人员就曾在实验中,对比恒河猴在看到实验者进行某一行为和它自己做同样行为时,其脑部的激活情况,最终发现两者的情况是非常类似的。“在接受《中国科学报》采访时,刘笑宇说,正是这个实验为实现脑卒中康复医学治疗提供了一个基础。“简单地说,我们可以通过一些视觉或其他感觉的提示,促进大脑对某些运动功能的重构。“

在这方面,一个比较经典的治疗方式是镜像疗法,即偏瘫患者运动其机能相对健全的一侧肢体,通过镜子的反射,使其大脑产生另一侧也在运动的错觉,从而锻炼其相应的神经系统。

“这种方式当然比较简单,相比于一块镜子,目前正在蓬勃发展的虚拟现实技术,显然也更适合这种疗法。“刘笑宇表示,虚拟现实技术的特点包括了沉浸感、交互性、共享性以及智能性,而这些特点恰恰与目前脑卒中病人康复所面临的挑战相对应。

比如,脑卒中病人的恢复十分枯燥,而虚拟现实技术所带来的沉浸感和交互性,却可以大大提升恢复过程中的趣味性,进而增加病人进行康复治疗的主动性。“要知道,目前我国能够帮助脑卒中病人恢复的康复师数量十分有限。可以预见,如果能通过虚拟现实技术,提升康复病人主动训练的动机,则可以在一定程度上缓解目前康复人才缺乏的现状。“

多感官的刺激

虚拟现实技术对于脑卒中患者的恢复作用,并不限于为其提供一个更加真实的虚拟场景。

“我们还在探索另一种方式,即为脑卒中患者设计一些在虚拟环境中需要完成的任务。通过对患者在进行任务时所产生的运动参数的记录和分析,便可以精准判断该患者存在哪些运动功能障碍。“刘笑宇说。

比如,研究人员要求患者在虚拟环境中完成某种“导航”行为,而如果其频繁与此前规划的某段导航曲线发生碰撞的话,便可以判断其究竟是知觉能力受损,还是运动控制能力受损,甚至可以精准判断这种损伤是发生在与哪块运动关节或肌肉相关的神经组织上。

针对后续的治疗工作,刘笑宇团队也设计了一套有针对性的上肢康复机器人康复系统。“这套系统最主要特点使其可以提供多种感觉刺激和反馈,包括视觉和听觉刺激、运动学和位置学刺激,以及手柄上的触觉和震动刺激。”他告诉记者,他们希望通过这样一个多重协调刺激,使脑卒中患者发病后的大脑快速恢复。

值得一提的是,该套系统还可以实现一个比较新颖的本体感觉评估策略。

“这套系统的一个主要理论依据,是当一个人的视觉与运动感觉相匹配时,人体更依赖视觉;而当运动感觉与视觉相互冲突时,人体便更多地依赖本体感觉。”刘笑宇说,通过虚拟现实手段,研究者可以为受试者创造一个“非正常环境”——在该环境中,受试者看见的手部运动与自己感知的手部运动并不一致。

“也就是说,受试者的视觉和触觉时相互分离的,由此增加患者的本体感知能力。”刘笑宇说。

家庭化的需求

在交谈中,刘笑宇告诉记者,脑卒中的治疗与恢复对于虚拟现实技术的工程化要求并不算高。“通俗点说,一个人看到虚拟手的时候,即使这支‘手’看起来并不是十分逼真,大脑也能相信它是真的。”他说,目前相关研究的难点还在于基础研究层面,即什么样的刺激或者什么样的刺激组合,更有利于患者某项特定功能恢复的提升。

受访时,北京大学第三医院康复医学科主任医师周谋望向《中国科学报》也表示,针对不同种类的脑卒中症状所进行的细化,是虚拟现实技术在脑卒中治疗与恢复中的重要研究方向。“这非常重要,毕竟脑卒由于脑部受损情况不同,所造成的身体机能损伤也各种各样,‘对症下药’才能精准地解决问题。“

与此同时,周谋望也坦诚,针对虚拟现实技术与脑卒中结合治疗的研究,此前科研人员已经有所尝试,一些成果也已经进行了实际的应用。而除了对相关功能的细化外,该技术的另一个发展方向,是如何实现设备的小型化和家用化。

对此,刘笑宇很是认同。

“一个很现实的问题是,脑卒中患者的机能损伤康复需要一个很长的周期,但一般而言,在治疗6个月后,患者的医保就已经不再给报销了。”刘笑宇说,此时,很多患者由于无法支付高昂的治疗费用,即使没有恢复到可以出院的水平,依然会选择出院,对于这些患者来说,如何在家中继续治疗就成为了一个迫切需要解决的问题。

“虚拟现实设备如何针对患者的家庭使用需求进行家庭化的改进?这是一个系统化的命题,既包括设备本身的小型化,也包括设备成本的降低,乃至于如何将设备获取的数据回传至医院,以便于医生远程监督和指导,这些问题未来做进一步的解决。”刘笑宇说。

 
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