虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在胸腰段脊髓損傷患者輪椅基礎(chǔ)訓(xùn)練中的應(yīng)用

謝君杰杜宇鵬龐錦闊鈕雪康吳玉玲徐守宇，3

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在胸腰段脊髓損傷患者輪椅基礎(chǔ)訓(xùn)練中的應(yīng)用

謝君杰1杜宇鵬1龐錦闊1鈕雪康1吳玉玲2徐守宇1，3

胸腰段；脊髓損傷；虛擬現(xiàn)實(shí)；輪椅訓(xùn)練

輪椅訓(xùn)練是脊髓損傷（spinal cord injury，SCI）患者一項(xiàng)重要的康復(fù)訓(xùn)練內(nèi)容。因SCI造成截癱的患者不能長距離步行，由輪椅代替下肢進(jìn)行移動(dòng)。通過輪椅訓(xùn)練，能夠強(qiáng)化上肢、軀干肌力，提高坐位平衡和運(yùn)動(dòng)功能，最重要的是可以大大提高患者操縱輪椅的技術(shù)水平,提高功能獨(dú)立性和日常生活活動(dòng)能力（activity of daily life，ADL），對(duì)于他們重返社會(huì)起著非常重要的作用[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual reality，VR）運(yùn)用計(jì)算機(jī)和專業(yè)的軟硬件顯現(xiàn)仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)在視、聽、觸、動(dòng)覺等方面的虛擬互動(dòng)和反饋，使用者可以在虛擬環(huán)境中完成可控的功能性運(yùn)動(dòng)和操作，達(dá)到功能重建目的[2]。它可以提供有意義的任務(wù)性訓(xùn)練與精確的感覺回饋，確保受試者擁有真實(shí)而安全的訓(xùn)練環(huán)境，并包含重復(fù)練習(xí)、成績反饋和動(dòng)機(jī)維持等關(guān)鍵要素[3]。本研究運(yùn)用的情景模擬與現(xiàn)實(shí)互動(dòng)康復(fù)系統(tǒng)（SilverFit）是輪椅訓(xùn)練的一種可視化虛擬康復(fù)，通過虛擬的場景，對(duì)患者進(jìn)行不定向動(dòng)態(tài)訓(xùn)練。本研究主要對(duì)首次獨(dú)立使用輪椅的患者進(jìn)行輪椅基礎(chǔ)訓(xùn)練，包括：向前驅(qū)動(dòng)、向后驅(qū)動(dòng)、左右轉(zhuǎn)訓(xùn)練等[4]，旨在通過臨床隨機(jī)對(duì)照研究觀察運(yùn)用Si-lverFit進(jìn)行輪椅訓(xùn)練對(duì)SCI截癱患者功能獨(dú)立性的影響。

1 資料與方法

1.1 一般資料2011年2月—2015年10月我科收治胸腰段脊髓損傷患者36例，均為完全性脊髓損傷。病程63～104天；男31例，女5例。入選病例隨機(jī)分為治療組和對(duì)照組各18例，兩組患者一般資料（年齡、性別、病程、損傷程度）及損傷水平差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見表1。

1.2 納入及排除標(biāo)準(zhǔn)納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）脊髓損傷診斷標(biāo)準(zhǔn)采用美國脊柱損傷協(xié)會(huì)脊髓損傷神經(jīng)學(xué)分類國際標(biāo)準(zhǔn)（ASIA,2000）[5]，損傷節(jié)段T11～L2，均為A級(jí)；完全性損傷，S4～S5無感覺、運(yùn)動(dòng)功能，亦無骶殘留；（2）病情穩(wěn)定，經(jīng)骨科醫(yī)師評(píng)估脊柱穩(wěn)定性良好；（3）既往無心臟病史及高血壓病史；（4）患者坐位平衡訓(xùn)練計(jì)劃已完成，能獨(dú)立坐15min以上；（5）患者首次單獨(dú)使用輪椅；（6）患者能熟悉輪椅的操作，包括：手閘操作、驅(qū)動(dòng)輪椅等；（7）患者自愿進(jìn)行該項(xiàng)臨床試驗(yàn)，并簽署知情同意書。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）老年癡呆，有嚴(yán)重行為問題或精神錯(cuò)亂者；（2）合并有認(rèn)知障礙（MMSE≤24分），不能配合訓(xùn)練；（3）各種疾病導(dǎo)致的上肢關(guān)節(jié)疼痛、活動(dòng)受限；（4）各種疾病導(dǎo)致的發(fā)生在胸腰段的脊髓損傷，包括圓錐綜合征、馬尾綜合征等；（5）伴有重要器官（心、肺、肝、腎等）衰竭、惡性腫瘤、病情不穩(wěn)定者。

表1 兩組患者一般資料比較

表1 兩組患者一般資料比較

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1.3 方法

1.3.1 訓(xùn)練方法本研究設(shè)計(jì)將輪椅訓(xùn)練分為三階段：第一階段為輪椅基礎(chǔ)訓(xùn)練，第二階段為輪椅加強(qiáng)訓(xùn)練，第三階段為輪椅實(shí)踐訓(xùn)練。兩組患者進(jìn)行第一階段不定向動(dòng)態(tài)輪椅基礎(chǔ)訓(xùn)練，并均接受常規(guī)神經(jīng)內(nèi)科藥物治療和物理治療。參照SilverFit設(shè)計(jì)訓(xùn)練處方：3min/次，1天3次，兩次訓(xùn)練之間休息2min，共14天；訓(xùn)練中使用的輪椅均是普通輪椅，輪椅選擇參照國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 16432-2004/ISO 9999；2002）[6]。訓(xùn)練場地有效范圍為2.0m×3.0m。

對(duì)照組訓(xùn)練場地分左區(qū)和右區(qū)，并用線段及點(diǎn)來表示（見圖1）。其中線段OA、DE各為3.0m和2.0m，點(diǎn)O為線段DE中點(diǎn)；在線段OA三等分點(diǎn)上標(biāo)記字母：B、C，并以其中一點(diǎn)為中點(diǎn)作線段OA的垂直虛線，長2m，每0.5m作一個(gè)點(diǎn)，記0.5m或1.0m，如圖中點(diǎn)F，稱右區(qū)B 0.5。訓(xùn)練前，治療師告知患者訓(xùn)練方法和目的，并要求其訓(xùn)練時(shí)保持自身平衡。訓(xùn)練時(shí)，患者操控輪椅處于起點(diǎn)O處，治療師位于其左側(cè)，保護(hù)患者；患者聽口令完成任務(wù)，如：治療師發(fā)出口令“左區(qū)C 1.0”，隨即，患者操控輪椅快速、平穩(wěn)地到達(dá)目標(biāo)處；當(dāng)患者完成一次任務(wù)后，治療師發(fā)出下一個(gè)口令，減少任務(wù)間隔；每次訓(xùn)練，治療師記錄患者完成目標(biāo)數(shù)，并取3次訓(xùn)練平均值。

圖1 訓(xùn)練場地分區(qū)圖示

治療組運(yùn)用情景模擬與現(xiàn)實(shí)互動(dòng)康復(fù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)輪椅訓(xùn)練模式進(jìn)行不定向動(dòng)態(tài)輪椅訓(xùn)練。訓(xùn)練在SilverFit治療室中進(jìn)行，并只允許治療師和患者進(jìn)入，避免干擾。訓(xùn)練前，治療師告知患者訓(xùn)練方法和目的，并要求其訓(xùn)練時(shí)保持自身平衡?；颊咛幱谥付ㄎ恢?，面向攝像頭；治療師處于攝像范圍之外。本系統(tǒng)通過自身配置的攝像頭紅外感應(yīng)裝置定位患者位置及運(yùn)動(dòng)；在訓(xùn)練中，顯示器中剪刀代表操控輪椅的患者，花朵代表目標(biāo)物；當(dāng)患者通過視覺線索操控輪椅朝目標(biāo)物行進(jìn)，顯示器中剪刀同時(shí)向花朵移動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)花朵時(shí)，花朵被剪刀剪掉，隨即在任意位置出現(xiàn)新花朵，開始新的剪花任務(wù)。時(shí)間到，系統(tǒng)顯示患者剪花的數(shù)目，治療師及時(shí)記錄，并取3次訓(xùn)練平均值（見圖2）。

圖2 情景模擬與現(xiàn)實(shí)互動(dòng)康復(fù)系統(tǒng)圖像

1.3.2 評(píng)定方法治療前后采用SilverFit、功能獨(dú)立性測量（FIM）[7]進(jìn)行評(píng)分，評(píng)定均由專人進(jìn)行。（1）運(yùn)用SilverFit評(píng)定患者3min內(nèi)剪花的數(shù)目，進(jìn)行3次，取平均值。（2）FIM量表包括六方面的功能，總分126分。本研究同時(shí)另選用其中的第Ⅲ項(xiàng)（轉(zhuǎn)移）、第Ⅳ項(xiàng)（行走）進(jìn)行評(píng)分，總分35分。

1.3.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法應(yīng)用SPSS13.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，計(jì)數(shù)資料采用χ2檢驗(yàn)，計(jì)量資料用表示，采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

治療前兩組患者剪花數(shù)、FIM評(píng)分差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。經(jīng)過14天的訓(xùn)練，兩組患者的剪花數(shù)、FIM評(píng)分均有提高，治療前后評(píng)分比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），治療組高于對(duì)照組（P＜0.05）。見表2～4。

表2 兩組患者剪花數(shù)比較

表2 兩組患者剪花數(shù)比較

注：與治療前比較，*P<0.05；與對(duì)照組比較，△P<0.05

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表3 兩組患者FIM評(píng)分比較

表3 兩組患者FIM評(píng)分比較

注：與治療前比較，*P<0.05；與對(duì)照組比較，△P<0.05；FIM：功能獨(dú)立性測量

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表4 兩組患者FIM-Ⅲ、Ⅳ評(píng)分

表4 兩組患者FIM-Ⅲ、Ⅳ評(píng)分

注：與治療前比較，*P<0.05；與對(duì)照組比較，△P<0.05；FIM：功能獨(dú)立性測量

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3 討論

脊髓損傷（SCI）的發(fā)生存在著地區(qū)及時(shí)期的差異性[8]，西方國家以交通事故傷、暴力傷、運(yùn)動(dòng)傷、跌傷為主。在我國，隨著經(jīng)濟(jì)水平和機(jī)動(dòng)車保有量的提高，交通事故成為脊髓損傷的主要原因之一[9]。Sekh-on等[10]認(rèn)為，在胸腰段脊髓較頸段脊髓更容易發(fā)生損傷，導(dǎo)致截癱，下肢留有不同程度的功能障礙，不能獨(dú)立長距離步行，輪椅是患者日常生活中必不可少的重要代步工具。因此，加強(qiáng)患者輪椅訓(xùn)練尤其重要。

本研究設(shè)計(jì)將輪椅訓(xùn)練分為三階段：第一階段為輪椅基礎(chǔ)訓(xùn)練，包括向前驅(qū)動(dòng)、向后驅(qū)動(dòng)、左右轉(zhuǎn)訓(xùn)練等；第二階段為輪椅加強(qiáng)訓(xùn)練，包括前輪翹起行走及旋轉(zhuǎn)訓(xùn)練、上下斜坡和跨越障礙訓(xùn)練等；第三階段為輪椅實(shí)踐訓(xùn)練，包括過馬路、上下馬路鑲邊石、進(jìn)出無障礙公廁等。輪椅訓(xùn)練不僅包括對(duì)患者的技巧訓(xùn)練，還包括對(duì)其心理訓(xùn)練和體能訓(xùn)練[11]。其中，場地缺少是影響輪椅訓(xùn)練的重要因素，很多訓(xùn)練項(xiàng)目往往因場地條件的限制而無法充分地進(jìn)行。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)因具有沉浸性、交互性及想象性被廣泛應(yīng)用于輪椅訓(xùn)練。目前，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研制輪椅仿真平臺(tái)的項(xiàng)目有虛擬現(xiàn)實(shí)輪椅體驗(yàn)系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)輪椅使用訓(xùn)練系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)輪椅系統(tǒng)等[11]。本研究使用的SilverFit實(shí)現(xiàn)了患者操控輪椅的可視化虛擬訓(xùn)練，不僅解決了輪椅訓(xùn)練受場地制約的問題，更可以模擬出真實(shí)的場景，提高患者訓(xùn)練的積極性，能對(duì)患者進(jìn)行心理訓(xùn)練和體能訓(xùn)練，而且該系統(tǒng)軟件還可以作為評(píng)估和訓(xùn)練軟件，甚至是一款簡單的游戲軟件。

虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練具有現(xiàn)實(shí)環(huán)境所不具備的多重優(yōu)勢。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用至康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域，可有效解決傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練方法的局限性。本研究中，對(duì)兩組患者進(jìn)行14天的輪椅基礎(chǔ)訓(xùn)練，兩組的剪花數(shù)和FIM評(píng)分均獲得提高，且治療后治療組與對(duì)照組比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。這些結(jié)果表明，進(jìn)行場地輪椅訓(xùn)練能促進(jìn)患者對(duì)操縱輪椅的技巧和經(jīng)驗(yàn)的積累，提升患者操控輪椅的能力，提高患者日常生活活動(dòng)能力，而治療組運(yùn)用SilverFit進(jìn)行輪椅訓(xùn)練能更好地提升患者操控輪椅的能力，更有效地提高患者功能獨(dú)立性，療效明顯優(yōu)于對(duì)照組。

康復(fù)治療的機(jī)制包括重復(fù)、反饋和動(dòng)機(jī)3個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)[12]。現(xiàn)代動(dòng)作控制與動(dòng)作學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，人類所有動(dòng)作都具有任務(wù)取向特點(diǎn)，是人對(duì)環(huán)境或條件變化所作出的反應(yīng)[13]。治療中，在不同環(huán)境下通過有意義的動(dòng)作訓(xùn)練和感覺回饋刺激，促進(jìn)患者系統(tǒng)整合，從而取得較好的康復(fù)療效。SilverFit能提供視覺、聽覺及位置感覺等反饋，患者漫游在虛擬情景中，通過熒屏中的動(dòng)畫，不斷糾正訓(xùn)練中的錯(cuò)誤動(dòng)作，建立正確行為。在每次完成剪花時(shí)，系統(tǒng)都會(huì)發(fā)出歡快的聲音以鼓勵(lì)患者，使其獲得成功的愉悅體驗(yàn)并激發(fā)其訓(xùn)練的積極性。SilverFit模擬真實(shí)的鄉(xiāng)間小道環(huán)境，讓患者有身臨其境感，對(duì)患者進(jìn)行心理訓(xùn)練，并提高了患者訓(xùn)練的興趣。在本研究中，治療組訓(xùn)練的積極性明顯高于對(duì)照組。運(yùn)用SilverFit患者操控輪椅完成剪花來訓(xùn)練其對(duì)輪椅的操縱，加強(qiáng)患者技巧訓(xùn)練和體能訓(xùn)練，經(jīng)過訓(xùn)練患者更能將學(xué)到的技能運(yùn)用到現(xiàn)實(shí)生活中去，更有效地提高患者功能獨(dú)立性。這種可視化虛擬康復(fù)能調(diào)動(dòng)患者更多的注意力及思維能力，可緩解其在訓(xùn)練中出現(xiàn)的恐懼和緊張心理，刺激并訓(xùn)練其適應(yīng)能力，使其容易堅(jiān)持訓(xùn)練，從而達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練所提倡的“循序漸進(jìn)、持之以恒、主觀能動(dòng)”等治療原則。

本研究采用情景模擬與現(xiàn)實(shí)交互康復(fù)系統(tǒng)（SiverFit）對(duì)胸腰段脊髓損傷患者進(jìn)行輪椅基礎(chǔ)訓(xùn)練，取得良好效果，患者操縱輪椅的能力及功能獨(dú)立性顯著提高，證明運(yùn)用SilverFit進(jìn)行輪椅訓(xùn)練在重復(fù)、反饋和動(dòng)機(jī)維持等方面具有顯著優(yōu)勢，適于在輪椅訓(xùn)練康復(fù)中推廣。

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（收稿：2016-06-21修回：2016-10-05）

國家中醫(yī)藥管理局中醫(yī)藥重點(diǎn)學(xué)科（中醫(yī)康復(fù)學(xué)）建設(shè)經(jīng)費(fèi)資助（國中醫(yī)藥發(fā)[2012]32號(hào)）；浙江省醫(yī)藥衛(wèi)生科技計(jì)劃項(xiàng)目（No.2015KYB279）；浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No. LQ16H170001）

1浙江中醫(yī)藥大學(xué)附屬第三醫(yī)院康復(fù)科（杭州310005）；2中國人民解放軍全軍創(chuàng)傷康復(fù)中心理體療科（杭州310007）；3日本順天堂大學(xué)醫(yī)學(xué)部（日本東京113-8421）

徐守宇，Tel：137380361760