視覺反饋下平衡訓練對全膝關節置換術后患者平衡能力及步行能力的影響

王建建, 桑學涵, 孟兆祥, 陳 崗, 周洪雨,陳 波, 王 鑫, 金 星

(揚州大學臨床醫學院, 1. 康復醫學科, 2. 關節外科, 江蘇 揚州, 225000)

膝骨性關節炎(KOA)是一種慢性退行性關節病變，多發于中老年人，常導致神經肌肉疼痛和活動受限，嚴重影響患者的生活質量[1]。《骨關節炎診療指南(2018年版)》[2]提出結合KOA疾病發展特點實施階梯化分級治療策略，其中全膝關節置換術(TKA)是治療終末期KOA有效且成熟的方法，有助于矯正關節畸形、減輕疼痛、恢復膝關節功能，目前已被廣泛應用于臨床[3-4]。相關研究[5]表明, TKA患者術后常殘留不同程度的本體感覺和平衡功能的缺陷，可引起關節穩定性、姿勢控制能力降低和步行能力下降，容易引發摔倒，嚴重影響TKA的手術療效。因此, TKA術后開展本體感覺和平衡功能等訓練尤其重要，但目前康復訓練的側重點為關節活動度和下肢力量訓練等，對本體感覺和平衡訓練的重視程度則相對不足，且往往忽略了視覺反饋在平衡維持中的作用[6]。研究[7]證明，視覺反饋可有效提高運動學習能力，促進本體感覺提升，有利于改善運動、學習和康復的效果。本研究探討基于D-WALL系統的視覺反饋下平衡訓練對TKA患者膝關節平衡功能及步行能力的影響，現報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2021年12月—2022年6月在揚州大學臨床醫學院關節外科接受TKA治療的60例患者作為研究對象，按照隨機數字表法將其分為視覺反饋組、常規平衡訓練組和對照組，每組20例。納入標準: ① 首次行TKA治療，且為單側手術者; ② 認知理解能力和依從性好，可配合康復訓練者。排除標準: ① 合并嚴重肝、腎、心、肺功能不全者; ② 體質量指數(BMI)>30 kg/m2者; ③ 雙側膝關節同期置換者; ④ 有嚴重骨質疏松者; ⑤ 合并嚴重類風濕性關節炎、強直性脊柱炎者; ⑥ 無法執行或不能堅持本研究運動方案者; ⑦ 合并其他可影響平衡功能的神經系統疾病者。本研究經揚州大學臨床醫學院倫理委員會審核批準(審批號2022ky054), 且所有患者簽署知情同意書。3組患者性別、年齡、病程、BMI等一般資料比較，差異均無統計學意義(P>0.05), 見表1。

表1 3組患者一般資料比較

1.2 方法

對照組僅進行常規康復訓練，包括術前健康宣教、術后康復訓練、出院前康復計劃等。⑴ 第一階段(第1～7天): ① 踝泵運動, 5 s/次, 5～10次/組, 4～5組/d; ②關節活動度練習，使用關節持續被動運動(CPM)儀器，設置屈膝角度<90 °, 20 min/次, 1次/d; 伸膝練習，主動做伸直膝關節練習, 5～10次/組, 2～3組/d; ③ 肌力練習，主要進行臀肌、股四頭肌、腘繩肌等肌群的等長收縮練習, 5～10次/組, 2～3組/d; ④ 呼吸功能練習，進行深呼吸、咳嗽、咳痰訓練，配合上肢伸展擴胸運動, 5～10次/組, 2～3組/d; ⑤ 轉移練習，利用助行器等適當工具在能夠忍受的疼痛范圍內負重進行轉移訓練，強調循序漸進原則, 10 min/次, 1次/d; ⑥ 理療，給予神經肌肉電刺激，將2組電極分別置于股內側肌和股外側肌，以促進股四頭肌肌力恢復, 20 min/次, 1次/d; ⑦ 疼痛和腫脹控制，訓練后使用冰袋冷敷, 25 min/次, 1次/d。⑵ 第二階段(第2～6周，以第一階段訓練為基礎，逐漸進行強化訓練): ① 關節活動度練習，推動髕骨，主動屈伸膝練習，之后逐漸過渡到功率自行車練習, 5～10 min/d; ②肌力訓練，對臀肌、股四頭肌、腘繩肌等肌群進行等張收縮練習，之后逐漸過渡到相關肌群的抗阻肌力訓練，采取閉鏈和開鏈相結合的方式, 10～20次/組, 2～3組/d; ③ 站立訓練，患者雙下肢支撐保持身體穩定，開始訓練時在患側膝蓋處給予一定支持，由睜眼過渡到閉眼, 5～10 min/d; ④ 單腿站立訓練，患肢單腿站立保持穩定，先睜眼練習后再閉眼, 10～20次/組, 2～3組/d; ⑤ 功能性活動，獨立步行后進行不同平面步行、上下樓梯等練習, 5～10 min/d。上述訓練5次/周，連續訓練6周。

常規平衡訓練組在常規康復訓練的基礎上進行常規平衡訓練。① 重心轉移練習: 待患者能獨立站穩后，進行身體重心前、后、左、右轉移練習，通過逐漸減少支撐面積增加訓練難度; ② 單腿站立平衡(SLS): 患側單腿站立，之后可將非支撐腿前后擺動以增加訓練難度; ③ 平衡墊訓練: 使用Airex平衡墊，開始先進行雙腿直立位站立訓練，然后逐漸過渡為雙下肢屈曲站立訓練，之后可背靠Babath球靠墻練習以增加難度，訓練過程中注意保護，防止跌倒; ④ 動態平衡板訓練: 使用Joinfit動態平衡墊，患者雙足站立于平衡墊上，保持身體動態平衡，開始時可雙手扶住支撐物加以輔助，逐漸過渡為無輔助獨立練習。康復訓練時間為30 min/次, 1次/d, 5次/周，連續訓練6周。

視覺反饋組在常規康復訓練的基礎上使用D-WALL系統(型號DWT-000)增加視覺反饋下平衡訓練。① 身體重心靜態描跡訓練: 患者雙足站立于測力平臺上，目視前方顯示屏，通過實時攝像，患者能夠清楚地看到自己身體重心的位置變化及重心移動的軌跡，通過移動身體重心來控制屏幕上的光標靠近目標位置, 10 min/次, 1次/d; ② 視覺動態平衡訓練: 患者雙足站立于測力平臺上，目視前方顯示屏，此時屏幕會顯示出人體三維動態圖像，選擇需要練習的虛擬場景，通過調整自身重心位置，試圖解決屏幕上所顯示的任務(如籃子接雞蛋、守門撲球、滑雪等)，當患者調整身體重心位置時，屏幕上會實時動態顯示重心投影的位置、移動速度或任務完成情況等，患者本人可以根據屏幕上顯示的結果及動態成像進行自我觀察和軀干與下肢重心調整，醫護人員有時可給予一定的言語提示幫助患者完成任務, 20 min/次, 1次/d。康復訓練時間為30 min/次, 1次/d, 5次/周，連續訓練6周。

1.3 觀察指標

1.3.1 “起立-行走”計時測驗[8](TUGT): 準備一把有扶手且帶靠背的椅子，于距離椅子前方3 m處進行標示，患者坐在椅子上，當聽到口令后從椅子上站起向前走至3 m標示位置，再180 °轉身返回椅子處坐下，記錄患者背部離開椅背到再次坐下靠在椅背所用的時間(s)以及測試過程中可能跌倒的危險性。每回測量3次，中間休息1 min, 取其均值進行統計分析。記錄的時間越長，代表平衡功能、步行能力越差，跌倒的可能性越大。

1.3.2 平衡能力測試: 使用D-WALL三維系統評估患者靜態平衡能力，開始測試時，要求患者雙足站立于測力平臺上，雙手自然下垂于體側，平視前方2 m處屏幕標記，分別測試睜眼和閉眼狀態站立30 s患側的壓力中心(COP)擺動程度。COP搖擺程度越小，表示平衡能力越好，姿勢穩定性越強。觀察指標有運動軌跡面積(mm2)、運動軌跡周長(mm)。運動軌跡面積代表重心移動所產生的軌跡圍成面積的大小; 運動軌跡周長代表重心移動所產生運動軌跡的總長度。兩者的數值越小，表示穩定性、平衡功能越好，反之則越差。

1.4 統計學分析

2 結 果

2.1 3組患者睜眼、閉眼運動軌跡面積和運動軌跡周長比較

治療前, 3組患者睜眼、閉眼狀態的運動軌跡面積、運動軌跡周長比較，差異均無統計學意義(P>0.05); 治療6周后, 3組患者睜眼、閉眼狀態的運動軌跡面積、運動軌跡周長均小于治療前，差異有統計學意義(P<0.05); 治療6周后，視覺反饋組睜眼、閉眼狀態的運動軌跡面積、運動軌跡周長均分別小于對照組、常規平衡訓練組，且常規平衡訓練組均小于對照組，差異有統計學意義(P<0.05)。見表2。

表2 3組患者運動軌跡面積、運動軌跡周長比較

2.2 3組患者TUGT結果比較

治療前, 3組患者TUGT結果比較，差異均無統計學意義(P>0.05); 治療6周后, 3組患者TUGT結果均短于治療前，差異有統計學意義(P<0.05); 治療6周后，視覺反饋組TUGT結果分別短于對照組、常規平衡訓練組，且常規平衡訓練組短于對照組，差異有統計學意義(P<0.05)。見表3。

表3 3組患者TUGT結果比較 s

3 討 論

人體平衡功能是指人在不同的環境和情況下維持身體直立姿勢的能力，平衡的調節需要感覺信息的輸入、中樞神經系統的整合和運動的控制共同協作完成。平衡功能失調易導致姿勢控制能力及穩定性下降，跌倒風險升高。TKA將關節軟骨、交叉韌帶、半月板等富含本體感受器的組織切除，可造成本體感覺不同程度減退或喪失[9]，導致患者平衡能力、關節運動控制能力下降及步態異常等。TKA患者平衡功能障礙可由多種因素引起，例如下肢肌力減退、心理因素等，尤其是感覺信息輸入異常(包括本體感覺、前庭覺及視覺系統等)。缺乏視覺刺激會導致大腦中樞平衡協調功能感知差，故視覺信息輸入也是平衡控制的重要調節因素[10]。本研究結果顯示，治療前與治療后，3組患者閉眼狀態下的運動軌跡面積、運動軌跡周長均小于睜眼狀態下，說明睜眼時平衡能力較閉眼時好，亦證實視覺系統在平衡功能維持中發揮重要作用，與既往研究[7, 11-12]結論類似。作為姿勢控制的主要感覺輸入渠道，視覺能夠快速有效地識別身體在空間中的位置變化，評估并整合來自環境的各種信息，從而自動調整姿勢而維持平衡[13]。

本研究結果顯示，治療6周后，視覺反饋組患者睜眼、閉眼狀態下運動軌跡面積、運動軌跡周長均小于常規平衡訓練組和對照組，且常規平衡訓練組均小于對照組，差異有統計學意義(P<0.05)。相關研究[14]發現，平衡訓練及本體感覺訓練對TKA患者術后平衡功能和步行能力等具有顯著改善作用，與本研究結果相符。但常規平衡訓練著重于軀干穩定、重心轉移訓練及下肢控制等，對視覺反饋的重視度不夠，而且往往重復某個固定動作，缺乏趣味性，不能客觀評估每次訓練的成果。D-WALL系統是利用視覺反饋對人體平衡功能進行定量評估和訓練的一套系統，在“描跡訓練”“穩定極限”及任務游戲等平衡訓練過程中，患者本人借助“一個大的數字化鏡子”可以“看到”這些結果，從而實時獲得自身運動方向及身體重心變化的視覺反饋，激活大腦中樞感知和調控運動的感覺。這種“生物反饋”機制可以加強患者大腦中樞神經系統對肢體遠端的控制，形成一種正反饋機制，引起相應肌肉的大腦控制區運動皮質增加[15], 促進姿勢和身體各部分信息的整合，同時加入鏡像視覺反饋還可補償TKA患者術后本體感覺的缺失[12]，最終實現平衡功能的全面提升。此外，與傳統的常規平衡訓練比較, D-WALL系統內置不同游戲任務及虛擬場景，如籃子接雞蛋、滑雪、守門撲球等，具有一定趣味性，能充分調動患者的主觀積極性，明顯改善其平衡能力。OH H T等[16]在一項雙盲隨機對照試驗中將24例TKA患者分為2組，實驗組進行視覺反饋下平衡訓練，對照組進行無視覺反饋下平衡訓練，干預8周后，觀察組患者的平衡功能顯著優于對照組，與本研究結論相似。

本研究還發現，治療6周后，視覺反饋組的TUGT結果顯著短于常規平衡訓練組和對照組，提示TKA術后進行視覺反饋下平衡訓練能改善患者的步行能力。迪曉霞等[17]將48例腦卒中患者隨機分為2組，觀察組采用Pro-Kin視覺反饋平衡訓練儀訓練聯合常規訓練，對照組僅進行常規訓練，隨訪6周發現，觀察組患者的平衡功能、步行能力均顯著優于對照組。平衡功能不僅影響人體姿勢的穩定性，而且是決定患者步行能力的重要因素之一[18]。研究[19]證實, TKA患者術后本體感受器及平衡功能受損，這種缺陷可能造成關節運動能力下降、肌肉潛伏期延遲、肌肉活動幅度改變以及姿勢穩定性下降等，患者步行時易表現出步行速度降低、患側支撐相縮短、站立不穩、步行缺乏變向能力、容易摔倒等現象。本研究中，視覺反饋組訓練時借助“一塊大的數字化鏡子”進行視覺反饋，可增加本體感覺的輸入，改善前庭功能，有效提高患者運動學習能力。本體感覺的增強能夠提升膝關節周圍相應組織器官對外周信息的感知程度，有利于增強神經肌肉的控制能力，激活膝周相關肌群，改善患膝周圍韌帶及肌群的力量，提高膝關節穩定性，最終提升步行能力。

基于D-WALL系統的視覺反饋下平衡訓練是一種安全、定量、任務導向性的平衡訓練方法，在訓練過程中可實時提供視覺反饋，自動識別錯誤動作并提示改進，提高TKA患者的平衡功能及步行能力，此外該方法簡單易行，內置游戲和任務訓練，趣味性高，可充分調動患者訓練的積極性。但本研究存在一定局限性: 首先，樣本量偏小，可能導致結果偏倚; 其次，隨訪時間僅6周，未對患者進行長期隨訪，很難確定這種效果能否長期保持; 最后，影響平衡功能的因素包括生理、運動、認知和精神狀態等，但本研究未對這些因素進行綜合分析，有待今后進一步深入研究。

綜上所述，基于D-WALL系統的視覺反饋下平衡訓練可有效提升TKA患者平衡功能，改善其獨立步行能力，一定程度上降低跌倒風險，其近期治療效果優于常規平衡訓練。