虚拟现实技术在慢性阻塞性肺疾病患者肺康复中的研究进展

杨梦 林韦彤 马航霞 万晶晶

慢性阻塞性肺疾病（Chronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD）是一种以持续呼吸道症状和进行性气流阻塞为特征的可预防和可治疗的慢性呼吸道疾病[1]，全世界范围内患病数高达2.5亿[2]。据估计，到2030年，COPD将成为世界第3大疾病死亡原因[3]。COPD患者由于进行性的呼吸困难导致其日常活动受限、活动耐力降低，身体活动水平及生活质量随疾病发展而降低[4-5]。《慢性阻塞性肺疾病全球倡议（2018 年版）》[6]指出肺康复是改善COPD 患者呼吸困难、健康状况和提高患者运动能力及生活质量的最有效的非药物治疗策略，长期坚持肺康复是COPD 患者获益的关键。目前大部分肺康复在医院或康复中心进行，由于活动受限、训练单调、交通及费用等多种原因导致患者参与度和依从性较低[7-9]。据国际报道，仅有1%～2%的COPD 患者接受了肺康复[6]，且有高达36.7%的患者中途退出康复[10]。虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术可通过头戴式显示器、耳机、投影系统、运动跟踪及交互设备，使患者沉浸于虚拟环境，提升其主动性和投入度[11]。目前VR 作为治疗及康复辅助手段在老年康复、癌症、心脏康复、ICU 等领域中的应用效果已得到证实。近年来，研究发现VR 辅助肺康复训练趣味性强、安全性高、运动依从性好，在COPD 患者肺康复中发挥重要作用[12-13]。本文通过介绍VR 技术在COPD 患者肺康复中的应用概况、应用方法及应用效果，以期为我国COPD 患者肺康复临床实践提供参考。

1 COPD 患者肺康复常用VR系统

根据患者的参与形式及沉浸程度，VR 技术可分为桌面式VR、沉浸式VR、增强式VR 及分布式VR 4 类[11]，目前应用于COPD 患者肺康复常用的类型主要为VR 桌面式和VR 沉浸式，增强式VR 及分布式VR 应用较少[14]。目前常用的COPD 患者肺康复VR 系统包括美国Kinect、日本Nintendo Wii 及中国的BioMaster 虚拟情景互动训练系统。

1.1 Kinect 系统

Kinect 系统是一种3D 体感视频游戏，由传感器、虚拟环境和监视器3 部分组成，具有即时动态捕捉、影像辨识、麦克风输入、语音辨识、社群互动等功能；该系统有各种各样不同运动强度的游戏，如漂流、越野跑、山地马车旅行、拉力球赛和击球游戏等，目前已应用于COPD 患者运动、呼吸训练及6 分钟步行试验[15-16]。操作时由具备VR 操作技能和肺康复专业知识的医护工作者或康复师通过Kinect传感器实时捕捉并采集患者肢体运动和呼吸训练信息，指引患者进行正确的肺康复训练。患者利用体感技术模拟VR 屏幕上的动作，可以提高肢体的力量、敏捷度、平衡能力和耐力，适用于无肺康复绝对或相对禁忌证（如近期有心肌梗死发病史、重度肺动脉高压等）、肺功能2 级和3 级的患者及医学研究委员会呼吸困难分级为3 级或以上的COPD患者，应用频率为每周1～5 次，每次从20 分钟到1 小时不等[17-18]。Kinect 系统成本低，但是对空间要求高，其使用的理想空间是与传感器间隔1～2 米的距离，且没有阳光直射。由于Kinect 系统采用视觉传感器，因此患者训练时不能有遮挡物，如患者出现心率超过其年龄预测的最大心率，即（208-0.7×年龄）次/分钟时，应及时停止训练[19]。

1.2 Nintendo Wii 系统

Nintendo Wii 系统包括Wii Sport、Wii Fit 和Wii-Train 3 种模式，由虚拟主机和运动传感设备组成，患者可以通过在平衡板上移动（如踏步或摆动）或控制器检测身体运动与虚拟环境进行交互，完成游戏指定动作[20]。在Wii Fit 模式中，患者站在平衡板上，根据游戏指令运动手臂和腿部，该模式提供了包括力量训练、有氧运动（慢跑/拳击）和平衡游戏（瑜伽、滑雪、滑雪板）等40 多项体育锻炼活动。Wii Sports 模式使用Nunchuk 手柄控制器检测肢体运动的同时，在虚拟私人教练的监督下完成包括现场慢跑、舞蹈、拳击等游戏[21]。该模式主要是提高患者的肌肉力量、身体耐力和灵活性。Wii-Train 是一种家庭极限运动训练模式，使用垫子控制器来检测压力变化，为患者提供全身锻炼游戏，例如接力赛。医护人员及康复师应根据患者自身情况选择适宜的模式及游戏类型，并做好操作前、中、后的动态评估和总结，训练中如患者出现呼吸频率>30 次/分钟、脉搏氧饱和度<90%的情况应停止训练[21]。

1.3 BioMaster 虚拟情景互动训练系统

BioMaster 虚拟情景互动训练系统是国内研发的运动康复训练系统，使用可穿戴式无线传感器，对患者的关节动作进行实时捕获，同时可提供针对性的虚拟情景关节活动训练。无线传感器可安置于全身各大关节处，指导患者进行肩、肘、腕、髋、膝、踝关节，以及颈椎、腰椎活动度训练。该系统可生成并保存患者训练报告，医护人员及治疗师可对报告进行编辑、导入评语、诊断与医嘱，方便跟踪训练效果。系统设置了多种情景训练模式，如家务活动类、厨房料理类等，增强了训练的趣味性，其训练范围可进行个性化设置，使得针对性更强[22]。此系统可用于急性加重期COPD 患者，在伴有轻度认知障碍的老年COPD 患者肺康复训练中也具有良好的效果[22]。

1.4 沉浸式虚拟现实技术系统

沉浸式虚拟现实技术系统包括立体头挂式显示器和洞穴式自动虚拟环境，该系统封闭患者视、听、触觉，将患者置身于虚拟环境，医护工作者或理疗师可进入3 维虚拟环境与患者进行交流[23]。沉浸式虚拟现实技术系统为COPD 患者提供3D 效果的高清教育视频，由3D 虚拟教官指导患者进行运动锻炼，且可以通过网络将康复训练信息实时发送给医护人员及康复治疗师。沉浸式虚拟现实技术系统相关设备更易于携带且可移动，让患者置身于虚拟环境中，具有强烈的“临场感”。头戴式设备重量较重，给患者头颈部带来压力，由于沉浸度较高，部分患者会出现头晕、眼花等不适。因此在操作前应对患者进行评估及做好充分解释，做好压力性损伤防护，操作中警惕患者出现呼吸困难、头晕、耳鸣、疲劳等症状，操作后及时进行VR 设备的清洁和消毒工作。

2 VR 系统在COPD 患者肺康复中的应用效果

2.1 提高功能状态评估的安全性和精确度

COPD 患者在进行肺康复训练前，需要评估心肺功能状态，6 分钟步行试验（6MWT）是评估COPD患者的功能状态和预测患者生存率的指标之一[24]。目前有研究显示，VR 技术结合跑步机评估COPD 患者6MWT 具有良好的信度，组内相关系数（ICC）为0.74 ～0.77[25]。另外Frade 等[15]对VR 技术辅助6 分钟静态步行试验（STVR-6）进行信度检验，结果显示，STVR-6 ICC值为0.80 ～0.94，且COPD 患者呼吸困难程度和疲劳程度在地面测试和VR 测试之间并无差异。VR 技术不需要庞大的物理空间或精密的设备，可为COPD 患者进行6MWT提供安全无障碍测量环境，安全性高，适用于老年患者功能状态评估。

2.2 改善躯体活动能力

研究显示，50%～70%的COPD患者骨密度降低，20%～30%的COPD患者存在不同程度的骨骼肌萎缩和功能失调，COPD 患者是躯体平衡功能障碍高发人群，其跌倒发生率是正常老年人的4 倍[26]。一项Meta分析显示，VR 作为肺康复辅助手段可使COPD 患者6MWT 步行距离平均增加30.9 米[12]。Rutkowski 等[19]将106 名COPD 患者随机分为传统肺康复运动训练组、耐力运动训练联合VR 及VR 肺康复方案组3 组，结果显示，VR 训练相较于传统肺康复训练在提高COPD 患者力量、耐力、柔韧性、敏捷性、平衡能力和运动协调能力更有优势。金晓亮等[26]通过对COPD 急性加重期患者进行体感互动游戏干预，结果显示，体感互动游戏可提高患者平衡功能，并且不会加重炎症反应或延长患者住院时间，安全性高。周婷满等[13]的研究显示，通过对老年COPD 稳定期患者进行体感游戏互动训练，可提高患者的躯体活动能力。因此，VR肺康复训练可提高COPD 患者的运动耐力和平衡功能，提高躯体活动能力，促进患者回归社会和家庭。

2.3 增强患者自我效能，提高肺康复依从性

自我效能是指人对自己是否能够成功地进行某一行为的主观判断。依从性是指患者的行为与医疗指南或健康建议相一致的程度[27]。Xie等[28]将60 例COPD 住院患者分为两组，实验组采用VR 技术结合肺康复，对照组采用常规康复，结果显示进行VR 干预后COPD 患者总体自我效能评分显著提高。研究显示，COPD 患者中仅有10%出院后会进行运动锻炼，且运动训练的出勤率和完成率分别只有70%和40%[13,29]。多项研究报道，COPD 患者认为VR 为基础的康复训练使人愉快，可接受度好，患者依从性达80%～90%[30-32]。VR 相较于其他康复锻炼模式在COPD 患者运动依从性方面具有独特优势，VR 辅助肺康复训练可以增强COPD 患者自我效能，提高患者的康复信念。

2.4 缓解疲乏、焦虑、抑郁等症状，提高患者生活质量

COPD 患者易出现疲乏、焦虑、抑郁等负性情绪，严重影响患者的生理、心理及社会功能，导致其生活质量下降，据报道约有60%的COPD患者存在不同程度的疲乏[13,33]，COPD 合并焦虑患病率为49.2%，合并抑郁的患病率为37.2%，COPD 患者生活质量随着焦虑抑郁严重程度增高而下降[34]。国内学者耿敏等[33]将稳定期COPD 患者分为两组，干预组接受常规健康指导联合居家体感互动游戏锻炼，结果显示，干预组疲乏总分及焦虑、抑郁分量表得分均低于本组干预前及对照组。Rutkowski 等[35]将50 例有压力、抑郁和焦虑症状的COPD 患者随机分为两组，两组均接受传统的肺康复，VR 组进行10 次沉浸式VR治疗，对照组进行了10 次舒尔茨自律训练，结果显示沉浸式VR 治疗对改善COPD 患者的情绪，减轻焦虑和压力有明显的促进作用。Jung等[23]研究采用VR 头盔为COPD 患者提供为期8 周的肺康复治疗，结果显示VR 肺康复可以缓解COPD患者焦虑症状。Blair 等[36]的研究显示，体感交互系统训练可缓解COPD 患者焦虑情绪。此外，多项研究显示，VR 干预后的COPD 患者慢性阻塞性肺病评估测试（CAT）评分均显著降低，生活质量有明显改善[12,37]。

2.5 改善患者呼吸困难症状

COPD 患者通常会出现通气功能障碍、咳嗽、咳痰、气短、呼吸困难等症状，严重影响其呼吸功能。VR 系统提供的有氧训练、呼吸肌训练等可增强呼吸肌的肌力和耐力，从而减轻患者的呼吸困难症状。研究显示，进行基于VR 肺康复训练后的COPD 患者，其Borg 评分为3～4 分，呼困难程度为中度[30]。Wardini 等[38]的研究表明，在使用体感互动游戏系统对COPD 患者进行虚拟现实训练期间，患者心率、脉搏氧饱和度和呼吸困难显著改善。Albores 等[39]评估VR 技术在20 例COPD 患者居家锻炼中的应用效果，结果显示为期12 周的基于Wii Fit 系统的运动锻炼可显著改善患者的健康状况和呼吸困难。周婷满等[13]的研究显示，对老年COPD 稳定期患者进行基于体感互动游戏的运动方案干预，在干预18 周后，干预组1 秒用力呼气容积与肺活量的比值、1 秒用力呼气容积占预计值百分比、呼吸困难分级评分均优于对照组。目前关于VR技术是否能改善COPD 患者呼吸困难症状尚存在争议，Mazzoleni 等[37]的研究表明，通过体感互动游戏干预，COPD 患者呼吸困难评分明显降低，但与常规肺康复训练组相似，两组间差异无统计学意义；此外有研究显示，进行体感互动游戏训练的COPD 患者随着运动时间的延长，其呼吸困难明显增加[31]，这可能与各研究的研究对象、训练模式、测量呼吸困难工具及时间不一致有关。

3 VR 技术在COPD 患者肺康复中应用的局限性

目前国内外学者对VR 技术在COPD 患者肺康复应用方面已做出了很多探索和研究，但是在应用中仍存在局限性，主要体现在以下5 个方面。①现阶段关于VR 技术在COPD 患者肺康复中的应用缺乏长期效果评价、大样本及高质量研究数据的支撑；②国内外关于VR 技术在COPD 患者中的应用方案及研究对象各不相同，尚未形成较为统一规范的VR 肺康复干预方案；③目前研究采用的VR 技术大多为商业性体感互动游戏，其特点是沉浸度、互动程度较低及成瘾性[21,40]；④VR 设备方面，目前所提供大部分的VR 硬件设备组件较多，对空间距离有一定要求，不便于携带，且需要专门的技术人员进行调控；⑤VR 系统及设备价格昂贵，操作相对复杂，对患者及医护工作者文化水平及认知能力有一定的要求等阻碍了VR 技术在COPD 患者肺康复中的应用[40]。

4 小结

综上所述，VR 技术作为COPD患者肺康复辅助手段，安全性高、患者依从性好，在提高COPD 患者运动能力，缓解焦虑和抑郁等负性情绪，改善COPD 患者的生活质量等方面具有优势。但目前VR 在肺康复中的应用仍处于探索阶段，且在COPD 肺康复应用中尚存在不足[17]。因此对未来的研究建议如下：可进一步开发具有更高沉浸度和更自然交互作用的VR 设备并研究其在肺康复中的应用效果；整合生理监测仪和运动传感器；探索不同类型VR系统在COPD 患者中的差异，为肺康复提供更有效的干预措施；进一步明确VR 肺康复的应用标准和效果，规范其训练流程。新冠肺炎的发生改变了疾病康复模式，有效的居家康复越来越重要，因此未来可进一步开展VR 技术在COPD 患者居家康复中可行性和效果的研究。