基于奥马哈系统的乳腺癌患者康复管理虚拟现实技术平台构建与应用

2018-08-22金艾香陈肖敏章小飞陈杰

中国全科医学 2018年24期

金艾香，陈肖敏，章小飞，陈杰

乳腺癌外科手术仍是目前乳腺癌最主要的治疗手段，多数手术患者需要行乳腺切除与腋窝淋巴结清扫［1］，约20%的患者术后易发生包括乳腺癌上肢淋巴水肿、上肢功能障碍在内的多种术后并发症［2］。同时，乳腺癌对女性的影响还包括术后身体形象完整性被破坏的心理压力，45%的女性患者有心理障碍，其中焦虑与抑郁占42%，存在两种以上心理障碍的女性患者达20%［3］。相对于短暂的住院治疗过程，出院后的后续康复治疗更为漫长、复杂。奥马哈系统以梳理、解决问题程序为指导思想，通过标准化护理语言规划整合临床数据信息，是支持以患者为中心的临床实践、教育和研究的标准化术语，也是临床康复护理信息化系统开发的基础［4-5］。虚拟现实技术（VR）是将计算机技术和最新的传感器技术融合创造出来的一种新的交互手段，VR与康复医学深层次结合已成为研究焦点［6］。

本研究在乳腺癌康复护理理论与奥马哈系统基础上，建立乳腺癌组合训练康复方案VR模型。借助奥马哈系统中的问题分类系统、干预系统和效果评价系统，首先根据患者康复方案进行问题分类，设计虚拟环境以及虚拟人物，开展以任务为导向的乳腺癌患者术后活动模拟个体训练，然后有针对性地开展术后功能锻炼和心理辅导干预，最后设计基于体感的运动交互评价策略，将患者反馈数据纳入康复管理平台，结合患者的生理、心理条件和所处环境等多种因素正确评估患者的阶段性康复效果［7-8］。因为缺乏VR应用标准，为便于VR智能化处理信息，同时更好地实现VR人机沟通交流，本研究将借用奥马哈标准化语言作为乳腺癌患者康复管理数据结构标准。

1 总体设计思想

康复管理是集实践指引、实践记录、效果评价和信息管理为一体，对乳腺癌术后患者进行全面管理的过程［9］。这个过程需要对患者的各类信息数据及时保留并量化，并设定时间节点进行连续、完整的跟踪评估，评估信息包括患者的有关环境、社会心理、生理、健康相关行为的改变，通过有效评估信息才能使医护人员详细、全面地了解患者的病情并给予更有针对性的护理措施［10］。根据奥马哈系统中问题分类系统明确评估内容，包括环境、社会心理、生理、健康相关行为领域。按照马斯洛需要层次论和生理-心理-社会医学模式的指导，结合专家咨询，确定解决各类乳腺癌患者康复训练需要解决问题的优先次序，针对患者具体体征和问题决定康复措施，制定出患者康复组合训练方案［11-12］。用奥马哈系统分类中的子系统进行问题筛选，给予存在肌肉-骨骼-淋巴水肿功能异常以及心理异常的患者分阶段的系统康复训练及心理干预。第一阶段：术后1 d至拔除胸壁引流管，约1周；第二阶段：拔除胸壁引流管至术后1个月；第三阶段：术后1个月后采用组合训练（掌、指、腕、肘、肩关节运动，后伸运动和心理干预），评估患者训练后的健康状况、生理功能和职能、情感健康及社会功能改善情况［13-15］。

将VR引入康复训练的基本依据是因为其能将心理诱导有效渗入到患者康复训练中，从而激发患者在康复训练中的愉悦情绪，其注定将为康复工程带来一场技术革命［16］。多项研究证明，虚拟现实康复疗法可从多个层面有效提升患者的康复效果：多样的虚拟互动环境可以刺激神经重塑，加强动作学习，激励患者产生继续训练的积极性；互动的训练环境让患者更容易完成大量重复性动作的训练；提供康复任务及时反馈，为患者找到更合适的训练强度［17-19］。基于奥马哈系统的乳腺癌患者康复管理VR平台能加强医务人员对患者整体性和护理实践重点的思考，可为医疗档案实时更新提供新的解决方法，也可为更为丰富的健康服务提供硬件支持。

2 乳腺癌患者康复管理VR平台的需求及功能设计

2.1 需求分析不同患者的手术方案和康复条件不同，患者术后早期若有针对性地进行康复训练，有利于促进其上肢功能恢复，提高生活质量。目前可帮助患者进行康复运动的VR软件很多，但没有能制订个性化康复方案的VR平台。若能利用已有的奥马哈康复自然语言，研究面向任务的康复信息提取框架，建立共享的康复医学术语本体，继承和管理自然语言处理资源，就可以根据不同的患者信息配置相应的奥马哈康复干预任务，以满足各种自由文本驱动的康复治疗临床决策支持应用。

2.2 功能设计乳腺癌患者康复管理VR平台包括奥马哈系统在康复中的应用、奥马哈系统信息化处理、VR康复人机交互、康复检测数据输入输出及综合评价4个功能模块（见图1），充分考虑无线数据采集设备，严格遵循软件工程理论，对每个康复情境和治疗过程进行了设计和实现。数据采集系统由许多传感器组成：光敏传感器可以追踪上肢活动的坐标信息，计算出肢体运动轨迹；加速传感器可以根据重力加速度数据测量空间中各方向加速度，推断肢体运动趋势和力量大小［20］。传感器结合数据采集设计可以将数据通过网络传到服务器；同时在服务器端进一步分析处理，并模拟对比患者的动作；医护人员也可以提出正确的康复训练要求，并给出相应动作幅度标准图，通过平台反馈指导患者训练，以达到康复治疗要求［21-22］。

图1 乳腺癌患者康复管理VR平台功能模块Figure 1 Function modules of the VR platform for the rehabilitation management of breast cancer patients

3 VR平台实现过程

3.1 虚拟场景设计 VR平台遵循主动康复方法，将生理功能、自我概念、角色功能、相互依赖 4 个方面对VR中虚拟场景、场景图和节点等相关信息及知识分别进行阐述和定义，通过信号输入呈现刺激和动作输出从而实现人机交互，通过愉悦的康复体验激发患者重复练习动机［23］。VR平台由医院和企业联合开发，体感交互虚拟环境系统与VR体感设备（头盔、操纵杆、数据手套）配合，患者可以自行操作［24］（见图2）。如针对淋巴水肿较严重及需要肩部功能恢复的乳腺癌术后患者，平台设计一组日常生活中常见的抛球动作，通过肩周肌肌力等长收缩训练和肩周肌闭链练习，让患者通过VR操纵杆使屏幕上的点按指定轨迹移动到指定位置，位置信息即关节点在3D 空间中相对坐标位置，以（x，y，z）表示［25］。康复场景将从4个维度塑造新医疗：模拟特定场合维系医患亲密关系，帮助医护人员对患者的体验产生共鸣，理解病情；以游戏的方式反馈康复数据，激励患者更好地模仿虚拟人体的康复训练动作，实现康复自学习；通过轻柔的音乐和有趣的小视频减轻患者压力和疼痛；在训练过程中穿插医生的康复指导画面以督促患者康复训练。

图2 VR康复软件场景设计Figure 2 Scenario showing the design of VR rehabilitation software

3.2 虚拟人物设计为了展现更逼真的康复虚拟训练过程，通过三维技术建立外形似人的虚拟人体运动模型。虚拟人体运动部位主要集中在上肢，上肢部分由 9 个杆件及 8 个关节组成，并附加与人体活动度保持一致的 5 个自由度（肩关节外展/内收、肩关节前屈/后伸、肘关节屈曲/过伸、肘关节旋前/旋后、腕关节掌屈/背伸）。在Unity3D中将运动过程分解成图结构，设计不同坐标系，生成多个肢体结构有向图。然后按照康复训练要求定义运动路径，包含虚拟人体有向图各节点，最终形成完整的康复训练动态模型［26］（见图3）。

图3 训练操基本动作模型Figure 3 Basic action model for training exercises

虚拟人物运动设计幅度与康复部位活动度紧密相关。具体动作包括：术后1周内的呼吸抬腿运动、手指伸展运动、手掌按压运动和指尖搓揉运动；术后2周内的抛球运动、梳头运动、钟摆运动和耸肩运动；术后3周内的上臂旋转运动和伸展运动；术后4周内的抬手运动、反手运动、大臂旋转和推拉运动；术后1个月后的扩胸、拍球、跳跃、滑轮运动。3.3 康复方案设计康复方案设计主要包括调查分析、方案规划、策略设计。

（1）调查分析：完成对以奥马哈系统为理论研究依据的调查分析，分析不同手术方式乳腺癌患者不同时点的生存质量状况、焦虑状况及在各阶段的主要生理、心理问题和康复需求，确定康复治疗干预类别、干预方向。研究基于奥马哈系统的组合训练康复方案对乳腺癌患者术后肌力、淋巴回流、肩关节活动度、接受应激反应的能力和细胞免疫功能的影响［27］。

（2）方案规划：建立乳腺癌组合训练康复方案VR平台，引入奥马哈系统数据分析结构，设计并实现满足乳腺癌患者个性需求的虚拟环境和虚拟人动画系统。系统能动态感知虚拟环境中的场景语义信息，根据患者术后状况有针对性地规划康复目标并分解组合相应康复训练序列，避免训练造成二次伤害［28］。

（3）策略设计：以奥马哈系统的标准化护理语言为信息交流基础，设计基于体感的运动交互评价策略，将患者反馈数据，包括训练时间、强度、消耗的卡路里和心率等数据纳入统计数据中，结合患者的生理、心理条件和所处环境等多种因素正确评估患者的阶段性康复效果。

4 临床应用

为评价基于奥马哈系统的术后乳腺癌患者康复管理VR平台的临床应用效果，了解VR康复治疗方案的可行性，本研究对乳腺癌同类手术患者进行了临床观察。

4.1 参与者及分组奥马哈系统管理对象纳入标准：（1）接受乳腺癌根治术或改良根治术、乳腺癌保乳术并行腋窝淋巴结清扫、单纯乳房切除术；（2）肿瘤大小为Ⅰ～Ⅲ级；（3）预期术后生存期至少半年；（4）自愿加入本研究并知情同意；（5）会使用智能手机。

选择2016年1月—2017年5月在浙江省人民医院诊治的120例乳腺癌患者。按随机数字表法将患者分为观察组（应用乳腺癌患者康复管理VR平台）和对照组（应用传统康复训练），各60例。患者于术后6 h开始进行患侧肢体锻炼，直至术后3个月。纳入标准：（1）年龄20～50岁；（2）单侧乳腺癌；（3）无其他慢性病；（4）术前肢体功能正常；（5）愿意配合。对照组：应用传统康复训练，训练内容包括生活护理操训练、瘢痕护理操训练、肢体训练。术后第1天由宣教人员教授训练方法，出院后通过视频继续康复训练，每次训练30 min，1次/d，6 d/周，共干预3个月。观察组：医院将患者基本信息和治疗方案输入基于奥马哈系统的乳腺癌患者康复管理VR平台，并提供VR设备和软件，指导患者进行有针对性的个性化训练，训练时间和频率与对照组相同。

4.2 评定本研究应用健康调查简表（SF-36）评估患者的生活质量，内容包括一般健康状况（GH）、生理功能（PF）、生理职能（RP）、身体疼痛（BP）、精力（VT）、社会功能（SF）、情感职能（RE）、精神健康（MH），共8个维度36个条目。每个维度分值为0～100分，分值越高反映该方面状况越好［29］。

4.3 统计学方法采用SPSS 20.0统计学软件进行数据处理。计量资料以（±s）表示，两组间比较采用成组t检验。以P＜0.05为差异有统计学意义。

4.4 结果观察组SF-36各维度得分及平均得分均高于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05，见表1）。

5 讨论

乳腺癌手术创面大、出血多、切除组织也较多，上肢功能受到影响，同时患者乳房皮肤和形状也会发生改变，容易引发心理问题。临床康复治疗研究发现，传统的康复治疗模式忽略了患者内动力，康复过程中以疾病疗效为中心，这导致乳腺癌术后患者的心理康复效果以及出院后持续自我护理能力效果不佳［30］。基于奥马哈系统的康复管理VR平台是以患者为中心，以患者良好体验为手段，其康复管理理念开始逐渐被各级医院所采用。其创新点如下：

（1）能针对乳腺癌患者术后个体情况实施有区别的康复护理，有助于个体化康复理念的推广。奥马哈系统作为一套护理专业语言和分类系统，是医学文档记录和数据收集的工具，用奥马哈电子软件记录个案评估和护理措施等资料，可以回顾性地分析护理问题的普遍性、护理措施的适用性和不同干预措施的有效性，为临床康复护理提供循证依据［31］。本研究结果显示，基于奥马哈系统的乳腺癌患者康复管理VR平台实施康复训练后，观察组RP、RE维度得分明显高于对照组，其原因是对缺乏乳腺癌术后康复常规知识的患者，基于奥马哈系统的乳腺癌患者康复管理VR平台能对患者进行疾病术后康复知识宣教，使患者对自己的身体状况有更直观的了解，患者能更积极且自发地进行功能训练，且能改正一些不良生活习惯，自觉进行相关保健活动。

（2）有助于提高乳腺癌患者的精神健康状态，促进其社会功能。将VR引入康复训练能够很好地实现心理诱导与康复训练的结合，明显减轻患者在康复训练中的烦躁情绪，其将为康复工程带来一场技术革命。本研究结果显示，实施基于奥马哈系统的乳腺癌患者康复管理VR平台后观察组SF、MH维度得分高于对照组，其原因可能为VR平台设计的虚拟康复场景能将患者置身于开放的环境，释放患者压力，同时设计的康复训练动作来源于日常生活，增强了患者回归社会的信心，有效帮助患者从生理和情感方面应对生活中的常规事件。

（3）VR康复疗法可以将康复的工作前移到社区和家庭。VR平台既能明显减少康复管理人员的工作量，又能更好地绑定患者个人信息，推送沉浸式康复治疗方案，及时准确地把握康复进度，提高整个康复工作的工作效率与医疗质量。在奥马哈系统、乳腺癌康复治疗理论研究基础上，构建的康复管理VR平台针对性强、成本低，可广泛推广。该平台依据奥马哈干预系统评估不同手术方式、患者住院期间和出院后存在的生理和心理问题，制定出的乳腺癌患者术后康复评估干预方案能借助虚拟环境进行以任务为导向的术后日常生活活动模拟训练，有针对性地开展术后功能锻炼和心理辅导。同时平台系统能按康复过程为医护患之间提供在线或离线交流，持久保存患者康复训练数据，帮助医护人员更全面地了解乳腺癌患者的个体病情信息并根据采集数据及时调整治疗措施，能有针对性地加强医护人员对于患者整体性和康复实践重点的深度分析。