虛擬現(xiàn)實技術(shù)在慢性阻塞性肺疾病患者肺康復(fù)中的研究進展

楊夢 林韋彤 馬航霞 萬晶晶

慢性阻塞性肺疾?。–hronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD）是一種以持續(xù)呼吸道癥狀和進行性氣流阻塞為特征的可預(yù)防和可治療的慢性呼吸道疾病[1]，全世界范圍內(nèi)患病數(shù)高達2.5億[2]。據(jù)估計，到2030年，COPD將成為世界第3大疾病死亡原因[3]。COPD患者由于進行性的呼吸困難導(dǎo)致其日常活動受限、活動耐力降低，身體活動水平及生活質(zhì)量隨疾病發(fā)展而降低[4-5]?！堵宰枞苑渭膊∪虺h（2018 年版）》[6]指出肺康復(fù)是改善COPD 患者呼吸困難、健康狀況和提高患者運動能力及生活質(zhì)量的最有效的非藥物治療策略，長期堅持肺康復(fù)是COPD 患者獲益的關(guān)鍵。目前大部分肺康復(fù)在醫(yī)院或康復(fù)中心進行，由于活動受限、訓(xùn)練單調(diào)、交通及費用等多種原因?qū)е禄颊邊⑴c度和依從性較低[7-9]。據(jù)國際報道，僅有1%～2%的COPD 患者接受了肺康復(fù)[6]，且有高達36.7%的患者中途退出康復(fù)[10]。虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)可通過頭戴式顯示器、耳機、投影系統(tǒng)、運動跟蹤及交互設(shè)備，使患者沉浸于虛擬環(huán)境，提升其主動性和投入度[11]。目前VR 作為治療及康復(fù)輔助手段在老年康復(fù)、癌癥、心臟康復(fù)、ICU 等領(lǐng)域中的應(yīng)用效果已得到證實。近年來，研究發(fā)現(xiàn)VR 輔助肺康復(fù)訓(xùn)練趣味性強、安全性高、運動依從性好，在COPD 患者肺康復(fù)中發(fā)揮重要作用[12-13]。本文通過介紹VR 技術(shù)在COPD 患者肺康復(fù)中的應(yīng)用概況、應(yīng)用方法及應(yīng)用效果，以期為我國COPD 患者肺康復(fù)臨床實踐提供參考。

1 COPD 患者肺康復(fù)常用VR系統(tǒng)

根據(jù)患者的參與形式及沉浸程度，VR 技術(shù)可分為桌面式VR、沉浸式VR、增強式VR 及分布式VR 4 類[11]，目前應(yīng)用于COPD 患者肺康復(fù)常用的類型主要為VR 桌面式和VR 沉浸式，增強式VR 及分布式VR 應(yīng)用較少[14]。目前常用的COPD 患者肺康復(fù)VR 系統(tǒng)包括美國Kinect、日本Nintendo Wii 及中國的BioMaster 虛擬情景互動訓(xùn)練系統(tǒng)。

1.1 Kinect 系統(tǒng)

Kinect 系統(tǒng)是一種3D 體感視頻游戲，由傳感器、虛擬環(huán)境和監(jiān)視器3 部分組成，具有即時動態(tài)捕捉、影像辨識、麥克風(fēng)輸入、語音辨識、社群互動等功能；該系統(tǒng)有各種各樣不同運動強度的游戲，如漂流、越野跑、山地馬車旅行、拉力球賽和擊球游戲等，目前已應(yīng)用于COPD 患者運動、呼吸訓(xùn)練及6 分鐘步行試驗[15-16]。操作時由具備VR 操作技能和肺康復(fù)專業(yè)知識的醫(yī)護工作者或康復(fù)師通過Kinect傳感器實時捕捉并采集患者肢體運動和呼吸訓(xùn)練信息，指引患者進行正確的肺康復(fù)訓(xùn)練?；颊呃皿w感技術(shù)模擬VR 屏幕上的動作，可以提高肢體的力量、敏捷度、平衡能力和耐力，適用于無肺康復(fù)絕對或相對禁忌證（如近期有心肌梗死發(fā)病史、重度肺動脈高壓等）、肺功能2 級和3 級的患者及醫(yī)學(xué)研究委員會呼吸困難分級為3 級或以上的COPD患者，應(yīng)用頻率為每周1～5 次，每次從20 分鐘到1 小時不等[17-18]。Kinect 系統(tǒng)成本低，但是對空間要求高，其使用的理想空間是與傳感器間隔1～2 米的距離，且沒有陽光直射。由于Kinect 系統(tǒng)采用視覺傳感器，因此患者訓(xùn)練時不能有遮擋物，如患者出現(xiàn)心率超過其年齡預(yù)測的最大心率，即（208-0.7×年齡）次/分鐘時，應(yīng)及時停止訓(xùn)練[19]。

1.2 Nintendo Wii 系統(tǒng)

Nintendo Wii 系統(tǒng)包括Wii Sport、Wii Fit 和Wii-Train 3 種模式，由虛擬主機和運動傳感設(shè)備組成，患者可以通過在平衡板上移動（如踏步或擺動）或控制器檢測身體運動與虛擬環(huán)境進行交互，完成游戲指定動作[20]。在Wii Fit 模式中，患者站在平衡板上，根據(jù)游戲指令運動手臂和腿部，該模式提供了包括力量訓(xùn)練、有氧運動（慢跑/拳擊）和平衡游戲（瑜伽、滑雪、滑雪板）等40 多項體育鍛煉活動。Wii Sports 模式使用Nunchuk 手柄控制器檢測肢體運動的同時，在虛擬私人教練的監(jiān)督下完成包括現(xiàn)場慢跑、舞蹈、拳擊等游戲[21]。該模式主要是提高患者的肌肉力量、身體耐力和靈活性。Wii-Train 是一種家庭極限運動訓(xùn)練模式，使用墊子控制器來檢測壓力變化，為患者提供全身鍛煉游戲，例如接力賽。醫(yī)護人員及康復(fù)師應(yīng)根據(jù)患者自身情況選擇適宜的模式及游戲類型，并做好操作前、中、后的動態(tài)評估和總結(jié)，訓(xùn)練中如患者出現(xiàn)呼吸頻率>30 次/分鐘、脈搏氧飽和度<90%的情況應(yīng)停止訓(xùn)練[21]。

1.3 BioMaster 虛擬情景互動訓(xùn)練系統(tǒng)

BioMaster 虛擬情景互動訓(xùn)練系統(tǒng)是國內(nèi)研發(fā)的運動康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，使用可穿戴式無線傳感器，對患者的關(guān)節(jié)動作進行實時捕獲，同時可提供針對性的虛擬情景關(guān)節(jié)活動訓(xùn)練。無線傳感器可安置于全身各大關(guān)節(jié)處，指導(dǎo)患者進行肩、肘、腕、髖、膝、踝關(guān)節(jié)，以及頸椎、腰椎活動度訓(xùn)練。該系統(tǒng)可生成并保存患者訓(xùn)練報告，醫(yī)護人員及治療師可對報告進行編輯、導(dǎo)入評語、診斷與醫(yī)囑，方便跟蹤訓(xùn)練效果。系統(tǒng)設(shè)置了多種情景訓(xùn)練模式，如家務(wù)活動類、廚房料理類等，增強了訓(xùn)練的趣味性，其訓(xùn)練范圍可進行個性化設(shè)置，使得針對性更強[22]。此系統(tǒng)可用于急性加重期COPD 患者，在伴有輕度認知障礙的老年COPD 患者肺康復(fù)訓(xùn)練中也具有良好的效果[22]。

1.4 沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)系統(tǒng)

沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)系統(tǒng)包括立體頭掛式顯示器和洞穴式自動虛擬環(huán)境，該系統(tǒng)封閉患者視、聽、觸覺，將患者置身于虛擬環(huán)境，醫(yī)護工作者或理療師可進入3 維虛擬環(huán)境與患者進行交流[23]。沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)系統(tǒng)為COPD 患者提供3D 效果的高清教育視頻，由3D 虛擬教官指導(dǎo)患者進行運動鍛煉，且可以通過網(wǎng)絡(luò)將康復(fù)訓(xùn)練信息實時發(fā)送給醫(yī)護人員及康復(fù)治療師。沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備更易于攜帶且可移動，讓患者置身于虛擬環(huán)境中，具有強烈的“臨場感”。頭戴式設(shè)備重量較重，給患者頭頸部帶來壓力，由于沉浸度較高，部分患者會出現(xiàn)頭暈、眼花等不適。因此在操作前應(yīng)對患者進行評估及做好充分解釋，做好壓力性損傷防護，操作中警惕患者出現(xiàn)呼吸困難、頭暈、耳鳴、疲勞等癥狀，操作后及時進行VR 設(shè)備的清潔和消毒工作。

2 VR 系統(tǒng)在COPD 患者肺康復(fù)中的應(yīng)用效果

2.1 提高功能狀態(tài)評估的安全性和精確度

COPD 患者在進行肺康復(fù)訓(xùn)練前，需要評估心肺功能狀態(tài)，6 分鐘步行試驗（6MWT）是評估COPD患者的功能狀態(tài)和預(yù)測患者生存率的指標之一[24]。目前有研究顯示，VR 技術(shù)結(jié)合跑步機評估COPD 患者6MWT 具有良好的信度，組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（ICC）為0.74 ～0.77[25]。另外Frade 等[15]對VR 技術(shù)輔助6 分鐘靜態(tài)步行試驗（STVR-6）進行信度檢驗，結(jié)果顯示，STVR-6 ICC值為0.80 ～0.94，且COPD 患者呼吸困難程度和疲勞程度在地面測試和VR 測試之間并無差異。VR 技術(shù)不需要龐大的物理空間或精密的設(shè)備，可為COPD 患者進行6MWT提供安全無障礙測量環(huán)境，安全性高，適用于老年患者功能狀態(tài)評估。

2.2 改善軀體活動能力

研究顯示，50%～70%的COPD患者骨密度降低，20%～30%的COPD患者存在不同程度的骨骼肌萎縮和功能失調(diào)，COPD 患者是軀體平衡功能障礙高發(fā)人群，其跌倒發(fā)生率是正常老年人的4 倍[26]。一項Meta分析顯示，VR 作為肺康復(fù)輔助手段可使COPD 患者6MWT 步行距離平均增加30.9 米[12]。Rutkowski 等[19]將106 名COPD 患者隨機分為傳統(tǒng)肺康復(fù)運動訓(xùn)練組、耐力運動訓(xùn)練聯(lián)合VR 及VR 肺康復(fù)方案組3 組，結(jié)果顯示，VR 訓(xùn)練相較于傳統(tǒng)肺康復(fù)訓(xùn)練在提高COPD 患者力量、耐力、柔韌性、敏捷性、平衡能力和運動協(xié)調(diào)能力更有優(yōu)勢。金曉亮等[26]通過對COPD 急性加重期患者進行體感互動游戲干預(yù)，結(jié)果顯示，體感互動游戲可提高患者平衡功能，并且不會加重炎癥反應(yīng)或延長患者住院時間，安全性高。周婷滿等[13]的研究顯示，通過對老年COPD 穩(wěn)定期患者進行體感游戲互動訓(xùn)練，可提高患者的軀體活動能力。因此，VR肺康復(fù)訓(xùn)練可提高COPD 患者的運動耐力和平衡功能，提高軀體活動能力，促進患者回歸社會和家庭。

2.3 增強患者自我效能，提高肺康復(fù)依從性

自我效能是指人對自己是否能夠成功地進行某一行為的主觀判斷。依從性是指患者的行為與醫(yī)療指南或健康建議相一致的程度[27]。Xie等[28]將60 例COPD 住院患者分為兩組，實驗組采用VR 技術(shù)結(jié)合肺康復(fù)，對照組采用常規(guī)康復(fù)，結(jié)果顯示進行VR 干預(yù)后COPD 患者總體自我效能評分顯著提高。研究顯示，COPD 患者中僅有10%出院后會進行運動鍛煉，且運動訓(xùn)練的出勤率和完成率分別只有70%和40%[13,29]。多項研究報道，COPD 患者認為VR 為基礎(chǔ)的康復(fù)訓(xùn)練使人愉快，可接受度好，患者依從性達80%～90%[30-32]。VR 相較于其他康復(fù)鍛煉模式在COPD 患者運動依從性方面具有獨特優(yōu)勢，VR 輔助肺康復(fù)訓(xùn)練可以增強COPD 患者自我效能，提高患者的康復(fù)信念。

2.4 緩解疲乏、焦慮、抑郁等癥狀，提高患者生活質(zhì)量

COPD 患者易出現(xiàn)疲乏、焦慮、抑郁等負性情緒，嚴重影響患者的生理、心理及社會功能，導(dǎo)致其生活質(zhì)量下降，據(jù)報道約有60%的COPD患者存在不同程度的疲乏[13,33]，COPD 合并焦慮患病率為49.2%，合并抑郁的患病率為37.2%，COPD 患者生活質(zhì)量隨著焦慮抑郁嚴重程度增高而下降[34]。國內(nèi)學(xué)者耿敏等[33]將穩(wěn)定期COPD 患者分為兩組，干預(yù)組接受常規(guī)健康指導(dǎo)聯(lián)合居家體感互動游戲鍛煉，結(jié)果顯示，干預(yù)組疲乏總分及焦慮、抑郁分量表得分均低于本組干預(yù)前及對照組。Rutkowski 等[35]將50 例有壓力、抑郁和焦慮癥狀的COPD 患者隨機分為兩組，兩組均接受傳統(tǒng)的肺康復(fù)，VR 組進行10 次沉浸式VR治療，對照組進行了10 次舒爾茨自律訓(xùn)練，結(jié)果顯示沉浸式VR 治療對改善COPD 患者的情緒，減輕焦慮和壓力有明顯的促進作用。Jung等[23]研究采用VR 頭盔為COPD 患者提供為期8 周的肺康復(fù)治療，結(jié)果顯示VR 肺康復(fù)可以緩解COPD患者焦慮癥狀。Blair 等[36]的研究顯示，體感交互系統(tǒng)訓(xùn)練可緩解COPD 患者焦慮情緒。此外，多項研究顯示，VR 干預(yù)后的COPD 患者慢性阻塞性肺病評估測試（CAT）評分均顯著降低，生活質(zhì)量有明顯改善[12,37]。

2.5 改善患者呼吸困難癥狀

COPD 患者通常會出現(xiàn)通氣功能障礙、咳嗽、咳痰、氣短、呼吸困難等癥狀，嚴重影響其呼吸功能。VR 系統(tǒng)提供的有氧訓(xùn)練、呼吸肌訓(xùn)練等可增強呼吸肌的肌力和耐力，從而減輕患者的呼吸困難癥狀。研究顯示，進行基于VR 肺康復(fù)訓(xùn)練后的COPD 患者，其Borg 評分為3～4 分，呼困難程度為中度[30]。Wardini 等[38]的研究表明，在使用體感互動游戲系統(tǒng)對COPD 患者進行虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練期間，患者心率、脈搏氧飽和度和呼吸困難顯著改善。Albores 等[39]評估VR 技術(shù)在20 例COPD 患者居家鍛煉中的應(yīng)用效果，結(jié)果顯示為期12 周的基于Wii Fit 系統(tǒng)的運動鍛煉可顯著改善患者的健康狀況和呼吸困難。周婷滿等[13]的研究顯示，對老年COPD 穩(wěn)定期患者進行基于體感互動游戲的運動方案干預(yù)，在干預(yù)18 周后，干預(yù)組1 秒用力呼氣容積與肺活量的比值、1 秒用力呼氣容積占預(yù)計值百分比、呼吸困難分級評分均優(yōu)于對照組。目前關(guān)于VR技術(shù)是否能改善COPD 患者呼吸困難癥狀尚存在爭議，Mazzoleni 等[37]的研究表明，通過體感互動游戲干預(yù)，COPD 患者呼吸困難評分明顯降低，但與常規(guī)肺康復(fù)訓(xùn)練組相似，兩組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義；此外有研究顯示，進行體感互動游戲訓(xùn)練的COPD 患者隨著運動時間的延長，其呼吸困難明顯增加[31]，這可能與各研究的研究對象、訓(xùn)練模式、測量呼吸困難工具及時間不一致有關(guān)。

3 VR 技術(shù)在COPD 患者肺康復(fù)中應(yīng)用的局限性

目前國內(nèi)外學(xué)者對VR 技術(shù)在COPD 患者肺康復(fù)應(yīng)用方面已做出了很多探索和研究，但是在應(yīng)用中仍存在局限性，主要體現(xiàn)在以下5 個方面。①現(xiàn)階段關(guān)于VR 技術(shù)在COPD 患者肺康復(fù)中的應(yīng)用缺乏長期效果評價、大樣本及高質(zhì)量研究數(shù)據(jù)的支撐；②國內(nèi)外關(guān)于VR 技術(shù)在COPD 患者中的應(yīng)用方案及研究對象各不相同，尚未形成較為統(tǒng)一規(guī)范的VR 肺康復(fù)干預(yù)方案；③目前研究采用的VR 技術(shù)大多為商業(yè)性體感互動游戲，其特點是沉浸度、互動程度較低及成癮性[21,40]；④VR 設(shè)備方面，目前所提供大部分的VR 硬件設(shè)備組件較多，對空間距離有一定要求，不便于攜帶，且需要專門的技術(shù)人員進行調(diào)控；⑤VR 系統(tǒng)及設(shè)備價格昂貴，操作相對復(fù)雜，對患者及醫(yī)護工作者文化水平及認知能力有一定的要求等阻礙了VR 技術(shù)在COPD 患者肺康復(fù)中的應(yīng)用[40]。

4 小結(jié)

綜上所述，VR 技術(shù)作為COPD患者肺康復(fù)輔助手段，安全性高、患者依從性好，在提高COPD 患者運動能力，緩解焦慮和抑郁等負性情緒，改善COPD 患者的生活質(zhì)量等方面具有優(yōu)勢。但目前VR 在肺康復(fù)中的應(yīng)用仍處于探索階段，且在COPD 肺康復(fù)應(yīng)用中尚存在不足[17]。因此對未來的研究建議如下：可進一步開發(fā)具有更高沉浸度和更自然交互作用的VR 設(shè)備并研究其在肺康復(fù)中的應(yīng)用效果；整合生理監(jiān)測儀和運動傳感器；探索不同類型VR系統(tǒng)在COPD 患者中的差異，為肺康復(fù)提供更有效的干預(yù)措施；進一步明確VR 肺康復(fù)的應(yīng)用標準和效果，規(guī)范其訓(xùn)練流程。新冠肺炎的發(fā)生改變了疾病康復(fù)模式，有效的居家康復(fù)越來越重要，因此未來可進一步開展VR 技術(shù)在COPD 患者居家康復(fù)中可行性和效果的研究。