虚拟现实技术对全膝关节置换术后功能恢复及心理改善的作用*

冯永建金驰倪永健 单忠林

（沧州市中心医院骨科，河北沧州061001）

全膝关节置换术（total knee arthroplasty,TKA）是目前治疗中重度骨关节炎（osteoarthritis,OA）的重要方法[1]。据统计，全球每年行TKA患者超过60万[2]。既往TKA术后早期康复锻炼均以医师指导、视频教学为主，患者被动性或自主性功能锻炼[3]，术后疼痛及卧床后行动不便等因素均会给患者带来巨大的恐惧和心理压力[4]，进而造成术后早期锻炼不及时、不科学、不到位，康复进展缓慢，功能恢复不良[5]。鉴于此，临床上亟需一种能让TKA患者术后更轻松、乐观、主动的康复训练方法，进而减轻患者康复过程中的疼痛，提高康复的效率。

虚拟现实技术（virtualreality,VR）亦被称为“灵境技术”，具有沉浸性、交互性、构想性的特征，已被广泛应用于各行各业，在医学领域被称为虚拟医学或仿真医学，已经实现了虚拟解剖、虚拟手术、康复训练、远程医疗等功能[6-8]。本研究对比分析OA患者TKA术后早期阶段性康复锻炼中常规锻炼方式和应用VR技术的康复锻炼模式康复的效果，旨在进一步明确VR技术在术后康复锻炼中的可行性和效果，为今后制定最快、最合理的康复训练方案提供参考和借鉴。

1 资料与方法

1.1 临床资料

本次研究经医院医学伦理委员会审核批准，患者及家属知情同意并签署相关协议，前瞻性选取2015年3月至2016年10月收治的因膝OA住院并行单侧TKA患者为研究对象，入选标准：①年龄40～80岁，不限性别；②初诊参照《骨关节炎诊断及治疗指南》[9]确诊为膝OA患者，且经CT或MRI检查证实；③OA分期为HoldenⅣ级（膝OA终末期），符合膝关节外科学会的鉴定标准[10]，且首次行TKA手术；④术前均未行关节镜或者其他外科手术；⑤术前无腿部畸形；⑥术前评估患者身体状况良好，可耐受手术；⑦手术顺利，C型臂X线机检查证实假体放置位置良好；⑧语言沟通能力正常，意识清晰，理解力正常；⑨依从性良好；⑩临床资料齐全。排除标准：①过度肥胖者；②骨质疏松严重，病理性骨折者；③严重感染、心脑血管疾病及肺、肝、肾等重要功能障碍者；④血糖控制不佳的糖尿病患者；⑤脑卒中偏瘫、帕金森病等神经系统功能障碍影响活动者；⑥合并下肢神经性疾病、下肢关节强直者；⑦恶性肿瘤史或近期确诊为恶性肿瘤者；⑧术中出现韧带损伤者、术中出现假体周围骨折者、术后一般状况差或生命体征不稳定者、术后切口有愈合不良倾向者、术后有下肢静脉形成倾向者；⑨听力、视力功能差，语言表达不清者；⑩不同意配合此试验者。采用随机数表法，按照康复训练模式将其分为对照组和试验组，每组60例，两组患者在性别构成比、年龄、文化程度、BMI、手术时间等基本资料方面比较，差异无统计学意义，有可比性（P＞0.05，表1）。

1.2 手术方法

两组患者单侧TKA手术均由同一医疗组人员进行，手术操作均严格遵照操作规范流程，假体均使用德国LINK公司生产的Gemeni MK2型膝关节假体，术前30 min常规应用抗生素预防感染，采用腰硬联合麻醉或气管插管静吸复合麻醉，上气压止血带，切口均选择膝前正中纵切口（长约15 cm），选择髌内侧进入关节，切除滑膜、髌上囊、髌下脂肪垫以及内外侧半月板，同时切除前后交叉韧带，凿除股骨远端和近端骨赘，分别进行股骨前、后、远端截骨以及远端前、后斜面的截骨。用胫骨平台定位器行胫骨截骨，截骨后安置假体，外翻角设在5°～8°，调节膝关节屈伸张力；根据关节畸形松解内外侧软组织和侧副韧带以确保软组织平衡。根据患者失血量适量输血，术后做好预防感染工作，引流管护理方案相同。

手术结束时静脉注射托烷司琼5 mg，并行患者自控静脉镇痛（patient controlled intravenous analgesia,PCIA）。PCIA药液配置为舒芬太尼2 μg/kg，生理盐水稀释至100 ml，参数设定为：背景注射量2 ml/h，追加剂量0.5 ml，锁定时间15 min。

1.3 康复训练方法

对照组按照《分阶段康复训练指导计划》[11]进行常规性自主锻炼。第一阶段（术后0～2 d）：麻醉苏醒后即开始进行适度四头肌、腘绳肌等长收缩练习及踝泵锻炼10～15 min/h；第1 d开始增加膝关节主动、被动屈伸锻炼，取仰卧位或半卧位，踝关节下方垫一小枕，双手轻压膝关节，尽可能伸直患肢并维持5～10 min，双手环抱大腿中上端并用力上提，让膝关节主动屈曲，在护理人员辅助下被动行膝关节伸直和屈曲运动，每2 h进行10～15 min，屈曲角度以患者可耐受为宜；第2 d在拔出引流管后进行髌股关节、膝关节的主被动屈伸训练，同时辅以连续被动运动仪（continuous passive motion,CPM）进行膝关节屈曲功能训练，每日2～3次，每次30～60 min，屈曲角度从30°开始，根据患者状态逐渐增加屈曲角度至90°以上。第二阶段（3～10 d）：继续第一阶段锻炼并根据患者情况逐渐增加训练频率和强度，同时增加身体平衡、膝关节本体感觉训练，从扶助行器床边战立、行走、练习重心转移，逐渐过渡到独立行走及上下楼梯，尽可能让膝关节伸直到0°，屈曲90°以上；此外，逐渐进行渐进抗阻力的直腿抬高、屈伸运动训练，逐渐增加关节屈曲活动的范围，夜间睡眠期间将患肢抬高30°～45°使膝关节处于强迫伸直位，预防屈曲挛缩，促进静脉回流。第三阶段（10～14 d）：在第一、二阶段训练基础上加强对下肢运动协调训练，促进肌力恢复，尽量扩大关节活动范围，最终达到恢复膝关节功能的目的。

表 1 两组患者的临床资料比较（ x± s）

试验组在对照组分阶段康复训练间歇期运用VR技术指导下的康复锻炼，VR设备和技术均由沧州市米德科技公司提供。首先，在术前让患者熟练掌握VR设备的穿戴和操作，虚拟沉浸性场景为水上赛艇运动，交互性为屈膝划桨使赛艇前进。术后第2 d开始佩戴VR设备并按照虚拟场景进行康复训练，每次练习30 min，每日3次，共干预12 d。

1.4 观察指标

记录对比两组患者初次达到主动屈曲45°、90°的时间和疼痛程度，疼痛程度采用数字评定量表（numeric rating scale,NRS）[12]评估（0～10分），0分为无痛，1～3分为轻度疼痛，4～7分为中度疼痛，8～9分为重度疼痛，10分为剧烈疼痛。

美国特种外科医院膝关节评分量表（hospital for special surgery knee score,HSS）[13]从疼痛（30分）、功能（22分）、活动度（18分）、肌力（10分）、屈曲畸形（10分）、稳定性（10分）及减分项目评估患者膝关节功能，总分100分，优：＞85分，良：70～84分，中：60～69分；差：＜59分。

膝关节活动范围（range of motion,ROM）使用普通量角器测量，设定当膝关节伸直时活动度为0°，优：ROM≥110°，良：90°≤ROM＜110°，差：ROM＜90°。

对比两组患者的康复积极性，主要包括：康复的需求程度、配合程度、依从性程度、遇到挫折后良好情绪、护理人员及家属鼓励的作用5个方面，每个方面0～10分，总分0～50分，评分越高则提示康复积极性越高。

采用美国波士顿健康研究所（medical outcomes,MOS）研制的SF-12生活量表（MOS 12-item short form health survey,SF-12）[14]从生理、心理两方面评估患者生活质量，得分越高提示日常生活能力越好，生活质量水平越高。

1.5 统计学方法

采用SPSS 18.0软件进行统计学分析，计量资料采用平均数±标准差表示，若数据符合正态分布则采用t检验（组内比较行配对t检验，组间比较行成组t检验），若数据不符合正态分布则行秩和检验，计数资料和等级资料均采用百分比或构成比（%）表示，计数资料行χ2检验，等级资料行秩和检验，P＜0.05为有统计学意义。

2 结果

2.1 两组患者初次主动屈曲达45°、90°的时间及NRS评分比较

试验组患者初次主动屈曲达45°、90°的时间分别为（2.5±1.3）d、（4.2±1.4）d，均明显短于对照组的（4.6±2.2）d、（6.9±2.4）d；试验组患者初次主动屈曲达45°、90°时的NRS评分分别为（3.9±1.3）分、（2.0±1.0）分，均明显低于对照组的（5.3±2.6）分、（3.9±1.3）分（P均＜0.05，表2）。

2.2 两组患者不同时间点ROM、HSS评分比较

两组患者术后14 d的ROM、HSS评分均明显高于术前（P均＜0.05，表3）；试验组术后14 d的ROM、HSS评分均明显高于对照组同时刻的ROM值、HSS评分（P均＜0.05，表3）。

2.3 两组患者康复训练积极性比较

试验组患者术后康复需求、配合、依从性和遇挫折后良好情绪以及家属及护理人员鼓励作用评分均明显高于对照组（P均＜0.05，表4）。

2.4 两组患者生活质量情况比较

两组患者出院时SF-12量表中生理总评分、心理总得分较术前均明显提高（P均＜0.05），出院时试验组两项评分均明显高于对照组评分（P均＜0.05，表5）。

3 讨论

OA为慢性无菌性退行性疾病，多发生关节软骨退变而累及骨质及其附属结构，尤其好发于负重关节，膝关节作为人体主要的负重关节，膝OA是最常见类型[15]。TKA通过切除机体发生病变且无法自行恢复的关节面，改用人工关节替代病变关节，矫正下肢力线，消除疼痛，维持关节稳定性和正常功能进而达到恢复膝关节功能的目的[16]，成为临床治疗膝OA应用最为广泛的手术方式，故本研究选择膝OA行单侧TKA患者为研究对象，病源充足。

表 2 两组患者初次主动屈曲达45°、90°的时间及NRS评分比较（ x± s）

表 3 两组患者不同时点HSS评分和ROM值对比分析（ x± s）

表 4 两组患者术后康复训练的积极性各项指标评分比较（ x± s，分）

表 5 两组患者术前、出院时SF-12量表评分情况对比分析（ x± s，分）

随着人们对生活质量的要求不断提高，术后康复效果已经成为重点关注和研究的领域。研究发现TKA术后康复效果受性别和吸烟史、BMI、慢性疾病史（糖尿病、高血压、高脂血症、糖尿病等）、静脉血栓形成危险度评分量表（risk assessment and predictor tool,RAPT）和基于性能的功能测试（performancebased functional test,PBT）、术中和术后多因素（手术时间、术中出血量、术后疼痛、术后感染、康复训练等）影响[17,18]，现阶段临床医师对TKA术后早期功能锻炼日益重视。本研究就不同康复训练模式对TKA术后康复效果的影响进行探讨，旨在为今后TKA术后获取最理想的康复效果提供新的思路和方案。

分阶段康复是一种分阶段、有区别的康复锻炼模式，针对患者病情不同时期进行差别对待，符合患者术后康复的病理、生理特点，有利于发挥康复的最大效能，在临床上广泛应用已取得了一定效果[19]。本研究结果发现对照组患者初次主动屈曲达45°、90°时间分别为（4.58±2.15）d、（6.85±2.38）d，但疼痛仍较为明显，可能降低康复训练的主动性和积极性，不利于术后膝关节功能和活动度的恢复。

目前VR技术已应用于医学教育、虚拟内窥镜检查、放射治疗模拟定位、虚拟手术、康复训练等医学领域[20]。虚拟现实技术指导下的康复训练具有现实环境所不具备的多重优势，相比于传统康复训练方法，其具有安全性、反馈性、趣味性、个性化、良好交互性、真实性、高效性等优势，同时其提供重复练习、成绩反馈及维持动机3种技术手段，能促使患者在虚拟环境中学会运动技能并迁徙到现实真实环境中[21]。VR系统具有沉浸—交互—构想的特征：沉浸性是患者沉浸在虚拟合成的空间中，有身临其境的感觉；交互性是患者和虚拟环境之间的互动作用，主要依靠各种传感器实现；构想性是患者在虚拟环境中产生想象，获得感知[22]。VR技术沉浸水平分为沉浸式、非沉浸式、半沉浸式，目前应用最多的为沉浸式VR系统，患者佩戴头盔式显示器（head mounted display,HMD）或者其他形式显示设备，通过HMD内可视显示单元和扬声器，结合数据手套或者紧身衣将视觉、听觉、触觉传输到患者进而产生沉浸体验，同时患者可使用操作杆、空间球、3D鼠标等其他手持传感器作用于虚拟环境，完成和虚拟环境间的互动，进而产生想象获得感知[23]。

本研究应用VR技术的沉浸性和交互性，设计出虚拟的湖上赛艇运动，将屈膝锻炼与船桨划水前行相结合，增加患者乐趣和参与感的同时，促使患者变被动康复锻炼为主动康复锻炼，减轻痛苦，从而建立康复成功的自信心，促进术后膝关节快速康复。本研究发现试验组患者初次主动屈曲达45°、90°时NRS评分均明显低于对照组（P＜0.05），提示在VR技术指导下分阶段康复训练可提高患者积极性、转移其注意力，进而减轻其疼痛程度。Lewis等[24]报道良好的镇痛有利于患者功能恢复锻炼，增强关节活动度，对比分析发现两组患者术后14 d的ROM值、HSS评分均明显高于术前（P＜0.05），且试验组术后14 d的ROM值、HSS评分均明显高于对照组同时刻（P＜0.05），提示VR技术指导下的分阶段康复训练减轻患者疼痛程度可促进术后膝关节活动度和功能的早期恢复。TKA术后患者心理负担较重，尤其是老年患者，对手术治疗费用、康复效果的担忧常会让其产生不同程度焦虑和抑郁情绪，进而引起心理、生理一系列改变[25]，负性情绪造成的压力让TKA患者术后恢复更为困难以致更加剧烈的疼痛和身体功能受限，极大程度影响患者康复训练的主动性和积极性，最终影响手术和康复效果，王文霞等[26]报道TKA术后改善患者的心理状态可促进膝关节功能恢复，而VR技术的应用让患者能获得身临其境的真实感，虚拟系统中的游戏设计能增加患者乐趣和参与感，可让患者保持良好健康的心理状态，结果发现试验组患者术后康复需求、配合、依从性和遇挫折后良好情绪、家属及护理人员鼓励作用评分均明显高于对照组（P＜0.05），且出院时试验组生理总评分、心理总得分均明显高于对照组评分（P＜0.05）。

综上，VR技术指导下的早期分阶段康复训练可让患者术后更自信、更乐观、更主动的进行早期康复锻炼，减轻患者康复过程的痛苦，促进膝关节关节活动度和功能的恢复，进而改善患者生活质量，可在术后康复训练中广泛推广和应用。目前，国内关于康复训练中VR技术研究尚不成熟，在TKA术后康复训练中的应用尚处于起步阶段，康复锻炼游戏较为单一，尚需进一步深入研究。

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