《Bioengineering》：Immersive Virtual Reality for Stroke Rehabilitation: Linking Clinical and Digital Measures of Motor Recovery—A Pilot Study
沉浸式虚拟现实在脑卒中康复中的应用：连接临床与数字化运动功能恢复指标的探索性研究
背景与引言
脑卒中仍是全球范围内导致成人长期残疾的主要原因之一，约80%的幸存者在急性期存在上肢运动功能障碍，且超过半数患者在发病六个月后仍持续存在相关障碍。这些以无力、痉挛和协调性丧失为特征的损伤，严重限制了患者的日常生活独立性和生活质量。尽管急性期管理已取得进展，但上肢功能的长期恢复仍是神经康复领域最具挑战性的目标之一。
脑卒中后运动恢复是一个复杂的多层级过程，涉及自发性神经生物学修复机制以及康复诱导的、经验依赖的可塑性。急性期和亚急性期的早期改善主要源于再灌注、病灶周围炎症减轻和树突发芽，而后期获益则依赖于残留神经网络的适应性重组。神经影像学研究已证实，同侧和对侧前运动区及顶叶区的代偿性募集，以及皮质脊髓束和小脑回路内功能连接的变化，共同支撑了自主运动控制。这些动态过程反映了大脑在响应任务特异性训练和反馈时重组感觉运动表征的能力。
除了结构性病灶本身，脑卒中后运动恢复还受到认知和行为因素的显著影响，这些因素决定了患者参与治疗的方式。注意力、视觉空间处理、运动意识和执行功能共同影响了运动行为的计划、监控和适应能力。这些领域的缺损（如单侧忽略）可能显著限制高强度物理康复的获益。相反，保留的注意力控制和自我意识则有助于运动技能向日常活动的学习和迁移。这种认知-运动相互作用构成了神经康复中“具身认知”这一新兴概念的基础，即运动与感知相互强化神经适应。
恢复的时间动态遵循非线性轨迹：脑卒中后前3-6个月改善最为显著，与最大神经可塑性潜力期重合；而后期阶段则表现为由训练强度和动机驱动的缓慢、渐进性获益。这种平台效应凸显了对能够在自发恢复窗口期之后持续维持参与度和感觉运动刺激的干预措施的需求。在此背景下，沉浸式虚拟现实（VR）提供了一种前景广阔的方法。通过将重复性、目标导向的运动练习与多感官反馈和激励奖励系统相结合，基于VR的康复可以强化学习环路、加强残留通路并维持长期参与。
除了整体恢复动态，病灶侧别和相关的神经认知缺损可能显著影响康复结局。右半球病灶常与空间忽略和自知力减退（疾病感缺失）相关，这可能限制主动任务参与和错误纠正。相比之下，左半球卒中常表现为语言和理解障碍（如失语症或言语工作记忆受损），这会降低患者遵循复杂指令和处理言语反馈的能力。这些偏侧化模式强调了适应性、多模式反馈机制（如沉浸式虚拟环境所提供的机制）的必要性，其可以绕过语言障碍，并通过视觉和本体感觉线索提高参与度。这些因素可能部分解释了患者对标准化康复方案反应性的差异，并证明了个体化、反馈驱动的数字干预措施整合的合理性。
传统康复方案依赖于旨在诱导 spared 皮质和皮质下网络内神经可塑性重组的重复性、任务特异性训练。然而，由于患者疲劳、治疗师可用性有限以及随时间推移动机下降，临床实践中往往难以维持最佳恢复所需的强度和参与度。近年来，基于虚拟现实（VR）的康复已成为一种有前景的辅助方法，能够提供高强度、互动性且反馈丰富的环境，以促进主动参与和持续动机。
虚拟现实在脑卒中后康复中的应用
VR技术能够在沉浸式或半沉浸式数字环境中模拟现实任务，使用户在执行重复运动的同时接收多模式反馈（视觉、听觉，有时是触觉）。通过提供目标导向的挑战和即时性能反馈，VR培养了运动学习原则，如重复、反馈和实践变异性，这些原则已知能增强神经重组和功能恢复。
越来越多的证据支持VR在脑卒中康复中的应用。系统综述和荟萃分析表明，VR干预可以产生与传统疗法相当或更优的运动结局，尤其是与标准物理治疗相结合时。此外，基于VR的治疗能增强患者动机和依从性，通常导致更长的训练时间和相比传统练习更大的愉悦感。
然而，尽管有其优势，VR向常规临床实践的转化仍受到硬件成本、晕动症（cybersickness）、治疗师培训有限以及关于最佳剂量和患者选择的不确定性等因素的限制。因此，评估新VR系统的可行性、可用性和初步临床效果是更广泛实施前的关键步骤。
Travee-VR系统
Travee-VR系统是一个新开发的基于VR的康复平台，旨在通过一系列针对肩、肘和腕部运动的互动游戏和练习来支持上肢运动功能恢复。该系统提供定量性能指标（如准确度、目标数量、反应时间），允许持续追踪患者进展。Travee整合了任务导向性练习，强调大幅度和协调的上肢运动，这些运动在脑卒中后常受限，但对日常生活活动至关重要。
与许多从娱乐设备（如Wii、Kinect）改编而来的商用系统不同，Travee是专为神经康复而构建的，确保了符合人体工学的体位、安全的运动幅度以及根据患者功能水平可调整的任务复杂度。其设计允许治疗师远程监控依从性和表现，从而实现随时间推移的个性化进展。
研究 rationale 与目标
基于先前关于脑卒中后上肢恢复的临床研究，本研究继续探索将Travee Experience作为整合传统疗法和技术辅助治疗的混合康复模型的一部分。这项观察性试点研究旨在评估沉浸式VR辅助康复在具有残留脑卒中后偏瘫个体中的可行性、临床适用性和短期运动结局。
主要目标是评估可行性、安全性和用户接受度，通过招募和保留率、会话完成度、不良事件缺失以及使用系统可用性量表（SUS）和模拟器晕动症问卷（SSQ）的可用性/耐受性得分来操作化。
次要目标是评估10天联合康复计划后的短期运动改善，基于主要上肢关节的主动和被动关节活动度（AROM, PROM）以及GAP指数（PROM–AROM）的变化。
探索性目标是调查源自Travee系统的游戏内性能指标与临床结局之间的关系，旨在识别潜在的探索性数字性能指标和反应集群，以指导未来个性化、自适应的康复方案。
研究意义
本研究为验证整合临床和数字化结局的VR康复框架迈出了早期一步。通过捕捉传统的关节活动度变化和游戏内性能数据，Travee提供了恢复的多维视角，可能弥合临床评估与生态化、实时功能行为之间的差距。
此外，这项工作促进了对VR反应个体差异性的日益理解，这仍是脑卒中后康复研究的一个主要挑战。识别反应者并根据患者特定需求定制VR内容，可以提高治疗的精确性、效率和长期依从性。
最终，这项试点研究的结果可能为未来的多模式神经康复策略提供信息，将VR与感觉运动刺激技术（如局部振动或机器人辅助）相结合，通过协同机制最大化神经恢复。
因此，本研究在技术创新与临床可行性之间架起了桥梁，为数据驱动的神经康复提供了早期证据。
材料与方法
研究设计、目标与伦理批准
这是一项前瞻性、单中心、观察性试点研究，于2024年12月至2025年8月期间在罗马尼亚布加勒斯特的国家康复、物理医学和气候疗法研究所进行。
研究采用前后对照设计，未设对照组，因为主要目标是评估系统可行性和用户耐受性，而非疗效比较。
具体目标包括：通过依从性和会话完成度确定可行性；使用标准化问卷（SUS和SSQ）评估可用性和耐受性；评估上肢运动功能的前后变化（AROM, PROM）；描述跨游戏的VR表现轨迹；探索VR与临床结局之间的相关性。
所有参与者在入组前均提供了书面知情同意。研究方案经国家康复、物理医学和气候疗法研究所（INRMFB, Bucharest）机构伦理委员会批准，注册号为NRCRT6/18.09.2023，并遵循《赫尔辛基宣言》原则进行。
参与者
我们分析了一个包含14名患有脑卒中后残留上肢轻瘫的成年人的便利样本，这些参与者参加了一个为期10天的住院康复计划，该计划整合了传统疗法与沉浸式虚拟现实（VR）训练。
纳入标准包括：经CT/MRI证实的缺血性或出血性脑卒中；存在上肢轻瘫，且有足够的残留自主运动能力与VR界面交互；通过简易精神状态检查（MMSE ≥ 25）评估无认知缺陷；在VR任务期间具有合作行为和理解指令的能力；从脑卒中发病时间≥ 2个月；年龄<80岁且>18岁。
排除标准包括：导致上肢轻瘫的其他神经系统疾病；不稳定的心血管状态或未控制的高血压；MMSE ≤ 25或限制参与的严重认知/精神障碍；癫痫或癫痫病史；严重视觉或前庭障碍、慢性眩晕或其他与视觉运动不耐受相关的病症（如伴先兆偏头痛、梅尼埃病）；无法参加完整的10天康复计划。
这些标准旨在确保参与者能够安全地参与需要抬臂和视觉反馈的沉浸式VR任务。
从每位患者的医疗记录中收集了人口统计学和临床数据，包括脑卒中类型和慢性期（发病时间）、合并症、吸烟和饮酒习惯以及利手情况。
参与者处于恢复的亚急性期（≥2个月）或慢性期（>6个月），表现为轻度至中度上肢运动缺陷（SIAS 3–4）且认知功能保留（MMSE ≥ 25）。该阈值确保了在VR环境中理解指令、维持注意力和执行反馈驱动任务所需的足够认知能力。
基于神经影像报告记录了所有参与者的病灶侧别（右、左或双侧）。在该队列中，11名患者有右半球病灶，2名有左半球病灶，1名表现为双侧受累。由于样本量小，此信息仅用于描述队列特征，未用于亚组分析。这种有限的临床变异性被有意接受，以反映真实世界的康复人群，并被认为适用于本次关注可用性、安全性和初步运动结局的试点可行性研究。
评估时间点
临床评估在两个时间点进行：T0（基线，干预前）和T1（干预后），即在10天康复计划完成后立即进行。
系统可用性量表（SUS）在计划结束时一次性施测，以捕捉整体用户接受度。
模拟器晕动症问卷（SSQ）在每次VR会话前后完成，会话级得分在10天期间取平均值进行分析。
VR性能指标在所有训练会话中自动记录，定量分析基于前三个会话与最后三个会话的比较，反映了计划内的学习和适应。
未进行长期随访，这与研究的试点性质一致，其重点在于短期可行性、可用性和即时运动反应。
康复方案
所有患者完成了一个为期10天的整合康复计划，结合了传统疗法（CnvT）和沉浸式VR辅助训练（Travee-VR）。每个日常会话包括约120分钟的CnvT和30分钟的Travee基础练习，由康复医生和治疗师监督。选择10次会话的持续时间以反映标准住院康复周期，并评估短期运动适应性。
整体结构与持续时间
10天的康复时间表反映了当前罗马尼亚神经康复中心应用的标准住院周期，遵循罗马尼亚国家健康保险之家（CNAS）的框架，该框架将康复服务分配为10天周期。此设计确保了与现实世界临床实践的一致性。每日150分钟的治疗剂量（120分钟传统疗法和30分钟沉浸式VR）与针对处于强化恢复阶段的中度脑卒中后患者的机构方案一致。所有参与者均处于恢复的亚急性或慢性阶段，临床稳定，并经过充分的认知和身体耐力筛查（MMSE ≥ 25，无心肺不稳定）以安全耐受该计划。会话持续监督，并包含短暂休息间隔以防止疲劳。此结构与先前证据一致，证明了在强化康复计划中整合30–40分钟沉浸式VR会话的可行性和安全性。
传统疗法部分
传统部分（CnvT）包括力量和拉伸练习、被动和主动关节活动度训练、平衡和协调任务，以及必要时进行的作业疗法。辅助物理方式（如电刺激、超声波、按摩、夹板或矫形器）根据临床需要应用。所有患者遵循根据功能能力调整的标准化方案。
VR系统与设置
VR辅助训练使用Travee系统（罗马尼亚）进行，这是一个用于上肢神经康复的沉浸式虚拟现实平台，整合了视觉、听觉和运动追踪反馈。该系统使用Meta Quest 2头戴设备（Meta Platforms, Inc., Menlo Park, CA, USA），无需手持控制器即可实现从手腕到手指的实时上肢追踪。运动准确度和幅度在虚拟环境中得到视觉增强，而听觉反馈强化了正确的任务表现。
任务难度的个体化
Travee-VR干预允许在保持标准化临床框架的同时，进行受控的、医生指导的治疗参数个体化。在基线时，每位患者由主治康复医生进行综合评估，包括主动关节活动度、肌肉力量、协调性和耐力的评估。这些发现决定了VR环境中任务难度、运动幅度和反应速度的初始配置。在整个10天计划中，会话表现被持续记录并由医生审查，医生根据方案中预定义的进展规则调整任务参数，如目标数量、运动范围或时机。调整通常涉及5–10%的增量，以维持最佳挑战同时避免疲劳。仅当患者在没有疲劳、疼痛或协调性丧失迹象的情况下完成至少80%的目标时，才引入进展。所有会话均在直接医疗监督下进行，以确保患者安全和方法学一致性。在第一次VR康复会话之前，所有参与者在医疗监督下进行了简短的热身和训练会话（约10分钟）。该会话旨在确保对虚拟环境、任务要求和交互方式有充分理解，并在启动主动干预方案前促进舒适度和信心。
VR任务选择
在本试点研究中，根据其目标运动模式和脑卒中后运动恢复的临床相关性，从可用游戏中选择了七个：Rocket and Fires：大幅度肩外展和屈曲；Cooking：内旋/外旋控制；Fruits to Basket：肘屈曲/伸展和前臂旋前/旋后；Road：孤立的前臂旋转伴持续轨迹追踪；Piano and Diorama：远端腕部和手指伸展伴视觉运动精度。
VR性能指标
定量性能数据由Travee-VR平台自动记录。高频运动学数据（60 Hz）由VR系统的嵌入式运动传感器记录。这些数据被自动处理以提取时间和空间性能指标，作为运动学习和任务效率的客观指标。
尽管系统持续追踪多个游戏内参数（准确度、反应时间、完成率、得分），但本研究仅提取每个游戏中最具代表性的指标进行统计分析，即最能反映任务表现和上肢参与度的指标。所选参数总结在表1中，以及每个游戏针对的运动模式。此类指标日益被认为是数据驱动神经康复中潜在的数字化性能指标。
安全监控与晕动症评估
安全监控在整个10天干预期间根据机构程序和预定义标准进行。不良事件定义为在治疗会话期间或之后不久发生的任何新的或恶化的神经、肌肉骨骼、心血管或感觉症状（如疼痛、头晕、恶心、疲劳或视觉不适）。所有会话均由主治康复医生监督，其实时观察患者反应并在日志中记录任何症状。还鼓励参与者使用改编自模拟器晕动症问卷（SSQ）的简短清单自我报告感知到的不适。
未发生临床显著的不良事件。少数参与者报告了轻微的短暂症状，包括短暂头晕或视觉疲劳，但这些症状自行缓解，无需医疗干预，且未影响会话完成或计划依从性。
结局指标
在VR干预会话完成后，使用了几种标准化的临床和运动学结局指标来评估上肢运动功能恢复、肌张力、可用性和认知状态。
运动功能
使用精度为1°的手动通用测角仪评估肩、肘、前臂和腕关节的主动和被动关节活动度（AROM和PROM）。对于每个运动：肩外展和屈曲、肘屈曲、前臂旋前-旋后、腕伸展，起始和结束位置与测角仪的固定臂和活动臂仔细对齐以确保可重复性。每个测量重复两次，平均值用于分析以最小化评估者间变异性。
AROM代表患者无需外部辅助自主产生的运动弧，而PROM定义为通过治疗师轻柔外部辅助获得的范围，无疼痛或代偿运动。两者均以度（°）表示。
此外，计算每个关节的被动和主动关节活动度之差（PROM–AROM），作为可用生物力学范围中有多少能被自主募集的指标。较小的PROM–AROM差值（GAP指数）被解释为反映了改善的神经运动控制和在可用关节范围内更有效的激活。这种方法得到临床证据支持，表明脑卒中后的功能限制更与主动活动度减少相关，而非被动活动度，表明较小的AROM–PROM差异反映了增强的神经驱动而非生物力学限制。
肌张力评估
使用改良Ashworth量表（MAS）评估主要近端和远端肌群（肩外展肌、肘屈肌、旋前肌、腕/指屈肌）的肌张力。两名训练有素的评估员独立评分每个评估；分歧通过共识解决。虽然痉挛不是主要终点，但将其纳入描述性分析以背景化功能恢复模式。
认知筛查
使用简易精神状态检查（MMSE）确保认知资格。需要≥25分的截断值，反映了理解VR指令并积极参与训练过程所需的足够认知能力。
可用性与耐受性
使用两个经过验证的自我报告工具评估系统可行性和用户体验：系统可用性量表（SUS）和模拟器晕动症问卷（SSQ）。
SUS是一个包含10个项目的问卷，在数字健康研究中广泛采用，用于评估对基于技术的干预措施的主观感知可用性、效率和满意度。它在10天计划结束时一次性施测，以捕捉整体用户接受度和界面清晰度。得分范围0-100，值≥70表示良好至优秀的可用性。
SSQ量化与虚拟现实暴露相关的不适，包括恶心、头晕和眼动肌劳损。它在每次VR会话前后施测，每日得分跨会话平均以解释个体内变异性。得分<40通常解释为轻微症状，与良好耐受性一致。
这些工具共同提供了对Travee-VR系统可行性的补充见解，在重复沉浸式暴露期间平衡了主观可用性和生理舒适度。
统计分析
使用Microsoft Excel（Office 365）进行数据组织和可视化，使用IBM SPSS Statistics, version 28.0（IBM Corp., Armonk, NY, USA）进行统计计算。
连续变量首先使用Kolmogorov–Smirnov和Shapiro–Wilk检验评估正态性。正态分布数据表示为均值±标准差（SD），而非正态分布数据总结为中位数和四分位距（IQR）。分类变量表示为频率和百分比。鉴于小样本量和研究的探索性性质，应用了非参数检验。Wilcoxon符号秩检验用于评估受试者内基线（T0）和干预后（T1）之间的差异。在适当时，计算Spearman等级相关系数（ρ）以探索临床指标与VR性能指标之间的关联。无需缺失数据插补，因为所有参与者均完成了T0和T1评估。
为了更好地捕捉康复反应的个体变异性，对标准化的ΔAROM和VR性能数据进行了探索性聚类分析。使用k-means划分生成聚类，由轮廓系数和肘部法则指导，产生三个反应谱系：良好、中等和不良反应者。这种无监督方法允许基于多维性能模式而非单一结局阈值对患者进行定性分组。K-means聚类在标准化变量上进行，使用欧几里得距离，并应用肘部法确定最佳聚类数。
对于非参数比较，计算效应大小为r = Z/√N，以方便解释观察到的效应量级。鉴于小样本和可能偏离正态性，优先使用非参数统计以确保对异常值的稳健性。
双尾p值<0.05被认为具有统计学显著性。使用描述性统计和视觉分析（箱线图和轨迹图）说明前后差异和个体间趋势。鉴于研究的试点性质，所有分析均被视为探索性，旨在识别趋势并为未来的验证性研究提供信息。
鉴于试点可行性研究固有的有限样本量，统计推断需谨慎解读。应用的非参数和探索性分析被认为适用于识别一致的受试者内趋势并为未来更大规模试验提供假设。
数据管理与保密性
所有数据在分析前进行匿名化处理。VR性能指标和临床数据存储在符合欧盟GDPR（2016/679）法规的加密机构服务器上。
仅授权研究人员有权访问研究数据库。
方法学 rationale 总结
此设计优先考虑可行性和探索性见解而非疗效检验。标准化临床测量与高分辨率VR数据的结合允许对运动进展进行多维理解。
使用客观、自动捕获的性能指标补充了传统评估，并为神经康复研究中数字化性能指标的未来发展奠定了基础。
结果
共有14名患者完成了研究（9名男性，5名女性），平均年龄55.3 ± 8.5岁（范围43–73岁）。大多数脑卒中为缺血性（11例，78.6%），而3例（21.4%）为出血性。病灶分布显示左半球受累为主（n = 11, 78.6%），其次是右半球（n = 2, 14.3%）和1例双侧MCA区域梗死（n = 1, 7.1%）。
从脑卒中发病到入组的平均时间为21.8 ± 32.2个月，中位数为9.0个月（IQR 4.2–18.0），反映了样本的异质性以及亚急性和慢性患者的纳入。基线上肢运动功能，通过SIAS U/L Proximal评估，平均得分为3.4 ± 0.7，表明轻度至中度近端损伤，具有足够的残留运动能力参与基于VR的康复。
参与者的 demographic 和基线临床特征总结在表2中。
大多数患者存在常见的血管危险因素。高血压和血脂异常最为常见，各影响13名患者（92.9%）。4名患者（28.6%）存在2型糖尿病，而7名患者（50.0%）报告吸烟，3名患者（21.4%）报告饮酒。这些合并症与脑卒中后人群中通常报告的一致。
如表3所示，参与者报告Travee VR系统具有高可用性，平均SUS得分为79.0 ± 11.3（中位数80.5，IQR 69.3–87.0），符合“良好-优秀”可用性范围。SSQ得分从基线（26.4 ± 11.6，中位数24.3，IQR 15.9–32.7）到干预后（35.5 ± 14.4，中位数37.3，IQR 25.7–48.0）在数值上增加，但此差异无统计学显著性（Wilcoxon符号秩检验，p = 0.135）。重要的是，没有参与者因不耐受而中断干预，表明基于VR的康复总体可行且接受度良好。除了主观耐受性，临床安全性在整个干预期间被持续监控。
安全性与耐受性：
所有
