基于虚拟现实技术的康复训练对膝骨关节炎患者康复的研究进展

曾国际 郭夕语 李雨 杨纯生 刘强

【摘 要】 目前运动疗法是膝骨关节炎的主要基础性治疗方法，随着医学技术的进步，虚拟现实技术作为一种新颖的康复干预工具，已被逐渐应用到康复医学领域。总结虚拟现实技术在膝骨关节炎（包括膝关节置换术后）患者治疗中的相关研究，分析虚拟现实训练对膝关节不同功能障碍患者康复的有效性，认为虚拟现实运动疗法能有效缓解患者的疼痛症状，改善本体感觉和关节稳定性，提高平衡与协调能力，增加行走耐力，预防跌倒，影响步态，最终提高生活质量。

【关键词】 膝骨关节炎；虚拟现实技术；康复训练；本体感觉；平衡能力；步态功能；研究进展；综述

膝骨关节炎（knee osteoarthritis，KOA）是一种进行性关节疾病，其特征是股四头肌无力，膝关节疼痛、肿胀、本体感觉减弱，姿势摇摆等，导致步行能力受损，行走困难，跌倒风险增加。本体感觉丧失、平衡障碍、步态异常等常见于KOA患者［1-2］。

随着医疗技术的进步，计算机辅助干预被逐步引入到康复领域，康复医学也迎来了“智慧时代”。虚拟现实（virtual reality，VR）是一种沉浸式技术，即在计算机中建立一个模拟真实世界效果的特殊环境，通过各种传感器设备，提供不同的虚拟训练平台，使患者沉浸在虚拟环境中并進行操作和控制，以达康复目的［3］。

目前，国外已将VR技术或结合适宜康复技术应用于KOA（包括膝关节置换术后患者）的康复训练，然而国内相关研究文献较少，本文旨在通过分析国内外文献，综述VR技术对KOA患者的康复应用进展，为未来研究提供建议，并讨论VR技术在临床康复中的应用。

1 VR技术

VR技术是利用计算机系统，通过提供视觉、听觉、触觉等多感官刺激为用户营造一个虚拟的环境，使用户完全沉浸在一个模拟的世界中，并体会到一种真实存在的感受［4］。VR技术广泛应用于康复医学，在物理治疗过程中，VR技术使用各种特殊装置，调整患者训练方式，提升主动康复的积极性，根据功能障碍的不同特点，提供个性化、特异性的治疗方案，并且实时记录训练的进展，减少治疗师或医生的工作负担。同时，利用VR技术交互性特征，患者在VR训练中所习得的技能可以迁移到现实环境中，大大提高患者日常生活活动能力［5］。目前，VR技术在国外应用于改善KOA患者本体感觉、平衡功能、步行耐力、生活质量等。VR技术作为康复的重要干预训练方式，使综合性康复更加具体，对临床物理治疗具有指导性意义。

2 KOA的功能障碍

KOA主要损害关节周围的骨和软骨组织，与KOA相关的临床表现包括关节疼痛、关节活动受限、肌肉力量下降、本体感觉减弱或丧失、平衡功能受损、关节功能障碍、步态异常、跌倒的发生率增加、生活质量下降等［6］。V?RBAKKEN等［7-8］研究显示，轻度或中度KOA患者膝关节疼痛明显，平衡能力减弱，姿势稳定性降低，肌肉活动模式发生改变，跌倒的风险增高。KOA患者受累和未受累腿部的灵活性较差，并且在步态分析期间表现出膝关节活动范围减少，步速减慢，步频降低，步幅缩短等特征。

3 VR技术结合康复训练对KOA患者的效果

3.1 传统物理治疗与VR康复 物理治疗（运动治疗、电疗和手法治疗）是KOA患者的重要康复手段，治疗KOA有几种运动训练可以选择，包括有氧运动、力量训练、神经肌肉运动、平衡训练、本体感觉训练、水上运动和传统运动等［9］。通过适宜的方法可有效减少KOA患者的疼痛程度，改善肌肉力量和身体功能，提高生活质量［10-11］。

对于KOA患者，VR训练在低至中度训练量的研究中显示，VR与物理锻炼具有可比性，并且优于物理锻炼［12］。其他相关研究结果表明，VR运动训练对KOA有效，患者功能得到显著的改善［13-14］。

3.2 VR康复对KOA患者疼痛的缓解 SARKAR等［15］研究显示，VR冥想对减轻老年人KOA慢性疼痛有显著的中度至大度作用，视觉模拟评分法（VAS）评分较干预前显著降低，且在第2天对疼痛缓解有持久的影响，同时老年人在VR冥想后24～48 h内对日常活动能力的参与有更高的积极意义。CYRILLO等［16］研究结果表明，VR技术作为KOA患者康复训练中的一个结合性治疗工具，使用Xbox Kinect VR游戏系统补充了传统运动治疗方案，在缓解疼痛和增强肌肉力量方面均有显著改善，在WOMAC问卷的功能范围内，VR组比对照组呈现更好的结果。LIN等［17］证明，与简单的常规护理或其他形式的治疗相比，在慢性肌肉骨骼疾病的VR治疗中，疼痛显著缓解，疾病症状减轻，关节活动性或运动功能增强。从以上可以看出，VR康复训练是治疗慢性疼痛和膝关节特异性疼痛可行且有效的非药物工具。

3.3 VR康复对KOA患者本体感觉的影响 BYRA等［18］研究显示，在常规训练中增加VR训练，每次光竞赛VR互动游戏15～30 min，每周3次，持续8周，结果表明，与对照组比较，膝关节疼痛明显减轻，本体感觉明显改善，而本体感觉对于改善干预中的平衡也至关重要，影响患者的步行能力。VR康复训练提高了患者的积极性，各组在疼痛强度、关节本体感觉、功能障碍方面均有改善，且VR治疗组改善更显著。总之，常规训练增加VR训练可以改善疼痛和本体感觉，改善KOA患者的功能水平和生活质量［14］。纪任欣等［19］研究显示，肌内效贴可在短期内改善KOA患者膝关节的本体感觉，因此，对膝关节贴扎肌内效贴后可结合VR技术进行功能训练。

3.4 VR康复对KOA患者平衡功能的影响 LEE等［20］研究显示，KOA患者因步态平衡控制受损，导致跌倒风险增加。在大多数情况下，跌倒和相关损伤会降低患者生活质量，并导致身体功能受限、焦虑、失去信心和害怕跌倒［21］，因此，对KOA患者进行平衡训练是非常重要的。研究发现，常规运动训练和VR训练对KOA患者本体感觉、静态和动态平衡能力都有明显的改善，但是在常规训练中结合VR训练对比其他物理治疗方案，患者平衡能力有很大的改善［14］。SADEGHI等［22-23］研究显示，与传统运动训练相比，VR训练结合了视觉反馈控制，在起立行走测试、睁眼单腿站立方面有显著的改善，VR训练能更大程度改善力量、平衡和功能活动性等，是改善老年人跌倒风险的有效方法。DE VRIES等［24］设计了一款基于VR技术的类似滑雪的游戏，使用Kinect传感器运动，身体COM位移和COM速度保持增加，稳定性极限改变明显。

3.5 VR康复对KOA患者步态的影响 KOA会影响下肢关节动力链的运行，使步态期间相关参数、关节运动范围、质心位置、摆动相步长等发生改变，进而导致步态异常，影响患者日常活动［25］。Light Race是一场灯光竞赛，玩家站在游戏屏幕显示的虚拟平台上，根据标志物位置的改变，前后左右移动左下肢或右下肢，ELSHAZLY等［14］研究显示，VR训练（如Light Race），可使关节和躯干产生适当水平的运动，从而改善骨关节炎患者的功能性障碍（如行走和运动等）；保龄球、滑雪和高尔夫球的VR游戏诱导性训练，提高了躯干的稳定性和膝关节动作的精确控制功能，进而改善步行能力。KIM等［26］研究显示，VR骑马模拟训练能显著改善患者的肌肉活动，增强膝关节稳定性，诱导下肢有效的动力传递，从而改善平衡和步行能力，10 min步行测试评分较干预前显著增加，可用于KOA的步态矫正训练。

3.6 VR康复对KOA患者步行耐力和生活质量的影响 KOA患者的生活质量主要受转移能力、下肢肌力、身体稳定性、有氧能力和独立水平的影响，XIE等［27］研究结果表明，KOA也会影响心理健康，主要导致抑郁症的发作，影响患者生活质量。JOHAR等［28］研究显示，基于VR的疗法在改善KOA患者行走耐力方面与常规运动疗法相当，但结合VR疗法的康复训练能逐渐提高患者的独立性、活动能力和参与社会生活的能力，从而提升整体生活质量。WI等［29］使用Xbox 360动力学传感器的VR运动游戏试验，每次8 min，每周3次，持续4周，治疗后老年抑郁症短量表评分低于对照组，生活质量量表评分高于对照组，说明VR互动运动有助于缓解老年女性KOA患者的抑郁状态并改善生活质量。ELSHAZLY等［14］研究发现，VR康复训练和常规运动训练在VAS评分、WOMAC和健康相关生命质量（HRQOL）得分方面差异性不大，但是VR结合运动训练能使HRQOL得分显著提高，KOA患者的功能水平和生活质量明显改善。另外，VR技术可以作为KOA的干预方法之一，增加治疗方法的多样化，可与传统运动交替实施。从以上可以看出，VR康复对患者生活质量影响没有明显的优势，但联合常规的物理训练可大大促进功能恢复，提高生活质量。

3.7 VR康复对全膝关节置换术（total knee arthroplasty，TKA）术后的影响 TKA被认为是治疗重度或终末期KOA最有效的方法之一［30］。患者术后主要表现包括疼痛、运动功能障碍、本体感觉减弱等。JIN等［31-32］研究显示，KOA患者在VR环境中沉浸式水上划船，每次30 min，每日3次，结果发现，TKA术后第3，5，7天VAS评分显著低于对照组；WOMAC评分在第1，3，6个月后显著增

高。GIANOLA等［33］将VR康复训练与传统康复训练对比研究发现，2组间在缓解疼痛和其他功能方面作用相当，通过使用VR康复系统（VRRS是一种设备，根据视觉和听觉生物反馈以及专注于身体平衡的互动游戏系统进行正确的锻炼）对TKA患者的本体感觉反馈，VR组本体感觉较对照组有较大的改善。BLASCO等［34］研究显示，与传统物理治疗相比，VR康复在改善功能、缓解疼痛等方面没有任何优势，但增强平衡的VR运动训练能更有效地克服平衡限制，改善TKA患者的平衡功能。HONG等［35］对中年女性KOA患者进行每次

20 min，每周5 d，連续2周的VR康复训练，治疗后Berg平衡量表、坐站测试、10 min步行测试方面评分优于康复组。结果表明，患者在肌肉力量、本体感觉、平衡和步态能力等方面得到提高。SAMWON等［36］研究报道，基于VR视觉生物反馈（康复可视化系统），在患者佩戴VR眼镜并配备一部智能手机，使用应用程序中的平衡游戏，控制肢体向前下降，并试图通过左右移动避开障碍，到达设定的目标，进行每日20 min，每周5 d，持续

2周治疗。结果表明，TKA术后早期结合VR康复运动方案，可以改善平衡能力和膝关节功能，提高康复率，因其较高的趣味性，还可以作为促进患者积极参与功能训练的有效方法。综上所述，通过VR将康复训练应用于TKA患者，对改善膝关节本体感觉、平衡功能、步行功能等有明显的疗效，但对疼痛等其他功能的影响仍需要进一步研究与思考。

另外，VR技术康复训练并不适用于所有KOA患者，如严重的骨质疏松症、膝关节发生局部损伤或假体周围骨折、生命体征不稳定、心肺系统疾病、腿部血块形成以及视力丧失、听力丧失或功能丧失人群等［36］。同时患者需要一个相对安全的训练设备及环境，不然将大大增加摔倒的风险［33］。

4 小 结

VR技术结合适宜的康复训练对KOA患者是安全而有效的，可作为综合性康复治疗的辅助工具。VR运动治疗方式能有效缓解患者的疼痛症状，改善本体感觉和关节稳定性，提高平衡与协调能力，增加行走耐力，预防跌倒，影响步态，最终提高生活质量。目前，我国学者对VR技术在KOA患者康复的研究相对较少。今后研究重点可在以下几个方面，以步行功能为导向，探讨VR对患者本体感觉、平衡、步行、行走耐力等影响，实现运动疗法与虚拟技术相结合。

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收稿日期：2023-05-01；修回日期：2023-06-04