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老年人群中HIV感染者通过运动游戏改善平衡能力、行动能力并缓解部分虚弱症状

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DOI：

10.3791/54275

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2016年10月6日

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1Department of Surgery, Interdisciplinary Consortium on Advanced Motion Performance (iCAMP), College of Medicine, University of Arizona, 2Department of Medicine, Division of Infectious Disease, College of Medicine, University of Arizona, 3Interdisciplinary Consortium on Advanced Motion Performance (iCAMP), Division of Vascular Surgery and Endovascular Therapy, Michael E. DeBakey Department of Surgery, Baylor College of Medicine

本文内容

摘要

感染 HIV 的个体通常身体虚弱、情绪低落，并且生活方式久坐不动，因此传统锻炼方式对他们而言过于劳累。本文介绍了一种可改善 HIV 感染者虚弱状况的运动干预方案。我们开发了一款结合认知控制功能的体感游戏，利用生物传感器测量平衡能力、重心转移和跨越障碍等指标。

摘要

美国约有120万人感染HIV。医学进步延长了患者的预期寿命，这一群体正逐渐老龄化。HIV阳性个体中虚弱的发生率较高（约20%），其特征包括抑郁和久坐行为。锻炼有益健康，但由于许多HIV阳性个体处于虚弱状态，传统锻炼方式负担过重。本研究旨在评估一种新型基于游戏的训练项目（体感游戏）在改善HIV感染者部分虚弱症状方面的有效性和可接受性。研究纳入了10名年龄较大的HIV感染者，参与体感游戏干预。患者进行了诸如重心转移、踝部伸展和跨越障碍等平衡训练。通过可穿戴传感器提供实时的视觉/听觉下肢关节运动反馈，以辅助指导并鼓励受试者准确完成每一项训练任务。患者每周训练两次，每次45分钟，持续6周。在训练项目开始、中期和结束时，评估其平衡能力、步态、心理社会参数及生活质量参数的变化。共有10名患者完成了研究并纳入分析，平均年龄为57.2 ± 9.2岁。参与者在闭眼半前后脚位站立时，重心摆动幅度显著减少（78.2%，p = .045）；在双重任务运动-认知评估中，步速显著提高（9.3%，p = .048），步幅速度增加超过0.1 m/sec。报告的疼痛程度也显著降低（43.5%，p = .041）。该体感游戏干预的初步结果显示，其在改善平衡能力和活动能力方面具有潜力，同时促使年龄较大的HIV感染者增加身体活动。该体感游戏可在家中持续进行，可能对缓解与HIV感染相关的虚弱状态具有短期和长期益处。

引言

高效抗逆转录病毒治疗（ART）在人类免疫缺陷病毒（HIV）感染中的应用，已使感染者寿命延长至更高年龄。1 HIV感染患者的平均年龄正在上升2，预计到2030年，73%的HIV感染者年龄将达到50岁或以上。3 伴随HIV感染而衰老的个体可能出现"加速衰老"，多种老年相关疾病的发生时间早于预期，包括身体虚弱及跌倒风险升高。4-8 同样，HIV感染者共病情况普遍，包括认知功能下降、外周感觉损伤（i.e.，神经病变）和疼痛，导致身体功能受损及跌倒风险增加。9 约75%的HIV感染者除ART外还需接受至少一种处方药物治疗，其中部分药物与高跌倒风险相关（如心血管药物和精神类药物）。10 HIV感染与神经病变相关，这在老年HIV感染者中尤为常见。11 此外，HIV可能导致认知功能下降，从而影响行动能力并增加跌倒风险，最终导致独立生活能力丧失和生活质量下降。12

一些研究表明，运动对艾滋病（HIV）患者具有多种益处，例如，改善平衡能力、减轻疼痛感知、提升生活满意度认知、减少功能受限，并提高生活质量。13-18 然而，由于跌倒风险、关节本体感觉减退、关节活动度下降以及整体虚弱状态，传统运动可能并不适合许多老年HIV感染者。这些特征尤其会限制患有神经病变患者的运动能力。19,20 HIV感染常伴随瘦体重减少，这可能与运动困难、营养不良、广泛性疼痛、代谢紊乱及脂质异常有关，21 上述因素共同导致患者难以参与常规运动。15 此外，由于虚弱的发生率高达20%，6,7 许多运动形式也不适用于虚弱的老年个体。因此，在为老年HIV感染者设计和实施运动干预时，需考虑多个因素，包括补偿关节本体感觉的丧失、改善运动-认知功能、控制训练强度以避免过度负荷，以及通过调整运动的强度和时间安排实现个体化运动方案，以适应个体的生理限制。已有研究评估了运动游戏（exergaming）和虚拟现实技术在老年人群中用于运动控制训练的效果，22-24 其益处包括视觉与本体感觉信息的一致性、关节运动产生的显著反馈，以及大脑中运动相关区域的激活。24-26

本研究评估了基于传感器、具有实时反馈的个性化下肢交互式锻炼在改善HIV感染老年患者姿势稳定性和日常生活活动能力方面的有效性和可接受性。该锻炼训练特别针对踝关节及下肢的活动范围，同时包含认知和运动成分。我们假设，通过交互式界面在锻炼过程中提供关节运动的实时视觉反馈，不仅能够改善姿势稳定性，还可能缓解虚弱特征，甚至改善虚弱状态本身。

方案

本研究已获得亚利桑那大学机构审查委员会的批准。参与者签署知情同意书以同意参与研究。

1. 招募HIV感染者参与研究

  1. 招募在巴纳大学医学中心图森校区彼得森诊所就诊的HIV患者 >50岁，能够无需辅助行走至少15英尺，并承诺每周两次、每次30至60分钟，持续六周参加训练课程。
  2. 使用流行病学研究中心抑郁量表（CES-D）对受试者进行抑郁症筛查 27 问卷。（旨在收集更具代表性的、抑郁程度较高的HIV人群队列。）若存在中度或重度抑郁（得分为 >16 分（CES-D 量表）的个体邀请其参与本研究。

2. 采用 Fried 等人et al.28 的方法并针对 HIV 人群进行轻微修改29，评估参与者的衰弱状态

  1. 评估受试者是否存在以下情况：(1) 身体萎缩或非故意的体重减轻；(2) 动作迟缓或步速降低；(3) 握力测定显示肌力减弱；(4) 通过热量消耗评估体力活动水平低下；(5) 通过回答CES-D问卷评估衰弱或抑郁状态。27
  2. 干预前收集人口统计学数据，以及评估跌倒恐惧（FES-I：简版跌倒效能感量表-国际版）30、生活质量（简式健康调查问卷，SF-1231）、跌倒史、使用视觉模拟量表进行疼痛评估、日常生活活动能力（巴氏指数，Barthel Index of Activities of Daily Living32）的问卷数据。

3. 开始训练干预

  1. 在为期6周的时间内，进行每次持续3-60分钟的训练练习，具体如表1所示。
    1. 让受试者完成所有练习，并逐步增加练习难度。
    2. 在受试者身体上佩戴5个惯性传感器，用于实时估算关节三维角度33，并提供三轴加速度计、陀螺仪和磁力计数据以及四元数参数34,35。使用自粘式绑带将传感器固定于小腿、大腿和下背部。
  2. 在基线期测量受试者的平衡与步态，并在中期和最后一次会话时再次测量平衡与步态。
    1. 通过生物传感器反馈测量平衡，以重心（CoM）摆动作为指标。
      1. 让受试者双脚并拢站立30秒，先睁眼，再闭眼重复；随后采用半前后脚位站立——先睁眼，再闭眼。
      2. 观察生物传感器数据，并要求受试者在测量期间目视正前方墙面，保持视线固定。
      3. 使用安装在脚踝和腰部的传感器收集平衡测量数据35,36。主要平衡指标包括睁眼和闭眼状态下前后方向与内外侧方向的重心摆动变化。
    2. 通过让受试者完成10米行走来评估步态。训练员可观察生物传感器数据，但受试者不可见。
      1. 收集单任务（正常10米行走）、双任务（执行认知任务的同时进行10米行走，例如从指定数字开始倒数1）和快走（快速10米行走）条件下的步态测量数据。
      2. 通过脚踝和大腿处的传感器评估主要步态指标，包括步速和步态变异性37,38。
    3. 在基线期及随访会话中，向受试者提供一件内置监测器的衣物39,40，穿戴48小时以采集日常身体活动数据。
      注：上述练习可改善外周神经病变患者的平衡能力24,41。
  3. 在第1-12次会话中，进行踝关节伸展任务（图1）。
    1. 先向受试者说明练习内容，然后让其执行踝关节伸展任务。该任务要求受试者在计算机屏幕前站立时，进行前/后/侧/对角方向的倾斜及部分体重转移。
      注：小腿传感器提供的数据可实时可视化显示二维踝关节轨迹。踝关节的旋转被转换为计算机屏幕上的线性光标（图1）。屏幕上显示两个圆圈，一个为起始圆圈，另一个为目标圆圈（在屏幕上彼此分离，一个位于底部，一个位于顶部）。
    2. 让受试者将光标（屏幕上代表受试者的点）从起始圆圈中心移动至目标圆圈中心。光标在屏幕上的位置由生物传感器决定，因此通过移动踝关节即可控制光标在屏幕上的移动。
      1. 让受试者在双脚固定不动的情况下，通过踝关节旋转将光标从起始圆圈导航至目标圆圈。为使光标前后移动，要求受试者通过髋部在前后方向的运动产生踝背屈或跖屈；髋部在内外侧方向的移动则控制光标横向移动。反向完成一次任务重复即构成一个周期。
    3. 要求受试者快速（<1秒）且准确地（光标位于圆圈中心）在两个圆圈之间移动。通过视觉提示（目标圆圈爆炸）和听觉提示（爆炸声）反馈确认动作正确执行。利用这些提示激励受试者积极参与练习，并感知练习过程中的进步。
    4. 在每次试验结束后，通过视听反馈向受试者传递因未能及时准确地导航并停在目标圆圈中心而产生的运动误差。绿色圆圈视觉提示配合无声表示动作正确但速度过慢；蓝色圆圈视觉提示配合无声表示动作正确但速度超过程序预期。
    5. 每次会话进行9个区块，每个区块包含20次踝关节伸展周期。
      1. 第1、4、7区块在前后方向进行。
      2. 第2、5、8区块在前后与内外侧方向结合，实现对角方向运动。
      3. 第3、6、9区块加入视觉-运动旋转任务42，以增加运动与认知挑战。在此任务中，将光标轨迹旋转20o。受试者在练习中观察到轨迹变化，并调整踝关节协调以将光标导向目标圆圈。视觉-运动旋转有助于改善姿势适应与姿势校准37。
      4. 在各区块之间让受试者休息以避免疲劳（30至60秒）。
    6. 在第9-12次会话中，实施更难的踝关节伸展练习——运动-认知联合踝关节伸展练习。
      1. 在这些练习中，屏幕上显示5个圆圈，并标记数字或字母，另设一个标有"home"的起始圆圈。发出指令，要求受试者按特定顺序将光标从一个圆圈移动到另一个圆圈。例如，要求受试者将光标从1号圆圈移动至"home"，再至2号圆圈，再至"home"，再至3号圆圈，依此类推，或采用其他变体顺序，要求受试者记忆移动顺序。
        注：该任务旨在增强体重转移过程中踝、膝、髋关节之间的协调性24,41。
  4. 在第2-12次会话中，进行难度逐步增加的越障任务。
    1. 在第2-7次会话中，使用高度为受试者身高的5%和10%的障碍物；在第9-12次会话中，增加使用高度为受试者身高的15%和20%的障碍物。
    2. 让受试者面向计算机屏幕，屏幕上显示代表其自身的虚拟形象，呈现髋部和下肢。要求受试者在执行任务时注视屏幕。
    3. 在说明后，让受试者执行越障任务（图2）。在此任务中，受试者需跨越在屏幕上从右向左移动的虚拟障碍物（如石块）。系统通过代表受试者髋部和膝部运动的线形虚拟形象提供实时反馈。该虚拟形象可复现下肢动作，包括将指定腿抬至适当高度以越过障碍物。
    4. 每次会话包含两到四个系列的越障动作，每个系列重复十次。为增加认知挑战，程序要求受试者交替使用左腿或右腿跨越障碍物。若抬腿顺序出错，系统将通过视听反馈提示受试者。只有当受试者成功跨越或触碰前一个障碍物并返回双脚并拢站立至少2秒后（出于安全考虑），才会出现下一个障碍物。
    5. 在每次越障试验结束后，向受试者提供音频反馈，提示其是否成功跨越障碍物。必要时，受试者可扶握稳固的桌子以保持平衡。但在建立信心后，应鼓励其在无支撑情况下完成练习。
      注：虚拟越障任务旨在增强对下肢位置的感知能力，缩短反应时间，并改善单腿平衡。

4. 培训师测量并记录所有干预措施

  1. 干预后收集人口统计学数据，以及评估跌倒恐惧（FES-I：简式跌倒效能量表-国际版）30、生活质量（简式健康调查SF-1231）、跌倒史、使用视觉模拟量表进行疼痛评估、日常生活活动能力（Barthel日常生活能力指数32）和CES-D问卷评估抑郁情况27。

5. 为受试者的时间给予报酬

6. 对所有受试者及其对任务的测量反应进行统计分析

  1. 采用配对样本 t 检验和单因素方差分析（one-way ANOVA）比较患者在基线和随访时的自身测量值，以及随访时各组内的比较即 抑郁/非抑郁，前衰弱 与 非衰弱 等等。结果以均值±标准误（SEM）表示。
  2. 采用单变量线性回归分析，探讨训练干预后抑郁状态和衰弱状态等假设因素与步速变化值（delta）及基线步速之间的关系。结果需报告具有统计学意义的 p 值。 <0.05，以及决定系数 R2，用于模型拟合。

结果

10名患有HIV的成年老年人（年龄：57.2 ± 9.2岁，BMI：27.0 ± 2.8）接受了为期6周（每周两次）的训练，均成功完成了所有训练课程，其结果已被分析。

在闭眼半并足平衡站立测试中，受试者的质心（CoM）摆动显著减少（78.2%，p = .045），这是该人群亚组中较为困难的姿势之一（图3）。在双任务运动-认知评估中，受试者的行走速度显著提高（9.3%，p = .048），步态速度增加超过0.1 m/sec，且达到统计学显著性（图4）。疼痛问卷结果也显示报告的疼痛程度显著降低（43.5%，p = .041），这是生活质量评估的重要指标（图5）。

在基线时通过 CES-D 问卷评估显示存在抑郁症状（>16 分）的受试者，在单任务行走期间表现出步速较慢的趋势（<1.3 m/sec，R2 = 0.2911）。该基线步速较慢的群体在干预前后步速变化量（delta gait speed）方面显示出更显著改善的趋势（R2 = 0.3906）。另一项趋势分析显示步速变化与衰弱状态相关。非衰弱患者在随访时相较于基线，在启动阶段和稳定状态阶段的步速平均分别下降了 -0.08 m/sec（p = 0.125）；而基线时因抑郁被归类为前衰弱（pre-frail）的患者，在干预后相较于基线，其在启动阶段和稳定状态阶段的步速平均分别提高了 0.09 和 0.082 m/sec（p = 0.143）。

使用运动传感器和助行器进行步态分析实验；实验室环境中的一位老年参与者。
图1：受试者在助行器辅助下执行运动-认知踝部伸展任务。 受试者正在观看屏幕上显示的自身虚拟形象（虚拟人像）。其动作是对前方屏幕提供的听觉和视觉反馈做出的反应，这些反馈由脚踝、大腿和腰部佩戴的生物传感器采集并传输。该个体已签署书面同意书，允许对其拍照。

平衡测试装置；使用助行器的人佩戴运动传感器，计算机分析稳定性数据。
图2：受试者在助行器辅助下执行跨越障碍任务。 受试者仅能在屏幕上看到自己的下肢，并交替移动双腿以避免触碰屏幕上显示的虚拟障碍物。该个体已签署书面同意书，允许对其拍照。

干预前后重心摆动图；平衡分析，生物力学研究。
图3：干预前后单腿站立姿势下重心摆动的改善情况 受试者表现出活动减少 即，摇摆减少，表明平衡能力改善。误差线代表标准误（SEM）。

步速柱状图；干预前与干预后；活动能力分析；性能比较。
图4：干预前后步速的改善情况。 步速的测量单位为 m/sec。较高的速度表明更好的身体功能表现。误差线表示标准误（SEM）。

疼痛评估表；干预前与干预后疼痛评分对比图
图5：干预前后疼痛评估的改善情况 这是获得的 来自自报问卷，记录每日疼痛程度降低（按0-10分制评分）。误差线代表标准误（SEM）。

阶段执行的活动时间
基线平衡与步态训练总时长 20 分钟；每项训练（6 项）和平衡姿势（6 个）持续 2–3 分钟
第 1 次平衡与踝部伸展训练总时长 25 分钟；平衡姿势（4 个）持续 2–3 分钟，踝部伸展任务完成 3 组，每组 3 次，每组持续 5 分钟
第 2–7 次平衡、踝部伸展及跨越障碍训练，障碍高度为受试者身高的 5% 和 10%总时长 35 分钟；跨越障碍训练中，每种高度持续 5 分钟
中期重复基线训练总时长 20 分钟；每项训练（6 项）和平衡姿势（6 个）持续 2–3 分钟
第 9–12 次与第 2–7 次相同，并增加运动-认知结合的踝部伸展及跨越障碍训练，障碍高度为受试者身高的 15% 和 20%总时长 45 分钟；新增的两个高度各增加 10 分钟
随访重复基线训练总时长 20 分钟；每项训练（6 项）和平衡姿势（6 个）持续 2–3 分钟

表1： 培训课程与练习内容。

讨论

我们发现，在身体虚弱的艾滋病患者中，根据CES-D量表测量，100%的患者存在抑郁症状；其中30%为轻度抑郁，70%符合重度抑郁障碍诊断标准。7 需要强调的是，在非衰弱的HIV患者群体中，抑郁也十分常见，有38%的患者存在抑郁情况。尽管所有抑郁患者均接受了心理咨询和抗抑郁药物治疗，但其抑郁状态仍持续存在，从而导致患者处于前衰弱状态（即符合Fried衰弱标准5项指标中的1项或2项）。28 或衰弱状态，满足3项或以上标准）。由于抑郁症在HIV患者中极为普遍，我们正尝试通过诸如本文所述的新型干预手段来改善情绪障碍和衰弱状况。我们采用需要认知控制的锻炼方式，涉及平衡与步态训练，这些功能在HIV感染者中，尤其是在前衰弱和衰弱状态下，常常受损。本文所述的体感游戏在身体负荷方面影响极低，因此对衰弱患者而言风险很小。所有锻炼和训练环节必须按顺序完成，因为其难度逐步增加，特别是在认知输入方面。例如，在后期训练中，记忆通过踝关节运动控制光标移动的顺序，对成功完成任务至关重要。每个任务必须完整执行，以确保数据记录的准确性，从而在受试者之间进行有意义的比较。

虚拟现实游戏（如任天堂Wii体感游戏）可改善老年人的身体功能、认知能力及心理社会健康状况。43 一项针对20名60至95岁个体的研究包含了抑郁筛查，结果显示，在研究开始和结束时测量的老年抑郁量表评分之间无显著差异。该干预持续6周，每周进行3天，每次35至45分钟，包含3种平衡类游戏。44 尽管该研究中的锻炼方案时长与本研究相似，但商业游戏所需的运动强度高于本研究中的锻炼内容。此外，本研究中的锻炼方案针对每个个体进行个性化校准，而商业体感游戏面向普通人群设计，因此不具备本研究所报告锻炼方案所具有的精确性和准确性。

单独进行锻炼已被证明可预防抑郁症的发生。45 锻炼能够改善抑郁症状，但其效果并不持久。46 本文报道的针对 HIV 患者的干预措施采用虚拟现实锻炼，并根据每位患者的具体情况校准。患者可通过认知控制来选择如何改变其虚拟形象的表现形式，包括动作速度、方向和幅度等认知输入内容均由受试者自主掌控。尽管该方法在形式上与商业化的体感游戏相似，但在关键方面存在重要差异。例如，商业游戏通常为大量使用者提供标准化设计，而本研究的方案则通过在身体多个部位使用生物传感器，为每位患者提供个体化的测量，从而实现精确且准确的监测。初步数据显示，此类技术干预在改善 HIV 感染者抑郁状态和衰弱状况方面具有潜力。初步结果表明，该基于可穿戴传感器和虚拟现实的新型平衡训练项目在改善 HIV 人群的平衡能力和步态方面前景良好。步态是评估衰弱状态的指标之一28，而平衡能力则影响步态特征。在本干预周期内，重心（CoM）摆动的显著减少以及步速的提高显示出良好的改善趋势，表明该干预手段具有缓解衰弱相关症状的潜力。

通过持续参与，我们希望看到艾滋病患者在心理社会参数（例如疼痛、抑郁）以及客观指标（例如衰弱状态、步速、重心摆动幅度、等）方面的整体生活质量持续改善。我们认为，随着平衡能力和步态的改善，可能同时伴随跌倒风险和跌倒恐惧的降低。此外，通过引入该干预措施减轻疼痛，并鼓励进行体力活动和具有认知挑战性的锻炼，我们期望能够改善日常身体活动和社会参与，并减轻抑郁状态。本研究为初步探索，但结果表明该干预措施可能在改善某些衰弱相关方面有效，且受试者接受度良好。干预持续时间较短，需在后续时间点进行随访，以评估其真正的价值和益处。受试者参与本研究的一个主要障碍是所需投入的时间较多。许多有意参与者往往无法满足完成锻炼所需的时间投入（每周两次，持续6周），且不少人难以承担交通费用。我们计划进一步优化锻炼方案，或许减少每次干预所需的时间。

本研究为这种新型可穿戴传感器结合虚拟现实的平衡训练锻炼项目在临床或家庭环境中的应用提供了有前景的初步结果，可用于改善姿势平衡和步态。本研究还探讨了从中获益最多或在这些客观指标上改善最显著的人群趋势，即抑郁或前衰弱个体。该干预可能通过降低跌倒恐惧和跌倒风险，并促进和增加整体身体活动，从而提高他们的整体生活质量。

披露

作者在本研究中无任何竞争性财务利益或利益冲突。

致谢

本研究的经费由传染病科的内部资金提供。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
扶手可选；适用于体质非常虚弱的患者
2 个传感器：LegSys 和 Pamsys Biosensics, Cambridge, MA
计算机屏幕放置于受试者前方
运动方案程序用于在屏幕上显示对象和虚拟形象
较大的临床检查室需能容纳受试者和训练员的活动空间
1 名老年 HIV 感染受试者
1 名训练员

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