基于3D環(huán)境的虛擬現(xiàn)實任務(wù)導(dǎo)向訓(xùn)練在腦卒中患者平衡功能康復(fù)中的應(yīng)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(dǎo)致患者出現(xiàn)骨盆前傾、膝關(guān)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(fēng)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(dān)。虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)是一種新興且發(fā)展迅速的技術(shù)，其利用計算機編輯及多傳感技術(shù)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(fù)評估和訓(xùn)練[3]。近年來，國內(nèi)外已有相關(guān)臨床試驗探討VR技術(shù)應(yīng)用于腦卒中患者偏癱下肢平衡功能康復(fù)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(wù)導(dǎo)向訓(xùn)練在腦卒中患者平衡功能障礙康復(fù)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(fù)科住院的患者。入選標(biāo)準(zhǔn)：(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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)：(1)嚴(yán)重行為異常或精神錯亂;(2)認知障礙(MMSE≤24分)，不能配合指令;(3)既往有骨關(guān)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(xùn)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(xué)分析，兩組患者性別、年齡等一般資料差異無統(tǒng)計學(xué)意義(均P>0.05)，具有可比性。經(jīng)納入及排除標(biāo)準(zhǔn)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(xué)倫理委員會批準(zhǔn)。

1.2 方法

1.2.1 治療方案 兩組患者平衡功能訓(xùn)練均由康復(fù)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(xùn)練強度基本相同。對照組給予常規(guī)平衡訓(xùn)練，針對不同患者的具體病情，選擇合適訓(xùn)練內(nèi)容[7]。采用多種平衡訓(xùn)練工具如平衡板、平衡杠、訓(xùn)練球及雙杠等相結(jié)合的方式進行針對性訓(xùn)練。訓(xùn)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(wù)。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(xùn)練。依據(jù)患者康復(fù)訓(xùn)練不同時期的具體情況實時動態(tài)調(diào)整患者整體康復(fù)訓(xùn)練方案。治療組在常規(guī)康復(fù)基礎(chǔ)上給予基于3D環(huán)境的VR任務(wù)導(dǎo)向訓(xùn)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(fù)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(xùn)練內(nèi)容有狐貍摘葡萄游戲(訓(xùn)練坐位及站位平衡轉(zhuǎn)移功能)、擺方塊游戲(訓(xùn)練中心前后左右轉(zhuǎn)移及靜態(tài)平衡能力)、踩鼴鼠游戲(訓(xùn)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(biāo)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(guān)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?jǐn)?shù)在40分以下，表示跌倒風(fēng)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(biāo)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(biāo)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?fàn)顩r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(xué)意義(均P>0.05)。經(jīng)3周康復(fù)，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(biāo)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(xué)意義(均P>0.05)。經(jīng)3周康復(fù)，兩組患者治療后睜眼及閉眼時上述指標(biāo)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(biāo)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(xué)意義(均P>0.05)。經(jīng)3周康復(fù)，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(biāo)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(fù)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(yán)重下降，導(dǎo)致錯誤的下肢運動順序模式及異常的關(guān)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(fēng)險[9]。基于此，腦卒中患者平衡功能的恢復(fù)是提高其日常生活活動能力并改善生活質(zhì)量的關(guān)鍵，然而常規(guī)平衡康復(fù)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(fù)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(dǎo)致康復(fù)效果低下[10]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)因具有趣味性、沉浸性及想象性的特點，近幾年已經(jīng)被應(yīng)用于腦卒中患者平衡功能的康復(fù)。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(xùn)練，對照組給予常規(guī)平衡訓(xùn)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(xùn)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(xùn)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(xùn)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(xùn)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(fù)。本研究發(fā)現(xiàn)，通過3周訓(xùn)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(shù)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(xùn)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(xùn)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(fù)。VR平衡康復(fù)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(fù)行為，不斷獲得成功愉悅體驗并持續(xù)訓(xùn)練，進而激發(fā)其康復(fù)積極性直到掌握多種運動能力。同時VR平衡康復(fù)提供多種個性化模塊，患者可動態(tài)調(diào)整康復(fù)強度及時間進而維持康復(fù)動機[3]。基于神經(jīng)解剖學(xué)理論，腦卒中患者用偏癱肢體反復(fù)訓(xùn)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(yīng)用DTI技術(shù)探究VR對腦卒中患者平衡康復(fù)的神經(jīng)機制發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用VR前病灶中心表觀擴散系數(shù)與健側(cè)相應(yīng)部位差異無統(tǒng)計學(xué)意義，應(yīng)用VR后病灶中心表觀擴散系數(shù)高于健側(cè)對應(yīng)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(yīng)。下一步可利用神經(jīng)影像技術(shù)或神經(jīng)電生理技術(shù)進一步探究基于3D環(huán)境的VR任務(wù)導(dǎo)向訓(xùn)練對平衡功能恢復(fù)的可能調(diào)控機制。