沉浸式虛擬現實訓練用于前交叉韌帶重建術后患者下肢運動功能康復的效果觀察

施明 潘文平 李亮 曾明 陳迎春

前交叉韌帶重建術（anterior cruciate ligament reconstruction,ACLR）后患者在恢復期的康復訓練過程中會出現關節(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。特別是在康復訓練早期，由于術后關節(jié)疼痛、腫脹及支具制動等原因，導致患側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膝關節(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)”，影響患者膝關節(jié)功能的恢復[1-2]。ACLR后康復策略關鍵是恢復肌肉的質量、力量、爆發(fā)力以及協調性[3]。如何有效改善患者下肢肌力，提高術后下肢運動功能，降低后期創(chuàng)傷性關節(jié)炎的發(fā)生率一直是學者探討的焦點。虛擬現實（virtual reality,VR）訓練是利用計算機生成虛擬的現實環(huán)境，實現視、聽、觸和動覺等多方面虛擬互動和反饋，使患者在VR環(huán)境中進行可控的功能性運動和操作[4]。有研究證實VR技術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訓練，觀察其效果，現將結果報道如下。

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）損傷標準：前抽屜試驗、Lachman試驗陽性，膝關節(jié)MRI檢查可見ACL損傷或完全斷裂，術中關節(jié)鏡下符合ACL損傷標準。納入標準：（1）經關節(jié)鏡ACLR后，年齡16～40歲；（2）嚴格按照本院關節(jié)外科ACLR手術流程由同組醫(yī)生進行手術操作，移植物均選用患側膝關節(jié)半腱肌肌腱和股薄肌肌腱；（3）能夠配合進行早期康復訓練。排除標準：（1）重建術后失效者：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、側副韌帶損傷及其他關節(jié)骨折的患者；（3）合并有神經損傷的患者；（4）嚴重心血管、肺部疾病、糖尿病、椎間盤突出、癲癇的患者；（5）無法耐受一般康復訓練的患者；（6）合并有術后嚴重感染的患者；（7）存在認知、視覺及聽覺障礙或無法適應VR訓練的患者。脫落標準：（1）發(fā)生嚴重不良事件不宜繼續(xù)參加本研究者；（2）未按照預定方案進行訓練者；（3）因自身原因要求退出本研究者。采用隨機數字表法將50例患者分為常規(guī)康復訓練組（對照組）及沉浸式VR訓練組（治療組），各25例。兩組患者一般資料比較差異均無統計學意義（均P＞0.05），見表1。本研究經本院醫(yī)學倫理委員會批準（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 兩組患者均進行ACLR術后常規(guī)肌力及神經康復訓練方案[6-7]。第一階段（1～4周）：減輕腫脹、控制疼痛、增加活動度，膝關節(jié)支具伸膝位固定保護，運動后冷療消腫，股四頭肌及腘繩肌肌群等長收縮訓練，肌肉電刺激治療改善肌力；訓練時間：30 min/次，2次/d，5 d/周。第二階段（5～8周）：改善關節(jié)活動范圍、恢復步行能力，持續(xù)關節(jié)活動度訓練，肌肉電刺激治療，股四頭肌及腘繩肌肌力訓練、抗阻訓練，負重訓練，運動后冷療，平衡及動態(tài)穩(wěn)定性訓練，邁步訓練，上下臺階訓練及步行訓練；訓練時間：40 min/次，2次/d，5 d/周。第三階段（9～24周）：繼續(xù)下肢肌力及耐力訓練，患膝單側負重訓練，平衡板本體感覺訓練，負重臺階訓練，整體肌力訓練，雙腳跳躍訓練，跑臺慢跑訓練，膝關節(jié)靈活性訓練；訓練時間：40 min/次，2 次/d，5 d/周。第四階段（25～48周）：漸進式訓練及靈敏性訓練，單腳跳躍訓練，多方向加減速沖刺訓練，提高運動負荷量；訓練時間：40 min/次，2 次/d，5 d/周。

治療組在術后常規(guī)康復訓練第6周加入沉浸式VR訓練，包括：（1）VR智能跑臺訓練：使用荷蘭Motek Medical公司生產的ITreadmail虛擬現實智能跑臺訓練系統，該系統由寬基跑臺、虛擬屏幕、投影儀、主控臺組成。障礙物回避與目標踩踏訓練：由康復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的紅色障礙物標記塊，同時需踩踏綠色目標標記塊。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，同時通過側力位移避開廣告牌和花等障礙物；訓練時間 15 min/次，2 次/d，5 d/周。（2）VR 擾動訓練：使用荷蘭Motek Medical公司生產的Dynstable虛擬平衡訓練系統進行動態(tài)干擾訓練，患者脫鞋，雙腳并足站立于測力板中央區(qū)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及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的平衡穩(wěn)定。難度等級為1到9級，根據患者個體情況選擇不同等級難度的訓練，患者由雙足直立站立過渡到屈膝位站立，再由患側單肢伸膝位站立過渡到屈膝位站立；訓練時間10 min/次，2 次/d，5 d/周。

1.3 觀察指標 兩組患者在常規(guī)康復訓練第6周（沉浸式VR訓練前）及第14周（沉浸式VR訓練后）進行等速肌力測試及膝關節(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行固定，雙手握測試儀兩側把手，連接動力儀及阻力墊固定在測試腿內踝上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：測試前對系統進行常規(guī)校正，選擇速度為60°/s角速度模式，每組測試前進行3次亞極量屈伸膝關節(jié)準備活動，隨后要求患者在儀器設定范圍內作最大力的膝關節(jié)屈曲、伸展運動各10次，屈伸測試間休息3 min。測試指標：（1）峰值力矩（peak torque,PT）是指肌肉收縮產生的最大力矩輸出值，代表肌肉收縮產生的最大肌力，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 膝關節(jié)功能評估 包括Holden步行功能分級評估及國際膝關節(jié)文獻委員會膝關節(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，將分級對應為相應分值進行統計。IKDC由10項膝關節(jié)評估和8項膝關節(jié)韌帶檢查組成，針對膝關節(jié)的疼痛、功能、日常生活活動能力和體育活動適應能力等進行評估，分值0～100分。

2 結果

2.1 兩組患者等速肌力測定結果的比較 兩組患者訓練前EPT、FPT及H/Q的差異均無統計學意義（均P＞0.05），訓練后較訓練前均明顯改善（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果的比較

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

表3 兩組患者膝關節(jié)功能評估的比較

3 討論

ACLR術后患者因急性期疼痛、腫脹、制動等原因導致關節(jié)源性肌肉抑制，進而影響下肢肌肉萎縮無力[8]。有研究表明，ACLR術后下肢肌群力量減退嚴重，患側股四頭肌力下降40%，腘繩肌肌力下降9%～27%，同時術后健側股四頭肌及腘繩肌肌力下降分別為21%和14%[9]。膝關節(jié)屈伸肌群無力導致膝關節(jié)穩(wěn)定性下降，繼而增加骨性關節(jié)炎的發(fā)生率[10]，因此對ACLR術后下肢對稱性的肌力訓練顯得至關重要。但是單純的肌力訓練并不能完全改善膝關節(jié)的穩(wěn)定性，影響膝關節(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傳導及反射功能整合的基礎，關節(jié)中的機械刺激感受器不斷把本體感覺信號傳遞給中樞，中樞神經系統通過對傳入本體感覺信息的整合形成膝關節(jié)的位置與運動覺，同時為了調整軀體的平衡，中樞神經系統需要整合本體感覺、軀體感覺、視覺和前庭信息，通過反饋作用調節(jié)肌肉的興奮程度，從而參與膝關節(jié)穩(wěn)定的控制[11-13]。由于膝關節(jié)韌帶的撕裂，導致ACL本體感受器缺失，引起膝關節(jié)本體感覺功能的減退，膝關節(jié)反饋機制損害導致膝關節(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治療方式促進患者下肢肌力、本體感覺及步行功能的恢復一直是ACL重建術后康復研究的熱點。

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

本研究結果發(fā)現兩組患者訓練前后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），從結果來看，VR訓練在改善患側股直肌及腘繩肌肌力及膝關節(jié)穩(wěn)定性方面存在優(yōu)勢。分析原因可能為ACLR后患者康復過程中多存在患側膝關節(jié)腫脹、疼痛及本體感覺減退等問題，導致肌力下降及膝關節(jié)穩(wěn)定性減退，訓練時患者往往更多關注膝關節(jié)的內在因素，而忽視了其運動控制的有效性，訓練效果受影響。本研究中VR訓練通過設置沉浸式VR場景以影響患者的注意力，使其關注點在于VR任務場景，增加了外部關注度，弱化了內在負性干擾因素。步行訓練及擾動訓練均需要下肢肌肉群實時做出精確快速反應以穩(wěn)定膝關節(jié)，VR訓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肌肉調控系統得到反復激活，優(yōu)化了神經反饋調控效果，使影響膝關節(jié)穩(wěn)定性的肌肉群能更快速、精準、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節(jié)穩(wěn)定性得到進一步改善。既往研究對ACLR患者進行跳躍觸地測試時，使用外部關注指令與內部關注相比在患側膝關節(jié)伸膝峰值力矩方面更有優(yōu)勢，表明增加外部關注度確實可以改善神經肌肉控制能力，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訓練可以改善膝關節(jié)運動功能。分析原因認為VR訓練的特點是實時互動反饋，患者通過投影目標物追蹤并重復步行軌跡，躲避障礙執(zhí)行多重目標任務，更加傾向于真實環(huán)境的重現，患者可以采取有意識的控制方式進行對多變的目標任務進行及時調整，這種方式有利于患膝對復雜環(huán)境進行適應，重復強化的感覺輸入增加了運動反饋的有效性，內部關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，使得膝關節(jié)的穩(wěn)定性及靈活性得到提高，膝關節(jié)運動功能改善。

綜上所述，通過沉浸式VR訓練能夠有效的提高患側下肢股直肌、腘繩肌的肌力，改善膝關節(jié)穩(wěn)定性及下肢功能。并且采用VR訓練治療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技術本身存在技術尚未發(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訓練是一種實用且安全的ACLR后患者下肢功能的康復手段，但還需在后續(xù)大樣本、高質量的長期臨床研究中進一步完善。