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虚拟现实平衡训练对前交叉韧带重建术后步行能力的影响

2021-02-26 546 上传者：管理员

摘要：目的探讨虚拟现实(VR)平衡训练对前交叉韧带(ACL)重建术(ACLR)后患者步行能力的影响。方法55例ACL损伤患者均行ACLR治疗,术后常规康复训练2个月后,分别进行3个月的VR平衡训练(A组,28例)和传统平衡训练(B组,27例)。比较两组平衡训练前和平衡训练后步态参数和评估步行功能。结果两组平衡训练后步态时空参数和运动学参数均优于平衡训练前(P<0.05),且A组平衡训练后更优于B组(P<0.05)。两组平衡训练后Holden分级评分和国际膝关节文献委员会膝关节评估表评分均优于平衡训练前(P<0.05),且A组平衡训练后优于B组(P<0.05)。结论VR平衡训练较传统平衡训练在改善ACLR术后患者的步行能力方面更有优势。

关键词：
前交叉韧带重建术
平衡训练
步行能力
膝骨关节炎
虚拟现实
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前交叉韧带(ACL)重建术(ACLR)后大约80%患者出现膝骨关节炎(KOA)[1]。既往研究认为ACLR术后KOA发生率与保守治疗并无统计学差异[2,3],而影响KOA发生的重要因素是ACLR术后出现步态异常导致的生物力学负荷改变[4]。因此尽早恢复ACL损伤患者的步行能力是术后康复的重要目标。ACL损伤被视为是神经生理功能障碍,而患者受伤后感觉控制的改变被看作是ACLR术后出现步态异常的重要因素。平衡功能训练、膝关节本体感觉训练等有助于加强ACLR术后患者的脊髓反射,有效促进其关节的稳定性恢复,进而改善步行能力[5]。近年来虚拟现实(VR)技术受到广泛关注及应用,其更好的沉浸式体验、逼真的环境模拟及良好的人机互动特性使其在运动训练中拥有独特优势。本研究旨在探讨VR平衡训练对ACLR术后患者步行能力的影响。

资料与方法

一、一般资料

选取2016—2018年我院康复中心收治的行ACLR治疗的ACL损伤患者58例。纳入标准:(1)诊断符合ACL损伤标准,如前抽屉试验、Lachman试验阳性,膝关节MRI可见ACL损伤或完全断裂,术中关节镜下可见均符合ACL损伤标准[6];(2)经关节镜ACLR治疗,年龄17～42岁;(3)严格按照我院骨科ACLR手术流程进行操作,由骨科同组医生手术操作,移植物均选用患侧膝关节半腱肌肌腱和股薄肌肌腱;(4)能够配合进行早期康复训练者。排除标准:(1)ACLR术后失效者,即MRI证实ACL移植物完全断裂,轴移试验阳性,KT-1000侧差值超过5mm,MRI示静态胫骨前移超过5mm[7];(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者;(3)合并有神经损伤者;(4)严重心血管、肺部疾病、严重的糖尿病、椎间盘突出、癫痫等;(5)无法耐受一般康复训练者;(6)合并有术后严重感染者;(7)存在认知、视觉及听觉障碍或无法适应VR环境训练者。本研究经嘉兴市第二医院医学伦理审查委员会批准,受试者均签订知情同意书。采用随机数字表法将58例患者分成VR平衡训练(A)组和传统平衡训练(B)组,每组29例。A组脱落1例(因头晕无法适应VR训练),B组脱落2例(因提前出院)。最终入组A组28例和B组27例,且两组患者最终均获得有效随访。两组患者性别构成比、年龄等一般资料比较无统计学差异(P>0.05),具有可比性(表1)。

表1两组患者基线指标

二、方法

两组术后治疗:(1)术后2周内:可调式卡盘支具锁定0度伸直位固定,股四头肌肌肉电刺激治疗、踝泵练习、股四头肌等长肌力练习、俯卧位等长腘绳肌练习等,无痛范围内早期患腿负重、直腿抬高训练及髋外展和内收训练,训练后局部冰敷。(2)术后第3～8周:第4周膝关节支具调整为110度内,渐进性增加膝关节活动度,8周到达健侧水平,行迈步训练、上台阶训练、台阶上腓肠肌提升训练、阻力套件上的下肢下压及屈膝训练。(3)术后第9～12周:开始各项股四头肌及腘绳肌等张抗阻练习、迈下阶梯训练、弓箭步练习等,逐步恢复正常生活活动及一般性运动。(4)术后第13～20周:行全关节活动的训练、全部器械肌力训练、方向转换训练、慢跑耐力训练等[8,9,10]。以上训练每次45min,每日2次,每周5d。ACLR术后常规训练2个月后所有患者分为两组介入不同平衡训练。两组术后介入平衡训练前及平衡训练3个月后进行三维步态数据的采集及步行功能的评估。

1.A组术后第9周进行平衡训练

使用DynstableVR三维平衡训练系统(荷兰MotekMedical公司)进行动态平衡训练,包括城市赛道、驾船竞赛、撞击球训练等。治疗每次15min,与常规康复训练同时进行。

2.B组术后第9周进行平衡训练

(1)平衡板训练:先将膝关节确保伸直0度位时(必要时佩戴支具)进行重心控制训练,循序渐进在膝关节屈曲30度内行平衡板训练,采用先双腿后单腿、先睁眼后闭眼的训练原则。(2)快速重心转移训练:膝关节伸直位下重心由左右至前后方向过渡训练,膝关节半屈位下重心由左右至前后方向过渡训练。(3)直立位及屈膝位下AIREX平衡垫训练。治疗每次15min,与常规康复训练同时进行。

三、疗效评定标准

1.步态参数采集

采用KinemaTracer三维步态分析系统(日本)进行,获取步态时空参数(如步长、步宽、步速、步频、患侧支撑相及患侧摆动相)和步态运动学参数(如患侧膝关节活动范围、患侧髋关节活动范围及患侧踝关节活动范围)。

2.步行功能评估

包括Holden步行功能分级评估及国际膝关节文献委员会(IKDC)膝关节评估表评分。Holden分级共分为5级,评级越高则步行功能越好,将分级对应为相应分值进行统计。IKDC总分100分,分数越高则步行功能越好。

四、统计学处理

采用SPSS23.0软件进行统计学分析。计量数据用均数±标准差(x¯±s)表示,行t检验;计数资料用百分比表示,行χ2检验;P<0.05为差异有统计学意义。

结果

一、两组步态参数

两组平衡训练后步态时空参数均优于平衡训练前(P<0.05),且A组平衡训练后更优于B组(P<0.05)(表2)。

二、两组步态运动学参数

两组平衡训练后步态运动学参数均优于平衡训练前(P<0.05),且A组平衡训练后患侧膝关节屈伸范围、患侧髋关节屈伸范围优于B组(P<0.05)(表3)。

三、两组步行功能评估

两组平衡训练后Holden分级评分和IKDC评分均优于平衡训练前(P<0.05),且A组平衡训练后Holden分级和IKDC评分优于B组(P<0.05)(表4)。

表2两组步态时空参数

表3两组步态运动学参数

表4步行功能评估

讨论

ACLR术后虽然修复了患者的膝关节结构,但是患者在手术后较长时间内仍会面临膝关节的残余损伤,很大程度上影响患者运动参与能力,如何改善患者术后的步行能力是近期研究的方向。多项研究表明ACL损伤后常常会导致患者步态模式的改变,以“股四头肌逃避步态”多见[11,12],因股四头肌薄弱,支撑期及摆动期膝关节无法充分伸直,膝关节屈曲角度减少,导致摆动期髋关节屈曲角度及踝关节跖屈角度均减少[13]。Berchuck等[14]认为ACL损伤患者行走时尽力避免股四头肌收缩,这时会使屈膝外力矩(由重力产生)减小,这样使之平衡的伸膝内力矩(股四头肌收缩产生)也同时减小。

ACLR术后因膝关节僵硬、稳定性下降、屈膝及屈髋角度减少,导致步长、步速、步频及步宽均不同程度减小。黄浩然等[15]研究发现ACL损伤后患侧支撑相时间缩短而摆动相时间延长,本次研究也印证了这一点,可能的原因为ACL损伤后胫骨出现异常增大的内旋、内移及前移,支撑期膝关节稳定性下降导致支撑相时间缩短,摆动相时间代偿性增加[15]。ACLR术后神经肌肉控制的这些改变可能是永久性的,应尽量减少步态恢复期间膝关节生物力学的异常变化,因为其有可能影响到术后KOA发生[16]。Kapreli等[17]研究表明,ACL损伤患者在几个感觉运动皮层区域的激活出现减少,意味着ACL损伤后发生了感觉运动控制的减退,导致膝关节的不稳定,并延续到ACLR术后。进一步提示康复训练需要注重临床本体感觉的训练[18]。蒋拥军等[19]研究表明,膝关节本体感觉与平衡能力呈正相关,通过平衡促进训练对提高膝关节本体感觉的恢复及运动功能具有明显的疗效。马钊等[20]研究表明,术后早期与术后6个月后都要重视本体感觉及平衡功能训练,尤其是平衡干扰训练,以防止发生再次损伤[20]。

VR平衡训练系统具有沉浸、交互和想象三大特点。系统包含实时平衡转化平台、测力台、运动捕捉系统和VR场景。通过执行依赖视听觉信息的双重认知任务来训练患者处理物理平衡扰动的能力。本次研究显示,平衡训练后A组患者步态时空参数和运动学参数优于B组,表明VR平衡训练能够更好地改善ACLR术后患侧膝关节的稳定性及灵活性,有效提高髋膝关节的屈伸活动能力。同时A组平衡训练后Holden分级评分及IKDC评分优于B组,表明VR平衡训练较常规平衡康复训练在步行功能恢复方面更有效。分析可能原因是:(1)VR平衡训练运用高强度视觉、本体感觉、前庭觉和听觉实时综合反馈,强感觉输入,有效增加运动输出效果,同时交互式训练体验以及富有挑战性的训练模式让患者能更好地对不同虚拟环境做出实时反应,从而为动态平衡行走康复提供帮助。(2)VR平衡训练改善患者膝关节屈伸活动范围,使得其承受负荷的软骨区域增加,进而更加接近正常的受力模式,使得支撑时间得到延长。由中枢神经系统进行整合,再经锥体束发出神经冲动,指挥骨骼肌肉系统产生随意运动,经过踝、膝、髋关节和躯干的协调参与,使身体的重心垂直地维持在双足支撑面上,从而达到身体的平衡与稳定,这种动态平衡的稳定性对患侧步行能力的改善至关重要。综上所述,患者通过综合、有效、强化的VR平衡训练,可缓慢增加功能性动态平衡训练和增强训练,进一步改善神经肌肉控制,提高动力链(躯干、髋、膝和踝)稳定结构之间的相互作用,使其较传统平衡训练更为有效。本研究因时间及病例限制,未能纳入足够的样本量,且对患者步态的随访时间较短,一定程度上影响观察结果的准确性,需要在今后研究中进一步改进及探讨。

参考文献：

[5]沈梅,金可心,毛世刚,等.前交叉韧带重建后本体感觉训练前后步行参数变化的计算机辅助三维步态分析系统比较[J].中国组织工程研究与临床康复,2011,15(48):8947-8950.

[6]高凯,王立德,齐志明,等.前交叉韧带损伤的MRI诊断与临床诊断比较研究[J].中国运动医学杂志,2005,24(5):521-525.

[7]倪乾坤,张辉,宋关阳,等.非接触性前十字韧带损伤初次重建术后失效的危险因素[J].中华骨科杂志,2020,40(7):389-396.

[8]孙凤龙,郭恒冰,郄淑燕,等.膝关节前交叉韧带重建术后运动觉的变化[J].中华骨与关节外科杂志,2016,9(3):225-228.

[9]吴华,杨翼,顾旭东,等.本体感觉强化训练对前交叉韧带重建后功能恢复的影响[J].中华物理医学与康复杂志,2014,36(4):291-294.

[15]黄浩然,陈俊,王思哲,等.足部空间姿态评估分析系统在ACL重建前后步态分析中的应用[J].中国骨与关节损伤杂志,2018,33(12):1255-1258.

[19]蒋拥军,李克军,王雪冰.平衡促进训练对膝关节前交叉韧带损伤重建术后患膝本体感觉的影响[J].中国康复医学杂志,2011,26(3):251-253.

[20]马钊,周谋望,谷莉,等.前交叉韧带重建术后患者平衡功能的研究[J].中国康复医学杂志,2010,25(7):625-627,631.

施明,潘文平,曾明,林斯捷,李岩,吴华.虚拟现实平衡训练对前交叉韧带重建术后步行能力的影响[J].江苏医药,2021,47(02):129-132.

基金:浙江省医药卫生科技计划项目(2018KY803);嘉兴市科技计划项目(2017AY33025)