基于奧馬哈系統的乳腺癌患者康復管理虛擬現實技術平臺構建與應用

金艾香，陳肖敏，章小飛，陳杰

乳腺癌外科手術仍是目前乳腺癌最主要的治療手段，多數手術患者需要行乳腺切除與腋窩淋巴結清掃［1］，約20%的患者術后易發生包括乳腺癌上肢淋巴水腫、上肢功能障礙在內的多種術后并發癥［2］。同時，乳腺癌對女性的影響還包括術后身體形象完整性被破壞的心理壓力，45%的女性患者有心理障礙，其中焦慮與抑郁占42%，存在兩種以上心理障礙的女性患者達20%［3］。相對于短暫的住院治療過程，出院后的后續康復治療更為漫長、復雜。奧馬哈系統以梳理、解決問題程序為指導思想，通過標準化護理語言規劃整合臨床數據信息，是支持以患者為中心的臨床實踐、教育和研究的標準化術語，也是臨床康復護理信息化系統開發的基礎［4-5］。虛擬現實技術（VR）是將計算機技術和最新的傳感器技術融合創造出來的一種新的交互手段，VR與康復醫學深層次結合已成為研究焦點［6］。

本研究在乳腺癌康復護理理論與奧馬哈系統基礎上，建立乳腺癌組合訓練康復方案VR模型。借助奧馬哈系統中的問題分類系統、干預系統和效果評價系統，首先根據患者康復方案進行問題分類，設計虛擬環境以及虛擬人物，開展以任務為導向的乳腺癌患者術后活動模擬個體訓練，然后有針對性地開展術后功能鍛煉和心理輔導干預，最后設計基于體感的運動交互評價策略，將患者反饋數據納入康復管理平臺，結合患者的生理、心理條件和所處環境等多種因素正確評估患者的階段性康復效果［7-8］。因為缺乏VR應用標準，為便于VR智能化處理信息，同時更好地實現VR人機溝通交流，本研究將借用奧馬哈標準化語言作為乳腺癌患者康復管理數據結構標準。

1 總體設計思想

康復管理是集實踐指引、實踐記錄、效果評價和信息管理為一體，對乳腺癌術后患者進行全面管理的過程［9］。這個過程需要對患者的各類信息數據及時保留并量化，并設定時間節點進行連續、完整的跟蹤評估，評估信息包括患者的有關環境、社會心理、生理、健康相關行為的改變，通過有效評估信息才能使醫護人員詳細、全面地了解患者的病情并給予更有針對性的護理措施［10］。根據奧馬哈系統中問題分類系統明確評估內容，包括環境、社會心理、生理、健康相關行為領域。按照馬斯洛需要層次論和生理-心理-社會醫學模式的指導，結合專家咨詢，確定解決各類乳腺癌患者康復訓練需要解決問題的優先次序，針對患者具體體征和問題決定康復措施，制定出患者康復組合訓練方案［11-12］。用奧馬哈系統分類中的子系統進行問題篩選，給予存在肌肉-骨骼-淋巴水腫功能異常以及心理異常的患者分階段的系統康復訓練及心理干預。第一階段：術后1 d至拔除胸壁引流管，約1周；第二階段：拔除胸壁引流管至術后1個月；第三階段：術后1個月后采用組合訓練（掌、指、腕、肘、肩關節運動，后伸運動和心理干預），評估患者訓練后的健康狀況、生理功能和職能、情感健康及社會功能改善情況［13-15］。

將VR引入康復訓練的基本依據是因為其能將心理誘導有效滲入到患者康復訓練中，從而激發患者在康復訓練中的愉悅情緒，其注定將為康復工程帶來一場技術革命［16］。多項研究證明，虛擬現實康復療法可從多個層面有效提升患者的康復效果：多樣的虛擬互動環境可以刺激神經重塑，加強動作學習，激勵患者產生繼續訓練的積極性；互動的訓練環境讓患者更容易完成大量重復性動作的訓練；提供康復任務及時反饋，為患者找到更合適的訓練強度［17-19］。基于奧馬哈系統的乳腺癌患者康復管理VR平臺能加強醫務人員對患者整體性和護理實踐重點的思考，可為醫療檔案實時更新提供新的解決方法，也可為更為豐富的健康服務提供硬件支持。

2 乳腺癌患者康復管理VR平臺的需求及功能設計

2.1 需求分析 不同患者的手術方案和康復條件不同，患者術后早期若有針對性地進行康復訓練，有利于促進其上肢功能恢復，提高生活質量。目前可幫助患者進行康復運動的VR軟件很多，但沒有能制訂個性化康復方案的VR平臺。若能利用已有的奧馬哈康復自然語言，研究面向任務的康復信息提取框架，建立共享的康復醫學術語本體，繼承和管理自然語言處理資源，就可以根據不同的患者信息配置相應的奧馬哈康復干預任務，以滿足各種自由文本驅動的康復治療臨床決策支持應用。

2.2 功能設計 乳腺癌患者康復管理VR平臺包括奧馬哈系統在康復中的應用、奧馬哈系統信息化處理、VR康復人機交互、康復檢測數據輸入輸出及綜合評價4個功能模塊（見圖1），充分考慮無線數據采集設備，嚴格遵循軟件工程理論，對每個康復情境和治療過程進行了設計和實現。數據采集系統由許多傳感器組成：光敏傳感器可以追蹤上肢活動的坐標信息，計算出肢體運動軌跡；加速傳感器可以根據重力加速度數據測量空間中各方向加速度，推斷肢體運動趨勢和力量大小［20］。傳感器結合數據采集設計可以將數據通過網絡傳到服務器；同時在服務器端進一步分析處理，并模擬對比患者的動作；醫護人員也可以提出正確的康復訓練要求，并給出相應動作幅度標準圖，通過平臺反饋指導患者訓練，以達到康復治療要求［21-22］。

圖1 乳腺癌患者康復管理VR平臺功能模塊Figure 1 Function modules of the VR platform for the rehabilitation management of breast cancer patients

3 VR平臺實現過程

3.1 虛擬場景設計 VR平臺遵循主動康復方法，將生理功能、自我概念、角色功能、相互依賴 4 個方面對VR中虛擬場景、場景圖和節點等相關信息及知識分別進行闡述和定義，通過信號輸入呈現刺激和動作輸出從而實現人機交互，通過愉悅的康復體驗激發患者重復練習動機［23］。VR平臺由醫院和企業聯合開發，體感交互虛擬環境系統與VR體感設備（頭盔、操縱桿、數據手套）配合，患者可以自行操作［24］（見圖2）。如針對淋巴水腫較嚴重及需要肩部功能恢復的乳腺癌術后患者，平臺設計一組日常生活中常見的拋球動作，通過肩周肌肌力等長收縮訓練和肩周肌閉鏈練習，讓患者通過VR操縱桿使屏幕上的點按指定軌跡移動到指定位置，位置信息即關節點在3D 空間中相對坐標位置，以（x，y，z）表示［25］。康復場景將從4個維度塑造新醫療：模擬特定場合維系醫患親密關系，幫助醫護人員對患者的體驗產生共鳴，理解病情；以游戲的方式反饋康復數據，激勵患者更好地模仿虛擬人體的康復訓練動作，實現康復自學習；通過輕柔的音樂和有趣的小視頻減輕患者壓力和疼痛；在訓練過程中穿插醫生的康復指導畫面以督促患者康復訓練。

圖2 VR康復軟件場景設計Figure 2 Scenario showing the design of VR rehabilitation software

3.2 虛擬人物設計 為了展現更逼真的康復虛擬訓練過程，通過三維技術建立外形似人的虛擬人體運動模型。虛擬人體運動部位主要集中在上肢，上肢部分由 9 個桿件及 8 個關節組成，并附加與人體活動度保持一致的 5 個自由度（肩關節外展/內收、肩關節前屈/后伸、肘關節屈曲/過伸、肘關節旋前/旋后、腕關節掌屈/背伸）。在Unity3D中將運動過程分解成圖結構，設計不同坐標系，生成多個肢體結構有向圖。然后按照康復訓練要求定義運動路徑，包含虛擬人體有向圖各節點，最終形成完整的康復訓練動態模型［26］（見圖3）。

圖3 訓練操基本動作模型Figure 3 Basic action model for training exercises

虛擬人物運動設計幅度與康復部位活動度緊密相關。具體動作包括：術后1周內的呼吸抬腿運動、手指伸展運動、手掌按壓運動和指尖搓揉運動；術后2周內的拋球運動、梳頭運動、鐘擺運動和聳肩運動；術后3周內的上臂旋轉運動和伸展運動；術后4周內的抬手運動、反手運動、大臂旋轉和推拉運動；術后1個月后的擴胸、拍球、跳躍、滑輪運動。3.3 康復方案設計 康復方案設計主要包括調查分析、方案規劃、策略設計。

（1）調查分析：完成對以奧馬哈系統為理論研究依據的調查分析，分析不同手術方式乳腺癌患者不同時點的生存質量狀況、焦慮狀況及在各階段的主要生理、心理問題和康復需求，確定康復治療干預類別、干預方向。研究基于奧馬哈系統的組合訓練康復方案對乳腺癌患者術后肌力、淋巴回流、肩關節活動度、接受應激反應的能力和細胞免疫功能的影響［27］。

（2）方案規劃：建立乳腺癌組合訓練康復方案VR平臺，引入奧馬哈系統數據分析結構，設計并實現滿足乳腺癌患者個性需求的虛擬環境和虛擬人動畫系統。系統能動態感知虛擬環境中的場景語義信息，根據患者術后狀況有針對性地規劃康復目標并分解組合相應康復訓練序列，避免訓練造成二次傷害［28］。

（3）策略設計：以奧馬哈系統的標準化護理語言為信息交流基礎，設計基于體感的運動交互評價策略，將患者反饋數據，包括訓練時間、強度、消耗的卡路里和心率等數據納入統計數據中，結合患者的生理、心理條件和所處環境等多種因素正確評估患者的階段性康復效果。

4 臨床應用

為評價基于奧馬哈系統的術后乳腺癌患者康復管理VR平臺的臨床應用效果，了解VR康復治療方案的可行性，本研究對乳腺癌同類手術患者進行了臨床觀察。

4.1 參與者及分組 奧馬哈系統管理對象納入標準：（1）接受乳腺癌根治術或改良根治術、乳腺癌保乳術并行腋窩淋巴結清掃、單純乳房切除術；（2）腫瘤大小為Ⅰ～Ⅲ級；（3）預期術后生存期至少半年；（4）自愿加入本研究并知情同意；（5）會使用智能手機。

選擇2016年1月—2017年5月在浙江省人民醫院診治的120例乳腺癌患者。按隨機數字表法將患者分為觀察組（應用乳腺癌患者康復管理VR平臺）和對照組（應用傳統康復訓練），各60例。患者于術后6 h開始進行患側肢體鍛煉，直至術后3個月。納入標準：（1）年齡20～50歲；（2）單側乳腺癌；（3）無其他慢性病；（4）術前肢體功能正常；（5）愿意配合。對照組：應用傳統康復訓練，訓練內容包括生活護理操訓練、瘢痕護理操訓練、肢體訓練。術后第1天由宣教人員教授訓練方法，出院后通過視頻繼續康復訓練，每次訓練30 min，1次/d，6 d/周，共干預3個月。觀察組：醫院將患者基本信息和治療方案輸入基于奧馬哈系統的乳腺癌患者康復管理VR平臺，并提供VR設備和軟件，指導患者進行有針對性的個性化訓練，訓練時間和頻率與對照組相同。

4.2 評定 本研究應用健康調查簡表（SF-36）評估患者的生活質量，內容包括一般健康狀況（GH）、生理功能（PF）、生理職能（RP）、身體疼痛（BP）、精力（VT）、社會功能（SF）、情感職能（RE）、精神健康（MH），共8個維度36個條目。每個維度分值為0～100分，分值越高反映該方面狀況越好［29］。

4.3 統計學方法 采用SPSS 20.0統計學軟件進行數據處理。計量資料以（±s）表示，兩組間比較采用成組t檢驗。以P＜0.05為差異有統計學意義。

4.4 結果 觀察組SF-36各維度得分及平均得分均高于對照組，差異有統計學意義（P＜0.05，見表1）。

5 討論

乳腺癌手術創面大、出血多、切除組織也較多，上肢功能受到影響，同時患者乳房皮膚和形狀也會發生改變，容易引發心理問題。臨床康復治療研究發現，傳統的康復治療模式忽略了患者內動力，康復過程中以疾病療效為中心，這導致乳腺癌術后患者的心理康復效果以及出院后持續自我護理能力效果不佳［30］。基于奧馬哈系統的康復管理VR平臺是以患者為中心，以患者良好體驗為手段，其康復管理理念開始逐漸被各級醫院所采用。其創新點如下：

（1）能針對乳腺癌患者術后個體情況實施有區別的康復護理，有助于個體化康復理念的推廣。奧馬哈系統作為一套護理專業語言和分類系統，是醫學文檔記錄和數據收集的工具，用奧馬哈電子軟件記錄個案評估和護理措施等資料，可以回顧性地分析護理問題的普遍性、護理措施的適用性和不同干預措施的有效性，為臨床康復護理提供循證依據［31］。本研究結果顯示，基于奧馬哈系統的乳腺癌患者康復管理VR平臺實施康復訓練后，觀察組RP、RE維度得分明顯高于對照組，其原因是對缺乏乳腺癌術后康復常規知識的患者，基于奧馬哈系統的乳腺癌患者康復管理VR平臺能對患者進行疾病術后康復知識宣教，使患者對自己的身體狀況有更直觀的了解，患者能更積極且自發地進行功能訓練，且能改正一些不良生活習慣，自覺進行相關保健活動。

（2）有助于提高乳腺癌患者的精神健康狀態，促進其社會功能。將VR引入康復訓練能夠很好地實現心理誘導與康復訓練的結合，明顯減輕患者在康復訓練中的煩躁情緒，其將為康復工程帶來一場技術革命。本研究結果顯示，實施基于奧馬哈系統的乳腺癌患者康復管理VR平臺后觀察組SF、MH維度得分高于對照組，其原因可能為VR平臺設計的虛擬康復場景能將患者置身于開放的環境，釋放患者壓力，同時設計的康復訓練動作來源于日常生活，增強了患者回歸社會的信心，有效幫助患者從生理和情感方面應對生活中的常規事件。

（3）VR康復療法可以將康復的工作前移到社區和家庭。VR平臺既能明顯減少康復管理人員的工作量，又能更好地綁定患者個人信息，推送沉浸式康復治療方案，及時準確地把握康復進度，提高整個康復工作的工作效率與醫療質量。在奧馬哈系統、乳腺癌康復治療理論研究基礎上，構建的康復管理VR平臺針對性強、成本低，可廣泛推廣。該平臺依據奧馬哈干預系統評估不同手術方式、患者住院期間和出院后存在的生理和心理問題，制定出的乳腺癌患者術后康復評估干預方案能借助虛擬環境進行以任務為導向的術后日常生活活動模擬訓練，有針對性地開展術后功能鍛煉和心理輔導。同時平臺系統能按康復過程為醫護患之間提供在線或離線交流，持久保存患者康復訓練數據，幫助醫護人員更全面地了解乳腺癌患者的個體病情信息并根據采集數據及時調整治療措施，能有針對性地加強醫護人員對于患者整體性和康復實踐重點的深度分析。

表1 兩組患者健康調查簡表評分比較（x±s，分）Table 1 Comparison of SF-36 scores between the two groups

作者貢獻：金艾香負責康復管理虛擬現實技術平臺的構思及論文撰寫；陳肖敏負責質量控制與審校；章小飛負責數據收集與文獻檢索；陳杰負責技術路線的設計與實施。

本文無利益沖突。