远程虚拟康复技术在骨科康复治疗中的研究进展

陈浩天

康复训练对于骨科创伤或手术后患者的肢体功能恢复具有重要意义。康复治疗是否成功不仅需要患者积极配合，也需要进行长期且重复的功能锻炼，以期能够改善关节活动，加强肌肉力量，并达到恢复肢体功能的目的[1]。骨科患者的康复训练于术后，即在医院中开始，而后阶段长期的康复训练需患者自行完成。然而，由于康复训练带来的疼痛、单调乏味、功能恢复进展缓慢等负面影响因素，患者常常无法按照既定计划，按时、按量完成康复训练，进而影响患者肢体功能的恢复[1-2]。随着科学技术的发展，远程虚拟康复技术（remote virtual rehabilitation）正在逐渐兴起，这类技术逐渐被广泛应用于医学的各个领域[3]。远程虚拟康复技术主要包括虚拟现实（virtual reality，VR）、增强现实（augmented reality，AR）、游戏化（gamification）、远程康复（telerehabilitation，TR）等[3]。多项研究表明，远程虚拟康复技术与传统康复训练相比，可显著促进患者对于康复训练的积极性，并且康复效果显著提升。例如Sangwoo 等[4]已经利用VR 技术研发出了新型的上肢康复系统，Burdea 等[5]开发的康复训练系统“Rutger Arm Ⅱ”由包含虚拟现实在内的三个部分所组成。同时还有国内华南理工、中南大学附属第三医院于广州一康医疗设备有限公司三方联合研发的“虚拟厨房训练系统”，将该系统应用于33 例上肢功能障碍的患者，结果显示比传统训练方式的康复效果更为显著[6]。此外，它具有比传统康复训练更加经济、便捷的优点，并且还可提高医疗效率。然而，这门新兴的医疗技术仍然存在着局限性。同时，由于国内相关研究缺乏，各类远程虚拟康复技术对于国内患者的效果仍需要进一步的临床研究来证实。本综述旨在总结这类远程虚拟康复技术在骨科患者康复训练中的应用，并阐述其优势及缺点，以及探讨其未来的发展方向。

1 远程虚拟康复技术的简介及其在骨科中的应用

1.1 VR 技术 VR 技术是基于计算机模拟生成的一个虚拟环境，该环境利用现实生活中的场景数据，通过技术手段输出为用户可感受的现象。用户佩戴相应的输出设备，便可沉浸于该环境中，体会现实世界一切人类所有的感知能力，实现人机交互[7]。由于VR 技术具备模拟任何环境的能力，使其在医学各个领域中的应用日渐增多，例如精神类疾病治疗、疼痛管理、医学教学、手术培训、术前演练、术后康复等[8-9]。VR 技术用于骨科疾病患者康复训练的研究，于近几年开展。Chughtai 等[10]探究了VR 技术在全膝关节置换术（total knee arthroplasty，TKA）患者术后康复训练中的应用，该研究主要从以下四个方面全面评估了VR 技术在TKA 患者术后康复中的效果：（1）患者对康复训练的积极性和依从性；（2）进行康复训练所花费的时；（3）VR 技术的可操作性、可用性；（4）TKA 患者临床结局评分。该项研究结果表明，VR 是一种经济、便捷、高效的康复手段，并且还可增加患者与医生之间的沟通，从而提高患者的积极性及训练的效果。而在另一项VR 技术应用于TKA 术后康复训练的随机对照试验（randomized controlled trial，RCT）中，Gianola等[11]对VR 与传统康复技术的效果进行了比较，结果显示，虽然VR 技术并没有在缓解患者疼痛、减少药物消耗及改善临床预后方面更具优势，但却有利于促进患者全身的本体感受。此外，VR 还被用于肩峰下撞击综合征（subacromial impingement syndrome，SAIS）患者的康复训练，Pekyavas 等[12]的研究表明，在短期内，基于VR 技术的运动式电玩训练比传统家庭式康复训练更有效果。Kloster等[13]还开发了移动VR 装置用于颈部锻炼，该装置可调动患者对于训练的积极性，并帮助患者克服训练带来的疼痛，在用户体验及效果上均有较好的评价。Matheve 等[14]设计的RCT 研究证实，在慢性下背部疼痛患者的康复训练中，VR 可通过分散患者注意力，显著缓解锻炼时的疼痛。目前，VR 在骨科患者康复训练的研究仍然较少，多数研究表明，VR 相比于传统康复训练更具优势。但各研究之间仍然存在相互矛盾的结果和观点，因此需要更多大规模的RCT 研究，进一步验证VR 在骨科康复训练中的效果。

1.2 AR 技术 AR 技术是与VR 技术相似的衍生技术，同样是计算机模拟产生新的环境，给予用户各个感觉器官上的刺激。但不同于VR，AR 可在真实世界的基础上，给予其新的元素，叠加、补充虚拟信息内容于真实世界中。目前，AR 技术主要应用于医学教学、手术培训方面，由于其具有的实时反馈的优势，可辅助各种医学操作的培训[15]。但AR在骨科康复的应用及研究比较缺乏。在Chan 等[16]的研究中，研究者将AR 与VR 技术进行结合，用于步态康复训练。患者通过头部佩戴的设备，在跑步机上进行步态训练。然而，该研究发现AR 技术相比于普通的康复训练，更加不利于患者在跑步机上保持平衡，并且使用了AR 技术的患者，其行走时的步态模式异常，这将可能影响步态训练的效果。研究者指出，该结果可能由于跑步机无法与AR 装置匹配，因此未来需要开发具有位置反馈、引导功能的专用跑步机，以配合AR 的使用。AR 是比VR更加复杂的实时反馈虚拟技术，由于技术、硬件、配置等方面的限制，其在医学康复训练中的应用尚不成熟。未来研究者可能需要借鉴AR 技术在医学教学中的使用模式，开发可与AR 技术相适配的设备，从而发展AR 技术在医学康复领域中的应用。

1.3 游戏化康复训练 影响患者能够持续坚持进行康复训练的一个重要因素，是患者对于康复训练的积极态度。有研究表明，如果能在康复训练中予以相应的奖励或是添加娱乐因素，将显著调动患者对于康复训练的积极性[17]。游戏化被定义为“在非游戏环境中使用游戏设计元素”[18]，在医疗系统中使用游戏化来达到或促进医疗目的，是医学领域新兴的概念[19]。在过去的几年里，游戏化的概念已经受到越来越多医学研究者的青睐。在许多疾病的康复治疗中，诸如特发性脊柱侧突[20]、婴儿脑性瘫痪[21]、卒中[22]等游戏化设计的康复训练，被证实具有良好的效果。游戏化也正逐步涉及骨科患者的康复训练，Van der Kooij 等[23]的研究证实，使用游戏化设计步态康复训练，能够增加康复训练的趣味性，使患者对于康复训练的热情下降得更慢，从而增加患者的依从性，并且加入了游戏的因素并不会影响康复训练的强度及训练的准确性。在另一项RCT 研究中，游戏化被应用于手掌固定治疗导致的手指僵硬的康复训练中，与传统的康复训练相比，加入游戏元素的康复训练能够使患者更快、更好地恢复手指关节功能[19]。目前在国内，已有研究者设计了游戏化手功能康复训练的产品[24]，但相应的临床研究尚未开展，游戏化是否对骨科康复训练具有积极的作用，需要研究者进一步的研究来验证。

1.4 TR 技术 远程康复是远程医疗的一个分支，使用相关的通信技术，医疗工作者可与院外的患者进行远程沟通、指导，从而在空间、时间上提高医疗效率，减少医疗成本。由于TR 技术较易实现，目前已经被广泛应用于医疗领域各种疾病的康复训练。TR 在骨科康复中的应用同样广泛，它已经被应用于全膝关节（TRK）和全髋关节置换术（total hip replacement，TRH）的康复训练[25-28]，也被用于膝关节炎（knee osteoarthritis）[29]、肩关节[30]、肱骨近端骨折[31]、下肢功能的康复训练[32]。多数研究发现，TR 与传统康复训练相比，虽然在康复效果上没有显著的提升。但是TR 具备经济、高效、便捷、便于实时监测以调整治疗策略等优势。TR 技术已经在国内医疗领域开展，并在一定程度上解决了医疗资源分布不均的难题，但仍然存在着缺少统一的行业规范标准，偏远地区医疗工作人员和患者排斥，患者个人信息泄露等难题[33]。并且国内目前关于TR 技术在骨科康复领域的研究较缺乏。因此仍需要优化TR 在骨科康复中的应用，发展适合中国的远程医疗模式。

2 远程虚拟康复技术的优势

2.1 远程虚拟康复技术促进就医便捷、提高医疗效率 远程虚拟康复技术相比于传统康复训练，其康复效果虽然没有显著地提升，但在患者就医便捷性、医疗资源合理分配方面，无疑具有巨大优势。特别是VR、TR 等技术的应用，使得患者在家中便可获得高质量的康复训练指导[3]。这对于来自偏远地区就医的患者，以及行动不便的骨科疾病患者，具有重要意义。并且，远程虚拟康复技术还可减少患者住院时间，从而减少患者的就医花销。对于医疗工作者，远程虚拟康复技术使“以一对多”的医学指导成为可能，这一模式显著提高医生的工作效率，避免重复相同的指导工作花费医生大量时间。同时，由于患者可自行于院外进行康复训练，可为医院节省床位，使医疗资源得以分配于危重患者。此外，远程康复也降低了国家卫生系统的成本。国外相关研究表明，医疗成本与患者运输、住院和再入院率有关[34-35]，对于住在离康复中心30 千米以上的患者，远程虚拟康复技术可节省的费用约为230 亿美元[34]。因此，远程虚拟康复技术无论对于患者、医生，还是国家，都有积极作用。它使患者在家中便可享受高质量的医学指导，使医院、医生提高了医疗效率，也促进了医疗资源的合理配置，并且还在国家层面减少卫生系统的成本、开销。

2.2 远程虚拟康复技术可提高患者康复训练依从性、积极性 患者对于康复训练的依从性、积极性是影响康复训练效果的重要因素[17，23]。然而，由于住院时间的限制，大部分康复训练需患者自行在家中或康复机构中进行，在此期间医生无法实时监督、指导其康复训练。骨科的康复训练是一个长期、持续的过程，常常伴随疼痛、单一乏味等负面因素，使患者依从性降低[1]。而远程虚拟康复技术很好地解决了这一难题。有研究表明，远程虚拟康复技术，如游戏化、TR 等，可显著提高患者的依从性[23，27，35]。游戏化设计在康复训练中添加游戏的元素，使得单一重复的康复训练不再那么枯燥乏味，可提高患者对于康复训练的积极性。并且由于患者在进行游戏时分散了注意力，可缓解训练时的疼痛[19，23]。而TR 技术使患者可与医生进行远程沟通，在医生实时的监督、指导下，患者的训练积极性被显著调动，从而在一定程度上提高患者的康复训练效果[28]。然而，目前在国内，远程康复训练由于技术限制及其他原因，并未大量开展，相关的研究资料较少。基于国外研究结果，游戏化、TR 技术是一种有益于骨科患者的医疗手段，值得应用于骨科患者的康复训练，但需要医疗工作者设计合理的远程康复训练计划及进行相关的临床研究，探索适合中国患者的游戏化、TR 康复训练方案。

2.3 远程虚拟康复技术促进实时医患沟通 远程虚拟康复技术增进了医生和患者之间的交流。医生可通过远程通信设备，对患者的康复训练进行监督，并根据患者反馈的信息，及时为患者调整康复训练计划，这对于提高患者康复训练效果具有重要意义[28-29]。在骨科的康复训练中，传统的康复训练无法为患者的康复训练进行实时的反馈和调整，患者通常需要自行于医院复查，这无疑增加了患者的就医成本与时间。并且，对于重大残疾的患者，这一就医过程十分不便，还可能造成二次伤害。而远程医疗康复很好地解决了这一难题，为医生和患者之间的定时、定期联系提供了可能。医生能够及时对患者的康复训练内容做出调整，并纠正不正确的锻炼姿势，这对于提高康复训练的效果具有促进作用。

3 远程虚拟康复技术的局限性

3.1 使用者需具有一定的知识水平 远程虚拟康复技术是一门新兴的医疗技术，患者的接受度是影响其普及、发展的重要因素。国外相关研究对象通常为年龄在40～60 岁的患者，且多数拥有大学学位[3]。这表明实施远程康复技术需要患者具备一定的文化知识储备。而目前在国内，老年人的教育水平普遍低于欧美发达国家，适用于外国患者的远程虚拟技术可能并不同样适用于中国人。此外，有研究表明，老年人比年轻人更加难以接受这类远程虚拟康复技术[3]。而骨科患者中老年人占比较大，老年人对于这类新技术的排斥心理，可能将阻碍虚拟康复技术在骨科中的应用。因此在国内，远程虚拟技术的用户友好性需要得到进一步的提升，操作界面及步骤需简单易懂，这需要相关软件设计者的进一步努力。同时，相应的临床研究也应该进行，以验证远程虚拟康复技术对于国内骨科患者的康复效果。

3.2 存在安全隐患 远程虚拟康复技术在骨科康复训练中的安全性，是一个重要的问题。大多数研究表明，各类虚拟康复技术安全、有效[15，25]，但仍然无法忽视新技术可能存在的安全问题。例如，在AR 的使用中，研究者发现佩戴了AR 设备反而不利于患者在跑步机上的步态训练，并且AR 具有一定的误导作用，使患者训练姿势变得不再标准，这将可能影响患者的功能恢复[16]。此外，在VR 技术中，由于软件模拟的虚拟世界无法与真实世界交联。因此，在患者使用这类技术时，通常需要较大的空旷场地。如果患者在狭小的空间中实施基于VR 的康复训练，由于无法及时反馈周围的环境，患者可能在做出动作时磕碰到其他物体，或者摔倒，从而造成二次伤害[3]。因此，在未来，AR 与VR 技术的结合，可能是其在骨科应用中的发展方向[15]。软件设计者需开发适合AR、VR 技术的相关设备、装置，实现患者康复训练姿势的实时反馈，同时还需要能够与现实世界交联，以避免二次伤害的发生。

4 总结及展望

在过去十几年里，远程虚拟康复技术引起了医疗领域越来越多的关注，尤其是在COVID19 流行的今天，其作用将不言而喻。VR、AR、游戏化康复训练和TR 在康复领域的作用已经通过多项RCT研究证实，对于调动患者训练积极性、缓解训练疼痛、减少就医成本、提高医疗效率等多方面具有显著的优势。但这些研究多数于国外开展，国内相关研究仍然缺乏，中国患者可否同样从中受益尚不明确，特别是老年患者居多的骨科，其文化水平及接受度可能将限制这类技术的应用。此外，相关的安全性也是需要关注的问题，AR 与VR 技术结合后的混合现实技术（mixed reality，MR）可能是未来发展的方向。

未来，在骨科远程虚拟技术康复领域，需要研究者开展更多基于国内患者的临床研究，并建立相应的康复训练流程及策略，开发适合国内患者使用的配套软件，同时还需要对医务工作者进行培训，提高对患者的远程指导能力。总体来说，远程虚拟康复技术使远程临床互动成为可能，是一种具有较大发展前景的医疗技术，可造福广大骨科患者。