虚拟现实技术在胸腰段脊髓损伤患者轮椅基础训练中的应用

谢君杰杜宇鹏庞锦阔钮雪康吴玉玲徐守宇，3

虚拟现实技术在胸腰段脊髓损伤患者轮椅基础训练中的应用

谢君杰1杜宇鹏1庞锦阔1钮雪康1吴玉玲2徐守宇1，3

胸腰段；脊髓损伤；虚拟现实；轮椅训练

轮椅训练是脊髓损伤（spinal cord injury，SCI）患者一项重要的康复训练内容。因SCI造成截瘫的患者不能长距离步行，由轮椅代替下肢进行移动。通过轮椅训练，能够强化上肢、躯干肌力，提高坐位平衡和运动功能，最重要的是可以大大提高患者操纵轮椅的技术水平,提高功能独立性和日常生活活动能力（activity of daily life，ADL），对于他们重返社会起着非常重要的作用[1]。虚拟现实技术（virtual reality，VR）运用计算机和专业的软硬件显现仿真环境，实现在视、听、触、动觉等方面的虚拟互动和反馈，使用者可以在虚拟环境中完成可控的功能性运动和操作，达到功能重建目的[2]。它可以提供有意义的任务性训练与精确的感觉回馈，确保受试者拥有真实而安全的训练环境，并包含重复练习、成绩反馈和动机维持等关键要素[3]。本研究运用的情景模拟与现实互动康复系统（SilverFit）是轮椅训练的一种可视化虚拟康复，通过虚拟的场景，对患者进行不定向动态训练。本研究主要对首次独立使用轮椅的患者进行轮椅基础训练，包括：向前驱动、向后驱动、左右转训练等[4]，旨在通过临床随机对照研究观察运用Si-lverFit进行轮椅训练对SCI截瘫患者功能独立性的影响。

1 资料与方法

1.1 一般资料2011年2月—2015年10月我科收治胸腰段脊髓损伤患者36例，均为完全性脊髓损伤。病程63～104天；男31例，女5例。入选病例随机分为治疗组和对照组各18例，两组患者一般资料（年龄、性别、病程、损伤程度）及损伤水平差异无统计学意义（P＞0.05），见表1。

1.2 纳入及排除标准纳入标准：（1）脊髓损伤诊断标准采用美国脊柱损伤协会脊髓损伤神经学分类国际标准（ASIA,2000）[5]，损伤节段T11～L2，均为A级；完全性损伤，S4～S5无感觉、运动功能，亦无骶残留；（2）病情稳定，经骨科医师评估脊柱稳定性良好；（3）既往无心脏病史及高血压病史；（4）患者坐位平衡训练计划已完成，能独立坐15min以上；（5）患者首次单独使用轮椅；（6）患者能熟悉轮椅的操作，包括：手闸操作、驱动轮椅等；（7）患者自愿进行该项临床试验，并签署知情同意书。排除标准：（1）老年痴呆，有严重行为问题或精神错乱者；（2）合并有认知障碍（MMSE≤24分），不能配合训练；（3）各种疾病导致的上肢关节疼痛、活动受限；（4）各种疾病导致的发生在胸腰段的脊髓损伤，包括圆锥综合征、马尾综合征等；（5）伴有重要器官（心、肺、肝、肾等）衰竭、恶性肿瘤、病情不稳定者。

表1 两组患者一般资料比较

表1 两组患者一般资料比较

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1.3 方法

1.3.1 训练方法本研究设计将轮椅训练分为三阶段：第一阶段为轮椅基础训练，第二阶段为轮椅加强训练，第三阶段为轮椅实践训练。两组患者进行第一阶段不定向动态轮椅基础训练，并均接受常规神经内科药物治疗和物理治疗。参照SilverFit设计训练处方：3min/次，1天3次，两次训练之间休息2min，共14天；训练中使用的轮椅均是普通轮椅，轮椅选择参照国家标准（GB/T 16432-2004/ISO 9999；2002）[6]。训练场地有效范围为2.0m×3.0m。

对照组训练场地分左区和右区，并用线段及点来表示（见图1）。其中线段OA、DE各为3.0m和2.0m，点O为线段DE中点；在线段OA三等分点上标记字母：B、C，并以其中一点为中点作线段OA的垂直虚线，长2m，每0.5m作一个点，记0.5m或1.0m，如图中点F，称右区B 0.5。训练前，治疗师告知患者训练方法和目的，并要求其训练时保持自身平衡。训练时，患者操控轮椅处于起点O处，治疗师位于其左侧，保护患者；患者听口令完成任务，如：治疗师发出口令“左区C 1.0”，随即，患者操控轮椅快速、平稳地到达目标处；当患者完成一次任务后，治疗师发出下一个口令，减少任务间隔；每次训练，治疗师记录患者完成目标数，并取3次训练平均值。

图1 训练场地分区图示

治疗组运用情景模拟与现实互动康复系统动态轮椅训练模式进行不定向动态轮椅训练。训练在SilverFit治疗室中进行，并只允许治疗师和患者进入，避免干扰。训练前，治疗师告知患者训练方法和目的，并要求其训练时保持自身平衡。患者处于指定位置，面向摄像头；治疗师处于摄像范围之外。本系统通过自身配置的摄像头红外感应装置定位患者位置及运动；在训练中，显示器中剪刀代表操控轮椅的患者，花朵代表目标物；当患者通过视觉线索操控轮椅朝目标物行进，显示器中剪刀同时向花朵移动，当到达花朵时，花朵被剪刀剪掉，随即在任意位置出现新花朵，开始新的剪花任务。时间到，系统显示患者剪花的数目，治疗师及时记录，并取3次训练平均值（见图2）。

图2 情景模拟与现实互动康复系统图像

1.3.2 评定方法治疗前后采用SilverFit、功能独立性测量（FIM）[7]进行评分，评定均由专人进行。（1）运用SilverFit评定患者3min内剪花的数目，进行3次，取平均值。（2）FIM量表包括六方面的功能，总分126分。本研究同时另选用其中的第Ⅲ项（转移）、第Ⅳ项（行走）进行评分，总分35分。

1.3.3 统计学方法应用SPSS13.0统计软件进行统计处理，计数资料采用χ2检验，计量资料用表示，采用配对样本t检验，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

治疗前两组患者剪花数、FIM评分差异无统计学意义（P＞0.05）。经过14天的训练，两组患者的剪花数、FIM评分均有提高，治疗前后评分比较差异有统计学意义（P＜0.05），治疗组高于对照组（P＜0.05）。见表2～4。

表2 两组患者剪花数比较

表2 两组患者剪花数比较

注：与治疗前比较，*P<0.05；与对照组比较，△P<0.05

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表3 两组患者FIM评分比较

表3 两组患者FIM评分比较

注：与治疗前比较，*P<0.05；与对照组比较，△P<0.05；FIM：功能独立性测量

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表4 两组患者FIM-Ⅲ、Ⅳ评分

表4 两组患者FIM-Ⅲ、Ⅳ评分

注：与治疗前比较，*P<0.05；与对照组比较，△P<0.05；FIM：功能独立性测量

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3 讨论

脊髓损伤（SCI）的发生存在着地区及时期的差异性[8]，西方国家以交通事故伤、暴力伤、运动伤、跌伤为主。在我国，随着经济水平和机动车保有量的提高，交通事故成为脊髓损伤的主要原因之一[9]。Sekh-on等[10]认为，在胸腰段脊髓较颈段脊髓更容易发生损伤，导致截瘫，下肢留有不同程度的功能障碍，不能独立长距离步行，轮椅是患者日常生活中必不可少的重要代步工具。因此，加强患者轮椅训练尤其重要。

本研究设计将轮椅训练分为三阶段：第一阶段为轮椅基础训练，包括向前驱动、向后驱动、左右转训练等；第二阶段为轮椅加强训练，包括前轮翘起行走及旋转训练、上下斜坡和跨越障碍训练等；第三阶段为轮椅实践训练，包括过马路、上下马路镶边石、进出无障碍公厕等。轮椅训练不仅包括对患者的技巧训练，还包括对其心理训练和体能训练[11]。其中，场地缺少是影响轮椅训练的重要因素，很多训练项目往往因场地条件的限制而无法充分地进行。虚拟现实技术因具有沉浸性、交互性及想象性被广泛应用于轮椅训练。目前，利用虚拟现实技术研制轮椅仿真平台的项目有虚拟现实轮椅体验系统、虚拟现实轮椅使用训练系统、虚拟现实康复轮椅系统等[11]。本研究使用的SilverFit实现了患者操控轮椅的可视化虚拟训练，不仅解决了轮椅训练受场地制约的问题，更可以模拟出真实的场景，提高患者训练的积极性，能对患者进行心理训练和体能训练，而且该系统软件还可以作为评估和训练软件，甚至是一款简单的游戏软件。

虚拟现实训练具有现实环境所不具备的多重优势。将虚拟现实技术应用至康复医疗领域，可有效解决传统康复训练方法的局限性。本研究中，对两组患者进行14天的轮椅基础训练，两组的剪花数和FIM评分均获得提高，且治疗后治疗组与对照组比较，差异有统计学意义（P＜0.05）。这些结果表明，进行场地轮椅训练能促进患者对操纵轮椅的技巧和经验的积累，提升患者操控轮椅的能力，提高患者日常生活活动能力，而治疗组运用SilverFit进行轮椅训练能更好地提升患者操控轮椅的能力，更有效地提高患者功能独立性，疗效明显优于对照组。

康复治疗的机制包括重复、反馈和动机3个关键环节[12]。现代动作控制与动作学习理论认为，人类所有动作都具有任务取向特点，是人对环境或条件变化所作出的反应[13]。治疗中，在不同环境下通过有意义的动作训练和感觉回馈刺激，促进患者系统整合，从而取得较好的康复疗效。SilverFit能提供视觉、听觉及位置感觉等反馈，患者漫游在虚拟情景中，通过荧屏中的动画，不断纠正训练中的错误动作，建立正确行为。在每次完成剪花时，系统都会发出欢快的声音以鼓励患者，使其获得成功的愉悦体验并激发其训练的积极性。SilverFit模拟真实的乡间小道环境，让患者有身临其境感，对患者进行心理训练，并提高了患者训练的兴趣。在本研究中，治疗组训练的积极性明显高于对照组。运用SilverFit患者操控轮椅完成剪花来训练其对轮椅的操纵，加强患者技巧训练和体能训练，经过训练患者更能将学到的技能运用到现实生活中去，更有效地提高患者功能独立性。这种可视化虚拟康复能调动患者更多的注意力及思维能力，可缓解其在训练中出现的恐惧和紧张心理，刺激并训练其适应能力，使其容易坚持训练，从而达到康复训练所提倡的“循序渐进、持之以恒、主观能动”等治疗原则。

本研究采用情景模拟与现实交互康复系统（SiverFit）对胸腰段脊髓损伤患者进行轮椅基础训练，取得良好效果，患者操纵轮椅的能力及功能独立性显著提高，证明运用SilverFit进行轮椅训练在重复、反馈和动机维持等方面具有显著优势，适于在轮椅训练康复中推广。

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（收稿：2016-06-21修回：2016-10-05）

国家中医药管理局中医药重点学科（中医康复学）建设经费资助（国中医药发[2012]32号）；浙江省医药卫生科技计划项目（No.2015KYB279）；浙江省自然科学基金项目（No. LQ16H170001）

1浙江中医药大学附属第三医院康复科（杭州310005）；2中国人民解放军全军创伤康复中心理体疗科（杭州310007）；3日本顺天堂大学医学部（日本东京113-8421）

徐守宇，Tel：137380361760