遠程虛擬康復技術在骨科康復治療中的研究進展

陳浩天

康復訓練對于骨科創傷或手術后患者的肢體功能恢復具有重要意義。康復治療是否成功不僅需要患者積極配合，也需要進行長期且重復的功能鍛煉，以期能夠改善關節活動，加強肌肉力量，并達到恢復肢體功能的目的[1]。骨科患者的康復訓練于術后，即在醫院中開始，而后階段長期的康復訓練需患者自行完成。然而，由于康復訓練帶來的疼痛、單調乏味、功能恢復進展緩慢等負面影響因素，患者常常無法按照既定計劃，按時、按量完成康復訓練，進而影響患者肢體功能的恢復[1-2]。隨著科學技術的發展，遠程虛擬康復技術（remote virtual rehabilitation）正在逐漸興起，這類技術逐漸被廣泛應用于醫學的各個領域[3]。遠程虛擬康復技術主要包括虛擬現實（virtual reality，VR）、增強現實（augmented reality，AR）、游戲化（gamification）、遠程康復（telerehabilitation，TR）等[3]。多項研究表明，遠程虛擬康復技術與傳統康復訓練相比，可顯著促進患者對于康復訓練的積極性，并且康復效果顯著提升。例如Sangwoo 等[4]已經利用VR 技術研發出了新型的上肢康復系統，Burdea 等[5]開發的康復訓練系統“Rutger Arm Ⅱ”由包含虛擬現實在內的三個部分所組成。同時還有國內華南理工、中南大學附屬第三醫院于廣州一康醫療設備有限公司三方聯合研發的“虛擬廚房訓練系統”，將該系統應用于33 例上肢功能障礙的患者，結果顯示比傳統訓練方式的康復效果更為顯著[6]。此外，它具有比傳統康復訓練更加經濟、便捷的優點，并且還可提高醫療效率。然而，這門新興的醫療技術仍然存在著局限性。同時，由于國內相關研究缺乏，各類遠程虛擬康復技術對于國內患者的效果仍需要進一步的臨床研究來證實。本綜述旨在總結這類遠程虛擬康復技術在骨科患者康復訓練中的應用，并闡述其優勢及缺點，以及探討其未來的發展方向。

1 遠程虛擬康復技術的簡介及其在骨科中的應用

1.1 VR 技術 VR 技術是基于計算機模擬生成的一個虛擬環境，該環境利用現實生活中的場景數據，通過技術手段輸出為用戶可感受的現象。用戶佩戴相應的輸出設備，便可沉浸于該環境中，體會現實世界一切人類所有的感知能力，實現人機交互[7]。由于VR 技術具備模擬任何環境的能力，使其在醫學各個領域中的應用日漸增多，例如精神類疾病治療、疼痛管理、醫學教學、手術培訓、術前演練、術后康復等[8-9]。VR 技術用于骨科疾病患者康復訓練的研究，于近幾年開展。Chughtai 等[10]探究了VR 技術在全膝關節置換術（total knee arthroplasty，TKA）患者術后康復訓練中的應用，該研究主要從以下四個方面全面評估了VR 技術在TKA 患者術后康復中的效果：（1）患者對康復訓練的積極性和依從性；（2）進行康復訓練所花費的時；（3）VR 技術的可操作性、可用性；（4）TKA 患者臨床結局評分。該項研究結果表明，VR 是一種經濟、便捷、高效的康復手段，并且還可增加患者與醫生之間的溝通，從而提高患者的積極性及訓練的效果。而在另一項VR 技術應用于TKA 術后康復訓練的隨機對照試驗（randomized controlled trial，RCT）中，Gianola等[11]對VR 與傳統康復技術的效果進行了比較，結果顯示，雖然VR 技術并沒有在緩解患者疼痛、減少藥物消耗及改善臨床預后方面更具優勢，但卻有利于促進患者全身的本體感受。此外，VR 還被用于肩峰下撞擊綜合征（subacromial impingement syndrome，SAIS）患者的康復訓練，Pekyavas 等[12]的研究表明，在短期內，基于VR 技術的運動式電玩訓練比傳統家庭式康復訓練更有效果。Kloster等[13]還開發了移動VR 裝置用于頸部鍛煉，該裝置可調動患者對于訓練的積極性，并幫助患者克服訓練帶來的疼痛，在用戶體驗及效果上均有較好的評價。Matheve 等[14]設計的RCT 研究證實，在慢性下背部疼痛患者的康復訓練中，VR 可通過分散患者注意力，顯著緩解鍛煉時的疼痛。目前，VR 在骨科患者康復訓練的研究仍然較少，多數研究表明，VR 相比于傳統康復訓練更具優勢。但各研究之間仍然存在相互矛盾的結果和觀點，因此需要更多大規模的RCT 研究，進一步驗證VR 在骨科康復訓練中的效果。

1.2 AR 技術 AR 技術是與VR 技術相似的衍生技術，同樣是計算機模擬產生新的環境，給予用戶各個感覺器官上的刺激。但不同于VR，AR 可在真實世界的基礎上，給予其新的元素，疊加、補充虛擬信息內容于真實世界中。目前，AR 技術主要應用于醫學教學、手術培訓方面，由于其具有的實時反饋的優勢，可輔助各種醫學操作的培訓[15]。但AR在骨科康復的應用及研究比較缺乏。在Chan 等[16]的研究中，研究者將AR 與VR 技術進行結合，用于步態康復訓練。患者通過頭部佩戴的設備，在跑步機上進行步態訓練。然而，該研究發現AR 技術相比于普通的康復訓練，更加不利于患者在跑步機上保持平衡，并且使用了AR 技術的患者，其行走時的步態模式異常，這將可能影響步態訓練的效果。研究者指出，該結果可能由于跑步機無法與AR 裝置匹配，因此未來需要開發具有位置反饋、引導功能的專用跑步機，以配合AR 的使用。AR 是比VR更加復雜的實時反饋虛擬技術，由于技術、硬件、配置等方面的限制，其在醫學康復訓練中的應用尚不成熟。未來研究者可能需要借鑒AR 技術在醫學教學中的使用模式，開發可與AR 技術相適配的設備，從而發展AR 技術在醫學康復領域中的應用。

1.3 游戲化康復訓練 影響患者能夠持續堅持進行康復訓練的一個重要因素，是患者對于康復訓練的積極態度。有研究表明，如果能在康復訓練中予以相應的獎勵或是添加娛樂因素，將顯著調動患者對于康復訓練的積極性[17]。游戲化被定義為“在非游戲環境中使用游戲設計元素”[18]，在醫療系統中使用游戲化來達到或促進醫療目的，是醫學領域新興的概念[19]。在過去的幾年里，游戲化的概念已經受到越來越多醫學研究者的青睞。在許多疾病的康復治療中，諸如特發性脊柱側突[20]、嬰兒腦性癱瘓[21]、卒中[22]等游戲化設計的康復訓練，被證實具有良好的效果。游戲化也正逐步涉及骨科患者的康復訓練，Van der Kooij 等[23]的研究證實，使用游戲化設計步態康復訓練，能夠增加康復訓練的趣味性，使患者對于康復訓練的熱情下降得更慢，從而增加患者的依從性，并且加入了游戲的因素并不會影響康復訓練的強度及訓練的準確性。在另一項RCT 研究中，游戲化被應用于手掌固定治療導致的手指僵硬的康復訓練中，與傳統的康復訓練相比，加入游戲元素的康復訓練能夠使患者更快、更好地恢復手指關節功能[19]。目前在國內，已有研究者設計了游戲化手功能康復訓練的產品[24]，但相應的臨床研究尚未開展，游戲化是否對骨科康復訓練具有積極的作用，需要研究者進一步的研究來驗證。

1.4 TR 技術 遠程康復是遠程醫療的一個分支，使用相關的通信技術，醫療工作者可與院外的患者進行遠程溝通、指導，從而在空間、時間上提高醫療效率，減少醫療成本。由于TR 技術較易實現，目前已經被廣泛應用于醫療領域各種疾病的康復訓練。TR 在骨科康復中的應用同樣廣泛，它已經被應用于全膝關節（TRK）和全髖關節置換術（total hip replacement，TRH）的康復訓練[25-28]，也被用于膝關節炎（knee osteoarthritis）[29]、肩關節[30]、肱骨近端骨折[31]、下肢功能的康復訓練[32]。多數研究發現，TR 與傳統康復訓練相比，雖然在康復效果上沒有顯著的提升。但是TR 具備經濟、高效、便捷、便于實時監測以調整治療策略等優勢。TR 技術已經在國內醫療領域開展，并在一定程度上解決了醫療資源分布不均的難題，但仍然存在著缺少統一的行業規范標準，偏遠地區醫療工作人員和患者排斥，患者個人信息泄露等難題[33]。并且國內目前關于TR 技術在骨科康復領域的研究較缺乏。因此仍需要優化TR 在骨科康復中的應用，發展適合中國的遠程醫療模式。

2 遠程虛擬康復技術的優勢

2.1 遠程虛擬康復技術促進就醫便捷、提高醫療效率 遠程虛擬康復技術相比于傳統康復訓練，其康復效果雖然沒有顯著地提升，但在患者就醫便捷性、醫療資源合理分配方面，無疑具有巨大優勢。特別是VR、TR 等技術的應用，使得患者在家中便可獲得高質量的康復訓練指導[3]。這對于來自偏遠地區就醫的患者，以及行動不便的骨科疾病患者，具有重要意義。并且，遠程虛擬康復技術還可減少患者住院時間，從而減少患者的就醫花銷。對于醫療工作者，遠程虛擬康復技術使“以一對多”的醫學指導成為可能，這一模式顯著提高醫生的工作效率，避免重復相同的指導工作花費醫生大量時間。同時，由于患者可自行于院外進行康復訓練，可為醫院節省床位，使醫療資源得以分配于危重患者。此外，遠程康復也降低了國家衛生系統的成本。國外相關研究表明，醫療成本與患者運輸、住院和再入院率有關[34-35]，對于住在離康復中心30 千米以上的患者，遠程虛擬康復技術可節省的費用約為230 億美元[34]。因此，遠程虛擬康復技術無論對于患者、醫生，還是國家，都有積極作用。它使患者在家中便可享受高質量的醫學指導，使醫院、醫生提高了醫療效率，也促進了醫療資源的合理配置，并且還在國家層面減少衛生系統的成本、開銷。

2.2 遠程虛擬康復技術可提高患者康復訓練依從性、積極性 患者對于康復訓練的依從性、積極性是影響康復訓練效果的重要因素[17，23]。然而，由于住院時間的限制，大部分康復訓練需患者自行在家中或康復機構中進行，在此期間醫生無法實時監督、指導其康復訓練。骨科的康復訓練是一個長期、持續的過程，常常伴隨疼痛、單一乏味等負面因素，使患者依從性降低[1]。而遠程虛擬康復技術很好地解決了這一難題。有研究表明，遠程虛擬康復技術，如游戲化、TR 等，可顯著提高患者的依從性[23，27，35]。游戲化設計在康復訓練中添加游戲的元素，使得單一重復的康復訓練不再那么枯燥乏味，可提高患者對于康復訓練的積極性。并且由于患者在進行游戲時分散了注意力，可緩解訓練時的疼痛[19，23]。而TR 技術使患者可與醫生進行遠程溝通，在醫生實時的監督、指導下，患者的訓練積極性被顯著調動，從而在一定程度上提高患者的康復訓練效果[28]。然而，目前在國內，遠程康復訓練由于技術限制及其他原因，并未大量開展，相關的研究資料較少。基于國外研究結果，游戲化、TR 技術是一種有益于骨科患者的醫療手段，值得應用于骨科患者的康復訓練，但需要醫療工作者設計合理的遠程康復訓練計劃及進行相關的臨床研究，探索適合中國患者的游戲化、TR 康復訓練方案。

2.3 遠程虛擬康復技術促進實時醫患溝通 遠程虛擬康復技術增進了醫生和患者之間的交流。醫生可通過遠程通信設備，對患者的康復訓練進行監督，并根據患者反饋的信息，及時為患者調整康復訓練計劃，這對于提高患者康復訓練效果具有重要意義[28-29]。在骨科的康復訓練中，傳統的康復訓練無法為患者的康復訓練進行實時的反饋和調整，患者通常需要自行于醫院復查，這無疑增加了患者的就醫成本與時間。并且，對于重大殘疾的患者，這一就醫過程十分不便，還可能造成二次傷害。而遠程醫療康復很好地解決了這一難題，為醫生和患者之間的定時、定期聯系提供了可能。醫生能夠及時對患者的康復訓練內容做出調整，并糾正不正確的鍛煉姿勢，這對于提高康復訓練的效果具有促進作用。

3 遠程虛擬康復技術的局限性

3.1 使用者需具有一定的知識水平 遠程虛擬康復技術是一門新興的醫療技術，患者的接受度是影響其普及、發展的重要因素。國外相關研究對象通常為年齡在40～60 歲的患者，且多數擁有大學學位[3]。這表明實施遠程康復技術需要患者具備一定的文化知識儲備。而目前在國內，老年人的教育水平普遍低于歐美發達國家，適用于外國患者的遠程虛擬技術可能并不同樣適用于中國人。此外，有研究表明，老年人比年輕人更加難以接受這類遠程虛擬康復技術[3]。而骨科患者中老年人占比較大，老年人對于這類新技術的排斥心理，可能將阻礙虛擬康復技術在骨科中的應用。因此在國內，遠程虛擬技術的用戶友好性需要得到進一步的提升，操作界面及步驟需簡單易懂，這需要相關軟件設計者的進一步努力。同時，相應的臨床研究也應該進行，以驗證遠程虛擬康復技術對于國內骨科患者的康復效果。

3.2 存在安全隱患 遠程虛擬康復技術在骨科康復訓練中的安全性，是一個重要的問題。大多數研究表明，各類虛擬康復技術安全、有效[15，25]，但仍然無法忽視新技術可能存在的安全問題。例如，在AR 的使用中，研究者發現佩戴了AR 設備反而不利于患者在跑步機上的步態訓練，并且AR 具有一定的誤導作用，使患者訓練姿勢變得不再標準，這將可能影響患者的功能恢復[16]。此外，在VR 技術中，由于軟件模擬的虛擬世界無法與真實世界交聯。因此，在患者使用這類技術時，通常需要較大的空曠場地。如果患者在狹小的空間中實施基于VR 的康復訓練，由于無法及時反饋周圍的環境，患者可能在做出動作時磕碰到其他物體，或者摔倒，從而造成二次傷害[3]。因此，在未來，AR 與VR 技術的結合，可能是其在骨科應用中的發展方向[15]。軟件設計者需開發適合AR、VR 技術的相關設備、裝置，實現患者康復訓練姿勢的實時反饋，同時還需要能夠與現實世界交聯，以避免二次傷害的發生。

4 總結及展望

在過去十幾年里，遠程虛擬康復技術引起了醫療領域越來越多的關注，尤其是在COVID19 流行的今天，其作用將不言而喻。VR、AR、游戲化康復訓練和TR 在康復領域的作用已經通過多項RCT研究證實，對于調動患者訓練積極性、緩解訓練疼痛、減少就醫成本、提高醫療效率等多方面具有顯著的優勢。但這些研究多數于國外開展，國內相關研究仍然缺乏，中國患者可否同樣從中受益尚不明確，特別是老年患者居多的骨科，其文化水平及接受度可能將限制這類技術的應用。此外，相關的安全性也是需要關注的問題，AR 與VR 技術結合后的混合現實技術（mixed reality，MR）可能是未來發展的方向。

未來，在骨科遠程虛擬技術康復領域，需要研究者開展更多基于國內患者的臨床研究，并建立相應的康復訓練流程及策略，開發適合國內患者使用的配套軟件，同時還需要對醫務工作者進行培訓，提高對患者的遠程指導能力。總體來說，遠程虛擬康復技術使遠程臨床互動成為可能，是一種具有較大發展前景的醫療技術，可造福廣大骨科患者。