沉浸式虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練用于前交叉韌帶重建術(shù)后患者下肢運動功能康復(fù)的效果觀察

施明 潘文平 李亮 曾明 陳迎春

前交叉韌帶重建術(shù)（anterior cruciate ligament reconstruction,ACLR）后患者在恢復(fù)期的康復(fù)訓(xùn)練過程中會出現(xiàn)關(guān)節(jié)腫脹、疼痛、活動受限、肌力下降及本體感覺減退等一系列問題。特別是在康復(fù)訓(xùn)練早期，由于術(shù)后關(guān)節(jié)疼痛、腫脹及支具制動等原因，導(dǎo)致患側(cè)下肢股直肌激活受限、萎縮、肌力下降，在步行過程中由于患側(cè)膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性減退，支撐期伸膝不充分，引起“股四頭肌逃避步態(tài)”，影響患者膝關(guān)節(jié)功能的恢復(fù)[1-2]。ACLR后康復(fù)策略關(guān)鍵是恢復(fù)肌肉的質(zhì)量、力量、爆發(fā)力以及協(xié)調(diào)性[3]。如何有效改善患者下肢肌力，提高術(shù)后下肢運動功能，降低后期創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生率一直是學(xué)者探討的焦點。虛擬現(xiàn)實（virtual reality,VR）訓(xùn)練是利用計算機生成虛擬的現(xiàn)實環(huán)境，實現(xiàn)視、聽、觸和動覺等多方面虛擬互動和反饋，使患者在VR環(huán)境中進(jìn)行可控的功能性運動和操作[4]。有研究證實VR技術(shù)對改善步行障礙具有積極作用[5]。本研究對ACLR后患者下肢功能采用沉浸式VR訓(xùn)練，觀察其效果，現(xiàn)將結(jié)果報道如下。

1 對象和方法

1.1 對象 選取2017年1月至2019年10月嘉興市第二醫(yī)院康復(fù)中心ACLR后患者50例。診斷均符合前交叉韌帶（anterior cruciate ligament,ACL）損傷標(biāo)準(zhǔn)：前抽屜試驗、Lachman試驗陽性，膝關(guān)節(jié)MRI檢查可見ACL損傷或完全斷裂，術(shù)中關(guān)節(jié)鏡下符合ACL損傷標(biāo)準(zhǔn)。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）經(jīng)關(guān)節(jié)鏡ACLR后，年齡16～40歲；（2）嚴(yán)格按照本院關(guān)節(jié)外科ACLR手術(shù)流程由同組醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)操作，移植物均選用患側(cè)膝關(guān)節(jié)半腱肌肌腱和股薄肌肌腱；（3）能夠配合進(jìn)行早期康復(fù)訓(xùn)練。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）重建術(shù)后失效者：MRI檢查證實ACL移植物完全斷裂，軸移試驗陽性，KT-1000測差值超過5 mm，MRI圖像上靜態(tài)脛骨前移超過5 mm；（2）合并有后交叉韌帶損傷、半月板損傷、側(cè)副韌帶損傷及其他關(guān)節(jié)骨折的患者；（3）合并有神經(jīng)損傷的患者；（4）嚴(yán)重心血管、肺部疾病、糖尿病、椎間盤突出、癲癇的患者；（5）無法耐受一般康復(fù)訓(xùn)練的患者；（6）合并有術(shù)后嚴(yán)重感染的患者；（7）存在認(rèn)知、視覺及聽覺障礙或無法適應(yīng)VR訓(xùn)練的患者。脫落標(biāo)準(zhǔn)：（1）發(fā)生嚴(yán)重不良事件不宜繼續(xù)參加本研究者；（2）未按照預(yù)定方案進(jìn)行訓(xùn)練者；（3）因自身原因要求退出本研究者。采用隨機數(shù)字表法將50例患者分為常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練組（對照組）及沉浸式VR訓(xùn)練組（治療組），各25例。兩組患者一般資料比較差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（均P＞0.05），見表1。本研究經(jīng)本院醫(yī)學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)（編號jxey-2017010），所有患者均簽署知情同意書。

表1 兩組患者一般資料的比較

1.2 方法 兩組患者均進(jìn)行ACLR術(shù)后常規(guī)肌力及神經(jīng)康復(fù)訓(xùn)練方案[6-7]。第一階段（1～4周）：減輕腫脹、控制疼痛、增加活動度，膝關(guān)節(jié)支具伸膝位固定保護(hù)，運動后冷療消腫，股四頭肌及腘繩肌肌群等長收縮訓(xùn)練，肌肉電刺激治療改善肌力；訓(xùn)練時間：30 min/次，2次/d，5 d/周。第二階段（5～8周）：改善關(guān)節(jié)活動范圍、恢復(fù)步行能力，持續(xù)關(guān)節(jié)活動度訓(xùn)練，肌肉電刺激治療，股四頭肌及腘繩肌肌力訓(xùn)練、抗阻訓(xùn)練，負(fù)重訓(xùn)練，運動后冷療，平衡及動態(tài)穩(wěn)定性訓(xùn)練，邁步訓(xùn)練，上下臺階訓(xùn)練及步行訓(xùn)練；訓(xùn)練時間：40 min/次，2次/d，5 d/周。第三階段（9～24周）：繼續(xù)下肢肌力及耐力訓(xùn)練，患膝單側(cè)負(fù)重訓(xùn)練，平衡板本體感覺訓(xùn)練，負(fù)重臺階訓(xùn)練，整體肌力訓(xùn)練，雙腳跳躍訓(xùn)練，跑臺慢跑訓(xùn)練，膝關(guān)節(jié)靈活性訓(xùn)練；訓(xùn)練時間：40 min/次，2 次/d，5 d/周。第四階段（25～48周）：漸進(jìn)式訓(xùn)練及靈敏性訓(xùn)練，單腳跳躍訓(xùn)練，多方向加減速沖刺訓(xùn)練，提高運動負(fù)荷量；訓(xùn)練時間：40 min/次，2 次/d，5 d/周。

治療組在術(shù)后常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練第6周加入沉浸式VR訓(xùn)練，包括：（1）VR智能跑臺訓(xùn)練：使用荷蘭Motek Medical公司生產(chǎn)的ITreadmail虛擬現(xiàn)實智能跑臺訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)由寬基跑臺、虛擬屏幕、投影儀、主控臺組成。障礙物回避與目標(biāo)踩踏訓(xùn)練：由康復(fù)治療師選取患者合適的跑臺速度，投影儀投射至跑臺上呈現(xiàn)出固定步長、步寬及步頻的足印，患者按要求踩踏足印步行，過程中患者需隨時避開足印前出現(xiàn)的紅色障礙物標(biāo)記塊，同時需踩踏綠色目標(biāo)標(biāo)記塊。意大利阿爾卑斯山游戲：患者被要求在步行過程中收集前置顯示屏中做披薩的原料，同時通過側(cè)力位移避開廣告牌和花等障礙物；訓(xùn)練時間 15 min/次，2 次/d，5 d/周。（2）VR 擾動訓(xùn)練：使用荷蘭Motek Medical公司生產(chǎn)的Dynstable虛擬平衡訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)干擾訓(xùn)練，患者脫鞋，雙腳并足站立于測力板中央?yún)^(qū)域，VR場景顯示為一移動平板，周圍出現(xiàn)不同方向，不同速度的小球撞擊移動平板，隨即產(chǎn)生不同加速度及不同方向的測力板位移?；颊咴诖擞?xùn)練過程中盡量保持身體的平衡穩(wěn)定。難度等級為1到9級，根據(jù)患者個體情況選擇不同等級難度的訓(xùn)練，患者由雙足直立站立過渡到屈膝位站立，再由患側(cè)單肢伸膝位站立過渡到屈膝位站立；訓(xùn)練時間10 min/次，2 次/d，5 d/周。

1.3 觀察指標(biāo) 兩組患者在常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練第6周（沉浸式VR訓(xùn)練前）及第14周（沉浸式VR訓(xùn)練后）進(jìn)行等速肌力測試及膝關(guān)節(jié)功能評估。

1.3.1 等速肌力測試 采用美國HUMAC2009NORM等速肌力測定儀，測定時患者取75°坐位，軀干及大腿使用固定帶進(jìn)行固定，雙手握測試儀兩側(cè)把手，連接動力儀及阻力墊固定在測試腿內(nèi)踝上3 cm處，動力儀的動力軸中心與測試腿膝部的股骨外髁一致，去除重力因素。肌力測試：測試前對系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)校正，選擇速度為60°/s角速度模式，每組測試前進(jìn)行3次亞極量屈伸膝關(guān)節(jié)準(zhǔn)備活動，隨后要求患者在儀器設(shè)定范圍內(nèi)作最大力的膝關(guān)節(jié)屈曲、伸展運動各10次，屈伸測試間休息3 min。測試指標(biāo)：（1）峰值力矩（peak torque,PT）是指肌肉收縮產(chǎn)生的最大力矩輸出值，代表肌肉收縮產(chǎn)生的最大肌力，包括伸肌峰力矩（extensor peak torque,EPT）和屈肌峰力矩（flexor peak torque,FPT）。（2）膝關(guān)節(jié)屈/伸肌群峰力矩比值（H/Q）反映屈伸肌力平衡情況。

1.3.2 膝關(guān)節(jié)功能評估 包括Holden步行功能分級評估及國際膝關(guān)節(jié)文獻(xiàn)委員會膝關(guān)節(jié)評估表（International Knee Documentation Committee Subjective Knee Evaluation Form,IKDC）評分。Holden步行功能分級共分為5級，評級越高步行功能越好，將分級對應(yīng)為相應(yīng)分值進(jìn)行統(tǒng)計。IKDC由10項膝關(guān)節(jié)評估和8項膝關(guān)節(jié)韌帶檢查組成，針對膝關(guān)節(jié)的疼痛、功能、日常生活活動能力和體育活動適應(yīng)能力等進(jìn)行評估，分值0～100分。

2 結(jié)果

2.1 兩組患者等速肌力測定結(jié)果的比較 兩組患者訓(xùn)練前EPT、FPT及H/Q的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（均P＞0.05），訓(xùn)練后較訓(xùn)練前均明顯改善（均P＜0.05），且治療組較對照組明顯改善（P＜0.05），見表2。

表2 兩組患者等速肌力測定結(jié)果的比較

2.2 兩組患者膝關(guān)節(jié)功能評估的比較 兩組患者訓(xùn)練前Holden分級及ICDK數(shù)值比較差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（均P＞0.05），訓(xùn)練后兩組患者較訓(xùn)練前均明顯改善（均P＜0.01），且治療組較對照組明顯改善（P＜0.05），見表3。

表3 兩組患者膝關(guān)節(jié)功能評估的比較

3 討論

ACLR術(shù)后患者因急性期疼痛、腫脹、制動等原因?qū)е玛P(guān)節(jié)源性肌肉抑制，進(jìn)而影響下肢肌肉萎縮無力[8]。有研究表明，ACLR術(shù)后下肢肌群力量減退嚴(yán)重，患側(cè)股四頭肌力下降40%，腘繩肌肌力下降9%～27%，同時術(shù)后健側(cè)股四頭肌及腘繩肌肌力下降分別為21%和14%[9]。膝關(guān)節(jié)屈伸肌群無力導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性下降，繼而增加骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生率[10]，因此對ACLR術(shù)后下肢對稱性的肌力訓(xùn)練顯得至關(guān)重要。但是單純的肌力訓(xùn)練并不能完全改善膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性，影響膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定的另一重要因素是本體感覺功能，正常的本體感覺是神經(jīng)傳導(dǎo)及反射功能整合的基礎(chǔ)，關(guān)節(jié)中的機械刺激感受器不斷把本體感覺信號傳遞給中樞，中樞神經(jīng)系統(tǒng)通過對傳入本體感覺信息的整合形成膝關(guān)節(jié)的位置與運動覺，同時為了調(diào)整軀體的平衡，中樞神經(jīng)系統(tǒng)需要整合本體感覺、軀體感覺、視覺和前庭信息，通過反饋作用調(diào)節(jié)肌肉的興奮程度，從而參與膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定的控制[11-13]。由于膝關(guān)節(jié)韌帶的撕裂，導(dǎo)致ACL本體感受器缺失，引起膝關(guān)節(jié)本體感覺功能的減退，膝關(guān)節(jié)反饋機制損害導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性下降，步行姿態(tài)異常。因此探討通過何種有效的康復(fù)治療方式促進(jìn)患者下肢肌力、本體感覺及步行功能的恢復(fù)一直是ACL重建術(shù)后康復(fù)研究的熱點。

目前對ACLR后的康復(fù)治療集中在對關(guān)節(jié)活動度、肌力、平衡及本體感覺訓(xùn)練這幾方面[14]。近年來研究顯示通過神經(jīng)肌肉訓(xùn)練可以改善患者下肢肌群肌力及膝關(guān)節(jié)本體感覺、協(xié)調(diào)控制能力，強化膝關(guān)節(jié)的神經(jīng)肌肉控制能力對膝關(guān)節(jié)的功能活動及減少再次損傷率有幫助，因此ACL重建術(shù)后膝關(guān)節(jié)的功能訓(xùn)練越來越強調(diào)神經(jīng)反饋調(diào)控機制。神經(jīng)反饋調(diào)控依賴于完整的感受器輸入及中樞整合輸出的結(jié)構(gòu)功能方式，有研究認(rèn)為“內(nèi)部關(guān)注”及“外部關(guān)注”對膝關(guān)節(jié)的運動控制產(chǎn)生影響。目前臨床上運動姿勢控制訓(xùn)練主要采用康復(fù)治療師的言語誘導(dǎo)，比如在步行支撐過程中要求患者更多的保持伸膝，這種引起患者關(guān)注運動控制的方式稱為“內(nèi)部關(guān)注”，當(dāng)患者注意力指向運動結(jié)果或者效果時，比如“想象踢球”時以促進(jìn)伸膝，稱為“外部關(guān)注”[15]?！皟?nèi)部關(guān)注”破壞了力產(chǎn)生中的有效運動控制，增加了拮抗肌的共同收縮，降低了協(xié)調(diào)效率。而提供引起“外部關(guān)注”而非“內(nèi)部關(guān)注”的方法將會導(dǎo)致更大的運動效果，提高準(zhǔn)確性、平衡性及效率[16]。增加“外部關(guān)注”需依賴視覺輸入，研究認(rèn)為視覺反饋疊加了更多的感覺輸入，在維持神經(jīng)肌肉控穩(wěn)定性方面作用顯著[17-18]。通過增加視覺運動反饋訓(xùn)練可以提高神經(jīng)肌肉穩(wěn)定性，較傳統(tǒng)運動治療更能減少創(chuàng)傷風(fēng)險[19-20]。傳統(tǒng)訓(xùn)練中很難讓患者在各種現(xiàn)實場景中進(jìn)行訓(xùn)練，這限制了患者運動模式向?qū)嶋H活動的有效轉(zhuǎn)化。VR訓(xùn)練具有沉浸、交互和想象三大特點，提供給參與者模仿現(xiàn)實環(huán)境的虛擬訓(xùn)練場景，通過對視覺中虛擬物體作出的實時反應(yīng)從而達(dá)到訓(xùn)練的目的。這種訓(xùn)練技術(shù)增加了“外部關(guān)注度”弱化了“內(nèi)部關(guān)注度”，有利于改善神經(jīng)肌肉運動功能。近期研究顯示通過VR訓(xùn)練可以增加膝關(guān)節(jié)感覺-視覺-運動計劃大腦網(wǎng)絡(luò)皮層的興奮性，降低膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)損傷風(fēng)險[21]。研究表明，ACLR后與標(biāo)準(zhǔn)步行訓(xùn)練相比，步行訓(xùn)練與虛擬訓(xùn)練相結(jié)合則步態(tài)會有更大的改善[22]。一項隨機對照研究顯示，通過VR訓(xùn)練，可以改善ACLR后患者下肢肌力、平衡及協(xié)調(diào)反應(yīng)時間[23]。

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩組患者訓(xùn)練前后EPT、FPT及H/Q值均明顯改善（均P＜0.01），但治療組較對照組更為明顯（P＜0.05），從結(jié)果來看，VR訓(xùn)練在改善患側(cè)股直肌及腘繩肌肌力及膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性方面存在優(yōu)勢。分析原因可能為ACLR后患者康復(fù)過程中多存在患側(cè)膝關(guān)節(jié)腫脹、疼痛及本體感覺減退等問題，導(dǎo)致肌力下降及膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性減退，訓(xùn)練時患者往往更多關(guān)注膝關(guān)節(jié)的內(nèi)在因素，而忽視了其運動控制的有效性，訓(xùn)練效果受影響。本研究中VR訓(xùn)練通過設(shè)置沉浸式VR場景以影響患者的注意力，使其關(guān)注點在于VR任務(wù)場景，增加了外部關(guān)注度，弱化了內(nèi)在負(fù)性干擾因素。步行訓(xùn)練及擾動訓(xùn)練均需要下肢肌肉群實時做出精確快速反應(yīng)以穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)，VR訓(xùn)練的介入使本體感覺、軀體感覺、視覺和前庭信息得到有效整合，感覺輸入、中樞整合運動輸出的神經(jīng)肌肉調(diào)控系統(tǒng)得到反復(fù)激活，優(yōu)化了神經(jīng)反饋調(diào)控效果，使影響膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的肌肉群能更快速、精準(zhǔn)、有效的激活，提高了運動控制的自動化，患膝屈伸肌力及膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性得到進(jìn)一步改善。既往研究對ACLR患者進(jìn)行跳躍觸地測試時，使用外部關(guān)注指令與內(nèi)部關(guān)注相比在患側(cè)膝關(guān)節(jié)伸膝峰值力矩方面更有優(yōu)勢，表明增加外部關(guān)注度確實可以改善神經(jīng)肌肉控制能力，提高下肢肌力，也印證了這一點[22]。同樣本研究中治療組Holden分級及ICDK分值較對照組明顯改善（均P＜0.05），表明通過VR訓(xùn)練可以改善膝關(guān)節(jié)運動功能。分析原因認(rèn)為VR訓(xùn)練的特點是實時互動反饋，患者通過投影目標(biāo)物追蹤并重復(fù)步行軌跡，躲避障礙執(zhí)行多重目標(biāo)任務(wù)，更加傾向于真實環(huán)境的重現(xiàn)，患者可以采取有意識的控制方式進(jìn)行對多變的目標(biāo)任務(wù)進(jìn)行及時調(diào)整，這種方式有利于患膝對復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行適應(yīng)，重復(fù)強化的感覺輸入增加了運動反饋的有效性，內(nèi)部關(guān)注度的降低弱化了運動參與的恐懼心理，增加運動輸出的效率，使得膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性及靈活性得到提高，膝關(guān)節(jié)運動功能改善。

綜上所述，通過沉浸式VR訓(xùn)練能夠有效的提高患側(cè)下肢股直肌、腘繩肌的肌力，改善膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性及下肢功能。并且采用VR訓(xùn)練治療ACLR后患者痛苦小，興趣及依從性高，操作簡便，所需人力少，值得臨床推廣。然而，作為近年來發(fā)展起來的一項新興療法，VR技術(shù)本身存在技術(shù)尚未發(fā)展成熟的局限性，此外本研究中樣本量較小，隨訪時間偏短。總之，本研究表明VR訓(xùn)練是一種實用且安全的ACLR后患者下肢功能的康復(fù)手段，但還需在后續(xù)大樣本、高質(zhì)量的長期臨床研究中進(jìn)一步完善。