基于3D環(huán)境的虛擬現(xiàn)實任務導向訓練在腦卒中患者平衡功能康復中的應用

梁明，徐奕鵬，曲源，李紅燕，丁軒

腦卒中患者常存在不同程度的偏癱下肢肌肉力量減退、伸肌痙攣、運動控制協(xié)調(diào)能力下降，從而導致患者出現(xiàn)骨盆前傾、膝關節(jié)運動不穩(wěn)定、足下垂內(nèi)翻進而影響患者平衡功能[1]。平衡功能障礙是腦卒中患者常見的功能障礙，約75%的腦卒中患者存在不同程度的平衡障礙[2]。它顯著增加患者跌倒的風險，威脅患者生命健康，降低日常生活活動能力及生存質(zhì)量，給家庭及社會帶來沉重負擔。虛擬現(xiàn)實(VR)技術是一種新興且發(fā)展迅速的技術，其利用計算機編輯及多傳感技術構(gòu)建一個包含多感官刺激的3D VR環(huán)境，受試者通過多維感覺反饋進而與VR環(huán)境中的物體進行身臨其境般地交流與體驗，從而完成康復評估和訓練[3]。近年來，國內(nèi)外已有相關臨床試驗探討VR技術應用于腦卒中患者偏癱下肢平衡功能康復的有效性，然而研究結(jié)果各異[4]。本研究旨在通過臨床隨機對照試驗探討基于3D環(huán)境的VR任務導向訓練在腦卒中患者平衡功能障礙康復中的臨床療效。

1 對象與方法

1.1 對象 系2018年1月至2020年4月在神經(jīng)內(nèi)科及康復科住院的患者。入選標準：(1)年齡50～70歲;(2)符合2007年衛(wèi)生部疾病控制司修訂的《中國腦血管病防治指南》[5]診斷標準且首次發(fā)病，經(jīng)頭顱CT或MRI證實;(3)病程1～3個月;(4)腦卒中部位為單病灶及單側(cè)發(fā)病;(5)患側(cè)下肢肌力≥3級(徒手肌力評定)，下肢肌張力≤2級(改良Ashworth痙攣量表);(6)可獨自坐站(坐位及站位平衡≥2級);(7)沒有服用影響平衡功能的藥物，如抗癲癇藥或鎮(zhèn)靜安眠藥等。排除標準：(1)嚴重行為異?；蚓皴e亂;(2)認知障礙(MMSE≤24分)，不能配合指令;(3)既往有骨關節(jié)疾病或其他神經(jīng)肌肉疾病影響下肢運動功能;(4)重要器官(心、肺、肝、腎等)衰竭，病情不穩(wěn)定;(5)各種原因拒絕訓練者;(6)近期有下肢深靜脈血栓形成;(7)有患側(cè)忽略[6]或偏盲。共入組92例患者，隨機分為治療組和對照組各46例。治療組中男29例，女17例;平均年齡(59.78±6.46)歲;平均病程(2.17±0.49)個月;左側(cè)偏癱18例，右側(cè)偏癱28例;腦梗死30例，腦出血16例。對照組中男26例，女20例;平均年齡(61.57±6.74)歲;平均病程(2.02±0.40)個月;左側(cè)偏癱21例，右側(cè)偏癱25例;腦梗死32例，腦出血14例。經(jīng)統(tǒng)計學分析，兩組患者性別、年齡等一般資料差異無統(tǒng)計學意義(均P>0.05)，具有可比性。經(jīng)納入及排除標準符合條件者簽署知情同意書。本研究獲得新疆維吾爾自治區(qū)人民醫(yī)院醫(yī)學倫理委員會批準。

1.2 方法

1.2.1 治療方案 兩組患者平衡功能訓練均由康復治療師執(zhí)行，時間均為40 min/d，5 d/周，持續(xù)3周。兩組患者訓練強度基本相同。對照組給予常規(guī)平衡訓練，針對不同患者的具體病情，選擇合適訓練內(nèi)容[7]。采用多種平衡訓練工具如平衡板、平衡杠、訓練球及雙杠等相結(jié)合的方式進行針對性訓練。訓練原則依據(jù)姿態(tài)、速度及耐力等循序漸進。根據(jù)支撐面積從大到小，站立穩(wěn)定性從高到低，支撐質(zhì)地從硬到軟，站立平衡控制范圍從小到大完成。患者需從睜眼到閉眼，由靜態(tài)到自動態(tài)最后到他動態(tài)平衡不斷向前過渡，循序漸進地完成各項平衡任務。同時加用觸覺、聽覺及視覺反饋進一步強化患者上肢同軀干的組合運動，進而逐步過渡到下肢平衡訓練。依據(jù)患者康復訓練不同時期的具體情況實時動態(tài)調(diào)整患者整體康復訓練方案。治療組在常規(guī)康復基礎上給予基于3D環(huán)境的VR任務導向訓練。采用由荷蘭SilverFit Mile公司生產(chǎn)的情景模擬與現(xiàn)實互動康復系統(tǒng)(軟件版本2.4.0)。該系統(tǒng)包括顯示器(顯示虛擬環(huán)境，提供交互場景)、位置追蹤器(實時追蹤患者位置變化及運動變化，根據(jù)變化情況調(diào)整交互性)、3D眼鏡(提供3D場景)。訓練內(nèi)容有狐貍摘葡萄游戲(訓練坐位及站位平衡轉(zhuǎn)移功能)、擺方塊游戲(訓練中心前后左右轉(zhuǎn)移及靜態(tài)平衡能力)、踩鼴鼠游戲(訓練患者跨步動態(tài)平衡及軀干控制能力)等。

1.2.2 測試指標及評定過程

1.2.2.1 平衡功能臨床評定 分別于治療前、治療3周后進行如下評定。(1)偏癱下肢運動功能評定：采用Fugl-Meyer運動功能量表(FMA-LE)下肢部分評定，含17項，共34分。每項分為三級：0分為不能完成某一動作;1分為部分能完成;2分為充分完成，得分越高，代表下肢運動功能越好。(2)Berg平衡功能評定(BBS)：由坐到站立、無支撐站立及坐位、轉(zhuǎn)移能力、閉目站、上肢前伸、彎腰撿物、雙足輪替踏臺階等14項和平衡相關運動，每項得分0～4分，0 分表示不能完成動作，4分表示可正常完成，滿分56分。評分越高代表平衡功能越好，分數(shù)在40分以下，表示跌倒風險較大。

1.2.2.2 姿勢平衡能力評定[8]分別于治療前、治療3周后進行評定。采用BioRescue平衡功能評定系統(tǒng)完成以下指標測定，要求整個測試流程在光線充足，環(huán)境安靜條件下完成。(1)身體壓力中心移動指標測定:患者赤腳站立在平衡板上,雙足跟內(nèi)側(cè)間距8 cm，雙足長軸(足后跟中點和第二足趾連線)外旋15°(與前進方向夾角)。兩上肢自然下垂于身體兩旁，雙眼平視正前方。分別測定患者睜眼及閉眼60 s時足底壓力中心信號值,采集患者運動有效面積(重心運動軌跡所覆蓋的區(qū)域面積,其值越小表明穩(wěn)定性越好)，運動路徑長度及平均速度(重心在擺動過程中所通過的總長度及平均速度,長度及速度越小，表明穩(wěn)定性越好)。整個測試流程中若發(fā)生跌倒、手扶或邁步等情況均視為未完成。(2)穩(wěn)定極限范圍(LOS)測試: 患者赤腳站立在平衡板上,維持身體直立,在保證不跌倒狀況下,以足跟為中點在360°范圍內(nèi)，根據(jù)顯示器箭頭指示,分別向前后左右傾斜,讓身體重心最大限度地偏離中心位置,測得足底重心運動軌跡并測算出LOS值(患者可維持平衡壓力中心的最遠距離,體現(xiàn)患者主動平衡能力)。在整個流程中,患者雙腳不能離開平衡板且不能扶扶手,否則需重新測試,連續(xù)測量3次,取平均值。

2 結(jié) 果

2.1 兩組患者FMA-LE及BBS評分的比較 見表1。治療前兩組患者FMA-LE及BBS評分差異無統(tǒng)計學意義(均P>0.05)。經(jīng)3周康復，兩組治療后FMA-LE及BBS評分均高于治療前(均P<0.05)。治療組治療后FMA-LE及BBS評分均高于對照組(均P<0.05)。

2.2 兩組患者睜眼閉眼時身體壓力中心擺動指標的比較 見表2。治療前兩組患者睜眼及閉眼時擺動面積、長度及速度的差異無統(tǒng)計學意義(均P>0.05)。經(jīng)3周康復，兩組患者治療后睜眼及閉眼時上述指標均較治療前下降(均P<0.05)。治療組治療后睜眼及閉眼時上述指標均低于對照組(均P<0.05)。

表1 兩組患者FMA-LE及BBS評分比較結(jié)果(x±s,n=46,分)組別FMA-LE評分BBS評分對照組 治療前17.24±5.1333.91±6.56 治療后22.83±5.10△41.65±6.79△治療組 治療前18.89±5.9435.57±7.16 治療后25.02±5.41△▲44.52±6.94△▲ 注:與治療前相比△P<0.05;與對照組相比▲P<0.05

2.3 兩組患者LOS值比較結(jié)果 見表3。治療前兩組患者向各個方向的LOS值差異無統(tǒng)計學意義(均P>0.05)。經(jīng)3周康復，兩組治療后向各個方向的LOS值均較治療前增高(均P<0.05)。治療組治療后向各個方向的LOS值均高于對照組(均P<0.05)。

表2 兩組患者睜眼時和閉眼時身體壓力中心擺動指標比較結(jié)果(x±s,n=46)組別睜眼時擺動面積(mm2)擺動長度(cm)平均速度(mm/s)閉眼時擺動面積(mm2)擺動長度(cm)平均速度(mm/s)對照組 治療前470.02±89.95 68.11±9.3814.37±5.01842.30±54.9998.46±9.2121.39±5.76 治療后389.59±106.88△54.46±9.71△10.13±4.46△714.04±124.40△83.85±9.78△14.85±5.06△治療組 治療前433.93±75.1764.67±8.5312.80±4.33816.22±72.4195.28±8.4119.50±5.26 治療后343.72±113.01△▲50.72±8.10△▲8.48±3.34△▲667.30±98.82△▲79.83±9.52△▲12.83±4.64△▲ 注:與治療前相比△P<0.05;與對照組相比▲P<0.05

表3 兩組患者LOS值比較結(jié)果(x±s,n=46,mm)組別向前向后向左向右對照組 治療前34.74±8.389.98±4.9422.54±6.1923.39±5.70 治療后41.89±9.26△17.15±6.29△31.59±6.31△32.41±6.83△治療組 治療前36.73±8.6811.72±5.0025.46±7.6626.09±7.12 治療后45.26±6.68△▲19.70±5.94△▲34.41±7.18△▲35.35±7.22△▲ 注:與治療前相比△P<0.05;與對照組相比▲P<0.05

3 討 論

腦卒中患者平衡能力的康復是臨床治療難點之一，其原因多為偏癱側(cè)下肢肌肉力量下降及伸肌張力異常升高，進而使患者行走時姿勢控制能力嚴重下降，導致錯誤的下肢運動順序模式及異常的關節(jié)內(nèi)協(xié)調(diào)性，從而引起站位平衡功能降低，這大大增加了患者行走時跌倒的風險[9]?；诖?，腦卒中患者平衡功能的恢復是提高其日常生活活動能力并改善生活質(zhì)量的關鍵，然而常規(guī)平衡康復過程單調(diào)及內(nèi)容枯燥，往往使得患者興趣性不高。對于康復治療師來說，其工作強度高，工作量大，極容易產(chǎn)生疲勞感，導致康復效果低下[10]。

虛擬現(xiàn)實技術因具有趣味性、沉浸性及想象性的特點，近幾年已經(jīng)被應用于腦卒中患者平衡功能的康復。Yang等[11]將14例腦卒中后平衡障礙患者隨機分為實驗組和對照組，實驗組給予VR平衡訓練，對照組給予常規(guī)平衡訓練。3周后實驗組患者橫向中心壓力最大擺動度明顯降低，對稱指數(shù)與擺動偏移度有明顯改善，證實VR平衡訓練能提高患者在運動中保持平衡的能力。Mirelman等[12]通過VR平衡訓練腦卒中患者在虛擬林間小路中行走以躲避障礙物，20例腦卒中患者經(jīng)過3周訓練，其步速、步幅及完成時間均較治療前改善。Kim等[13]利用VR跑步機訓練腦卒中患者靜態(tài)平衡能力,治療后患者體位搖擺速度、搖擺路徑長度顯著降低，虛擬環(huán)境能提供視覺及聽覺反饋，實時發(fā)現(xiàn)目前存在的平衡問題并及時糾正，從而更好促進步態(tài)康復。本研究發(fā)現(xiàn)，通過3周訓練，治療組與對照組患者FMA-UE及Berg評分都獲得提高，但治療組大于對照組。這表明，VR技術能有效地改善腦卒中患者平衡功能，這與上述研究結(jié)果相一致。

本研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過3周的VR平衡訓練，兩組患者睜眼及閉眼時擺動面積、擺動長度及擺動速度均較治療前下降，兩組向各個方向的LOS值均較治療前增高，但治療組的改善程度明顯高于對照組。研究結(jié)果表明，VR平衡訓練對腦卒中患者靜態(tài)平衡功能及姿勢控制能力的改善明顯優(yōu)于常規(guī)平衡康復。VR平衡康復可提供多種正向反饋如視聽及本體感覺[14]，強化患者正確的康復行為，不斷獲得成功愉悅體驗并持續(xù)訓練，進而激發(fā)其康復積極性直到掌握多種運動能力。同時VR平衡康復提供多種個性化模塊，患者可動態(tài)調(diào)整康復強度及時間進而維持康復動機[3]。基于神經(jīng)解剖學理論，腦卒中患者用偏癱肢體反復訓練可進一步提高神經(jīng)突觸增強作用，通過運動誘發(fā)神經(jīng)功能可塑性[14]。有研究者[15]應用DTI技術探究VR對腦卒中患者平衡康復的神經(jīng)機制發(fā)現(xiàn)，應用VR前病灶中心表觀擴散系數(shù)與健側(cè)相應部位差異無統(tǒng)計學意義，應用VR后病灶中心表觀擴散系數(shù)高于健側(cè)對應部位。另一研究[16]中功能MRI顯示患者病灶對側(cè)初級感覺運動皮質(zhì)及雙側(cè)運動輔助區(qū)皮質(zhì)被激活。

然而，本研究由于治療周期短，納入樣本量偏小，同時因有個體差異，故仍然需要增加樣本量，隨訪觀察其長期效應。下一步可利用神經(jīng)影像技術或神經(jīng)電生理技術進一步探究基于3D環(huán)境的VR任務導向訓練對平衡功能恢復的可能調(diào)控機制。