Реабилитация, основанная на виртуальной и дополненной реальностях

ВВЕДЕНИЕ / INTRODUCTION

Эффективность реабилитации, основанной на традиционных подходах, включающих физиотерапию, медикаментозное лечение, коррекцию образа жизни и др., часто снижается из-за недостаточной интенсивности терапии, низкой вовлеченности и мотивации пациентов, а также отсутствия объективной обратной связи, необходимой для значительного улучшения функций. Рецидивы симптомов и психосоциальные последствия хронических заболеваний еще больше ограничивают результативность традиционных методов [1].

Цифровые технологии открыли новые возможности для реабилитации, в частности благодаря применению виртуальной реальности (англ. virtual reality, VR), дополненной реальности (англ. augmented reality, AR) и игровых платформ для физических упражнений, которые в совокупности называются расширенной реальностью (англ. extended reality, XR) [2][3]. XR включает интерактивные среды, которые в той или иной степени сочетают реальные и виртуальные стимулы, повышая вовлеченность пациентов в процесс лечения и увеличивая вероятность положительного результата [2].

VR – это полностью иммерсивная компьютерная среда, создаваемая с помощью дисплеев, которые надеваются на голову и имитируют выполнение функциональных задач, одновременно отвлекая от болевых ощущений [2]. AR, в свою очередь, накладывает цифровой контент на физическую среду (как правило, с помощью смарт-очков, портативных устройств или экранов планшетов), позволяя пользователям получать визуальную обратную связь в режиме реального времени и корректируя сигналы во процессе движения [3]. Экзергеймы (VR-видеоигры) включают интерфейсы для отслеживания движений, которые дают возможность сочетать физическую активность с игровыми элементами, тем самым повышая приверженность к тренировкам, их регулярность и мотивацию, особенно у людей с фибромиалгией, остеопенией или дисфункцией суставов [4].

В сфере здравоохранения XR-технологии уже показали свою эффективность в медицинском обучении, точности выполнения процедур и непосредственном уходе за пациентами [5][6]. Симуляторы на основе VR вносят вклад в повышение качества обучения хирургии, позволяя стажерам оттачивать свои навыки в безопасной среде. AR может улучшить интраоперационное наведение и уже применяется в ортопедии для повышения точности установки имплантатов и снижения риска осложнений при таких процедурах, как артроскопия и эндопротезирование суставов. В последние десятилетия данные методы применяются и для реабилитации пациентов.

В связи с этим представляется актуальным выяснить, позволяет ли использование указанных технологий уменьшать болевые ощущения, улучшать функциональные возможности, психическое здоровье и качество жизни пациентов. Поскольку эти методы становятся все более доступными и востребованными в клинической практике, крайне важно также сравнить их эффективность с традиционными подходами к восстановлению, определить целесообразность и потенциал их интеграции в современную реабилитационную практику.

VR- И AR-ТЕХНОЛОГИИ В РЕАБИЛИТАЦИИ ПАЦИЕНТОВ С РАЗЛИЧНЫМИ ЗАБОЛЕВАНИЯМИ / VR AND AR TECHNOLOGIES IN REHABILITATION OF PATIENTS WITH VARIOUS DISEASES

Онкологические заболевания / Malignant neoplasms

Как показали Z. Su et al. в обзоре, включившем 25 статей (общий размер выборки составил 1174 пациента – от 6 до 136), методы VR и AR уже достаточно часто применяются для реабилитации при нарушениях функций организма, связанных с онкологическими заболеваниями. Авторы приводят информацию о типах рака, моделях и устройствах VR, программах и продолжительности вмешательства, эффективности, соблюдении требований, удовлетворенности и безопасности [7].

В большинстве исследований (17 из 25; 68%) использовались коммерческие игровые программы, а в трети (8 из 25; 32%) – индивидуальные программы тренировок, при этом в 7 из 8 работ (88%) представлены самодельные системы [7].

Содержание программ разнообразно: теннис, пляжный волейбол, тайский бокс, упражнения тайцзи, разгибание рук на трицепс, танец макарена и другие развлечения – дартс, боулинг, «разрезание торта», «гребля», «виртуальный шопинг». Продолжительность реабилитации варьировалась от 3 до 12 нед, занятия проводились от 2 до 5 раз в неделю по 20–50 мин за сеанс [7].

Реабилитация применялась для лечения пациентов с раком молочной железы, лейкемией и раком легких. Наиболее распространенными осложнениями были постмастэктомические синдромы. В целом в 74% исследований получены положительные результаты, в т.ч. значительное улучшение функций конечностей, амплитуды движений в суставах, уменьшение интенсивности боли, отеков, апноэ, нарушений дыхания, повышение когнитивных функций, способности к самообслуживанию и качества жизни. Показатель соблюдения режима лечения варьировался от 56% до 100% [7].

Инсульт / Stroke

Технологии VR и AR становятся революционными инструментами в реабилитации после инсульта, создавая иммерсивную и интерактивную среду, которая способствует восстановлению двигательных и когнитивных функций. Эти методы используют искусственный интеллект для создания персонализированных программ терапии, оптимизируя результаты реабилитации за счет увлекательных и адаптивных подходов [8–10].

В исследованиях, в которых проведено сравнение эффективности лечения с использованием технологий VR и AR и традиционной реабилитационной терапии, доказано, что применение VR- и AR-методов привело к лучшим результатам с точки зрения восстановления функций организма [11].

Основные методы и подходы – это общедоступные коммерческие игры и VR-системы, предназначенные для реабилитации конечностей. Во многих исследованиях использовались специализированные VR-игры/системы. Содержание программ может включать, например, тренировки по гребле на каноэ, стандартные физиотерапевтические упражнения с применением VR или игры, в которых пациентам нужно двигать руками, чтобы брать или убирать предметы и набирать очки. Все системы VR состоят из схожих компонентов: датчик, камера, монитор и программное обеспечение. Это погружает пациентов в виртуальные миры, где они могут выполнять задачи, имитирующие действия в реальной жизни, например дотягиваться до виртуальных объектов, брать их и манипулировать ими. Такие системы предназначены для улучшения процесса реабилитации за счет сочетания визуальной, слуховой и тактильной обратной связи, которые в совокупности способствуют повышению увлекательности процесса и эффективности терапевтического воздействия [12][13]. Продолжительность вмешательства, как правило, составляет от 1 до 8 нед, частота тренировок – от 1 до 7 раз в неделю, а их длительность – от 30 до 120 мин [11].

Эффективность иммерсивной VR в реабилитации после инсульта обусловлена тем, что она позволяет создать контролируемую и адаптируемую среду для тренировок. Передовые VR-платформы используют сложные алгоритмы и обработку данных в режиме реального времени, чтобы корректировать сложность заданий в зависимости от результатов пациента [8][14][15]. Например, VR-системы могут изменять размер, вес виртуальных объектов и расстояние до них, предлагая пациентам все более сложные сценарии, соответствующие их двигательным способностям. Такая адаптивность крайне важна для развития нейропластичности – способности мозга перестраиваться и формировать новые нейронные связи в ответ на тренировки [16–18]. Благодаря постоянной адаптации к меняющимся возможностям пациента VR гарантирует, что терапевтические упражнения будут достаточно сложными, но выполнимыми, что крайне важно для максимального восстановления двигательных функций [10].

Кроме того, интеграция VR и AR с другими технологиями, такими как носимые датчики и системы захвата движения, еще больше расширяет возможности реабилитации. Носимые датчики могут отслеживать движения конечностей и обеспечивать дополнительную обратную связь, а системы захвата движения позволяют точно измерять углы в суставах и мышечную активность. Комбинированные данные способствуют более комплексной оценке двигательной функции и внесению более точных корректив в протоколы тренировок с использованием VR [19].

Технология AR повышает эффективность реабилитации после инсульта, интегрируя цифровую информацию в физический мир и предлагая динамичную и интерактивную платформу для отработки функциональных навыков. Системы AR накладывают виртуальные элементы, такие как визуальные подсказки и интерактивные сообщения, на реальную среду [9][20]. Такая интеграция помогает пациентам выполнять задачи в реальных условиях, предоставляя индивидуальные рекомендации и обратную связь во время реабилитационных упражнений. При восстановлении после инсульта AR может проецировать виртуальные объекты и обучающие наложения в поле зрения пациента, помогая ему выполнять такие действия, как приготовление пищи, одевание или преодоление препятствий [9].

Например, технология AR способна отображать виртуальные ингредиенты и пошаговые инструкции по приготовлению пищи на кухонной столешнице или проецировать виртуальные подсказки на одежду пациента, помогая ему отрабатывать навыки одевания [10]. Аналогичным образом AR может помогать пациентам преодолевать виртуальные полосы препятствий, подстраиваясь в режиме реального времени под их движение и обеспечивая мгновенную обратную связь. Такой интерактивный подход делает реабилитационные упражнения более интересными и применимыми в обычной жизни [10].

Основное преимущество AR в реабилитации после инсульта заключается в ее способности устранять разрыв между виртуальной средой обучения и реальным применением полученных навыков. Технология позволяет выполнять терапевтические упражнения в контексте повседневной деятельности, что способствует переносу навыков, полученных в ходе терапии, в практическую повседневную реальность [10].

Заболевания опорно-двигательного аппарата / Muscle and skeletal disorders

Технологические достижения последнего десятилетия произвели революцию и в реабилитации опорно-двигательного аппарата. Интеграция VR- и AR-технологий в ортопедическую реабилитацию повышает приверженность пациентов к лечению и ускоряет их функциональное восстановление за счет интерактивных и увлекательных реабилитационных сеансов.

Реабилитационные программы на основе VR оказались особенно полезными для пациентов, восстанавливающихся после травм опорно-двигательного аппарата и операций по эндопротезированию суставов. Исследования показывают, что игровая среда снижает болевые ощущения, увеличивает амплитуду движений и ускоряет функциональное восстановление за счет активного участия пациента в процессе реабилитации [3][21].

M.J. Vinolo Gil et al. в систематическом обзоре подтвердили, что реабилитация с использованием AR улучшает функциональные результаты после травм за счет управляемой интерактивной двигательной терапии [22]. В другой работе доказано, что телереабилитация с применением AR при реконструкции передней крестообразной связки так же эффективна, как и очная физиотерапия, при этом у пациентов наблюдаются сопоставимое улучшение функциональных показателей и более высокий уровень приверженности к лечению [23]. А систематический обзор и метаанализ S. Su et al. продемонстрировал, что реабилитация с помощью XR-технологий лучше восстанавливает функциональность пациентов после тотального эндопротезирования коленного сустава по сравнению с традиционными методами [21].

Реабилитационные методы на основе VR также применяются при хронических заболеваниях опорно-двигательного аппарата, в т.ч. при болях в пояснице. Доказано, что VR значительно снижает страх перед болью и степень утраты трудоспособности [1]. Возможность проводить терапию дистанционно с помощью платформ VR и AR обеспечивает непрерывность лечения, особенно для пациентов, сталкивающихся с логистическими препятствиями при очном прохождении реабилитации [24].

В систематическом обзоре T. Plavoukou et al. показана эффективность VR и AR в уменьшении болевых ощущений, улучшении функциональности, равновесия и психологического состояния у взрослых с хроническими болевыми синдромами [2]. Используемые технологии включали системы VR с полным погружением, платформы для эрготерапии (предлагающие реабилитационные программы на основе игр без эффекта погружения, в которых упор делается на повторение движений и мотивацию), вмешательства с применением AR (накладывающие цифровые подсказки на реальные задачи, чтобы повысить точность и эффективность обратной связи в послеоперационной реабилитации), системы отслеживания движений и телереабилитации (позволяющие проводить контролируемую терапию в домашних условиях без использования иммерсивных визуальных сред). Среди этих методов наиболее стабильные улучшения физических функций и качества жизни наблюдались при применении экзергейминга в различных клинических группах.

В то же время иммерсивная VR оказывала более сильное влияние на психологические показатели, такие как депрессия и кинезиофобия, особенно у пациентов с фибромиалгией и хроническими болями в пояснице [2][25]. Приверженность к лечению варьировалась от 81% до 93%, причем самые высокие показатели наблюдались при использовании долгосрочных геймифицированных подходов, таких как 24-недельные программы [2]. В большинстве исследований отмечено улучшение по нескольким показателям, наиболее стабильными результатами были уменьшение болевых ощущений, восстановление физических функций и повышение качества жизни.

Влияние VR и AR на реабилитацию при остеоартрите коленного сустава T. Plavoukou et al. изучили в другом систематическом обзоре [26]. В исследованиях использовались коммерчески доступные инструменты VR. Эти технологии продемонстрировали значительное улучшение в показателях равновесия и нервно-мышечного контроля, способствовали восстановлению психологического состояния пациентов за счет уменьшения болевых ощущений и улучшения функциональности, а также повышению вовлеченности пациентов в процесс лечения.

Реабилитация с применением XR-технологий выводит уход за опорно-двигательным аппаратом за рамки традиционных клинических условий благодаря интеграции телемедицинских платформ и носимых устройств. Инерциальные измерительные блоки (ИИБ) стали ключевым компонентом программ восстановления с использованием VR и AR, обеспечивая объективный непрерывный мониторинг кинематики суставов и параметров походки. Прикрепленные к конечности ИИБ с высокой точностью фиксируют данные о движении, позволяя передавать их в режиме реального времени на цифровые платформы или напрямую медицинским работникам. Недавние исследования продемонстрировали, что благодаря современным системам ИИБ можно получать показатели движения коленного сустава, сопоставимые по точности с данными, полученными в лабораторных условиях с применением систем захвата движения, и при этом проводить оценку в естественных условиях, приближенных к реальным. Эти носимые устройства дают возможность применять персонализированные протоколы дистанционной реабилитации, особенно после таких операций, как эндопротезирование коленного сустава [6].

Нарушения зрения / Visual impairment

Использование VR и AR для расширения поля зрения и повышения его остроты при реабилитации слабовидящих описано в систематическом обзоре D.R. Pur et al., в который вошли 16 исследований с участием 382 человек со снижением зрения по различным причинам (например, глаукома, возрастная макулярная дегенерация, пигментный ретинит). В качестве основных визуальных показателей оценивались поле зрения (67%), острота зрения (65%) и контрастная чувствительность (27%). В большинстве работ применялись технологии AR (53%) и VR (40%) [27].

Во всех публикациях представлены VR-шлемы различных производителей, а также самодельные устройства. К наиболее распространенным методам улучшения зрения относились переменное увеличение с помощью цифрового зума (67%), повышение контрастности (53%) и уменьшение размера изображения (27%). Описаны и другие подходы, например подсветка и изменение разрешения изображения [27].

Установлено, что устройства VR и AR для лечения нарушений зрения позволяют расширить поле зрения и повысить его остроту. С помощью AR можно расширить поле зрения в 3–9 раз. В среднем у людей, использовавших технологии VR или AR, острота зрения улучшилась с 0,9 до 0,2 logMAR [27].

Рассеянный склероз / Multiple sclerosis

Выбор подходящей стратегии реабилитации при работе с неврологическими расстройствами является особенно сложной задачей. Поэтому актуален поиск новых подходов для улучшения клинических результатов.

В нескольких исследованиях уже показано успешное применение различных цифровых технологий для ведения пациентов с рассеянным склерозом [28–31]. Цифровые технологии используют для автоматического сбора данных, обнаружения сложно выявляемых симптомов, оценки приверженности к лечению и побочных эффектов, прогнозирования результатов нейрореабилитации и т.д. [29][31]. Дистанционные методы лечения, которые стали доступны благодаря появлению цифровых подходов, открывают новые возможности для двигательной и когнитивной реабилитации в домашних условиях [29][31]. Цифровые технологии также применяются для проведения психотерапии и двигательной реабилитации с помощью экзергеймов, электронных тренингов и упражнений с использованием роботов [29].

Исследование G.A. Albanese et al. показало, что синергия роботизированных систем с технологиями VR и AR может усилить преимущества, преодолеть недостатки и расширить возможности в области реабилитационной робототехники [28]. Для людей с рассеянным склерозом с успехом применяют роботизированные системы, помогающие бороться со сложностями этого заболевания, которое может ухудшить способность выполнять повседневные задачи. Однако у пациентов с мультисистемным склерозом часто наблюдаются уникальные симптомы, что приводит к необходимости разработки оптимальных стратегий управления роботами и визуальных стимулов для оказания индивидуальной помощи. С точки зрения кинематических нарушений у таких больных может наблюдаться разная степень нарушения функций обеих рук, при этом более пораженная сторона не обязательно является доминирующей. Однако, поскольку основное внимание исследователей сосредоточено на нарушениях, связанных с инсультом, большинство экзоскелетов для верхних конечностей предназначены для одностороннего использования. Чтобы преодолеть это ограничение, можно применить иммерсивные технологии VR и AR, которые позволят выполнять упражнения обеими руками и точно измерять движения руки, не подвергавшейся лечению. Такой подход предоставляет ценные количественные данные для мониторинга прогресса реабилитации. Кроме того, при работе с когнитивными нарушениями можно упростить среду VR и AR, чтобы сделать задачи более доступными и понятными или дополнить их сложными умственными упражнениями для повышения нейропластичности [28].

VR-системы, отличающиеся простотой использования и экономичностью, также являются привлекательным вариантом для реабилитации в домашних условиях, дополняя роботизированные вмешательства в условиях стационара и обеспечивая непрерывность лечения, необходимого пациентам с мультисистемной атрофией. В случае рецидива или госпитализации предпочтение часто отдается роботизированной реабилитации. На этом этапе пациентам может требоваться пассивное движение, активная помощь и компенсация гравитации, что может быть обеспечено с помощью роботизированных устройств. Однако после завершения данного этапа возникает проблема нехватки роботизированных устройств, подходящих для реабилитации в домашних условиях. Для обеспечения непрерывной реабилитации и мониторинга состояния больных могут использоваться VR-системы, дополненные технологиями компьютерного зрения. Такое сочетание позволяет пациентам продолжать реабилитацию в домашних условиях, предотвращая такие проблемы, как снижение физической активности, мышечной слабости из-за ограниченной подвижности и мышечных контрактур, связанных со спастичностью. Комплексный подход дает возможность поддерживать у пациентов интерес к тренировкам и следить за их прогрессом в процессе восстановления [28].

Черепно-мозговые травмы / Traumatic brain injuries

Технологии VR и AR могут быть полезны и при реабилитации пациентов с черепно-мозговыми травмами (ЧМТ).

Например, исследование M. Liu et al. [32] показало, что мультимодальная обратная VR-связь при тренировке функции захвата и размещения предметов улучшает неврологические и двигательные реакции после ЧМТ. В работе использовали тренировки функциональных хватательных движений с помощью VR и «умной» перчатки с датчиками для определения надежного захвата. Во время каждого тренировочного испытания перчатка определяет, что пользователь надежно схватил предмет, информирует его, активируя модуль обратной связи, и повышает его вовлеченность за счет постепенного сокращения задержки (с 1 до 0 с во всех тренировочных испытаниях) между действием по захвату предмета и сигналом обратной связи. При добавлении виртуальной обратной связи в перчаточную систему участники эксперимента погружались в смешанную реальность. Они манипулировали реальным объектом, одновременно просматривая виртуальную среду через гарнитуру, на которой отображались виртуальные копии объекта и руки в перчатке [32].

В этом исследовании оценивалось, как изменение характера расширенной сенсорной обратной связи, используемой для тренировки моторики с помощью VR, может повлиять на изменения неврологической активности, двигательных функций и мышечной активности после тренировки при выполнении задания «взять и положить». Основным экспериментальным фактором было предоставление участникам сигнала о правильном захвате предмета с помощью либо унимодальной (только звуковой сигнал), либо мультимодальной (звуковой и визуальный сигнал) обратной связи во время каждого повторения упражнения. Результаты показали, что расширенная обратная связь, особенно мультимодальная, обеспечиваемая с помощью VR, является перспективным методом восстановления двигательных функций после ЧМТ [32].

Другим примером может служить работа C.L. van de Wouw et al., в которой продемонстрирована эффективность инновационных геймифицированных методов когнитивной тренировки при приобретенных ЧМТ у детей [33]. Авторы описывают использование системы VR, в частности компьютерной среды для реабилитации. После 4-недельной когнитивно-поведенческой терапии в рамках этой программы (20 сеансов) отмечены значительные улучшения внимания и исполнительных функций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ / CONCLUSION

Традиционные методы реабилитации часто имеют ограничения, связанные с приверженностью пациентов и недостаточной эффективностью. В современном мире для достижения оптимальных результатов в процесс лечения интегрируются цифровые инструменты, в число которых входят методы, основанные на VR и AR. В данной работе показана эффективность использования этих подходов в реабилитации пациентов с нарушениями функций организма, связанными с онкологическими заболеваниями, инсультом, рассеянным склерозом, ЧМТ, а также слабовидящих больных и людей с заболеваниями опорно-двигательного аппарата. Очевидно, что это далеко не весь перечень заболеваний, при которых с успехом применяются VR- и AR-технологии.

Основные методы и подходы с использованием VR и AR – это общедоступные коммерческие игры и VR-системы, однако применяются и индивидуализированные самодельные модели.

Данные методы повышают вовлеченность пациентов и соблюдение ими режима лечения благодаря применению игровых подходов. Результативность реабилитации, основанной на VR- и AR-технологиях, зачастую превосходит таковую при использовании традиционной терапии. Это связано, в первую очередь, с тем, что игровая среда снижает болевые ощущения – важный фактор при восстановлении двигательных функций. Также передовые VR-платформы способны корректировать сложность заданий в зависимости от результатов пациента, что необходимо для развития нейропластичности, помогающей при реабилитации после инсульта. Интеграция с носимыми устройствами и роботизированными системами дает еще больше возможностей в восстановлении организма при рассеянном склерозе и заболеваниях опорно-двигательного аппарата. Предоставление объективной обратной связи значительно улучшает результаты реабилитации при различных состояниях.

Тем не менее в научной литературе сохраняются пробелы в сравнении методов лечения, предоставлении долгосрочных данных и экономической оценке подобных подходов. Повсеместному внедрению перспективных VR-, AR- и XR-технологий препятствуют высокая стоимость, сложность обучения, недостаточная клиническая апробация, ограниченная доступность и отсутствие стандартизированных протоколов реабилитации. Этические проблемы, в т.ч. вопросы безопасности данных и конфиденциальности пациентов, еще больше затрудняют их использование в клинических условиях. Будущие исследования должны быть направлены на изучение долгосрочной эффективности, повышение экономической целесообразности, стандартизацию и улучшение доступности технологий для их беспрепятственной интеграции в клиническую практику.