虛擬現實平衡訓練對前交叉韌帶重建術后膝關節本體感覺的效果

嘉興市第二醫院康復醫學中心，浙江嘉興市 314000

前交叉韌帶(anterior cruciate ligament,ACL)損傷在膝關節韌帶損傷中較為常見[1]，利用韌帶或肌腱進行前交叉韌帶重建(anterior cruciate ligament recon-struction,ACLR)雖然恢復了膝關節生物力學的穩定性，但是移植物無法替代原有ACL在膝關節本體感覺中的作用[2]；因新移植物缺少本體感受器，而ACL 中的感受器在維持膝關節的穩定中起到至關重要的作用[3]。以往研究發現[4]，平衡功能訓練可改善ACLR后患者膝關節的本體感覺能力。目前虛擬現實(virtual reality,VR)技術廣泛用于腦卒中后患者的平衡及防跌倒能力訓練中[5-8]，但對骨關節損傷康復方面的研究較少。本研究旨在探討VR 平衡訓練技術對ACLR 后患者的膝關節本體感覺恢復方面的影響。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2016 年1 月至2018 年12 月本院住院治療的ACLR 后的患者72 例，均符合ACL 損傷標準[9]：①前抽屜試驗、Lachman 試驗陽性；②膝關節磁共振可見ACL 損傷或完全斷裂；③術中關節鏡下符合ACL 損傷標準。

納入標準：①單側膝關節ACL 損傷，年齡20～45歲；②嚴格按照本院骨科ACLR 手術流程進行操作，由骨科同組醫生手術操作，移植物均選用患側膝關節半腱肌肌腱和股薄肌肌腱；③能夠配合進行康復訓練；④簽署知情同意書。

排除標準：①并發后交叉韌帶損傷、半月板損傷、側副韌帶損傷及其他關節骨折；②并發神經損傷；③嚴重心血管、肺部疾病，嚴重的糖尿病，椎間盤突出，癲癇；④無法耐受一般康復訓練；⑤重建失敗及術后嚴重感染；⑥存在認知、視覺及聽覺障礙或無法適應VR環境訓練。

脫落標準：①發生嚴重不良事件不宜繼續參加試驗；②未按照預定方案進行訓練；③因自身原因要求退出試驗。

采用隨機數字表法將72例患者隨機分為對照組和觀察組，每組36例。兩組性別、年齡、身高和體質量均無顯著性差異(P>0.05)。見表1。

本研究經嘉興市第二醫院醫學倫理審查委員會批準(No.jxey-2017010)。

表1 兩組一般資料比較

1.2 訓練方法

兩組ACLR 術后均按照本康復中心前交叉損傷術后康復治療規范進行治療[10]。

①術后1～6 d：可調式卡盤支具鎖定0°伸直位固定；疼痛控制；踝泵練習；髕骨松動；股四頭肌及腘繩肌等長肌力練習。

②術后7～15 d：被動終末端伸膝訓練；核心穩定性訓練；股四頭肌內側頭電刺激治療；無痛范圍內早期患腿負重25%～50%；坐位下膝關節屈曲訓練(4×10次)；直腿抬高訓練(4×10 次)；髖外展及內收訓練(3×10次)；冰敷每次15～20 min，每天3～5次。

③術后16～23 d：膝關節屈曲達到110°后進行固定自行車訓練；臺階上腓腸肌提升訓練；阻力套件上的下肢下壓及屈膝訓練(4×10次)；局部水療。

④術后24～31 d：主動伸膝90°～40°訓練(3×10次)。

⑤術后32～39 d：主動伸膝90°～20°訓練(3×10次)。

⑥術后40～47 d：主動伸膝90°～0°訓練，并逐漸增加阻力(3×10次)。

⑦術后48～61 d：終末膝關節伸展訓練(無外加阻力30°～0°)；扶椅下的小腿腓腸肌提升訓練(4×10 次)；邁步訓練。

⑧術后62～76 d：整體主動拉伸訓練，全身力量訓練；功能鍛煉；雙腳平整地面跳躍；直線跑；逐步恢復最大關節活動度、肌力和靈活性。

術后第8周起，所有患者均開始介入平衡訓練。

1.2.1 對照組

①平衡板訓練：將膝關節保持伸直0°位，必要時佩戴膝關節支具，進行站立位下重心過渡訓練；在膝關節屈曲0°～30°位進行平衡板動態訓練，先雙側后患側，先睜眼后閉眼。

②快速重心轉移訓練：膝關節伸直位下重心由左右至前后向過渡訓練，膝關節半屈位下重心由左右至前后向過渡訓練。

③直立位及屈膝位下AIREX平衡墊訓練。

以上訓練每次15 min，每天2 次，每周6 d，訓練8周。

1.2.2 觀察組

采用Dynstable 虛擬平衡訓練系統(荷蘭MOTEK MEDICAL公司)進行動態平衡訓練。

1.2.2.1 撞擊球訓練

患者脫鞋，雙腳并足站立于測力板中央區域，VR 場景顯示為一移動平板，周圍出現不同方向、不同速度的小球撞擊移動平板，隨即產生不同加速度和不同方向的測力板位移。患者在此訓練過程中盡量保持身體平衡穩定。難度等級1～9 級，根據個體情況選擇不同等級，并由雙足站立過渡到單足站立。

1.2.2.2 城市賽道

患者脫鞋，雙腳與肩同寬站立于測力板中央，手臂自然下垂，放于身體兩側。VR 場景為患者駕駛一輛汽車行駛于馬路上，要求患者在規定時間內行駛盡量遠的距離。患者通過前后位移重心控制汽車的速度，左右重心位移控制汽車的左右方向；通過躲避對向車道的來車訓練其重心轉移及平衡能力。

1.2.2.3 駕船競賽

患者脫鞋，雙腳與肩同寬站立于測力板中央，手臂自然下垂，放于身體兩側，雙膝微屈。VR 場景為患者駕駛一艘小船行駛于海面上，根據海面上的不同標記點標記的路徑行駛，以最少時間到達指定終點為最終目標，通過前后位重心轉移控制小船的前進與后退，左右重心的轉移控制小船左右轉向。

以上訓練每次15 min，每天2 次，每周6 d，訓練8周。見圖1。

1.3 評定方法

在平衡訓練前(術后第8 周)及訓練后(術后第16周)均進行平衡控制及本體感覺的評估。

1.3.1 平衡控制能力評估

圖1 患者進行VR下的平衡訓練

采用Dynstable 虛擬平衡評估系統(荷蘭)進行姿勢控制、重心轉移、肌肉激活方面數據的評估。評估系統硬件由以下5部分組成。

①投影儀和3×1.5 m屏幕：顯示VR場景，并將現實中患者的身體運動進行反饋。

②立體聲環繞系統：模擬現實環境中的聽覺刺激。

③測力板：測力板的中央安裝有壓力感應器，接收患者雙腳在平板方向上施加的垂直壓力變化，分析人體壓力中心(center of pressure,COP)的位置和移動情況。

④運動捕捉攝像機：收集三維運動數據。

⑤計算機系統：計算機運行FrontEnd 軟件的D-Flow 及運動捕捉軟件。FrontEnd軟件含有平衡功能評定應用程序。

測試前每位患者適應性練習15 min，測量以下5個參數。

①COP 時間穩定性：患者睜眼，雙足并攏站于測力臺中心標記點處，初始校正后，測力板隨后進行水平面多方向的隨機移動并恢復至原始位置，記錄患者在這一過程中恢復中心點壓力需要的時間。

②閉眼壓力中心速度(center of pressure speed,COPS)：患者閉眼，雙足并攏站于測力臺中心標記點處，初始校正后，測力板隨后進行水平面多方向的隨機移動并恢復至原始位置，記錄患者在這一過程中壓力中心的速度，速度越慢穩定越好。

③單腿COPS：患者睜眼，患側足站立于測力臺中心標記點處，健側下肢抬起不觸地，初始校正后，測力板隨后進行水平面多方向的隨機移動并恢復至原始位置，記錄患者在這一過程中壓力中心的速度。

④膝關節反應時間：患者穿緊身褲，睜眼，雙足并攏站于測力臺中心標記點處，在雙膝髕骨中部各貼一標記球；初始校準后，VR 場景中出現兩個不同顏色色塊，其中一塊由患者膝關節控制移動，屈膝控制色塊前移撞擊目標色塊，伸膝控制色塊后移恢復至初始位，記錄這一過程中患者屈膝反應時間。

⑤穩定極限包絡面積(center of pressure area,CO-PA)：患者睜眼，雙足并攏站于測力臺中心標記點處，初始校正后，VR屏幕出現8個方向色塊，通過轉移身體重心控制重心點最大程度接近目標色塊，取每個標記方向重心轉移所能達到的最大距離，最后合成包絡面積。每個參數重復3次，取平均值。

1.3.2 患膝本體感覺評估

采用主動關節角度重現方法，使用等速訓練測力系統(HUMAC NORM)進行角度測試。患者被動屈膝至30°和60°的位置，停留10 s，返回至初始位，囑患者主動屈膝至預定目標位，測定其原始角度和重置角度的偏差值。偏差值越小，關節本體感覺功能越好。

1.4 統計學分析

采用SPSS 23.0 統計學軟件分析。Kolmogorov-Smirnov 單樣本檢驗顯示所有計量資料均符合正態分布。計量資料采用()表示，組間比較采用獨立樣本t檢驗，組內比較采用配對t檢驗。計數資料采用χ2檢驗。顯著性水平α=0.05。

2 結果

訓練前，兩組COP 時間穩定性、閉眼COPS、單腿COPS、膝關節反應時間、COPA 和主動關節角度重現偏差值(30°和60°)均無顯著性差異(P> 0.05)；訓練后，各項指標均顯著改善(P< 0.001)。訓練后，觀察組COP 時間穩定性、閉眼COPS、單腿COPS、膝關節反應時間和主動關節角度重現偏差值(30°和60°)均顯著優于對照組(P< 0.001)，兩組COPA 無顯著性差異(P>0.05)。見表2～表7。

表2 兩組COP時間穩定性比較(s)

表3 兩組閉眼COPS比較(cm/s)

表4 兩組單腿COPS比較(cm/s)

表5 兩組膝關節反應時間比較(s)

表6 兩組COPA比較(cm2)

表7 主動關節角度重現偏差值(°)

3 討論

ACL 含有豐富的本體感覺器官，可以感受關節、肌肉的拉力和應力，并發出神經沖動，通過神經傳導通路傳送至中樞神經系統，并經過整合分析產生對軀干和肢體運動狀態和相應位置的感覺[11]。ACL 結構性損傷導致其本體感受器數量減少或出現變性，并隨著損傷時間的延長而加劇，出現傳入神經功能障礙，最后導致膝關節本體感覺始發階段受到影響，本體感覺功能減弱[12]。交叉韌帶在移植修復后其本體感覺會恢復，但無法達到正常水平，且需要較長時間[13-15]。ACL損傷后不但導致患側本體感覺功能減退，同時也可累及健側膝關節的本體感覺，導致平衡障礙，因此康復訓練需同時顧及雙側[16-17]。合理有效的康復訓練能夠促進損傷側本體感覺的恢復，并可以有效減少膝關節損傷的發生率[18]，通常訓練內容包括關節位置覺和運動覺訓練、運動關節穩定性訓練、反射性神經肌肉控制和功能性活動訓練[19]。

VR 是一種新興且發展迅速的技術，通過計算機專業軟硬件和外圍設備，形成逼真的視、聽、嗅、觸等虛擬感知覺，患者通過穿戴裝置，與虛擬環境進行交互作用和體驗。VR 系統具有沉浸、交互和想象三大特點[20]。目前VR 技術在腦卒中后平衡訓練方面應用較多，且相對于傳統康復治療，其對平衡穩定性及步態改善方面更有優勢[21-23]。

本研究使用的VR 三維平衡系統包含實時平衡轉化平臺、測力臺、運動捕捉系統和VR 場景，通過執行依賴視聽覺信息的雙重認知任務來評估患者處理物理平衡擾動的能力。運用高強度的視覺、本體感覺、前庭覺和聽覺的實時綜合反饋，強化訓練效果，優化運動學習，從而為患者的行走平衡康復提供幫助。通過目標性的任務訓練，提供實時的感覺反饋，達到良好的人機互動效果。階段性的評估數據，讓患者能夠精準了解訓練過程中的動態變化情況，患者依從性更好，更樂于參與訓練，達到有效閉環的訓練模式。

本研究將VR 技術引入骨關節康復領域，通過視覺反饋下的擾動訓練、重心過渡訓練、姿勢控制和肌肉激活訓練提高ACLR 后患膝的本體感覺功能。有研究發現[24]，ACLR 術后患者COP 反應減慢，COP 偏移減少。ACLR 術后80%患者可能發生膝骨關節炎，穩定及靈活協調性強的膝關節是恢復膝關節功能及減少創傷后骨關節炎發生的重要條件[25]。本研究顯示，VR平衡訓練在COP 時間穩定性、閉眼COPS、單腿COPS、膝關節反應時間和主動關節角度重現偏差值方面優于傳統平衡訓練。可能是由于運用VR 場景模擬現實世界中的不穩定平衡狀態，結合視聽效果強化感覺輸入，患者接收到不同感官部分的信息信號，通過調整姿勢及激活相應部位肌肉做出適應性反饋，達到恢復本體感覺的效果。VR 動態平衡穩定性訓練通過訓練患者在不穩定平面下的運動控制，提高其膝關節的協調控制能力，改善關節穩定性，縮短膝關節在不同位置下的反饋時間，有效地促進了雙側本體感覺功能的恢復。本研究的另一個特點是Dynstable 平衡評估系統由不同的兩部分軟件構成，其信效度優于Berg平衡量表，且儀器數據能更好地反映患者平衡反應指標，相對于主觀量表更有優勢。

本研究顯示，ACLR 術后患者采用VR 平衡訓練，可提高平衡穩定性、膝關節反應速度和肌肉激活效率。本研究還發現，VR 平衡訓練與傳統康復訓練在COPA 方面無明顯差異，提示在壓力中心位移極限距離方面VR 并無優勢，這仍需要在今后進一步研究以明確壓力中心位移距離是否與視覺及本體感覺參與較少有關。

綜上所述，虛擬現實平衡訓練能有效改善ACLR術后膝關節本體感覺障礙，且較傳統平衡訓練而言更具優勢，值得推廣。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。