虛擬現實技術在慢性阻塞性肺疾病患者肺康復中的研究進展

楊夢 林韋彤 馬航霞 萬晶晶

慢性阻塞性肺疾病（Chronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD）是一種以持續呼吸道癥狀和進行性氣流阻塞為特征的可預防和可治療的慢性呼吸道疾病[1]，全世界范圍內患病數高達2.5億[2]。據估計，到2030年，COPD將成為世界第3大疾病死亡原因[3]。COPD患者由于進行性的呼吸困難導致其日常活動受限、活動耐力降低，身體活動水平及生活質量隨疾病發展而降低[4-5]。《慢性阻塞性肺疾病全球倡議（2018 年版）》[6]指出肺康復是改善COPD 患者呼吸困難、健康狀況和提高患者運動能力及生活質量的最有效的非藥物治療策略，長期堅持肺康復是COPD 患者獲益的關鍵。目前大部分肺康復在醫院或康復中心進行，由于活動受限、訓練單調、交通及費用等多種原因導致患者參與度和依從性較低[7-9]。據國際報道，僅有1%～2%的COPD 患者接受了肺康復[6]，且有高達36.7%的患者中途退出康復[10]。虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術可通過頭戴式顯示器、耳機、投影系統、運動跟蹤及交互設備，使患者沉浸于虛擬環境，提升其主動性和投入度[11]。目前VR 作為治療及康復輔助手段在老年康復、癌癥、心臟康復、ICU 等領域中的應用效果已得到證實。近年來，研究發現VR 輔助肺康復訓練趣味性強、安全性高、運動依從性好，在COPD 患者肺康復中發揮重要作用[12-13]。本文通過介紹VR 技術在COPD 患者肺康復中的應用概況、應用方法及應用效果，以期為我國COPD 患者肺康復臨床實踐提供參考。

1 COPD 患者肺康復常用VR系統

根據患者的參與形式及沉浸程度，VR 技術可分為桌面式VR、沉浸式VR、增強式VR 及分布式VR 4 類[11]，目前應用于COPD 患者肺康復常用的類型主要為VR 桌面式和VR 沉浸式，增強式VR 及分布式VR 應用較少[14]。目前常用的COPD 患者肺康復VR 系統包括美國Kinect、日本Nintendo Wii 及中國的BioMaster 虛擬情景互動訓練系統。

1.1 Kinect 系統

Kinect 系統是一種3D 體感視頻游戲，由傳感器、虛擬環境和監視器3 部分組成，具有即時動態捕捉、影像辨識、麥克風輸入、語音辨識、社群互動等功能；該系統有各種各樣不同運動強度的游戲，如漂流、越野跑、山地馬車旅行、拉力球賽和擊球游戲等，目前已應用于COPD 患者運動、呼吸訓練及6 分鐘步行試驗[15-16]。操作時由具備VR 操作技能和肺康復專業知識的醫護工作者或康復師通過Kinect傳感器實時捕捉并采集患者肢體運動和呼吸訓練信息，指引患者進行正確的肺康復訓練。患者利用體感技術模擬VR 屏幕上的動作，可以提高肢體的力量、敏捷度、平衡能力和耐力，適用于無肺康復絕對或相對禁忌證（如近期有心肌梗死發病史、重度肺動脈高壓等）、肺功能2 級和3 級的患者及醫學研究委員會呼吸困難分級為3 級或以上的COPD患者，應用頻率為每周1～5 次，每次從20 分鐘到1 小時不等[17-18]。Kinect 系統成本低，但是對空間要求高，其使用的理想空間是與傳感器間隔1～2 米的距離，且沒有陽光直射。由于Kinect 系統采用視覺傳感器，因此患者訓練時不能有遮擋物，如患者出現心率超過其年齡預測的最大心率，即（208-0.7×年齡）次/分鐘時，應及時停止訓練[19]。

1.2 Nintendo Wii 系統

Nintendo Wii 系統包括Wii Sport、Wii Fit 和Wii-Train 3 種模式，由虛擬主機和運動傳感設備組成，患者可以通過在平衡板上移動（如踏步或擺動）或控制器檢測身體運動與虛擬環境進行交互，完成游戲指定動作[20]。在Wii Fit 模式中，患者站在平衡板上，根據游戲指令運動手臂和腿部，該模式提供了包括力量訓練、有氧運動（慢跑/拳擊）和平衡游戲（瑜伽、滑雪、滑雪板）等40 多項體育鍛煉活動。Wii Sports 模式使用Nunchuk 手柄控制器檢測肢體運動的同時，在虛擬私人教練的監督下完成包括現場慢跑、舞蹈、拳擊等游戲[21]。該模式主要是提高患者的肌肉力量、身體耐力和靈活性。Wii-Train 是一種家庭極限運動訓練模式，使用墊子控制器來檢測壓力變化，為患者提供全身鍛煉游戲，例如接力賽。醫護人員及康復師應根據患者自身情況選擇適宜的模式及游戲類型，并做好操作前、中、后的動態評估和總結，訓練中如患者出現呼吸頻率>30 次/分鐘、脈搏氧飽和度<90%的情況應停止訓練[21]。

1.3 BioMaster 虛擬情景互動訓練系統

BioMaster 虛擬情景互動訓練系統是國內研發的運動康復訓練系統，使用可穿戴式無線傳感器，對患者的關節動作進行實時捕獲，同時可提供針對性的虛擬情景關節活動訓練。無線傳感器可安置于全身各大關節處，指導患者進行肩、肘、腕、髖、膝、踝關節，以及頸椎、腰椎活動度訓練。該系統可生成并保存患者訓練報告，醫護人員及治療師可對報告進行編輯、導入評語、診斷與醫囑，方便跟蹤訓練效果。系統設置了多種情景訓練模式，如家務活動類、廚房料理類等，增強了訓練的趣味性，其訓練范圍可進行個性化設置，使得針對性更強[22]。此系統可用于急性加重期COPD 患者，在伴有輕度認知障礙的老年COPD 患者肺康復訓練中也具有良好的效果[22]。

1.4 沉浸式虛擬現實技術系統

沉浸式虛擬現實技術系統包括立體頭掛式顯示器和洞穴式自動虛擬環境，該系統封閉患者視、聽、觸覺，將患者置身于虛擬環境，醫護工作者或理療師可進入3 維虛擬環境與患者進行交流[23]。沉浸式虛擬現實技術系統為COPD 患者提供3D 效果的高清教育視頻，由3D 虛擬教官指導患者進行運動鍛煉，且可以通過網絡將康復訓練信息實時發送給醫護人員及康復治療師。沉浸式虛擬現實技術系統相關設備更易于攜帶且可移動，讓患者置身于虛擬環境中，具有強烈的“臨場感”。頭戴式設備重量較重，給患者頭頸部帶來壓力，由于沉浸度較高，部分患者會出現頭暈、眼花等不適。因此在操作前應對患者進行評估及做好充分解釋，做好壓力性損傷防護，操作中警惕患者出現呼吸困難、頭暈、耳鳴、疲勞等癥狀，操作后及時進行VR 設備的清潔和消毒工作。

2 VR 系統在COPD 患者肺康復中的應用效果

2.1 提高功能狀態評估的安全性和精確度

COPD 患者在進行肺康復訓練前，需要評估心肺功能狀態，6 分鐘步行試驗（6MWT）是評估COPD患者的功能狀態和預測患者生存率的指標之一[24]。目前有研究顯示，VR 技術結合跑步機評估COPD 患者6MWT 具有良好的信度，組內相關系數（ICC）為0.74 ～0.77[25]。另外Frade 等[15]對VR 技術輔助6 分鐘靜態步行試驗（STVR-6）進行信度檢驗，結果顯示，STVR-6 ICC值為0.80 ～0.94，且COPD 患者呼吸困難程度和疲勞程度在地面測試和VR 測試之間并無差異。VR 技術不需要龐大的物理空間或精密的設備，可為COPD 患者進行6MWT提供安全無障礙測量環境，安全性高，適用于老年患者功能狀態評估。

2.2 改善軀體活動能力

研究顯示，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縮和功能失調，COPD 患者是軀體平衡功能障礙高發人群，其跌倒發生率是正常老年人的4 倍[26]。一項Meta分析顯示，VR 作為肺康復輔助手段可使COPD 患者6MWT 步行距離平均增加30.9 米[12]。Rutkowski 等[19]將106 名COPD 患者隨機分為傳統肺康復運動訓練組、耐力運動訓練聯合VR 及VR 肺康復方案組3 組，結果顯示，VR 訓練相較于傳統肺康復訓練在提高COPD 患者力量、耐力、柔韌性、敏捷性、平衡能力和運動協調能力更有優勢。金曉亮等[26]通過對COPD 急性加重期患者進行體感互動游戲干預，結果顯示，體感互動游戲可提高患者平衡功能，并且不會加重炎癥反應或延長患者住院時間，安全性高。周婷滿等[13]的研究顯示，通過對老年COPD 穩定期患者進行體感游戲互動訓練，可提高患者的軀體活動能力。因此，VR肺康復訓練可提高COPD 患者的運動耐力和平衡功能，提高軀體活動能力，促進患者回歸社會和家庭。

2.3 增強患者自我效能，提高肺康復依從性

自我效能是指人對自己是否能夠成功地進行某一行為的主觀判斷。依從性是指患者的行為與醫療指南或健康建議相一致的程度[27]。Xie等[28]將60 例COPD 住院患者分為兩組，實驗組采用VR 技術結合肺康復，對照組采用常規康復，結果顯示進行VR 干預后COPD 患者總體自我效能評分顯著提高。研究顯示，COPD 患者中僅有10%出院后會進行運動鍛煉，且運動訓練的出勤率和完成率分別只有70%和40%[13,29]。多項研究報道，COPD 患者認為VR 為基礎的康復訓練使人愉快，可接受度好，患者依從性達80%～90%[30-32]。VR 相較于其他康復鍛煉模式在COPD 患者運動依從性方面具有獨特優勢，VR 輔助肺康復訓練可以增強COPD 患者自我效能，提高患者的康復信念。

2.4 緩解疲乏、焦慮、抑郁等癥狀，提高患者生活質量

COPD 患者易出現疲乏、焦慮、抑郁等負性情緒，嚴重影響患者的生理、心理及社會功能，導致其生活質量下降，據報道約有60%的COPD患者存在不同程度的疲乏[13,33]，COPD 合并焦慮患病率為49.2%，合并抑郁的患病率為37.2%，COPD 患者生活質量隨著焦慮抑郁嚴重程度增高而下降[34]。國內學者耿敏等[33]將穩定期COPD 患者分為兩組，干預組接受常規健康指導聯合居家體感互動游戲鍛煉，結果顯示，干預組疲乏總分及焦慮、抑郁分量表得分均低于本組干預前及對照組。Rutkowski 等[35]將50 例有壓力、抑郁和焦慮癥狀的COPD 患者隨機分為兩組，兩組均接受傳統的肺康復，VR 組進行10 次沉浸式VR治療，對照組進行了10 次舒爾茨自律訓練，結果顯示沉浸式VR 治療對改善COPD 患者的情緒，減輕焦慮和壓力有明顯的促進作用。Jung等[23]研究采用VR 頭盔為COPD 患者提供為期8 周的肺康復治療，結果顯示VR 肺康復可以緩解COPD患者焦慮癥狀。Blair 等[36]的研究顯示，體感交互系統訓練可緩解COPD 患者焦慮情緒。此外，多項研究顯示，VR 干預后的COPD 患者慢性阻塞性肺病評估測試（CAT）評分均顯著降低，生活質量有明顯改善[12,37]。

2.5 改善患者呼吸困難癥狀

COPD 患者通常會出現通氣功能障礙、咳嗽、咳痰、氣短、呼吸困難等癥狀，嚴重影響其呼吸功能。VR 系統提供的有氧訓練、呼吸肌訓練等可增強呼吸肌的肌力和耐力，從而減輕患者的呼吸困難癥狀。研究顯示，進行基于VR 肺康復訓練后的COPD 患者，其Borg 評分為3～4 分，呼困難程度為中度[30]。Wardini 等[38]的研究表明，在使用體感互動游戲系統對COPD 患者進行虛擬現實訓練期間，患者心率、脈搏氧飽和度和呼吸困難顯著改善。Albores 等[39]評估VR 技術在20 例COPD 患者居家鍛煉中的應用效果，結果顯示為期12 周的基于Wii Fit 系統的運動鍛煉可顯著改善患者的健康狀況和呼吸困難。周婷滿等[13]的研究顯示，對老年COPD 穩定期患者進行基于體感互動游戲的運動方案干預，在干預18 周后，干預組1 秒用力呼氣容積與肺活量的比值、1 秒用力呼氣容積占預計值百分比、呼吸困難分級評分均優于對照組。目前關于VR技術是否能改善COPD 患者呼吸困難癥狀尚存在爭議，Mazzoleni 等[37]的研究表明，通過體感互動游戲干預，COPD 患者呼吸困難評分明顯降低，但與常規肺康復訓練組相似，兩組間差異無統計學意義；此外有研究顯示，進行體感互動游戲訓練的COPD 患者隨著運動時間的延長，其呼吸困難明顯增加[31]，這可能與各研究的研究對象、訓練模式、測量呼吸困難工具及時間不一致有關。

3 VR 技術在COPD 患者肺康復中應用的局限性

目前國內外學者對VR 技術在COPD 患者肺康復應用方面已做出了很多探索和研究，但是在應用中仍存在局限性，主要體現在以下5 個方面。①現階段關于VR 技術在COPD 患者肺康復中的應用缺乏長期效果評價、大樣本及高質量研究數據的支撐；②國內外關于VR 技術在COPD 患者中的應用方案及研究對象各不相同，尚未形成較為統一規范的VR 肺康復干預方案；③目前研究采用的VR 技術大多為商業性體感互動游戲，其特點是沉浸度、互動程度較低及成癮性[21,40]；④VR 設備方面，目前所提供大部分的VR 硬件設備組件較多，對空間距離有一定要求，不便于攜帶，且需要專門的技術人員進行調控；⑤VR 系統及設備價格昂貴，操作相對復雜，對患者及醫護工作者文化水平及認知能力有一定的要求等阻礙了VR 技術在COPD 患者肺康復中的應用[40]。

4 小結

綜上所述，VR 技術作為COPD患者肺康復輔助手段，安全性高、患者依從性好，在提高COPD 患者運動能力，緩解焦慮和抑郁等負性情緒，改善COPD 患者的生活質量等方面具有優勢。但目前VR 在肺康復中的應用仍處于探索階段，且在COPD 肺康復應用中尚存在不足[17]。因此對未來的研究建議如下：可進一步開發具有更高沉浸度和更自然交互作用的VR 設備并研究其在肺康復中的應用效果；整合生理監測儀和運動傳感器；探索不同類型VR系統在COPD 患者中的差異，為肺康復提供更有效的干預措施；進一步明確VR 肺康復的應用標準和效果，規范其訓練流程。新冠肺炎的發生改變了疾病康復模式，有效的居家康復越來越重要，因此未來可進一步開展VR 技術在COPD 患者居家康復中可行性和效果的研究。