沉浸式虚拟现实训练用于前交叉韧带重建术后患者下肢运动功能康复的效果观察

施明 潘文平 李亮 曾明 陈迎春

前交叉韧带重建术（anterior cruciate ligament reconstruction,ACLR）后患者在恢复期的康复训练过程中会出现关节肿胀、疼痛、活动受限、肌力下降及本体感觉减退等一系列问题。特别是在康复训练早期，由于术后关节疼痛、肿胀及支具制动等原因，导致患侧下肢股直肌激活受限、萎缩、肌力下降，在步行过程中由于患侧膝关节稳定性减退，支撑期伸膝不充分，引起“股四头肌逃避步态”，影响患者膝关节功能的恢复[1-2]。ACLR后康复策略关键是恢复肌肉的质量、力量、爆发力以及协调性[3]。如何有效改善患者下肢肌力，提高术后下肢运动功能，降低后期创伤性关节炎的发生率一直是学者探讨的焦点。虚拟现实（virtual reality,VR）训练是利用计算机生成虚拟的现实环境，实现视、听、触和动觉等多方面虚拟互动和反馈，使患者在VR环境中进行可控的功能性运动和操作[4]。有研究证实VR技术对改善步行障碍具有积极作用[5]。本研究对ACLR后患者下肢功能采用沉浸式VR训练，观察其效果，现将结果报道如下。

1 对象和方法

1.1 对象 选取2017年1月至2019年10月嘉兴市第二医院康复中心ACLR后患者50例。诊断均符合前交叉韧带（anterior cruciate ligament,ACL）损伤标准：前抽屉试验、Lachman试验阳性，膝关节MRI检查可见ACL损伤或完全断裂，术中关节镜下符合ACL损伤标准。纳入标准：（1）经关节镜ACLR后，年龄16～40岁；（2）严格按照本院关节外科ACLR手术流程由同组医生进行手术操作，移植物均选用患侧膝关节半腱肌肌腱和股薄肌肌腱；（3）能够配合进行早期康复训练。排除标准：（1）重建术后失效者：MRI检查证实ACL移植物完全断裂，轴移试验阳性，KT-1000测差值超过5 mm，MRI图像上静态胫骨前移超过5 mm；（2）合并有后交叉韧带损伤、半月板损伤、侧副韧带损伤及其他关节骨折的患者；（3）合并有神经损伤的患者；（4）严重心血管、肺部疾病、糖尿病、椎间盘突出、癫痫的患者；（5）无法耐受一般康复训练的患者；（6）合并有术后严重感染的患者；（7）存在认知、视觉及听觉障碍或无法适应VR训练的患者。脱落标准：（1）发生严重不良事件不宜继续参加本研究者；（2）未按照预定方案进行训练者；（3）因自身原因要求退出本研究者。采用随机数字表法将50例患者分为常规康复训练组（对照组）及沉浸式VR训练组（治疗组），各25例。两组患者一般资料比较差异均无统计学意义（均P＞0.05），见表1。本研究经本院医学伦理委员会批准（编号jxey-2017010），所有患者均签署知情同意书。

表1 两组患者一般资料的比较

1.2 方法 两组患者均进行ACLR术后常规肌力及神经康复训练方案[6-7]。第一阶段（1～4周）：减轻肿胀、控制疼痛、增加活动度，膝关节支具伸膝位固定保护，运动后冷疗消肿，股四头肌及腘绳肌肌群等长收缩训练，肌肉电刺激治疗改善肌力；训练时间：30 min/次，2次/d，5 d/周。第二阶段（5～8周）：改善关节活动范围、恢复步行能力，持续关节活动度训练，肌肉电刺激治疗，股四头肌及腘绳肌肌力训练、抗阻训练，负重训练，运动后冷疗，平衡及动态稳定性训练，迈步训练，上下台阶训练及步行训练；训练时间：40 min/次，2次/d，5 d/周。第三阶段（9～24周）：继续下肢肌力及耐力训练，患膝单侧负重训练，平衡板本体感觉训练，负重台阶训练，整体肌力训练，双脚跳跃训练，跑台慢跑训练，膝关节灵活性训练；训练时间：40 min/次，2 次/d，5 d/周。第四阶段（25～48周）：渐进式训练及灵敏性训练，单脚跳跃训练，多方向加减速冲刺训练，提高运动负荷量；训练时间：40 min/次，2 次/d，5 d/周。

治疗组在术后常规康复训练第6周加入沉浸式VR训练，包括：（1）VR智能跑台训练：使用荷兰Motek Medical公司生产的ITreadmail虚拟现实智能跑台训练系统，该系统由宽基跑台、虚拟屏幕、投影仪、主控台组成。障碍物回避与目标踩踏训练：由康复治疗师选取患者合适的跑台速度，投影仪投射至跑台上呈现出固定步长、步宽及步频的足印，患者按要求踩踏足印步行，过程中患者需随时避开足印前出现的红色障碍物标记块，同时需踩踏绿色目标标记块。意大利阿尔卑斯山游戏：患者被要求在步行过程中收集前置显示屏中做披萨的原料，同时通过侧力位移避开广告牌和花等障碍物；训练时间 15 min/次，2 次/d，5 d/周。（2）VR 扰动训练：使用荷兰Motek Medical公司生产的Dynstable虚拟平衡训练系统进行动态干扰训练，患者脱鞋，双脚并足站立于测力板中央区域，VR场景显示为一移动平板，周围出现不同方向，不同速度的小球撞击移动平板，随即产生不同加速度及不同方向的测力板位移。患者在此训练过程中尽量保持身体的平衡稳定。难度等级为1到9级，根据患者个体情况选择不同等级难度的训练，患者由双足直立站立过渡到屈膝位站立，再由患侧单肢伸膝位站立过渡到屈膝位站立；训练时间10 min/次，2 次/d，5 d/周。

1.3 观察指标 两组患者在常规康复训练第6周（沉浸式VR训练前）及第14周（沉浸式VR训练后）进行等速肌力测试及膝关节功能评估。

1.3.1 等速肌力测试 采用美国HUMAC2009NORM等速肌力测定仪，测定时患者取75°坐位，躯干及大腿使用固定带进行固定，双手握测试仪两侧把手，连接动力仪及阻力垫固定在测试腿内踝上3 cm处，动力仪的动力轴中心与测试腿膝部的股骨外髁一致，去除重力因素。肌力测试：测试前对系统进行常规校正，选择速度为60°/s角速度模式，每组测试前进行3次亚极量屈伸膝关节准备活动，随后要求患者在仪器设定范围内作最大力的膝关节屈曲、伸展运动各10次，屈伸测试间休息3 min。测试指标：（1）峰值力矩（peak torque,PT）是指肌肉收缩产生的最大力矩输出值，代表肌肉收缩产生的最大肌力，包括伸肌峰力矩（extensor peak torque,EPT）和屈肌峰力矩（flexor peak torque,FPT）。（2）膝关节屈/伸肌群峰力矩比值（H/Q）反映屈伸肌力平衡情况。

1.3.2 膝关节功能评估 包括Holden步行功能分级评估及国际膝关节文献委员会膝关节评估表（International Knee Documentation Committee Subjective Knee Evaluation Form,IKDC）评分。Holden步行功能分级共分为5级，评级越高步行功能越好，将分级对应为相应分值进行统计。IKDC由10项膝关节评估和8项膝关节韧带检查组成，针对膝关节的疼痛、功能、日常生活活动能力和体育活动适应能力等进行评估，分值0～100分。

2 结果

2.1 两组患者等速肌力测定结果的比较 两组患者训练前EPT、FPT及H/Q的差异均无统计学意义（均P＞0.05），训练后较训练前均明显改善（均P＜0.05），且治疗组较对照组明显改善（P＜0.05），见表2。

表2 两组患者等速肌力测定结果的比较

2.2 两组患者膝关节功能评估的比较 两组患者训练前Holden分级及ICDK数值比较差异均无统计学意义（均P＞0.05），训练后两组患者较训练前均明显改善（均P＜0.01），且治疗组较对照组明显改善（P＜0.05），见表3。

表3 两组患者膝关节功能评估的比较

3 讨论

ACLR术后患者因急性期疼痛、肿胀、制动等原因导致关节源性肌肉抑制，进而影响下肢肌肉萎缩无力[8]。有研究表明，ACLR术后下肢肌群力量减退严重，患侧股四头肌力下降40%，腘绳肌肌力下降9%～27%，同时术后健侧股四头肌及腘绳肌肌力下降分别为21%和14%[9]。膝关节屈伸肌群无力导致膝关节稳定性下降，继而增加骨性关节炎的发生率[10]，因此对ACLR术后下肢对称性的肌力训练显得至关重要。但是单纯的肌力训练并不能完全改善膝关节的稳定性，影响膝关节稳定的另一重要因素是本体感觉功能，正常的本体感觉是神经传导及反射功能整合的基础，关节中的机械刺激感受器不断把本体感觉信号传递给中枢，中枢神经系统通过对传入本体感觉信息的整合形成膝关节的位置与运动觉，同时为了调整躯体的平衡，中枢神经系统需要整合本体感觉、躯体感觉、视觉和前庭信息，通过反馈作用调节肌肉的兴奋程度，从而参与膝关节稳定的控制[11-13]。由于膝关节韧带的撕裂，导致ACL本体感受器缺失，引起膝关节本体感觉功能的减退，膝关节反馈机制损害导致膝关节稳定性下降，步行姿态异常。因此探讨通过何种有效的康复治疗方式促进患者下肢肌力、本体感觉及步行功能的恢复一直是ACL重建术后康复研究的热点。

目前对ACLR后的康复治疗集中在对关节活动度、肌力、平衡及本体感觉训练这几方面[14]。近年来研究显示通过神经肌肉训练可以改善患者下肢肌群肌力及膝关节本体感觉、协调控制能力，强化膝关节的神经肌肉控制能力对膝关节的功能活动及减少再次损伤率有帮助，因此ACL重建术后膝关节的功能训练越来越强调神经反馈调控机制。神经反馈调控依赖于完整的感受器输入及中枢整合输出的结构功能方式，有研究认为“内部关注”及“外部关注”对膝关节的运动控制产生影响。目前临床上运动姿势控制训练主要采用康复治疗师的言语诱导，比如在步行支撑过程中要求患者更多的保持伸膝，这种引起患者关注运动控制的方式称为“内部关注”，当患者注意力指向运动结果或者效果时，比如“想象踢球”时以促进伸膝，称为“外部关注”[15]。“内部关注”破坏了力产生中的有效运动控制，增加了拮抗肌的共同收缩，降低了协调效率。而提供引起“外部关注”而非“内部关注”的方法将会导致更大的运动效果，提高准确性、平衡性及效率[16]。增加“外部关注”需依赖视觉输入，研究认为视觉反馈叠加了更多的感觉输入，在维持神经肌肉控稳定性方面作用显著[17-18]。通过增加视觉运动反馈训练可以提高神经肌肉稳定性，较传统运动治疗更能减少创伤风险[19-20]。传统训练中很难让患者在各种现实场景中进行训练，这限制了患者运动模式向实际活动的有效转化。VR训练具有沉浸、交互和想象三大特点，提供给参与者模仿现实环境的虚拟训练场景，通过对视觉中虚拟物体作出的实时反应从而达到训练的目的。这种训练技术增加了“外部关注度”弱化了“内部关注度”，有利于改善神经肌肉运动功能。近期研究显示通过VR训练可以增加膝关节感觉-视觉-运动计划大脑网络皮层的兴奋性，降低膝关节生物力学损伤风险[21]。研究表明，ACLR后与标准步行训练相比，步行训练与虚拟训练相结合则步态会有更大的改善[22]。一项随机对照研究显示，通过VR训练，可以改善ACLR后患者下肢肌力、平衡及协调反应时间[23]。

本研究结果发现两组患者训练前后EPT、FPT及H/Q值均明显改善（均P＜0.01），但治疗组较对照组更为明显（P＜0.05），从结果来看，VR训练在改善患侧股直肌及腘绳肌肌力及膝关节稳定性方面存在优势。分析原因可能为ACLR后患者康复过程中多存在患侧膝关节肿胀、疼痛及本体感觉减退等问题，导致肌力下降及膝关节稳定性减退，训练时患者往往更多关注膝关节的内在因素，而忽视了其运动控制的有效性，训练效果受影响。本研究中VR训练通过设置沉浸式VR场景以影响患者的注意力，使其关注点在于VR任务场景，增加了外部关注度，弱化了内在负性干扰因素。步行训练及扰动训练均需要下肢肌肉群实时做出精确快速反应以稳定膝关节，VR训练的介入使本体感觉、躯体感觉、视觉和前庭信息得到有效整合，感觉输入、中枢整合运动输出的神经肌肉调控系统得到反复激活，优化了神经反馈调控效果，使影响膝关节稳定性的肌肉群能更快速、精准、有效的激活，提高了运动控制的自动化，患膝屈伸肌力及膝关节稳定性得到进一步改善。既往研究对ACLR患者进行跳跃触地测试时，使用外部关注指令与内部关注相比在患侧膝关节伸膝峰值力矩方面更有优势，表明增加外部关注度确实可以改善神经肌肉控制能力，提高下肢肌力，也印证了这一点[22]。同样本研究中治疗组Holden分级及ICDK分值较对照组明显改善（均P＜0.05），表明通过VR训练可以改善膝关节运动功能。分析原因认为VR训练的特点是实时互动反馈，患者通过投影目标物追踪并重复步行轨迹，躲避障碍执行多重目标任务，更加倾向于真实环境的重现，患者可以采取有意识的控制方式进行对多变的目标任务进行及时调整，这种方式有利于患膝对复杂环境进行适应，重复强化的感觉输入增加了运动反馈的有效性，内部关注度的降低弱化了运动参与的恐惧心理，增加运动输出的效率，使得膝关节的稳定性及灵活性得到提高，膝关节运动功能改善。

综上所述，通过沉浸式VR训练能够有效的提高患侧下肢股直肌、腘绳肌的肌力，改善膝关节稳定性及下肢功能。并且采用VR训练治疗ACLR后患者痛苦小，兴趣及依从性高，操作简便，所需人力少，值得临床推广。然而，作为近年来发展起来的一项新兴疗法，VR技术本身存在技术尚未发展成熟的局限性，此外本研究中样本量较小，随访时间偏短。总之，本研究表明VR训练是一种实用且安全的ACLR后患者下肢功能的康复手段，但还需在后续大样本、高质量的长期临床研究中进一步完善。