虚拟现实技术在老年康复医学领域的应用进展

虚拟现实技术在老年康复医学领域的应用进展

余东先、魏晓娟、赵建峰、吴猛

河南职业技术学院    单位所在地：河南郑州    邮编：450000

摘要：老年康复医学是针对老年人的疾病、残疾、健康及社会适应能力进行康复和照护的一门医学学科，其目标是通过各种方式改善老年人的功能状态，提高其生活质量，减轻或消除老年人及其家庭、社会的负担。虚拟现实技术是一种基于计算机生成环境、利用三维数据模型对使用者进行感知觉引导的多维信息交互技术，具有沉浸性、交互性和构想性等特点。近年来，虚拟现实技术在老年康复领域的应用越来越广泛，但由于其应用现状和发展前景仍处于初级阶段，因此有必要对其进行系统深入地了解和分析，并探讨虚拟现实技术在老年康复医学领域的发展趋势。

关键词：虚拟现实技术； 老年康复医学； 具体应用

引言：

虚拟现实技术（Virtual Reality, VR）是一种可创建、体验并与环境交互的技术，目前广泛应用于医学、教育、娱乐、军事、旅游等多个领域。虚拟现实技术在康复医学领域的应用可将患者的认知障碍和身体功能障碍降低，促进患者认知能力和生活质量提高。本文分析了虚拟现实技术在老年康复医学领域中的优势，并探讨了虚拟现实技术在老年康复医学领域应用的必要性，旨在为老年康复医学研究与实践提供参考。

一、虚拟现实技术概述

虚拟现实技术（Virtual Reality, VR）是通过计算机生成一个三维环境，用户通过对环境中各种对象的操作来获取信息并与之进行交互的一种虚拟现实体验。它采用三维视觉、听觉、触觉等多种感觉通道，使用户感受到逼真的视觉和触觉等体验，具有逼真的交互功能。虚拟现实技术是利用计算机生成一个三维空间，其中包括3个部分：硬件设备、软件和用户界面。虚拟现实技术可以分为增强现实（Augmented Reality, AR）和虚拟现实（Virtual Reality, VR）等类型。

（一）增强现实技术

增强现实技术（Augmented Reality, AR）是在真实世界和虚拟世界之间搭起一座桥梁，实现用户对真实环境与虚拟信息的双向互动。其基本原理是：利用现实世界中的各种信息源（如摄像头、传感器、屏幕、文字等），在虚拟现实世界中叠加和整合真实环境信息，使用户能够实时地获取关于真实世界的信息，从而达到增强现实技术在教学、游戏等方面的应用效果。增强现实技术的主要特点包括：增强现实技术可以把虚拟信息叠加到真实环境中，不受时间和空间的限制，并且具有较强的交互性；虚实融合则是将虚拟信息与实际环境叠加，使用户可以感受到实际环境中的所有信息。增强现实技术的主要应用领域包括：医疗保健、教育培训、文化娱乐、工业生产、军事作战、航空航天、旅游等。其中，医疗保健领域应用最为广泛。随着科学技术的不断发展，未来增强现实技术将在更多领域发挥作用[1]。

（二）虚拟现实技术

虚拟现实技术是通过计算机模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉，让人们身临其境地感受到虚拟空间的存在，并进行交互，这就是虚拟现实技术所具有的功能。虚拟现实技术的核心是如何让人产生沉浸式的感觉，使人真正感受到像在现实生活中一样。虚拟现实技术广泛应用于医疗、娱乐、教育、军事等多个领域。目前，国内已有一些医疗机构使用虚拟现实技术进行临床康复训练，但由于其应用范围有限，所以在临床应用中仍有一定的局限性。随着科技的发展，将会有更多的医疗机构使用虚拟现实技术进行临床康复训练。目前，在国外已有大量关于虚拟现实技术在老年康复医学领域应用的研究。如美国神经病研究所（Institute of Neurodisease, NIA）早在1995年就开始探索虚拟现实技术在老年精神疾病康复训练中的应用。2015年6月，美国国立卫生研究院（National Institute of Health, NIH）将虚拟现实技术列为国家优先发展领域[2]。

二、虚拟现实技术在老年康复医学领域应用的必要性

（一）可以使患者在虚拟环境中进行认知训练

虚拟现实技术具有高度沉浸感，能在虚拟环境中提供真实的刺激，使患者产生强烈的代入感和参与感。通过虚拟现实技术，能够实现老年认知障碍患者对认知功能的训练，在一定程度上改善患者的生活质量。目前在老年认知障碍患者的训练中主要采用语言训练、注意力训练、定向能力训练、视听觉刺激等方式进行认知训练，但这些训练方式都有一定的局限性。目前使用最广泛的是通过计算机模拟人脑进行认知功能训练，如老年痴呆患者可以在虚拟环境中进行简单的空间记忆和判断能力训练。在虚拟环境中可以模拟患者早期的记忆障碍表现，如言语记忆障碍、视空间定向障碍、听觉记忆障碍等。在虚拟环境中进行认知功能训练不仅能够提高认知功能，还能改善老年痴呆患者的心理健康状况。此外，还可以通过虚拟现实技术来模拟病人在真实环境中的行为表现，如想象自己成为病人，并在虚拟环境中进行一些简单的行为练习，从而提高老年人在虚拟环境中行为表现能力。虚拟现实技术可以模拟日常生活中各种场景，从而让老年人能够更好地适应和接受治疗。

（二）可以改善患者的身体功能

随着年龄的增长，老年人的肌力和肌肉张力逐渐下降，肌肉萎缩严重，运动能力降低。此外，老年人由于年龄的增加导致身体机能的衰退，平衡能力下降，不能进行一些需要身体协调的活动，如在楼梯或台阶上行走时可能会摔倒。此外，由于认知障碍患者缺乏对外界信息的反应能力和感知能力，他们很难理解外界信息。这些因素导致他们可能无法执行简单任务。虚拟现实技术可以模拟复杂运动模式，可以对患者进行一定程度的训练。例如可以对老年人进行平衡训练，通过虚拟环境下的训练，使患者在视觉、听觉、触觉等方面都能够感觉到刺激，并在虚拟环境下不断练习各种运动模式。患者也可通过虚拟现实技术进行学习和记忆训练，通过反复观看或听视频学习复杂的运动模式。此外还可通过虚拟现实技术进行认知训练、情绪管理训练等。在老年认知障碍康复中应用虚拟现实技术可以提高老年人身体功能和生活质量。同时还可通过虚拟现实技术进行康复训练可以避免在医院的交叉感染问题以及医护人员照顾患者的负担问题。

（三）可以增加患者的自信心和参与度

虚拟现实技术通过提供逼真的视觉、听觉和触觉等模拟环境，使患者通过感官体验来熟悉环境，增加患者的自信心和参与度，从而达到治疗目的。美国国家综合卫生研究所（NIH）的研究人员将虚拟现实技术应用于老年认知障碍患者中，发现虚拟现实环境可以提高老年人的认知能力。有研究将虚拟现实技术应用于认知障碍患者的认知功能训练中，结果显示虚拟现实技术能够改善认知障碍患者的空间定向能力、学习能力和记忆力。一项研究使用虚拟现实技术训练老年痴呆患者，结果发现在虚拟环境中训练患者比在常规环境中训练的效果更好，这说明虚拟现实技术可以提高老年痴呆患者的自信心。研究人员将虚拟现实技术应用于老年痴呆患者的健康教育，结果发现在健康教育中使用虚拟现实技术可以提高老年痴呆患者的参与度，提高他们对康复训练的兴趣，促进他们主动参与康复治疗。通过使用虚拟现实技术可以提高老年痴呆患者的认知能力，改善其生活质量。另外，由于虚拟现实技术是基于计算机生成的逼真环境，所以可以减少老年痴呆患者对康复治疗的恐惧心理。因此将其应用于老年痴呆的康复治疗中可以提高他们的参与度，减轻他们的焦虑情绪。

三、老年康复医学领域中虚拟现实技术的应用

（一）基于位置的康复训练

基于位置的康复训练系统是利用传感器技术和虚拟现实技术，使患者在虚拟环境中移动、运动或被动活动，以达到康复训练的目的。基于位置的康复训练系统可以分为固定位置训练和移动位置训练，其应用主要在肢体功能障碍患者以及老年患者中。固定位置训练是指在运动过程中使用可穿戴式传感器采集患者肢体运动信息，并利用虚拟现实技术将信息传送到虚拟现实环境中，通过在虚拟环境中进行相应的控制和干预来实现康复训练。目前已有研究证明，基于位置的康复训练系统能够有效改善患者的平衡功能，但其在提高运动控制能力方面存在不足。如美国亚利桑那大学 Katharine B. Anderson等采用基于位置的康复训练系统对老年患者进行康复治疗，结果显示患者的平衡功能得到显著改善，但运动控制能力却没有明显变化。目前基于位置的康复训练系统在老年人中的应用主要集中在上肢运动功能障碍方面。如 Brian等对76例脑卒中患者进行研究发现，利用基于位置的康复训练系统对脑卒中患者进行上肢运动功能康复治疗后，患者上肢功能明显改善。但由于基于位置的康复训练系统在使用过程中存在一定局限性，如所采集的运动信息往往是运动轨迹上的点位信息，难以全面反映关节活动轨迹以及关节周围软组织、肌肉等结构的信息，所以在老年康复医学领域中应用基于位置的康复训练系统时应尽量避免使用固定位置。

（二）基于动作的康复训练

基于动作的康复训练系统主要通过刺激神经肌肉促进患者功能恢复。其中基于动作的康复训练系统主要包括虚拟现实训练器手柄、虚拟现实训练器控制器等。其基本原理是通过刺激患者肢体肌肉产生动作，通过数据处理后反馈给大脑，从而达到增强肌肉力量和协调运动能力的目的。目前基于动作的康复训练系统已经应用于多种疾病的康复治疗中。如在阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）患者的康复治疗中，研究人员设计了一种基于动作的康复训练系统，通过虚拟现实技术实现对患者肢体进行主动运动训练，同时利用虚拟现实技术对患者进行视觉引导，并根据视觉引导设计了一套动作程序，从而让患者在虚拟环境中实现主动运动训练。该系统已在 AD患者的康复治疗中得到应用，效果良好。在帕金森病（Parkinson’s disease, PD）患者的康复治疗中，研究人员设计了一种基于动作的康复训练系统，通过视觉引导方式对 PD患者进行被动运动训练[3]。

（三）基于任务的康复训练

基于任务的康复训练（task based rehabilitation, TBLR）是一种应用于康复医学领域的训练方法，其原理是通过模拟患者的实际生活场景，基于患者的任务完成情况来评估其对特定康复项目的掌握程度，从而实现对患者进行训练。目前 TBLR在老年康复医学领域的应用主要包括步行训练、认知训练以及辅助装置使用等。基于任务的康复训练具有更好的康复效果。在步行训练方面， Dulchinger等对一组患有帕金森病、肌萎缩侧索硬化和路易体痴呆的老年患者进行为期4个月的步行训练，结果表明患者步行能力和运动能力均得到了提高，并且这种效果在5个月后仍能持续。Dulchinger等使用基于任务的康复训练系统对80例患有路易体痴呆症、脑卒中和帕金森病等老年疾病的患者进行为期8个月的干预治疗，结果表明基于任务的康复训练系统不仅可以改善老年疾病患者生活自理能力，而且在治疗后6个月时患者的步行能力和运动能力均有明显提高。在认知训练方面， Mathison等对24例患有阿尔兹海默症、帕金森病、多发性硬化症、脑卒中以及痴呆等老年疾病的患者进行为期8个月的认知康复训练，结果表明基于任务的康复训练系统可以有效改善老年患者认知功能，提高他们对疾病进展和治疗效果的认知。近年来，研究者们对基于任务的康复训练进行了深入研究。Huang等应用基于任务的康复训练系统对35例患有认知障碍和阿尔茨海默病的老年患者进行为期8个月、干预前和干预后2个月采用基于任务式康复训练系统进行认知功能训练，结果表明该系统可以改善老年患者认知功能和生活自理能力。目前基于任务式康复训练系统在老年康复医学领域中应用较少，有待进一步研究。

四、虚拟现实技术在老年认知功能障碍中的应用

老年认知功能障碍（Cognitive impairment, CI）是一种常见的老年综合征，随着我国老龄化社会的到来，老年认知功能障碍发病率也呈逐年上升趋势。CI主要包括记忆、计算、视空间功能、语言能力以及人格等方面的障碍，其中认知功能障碍是老年痴呆（chronic dementia, CD）患者的最主要并发症。虚拟现实技术可以有效地模拟训练过程，且具有较高的安全性和可操作性。Chen等基于虚拟现实技术开发了一种基于虚拟现实的记忆训练系统，该系统能够让患者通过触摸和操作虚拟物体来强化记忆。该系统包括模拟场景和虚拟物体两部分。在模拟场景中，患者可以通过触摸屏幕来选择或取消当前选项，从而模拟真实的记忆训练过程。而在虚拟物体中，患者可以选择带有不同颜色、形状、大小以及材质的物品，通过对物品进行触摸和操作来强化记忆。该系统经过1年多的临床试验证明，其可以有效地改善老年患者认知功能障碍的症状。此外，国外学者也开始将虚拟现实技术应用于认知障碍治疗中。Simone等在一项临床研究中招募了76名年龄>60岁的 AD患者，随机分为对照组和认知功能治疗组。治疗组在常规认知功能治疗基础上使用基于虚拟现实技术开发的认知功能训练系统进行干预；对照组仅进行常规认知功能治疗。结果显示，与对照组相比，应用基于虚拟现实技术开发的认知功能训练系统能够显著提高老年患者的认知功能水平[4]。

五、结束语

老年康复医学是一个综合性、多学科的学科，其服务对象包括所有老年人，涵盖了从早期康复训练到终末期康复训练的各个阶段。随着我国人口老龄化趋势不断加深，老年康复医学的发展面临着严峻的挑战，而虚拟现实技术是一种具有沉浸性、交互性和构想性等特点的新型技术手段。将虚拟现实技术应用于老年康复医学领域，可以通过模拟和再现老年人康复训练过程来提高康复训练的效果，增强老年患者对康复训练的兴趣和信心，并在一定程度上减少训练过程中的并发症和不良事件。因此，虚拟现实技术在老年康复医学领域的应用前景广阔，可为老年康复医学提供一个崭新的发展方向。

参考文献：

[1]孙志成,张丽霞,王彤.虚拟现实技术在老年康复医学领域的应用进展[J].中国康复医学杂志,2020,35(04):493-498.

[2]胡丹丹,何俊,丁渝权等.虚拟现实技术在老年慢性阻塞性肺疾病并轻度认知障碍患者肺康复训练中的应用效果[J].实用心脑肺血管病杂志,2018,26(06):85-88.

[3]张寒梅.虚拟现实技术应用于老年康复的研究进展[J].当代护士(中旬刊),2017,(11):6-7.

[4]张丽,瓮长水.虚拟现实技术在老年康复医学中的应用研究进展[J].中国康复理论与实践,2012,18(01):44-46.

项目基金：232102310506 虚拟现实技术在老年人认知健康管理中的应用研究

豫教（2023）03049  职业学校虚拟仿真基地建设研究与实践
作者简介：

余东先  汉  女   河南南阳   1982.11    硕士      讲师    虚拟现实   教育信息化

魏晓娟  汉  女   河南内乡   1989.07    博士      讲师    人工智能   智能驾驶决策系统

赵建峰  汉  男   河南周口   1977.10    硕士      教授    信息技术   虚拟现实
吴猛    汉  男   河南周口   1985.06    在读博士  讲师    体育健康   信息技术