První zkušenosti s virtuální realitou v terapii míšních lézí

Souhrn

Cílem této pilotní studie bylo zjistit možnost využití virtuální reality jako podpůrné léčebné metody v terapii nekompletních míšních lézí. Výzkumu se zúčastnilo 10 probandů (7 mužů a 3 ženy) ve věku 41 až 74 let (průměrný věk 58±10 let) z řad klientů Rehabilitačního ústavu (RÚ) Kladruby s inkompletní míšní lézí různé etiologie vzniku. Probandi byli náhodně rozděleni do dvou skupin vždy po 5 lidech, jedné výzkumné a druhé kontrolní. Pacientům ve výzkumné skupině bylo mimo běžného terapeutického plánu ústavu denně aplikováno terapeutické video pomocí helmy na virtuální realitu v celkovém počtu 30 aplikací, pacienti v kontrolní skupině podstupovali pouze pro RÚ Kladruby standardní metody v běžném rehabilitačním plánu. K objektivizaci klinického stavu probandů před a po terapii bylo použito standardizované vyšetření protokolem ASIA (American Spinal Injury Association) impairment scale (AIS). Výsledné relativní zlepšení stavu za jeden měsíc pobytu bylo u výzkumné skupiny 43,93 % se směrodatnou odchylkou 34,71 % a variačním koeficientem 0,79, což je oproti výsledkům kontrolní skupiny (relativní zlepšení 13,47 % se směrodatnou odchylkou 5,00 % a variačním koeficientem 0,37) výsledek více než třikrát lepší, ovšem výrazně méně homogenní.

KLÍČOVÁ SLOVA:
virtuální realita, zrcadlové neurony, nekompletní míšní léze

ÚVOD

Díky neuvěřitelnému technologickému rozmachu posledních let především v oblasti výpočetní technologie jsme v současné době schopni vygenerovat relativně velmi přesvědčivým způsobem prostředí virtuální reality. Pomocí více či méně vyspělých přístrojů dokážeme již nyní „ošálit“ snad mimo chuti všechny lidské smysly a navodit tak dojem zcela jiné reality než té, ve které se právě nacházíme. Tohoto faktu lze využít i jinak než je nyní běžnou praxí například v zábavním průmyslu. V medicínských oborech se v současnosti používá virtuální realita ve své dosti primitivní podobě (například zrcadlová terapie fantomových bolestí u amputovaných končetin, nácvik přecházení silnice u neglect syndromu, nácvik pohybů jemné motoriky v ergoterapii po CMP a podobně) a její plný potenciál tedy teprve čeká na své využití (13, 19, 20). Spojíme-li dostupnou technologii s již několik desítek let známou teorií zrcadlových neuronů v CNS člověka, můžeme se vcelku úspěšně pomocí virtuálního prostředí snažit ovlivňovat také neurofyziologické pochody v motorickém učení pacientů po míšní lézi.

TERAPIE MÍŠNÍCH LÉZÍ

Mechanismus vzniku a incidence

Za nejčastější příčinu míšních lézí považujeme traumatické poranění páteře se sekundárním následkem míšní léze. Podle četnosti výskytu lézí můžeme za nejvíce náchylný úsek páteře považovat páteř krční, která bývá poraněna až ve 42 % případů, dále páteř hrudní s incidencí až 30 % a v poslední řadě páteř bederní, na kterou připadá asi 28 % případů (18).

Jako jednoznačně nejčastější příčina traumat v hrudní a bederní páteři se popisuje mechanismus pádu z výšky s incidencí až 70 %, dále poranění při autonehodě (k těm dochází v asi 20 % případů) a na okraji stojí úrazy sportovní, úrazy v domácnosti, působení přímých sil (střelná a bodná zranění, přímé údery těžkým předmětem na páteř zezadu a další) a v neposlední řadě se setkáváme s příčinami poškození míchy jako jsou vrozené vývojové vady a degenerativní onemocnění nervových i okolních struktur, zánětlivá onemocnění, míšní ischemie a hemoragie, primární či sekundární nádorová onemocnění, autoimunitní onemocnění a další. Ve vyspělých zemích se četnost udává zhruba 20 případů na 1 milion obyvatel (podle některých studií 13-33 případů na 1 milion obyvatel), přičemž muži jednoznačně převažují vůči ženám v poměru 4-5:1 (5, 18, 21).

Dělení

Míšní léze můžeme podle konkrétních kritérií rozdělit do několika základních kategorií. Podle výše poraněného segmentu míchy hovoříme buď o pentaplegii/-paréze (C₄ a vyšší), o quadruplegii/-paréze (C₅-Th₁), nebo o paraplegii/-paréze (Th₂ a nižší). Při míšní lézi dochází u pacientů k narušení motorických, senzitivních nebo autonomních funkcí. Podle míry poškození míchy pak rozlišujeme mezi lézí kompletní (pod úrovní léze není zachována funkce senzitivní ani motorická), nebo nekompletní (pod úrovní léze je některá funkce zachována) (1). Velmi důležitým kritériem v posouzení stavu pacienta je také čas uplynulý od vzniku míšní léze. Hovoříme potom o následujících fázích onemocnění: fáze akutní (0.-2. týden), fáze subakutní (2.-12. týden), fáze chronická (12.-26. týden) a fáze pozdní (12. týden a později) (15, 24).

Terapeutické postupy a metody

Konkrétní terapeutické metody a postupy volíme na základě pečlivého vyšetření klinického stavu pacienta a podle fáze onemocnění. Vhodnost našeho výběru je dobré v průběhu terapie ověřovat a případně upravovat pomocí dílčích vyšetření. Za metody standardně využívané v běžné rehabilitační praxi můžeme považovat například polohování na lůžku, provádění pasivních pohybů končetin, cvičení na MotoMedu, techniky z konceptu respirační fyzioterapie, míčkování, aplikace Vojtovy metody, koncept BPP (Bazální programy a podprogramy), Bobath koncept, PNF (Proprioceptivní neuromuskulární facilitace), aktivní pohyby (s pomůckami či bez), vertikalizace, užití mobilizačních a měkkých technik, prvky z fyzikální terapie (především aplikace tepla a elektroléčba), cvičení v Lokomatu, senzomotorická stimulace, S.E.T. koncept (Sling Exercise Therapy s využitím závěsného zařízení TherapyMaster), Feldenkraisova metoda, nácvik chůze v ortézách (v závislosti na výši léze a na motorických schopnostech pacientových dolních končetin), synergická reflexní terapie, Spiraldynamik, z dalších druhů fyzikální terapie, například hydrokineziterapie, IMF terapie (Intention controlled myofeedback), FES (Funkční elektrická stimulace), skupinová cvičení, sportovní činnost a v neposlední řadě techniky ergoterapeutické či psychosociální rehabilitace (8).

Zrcadlové neurony v CNS člověka

Neurony, které nazýváme zrcadlovými, jsou zvláštní třída nervových buněk v naší centrální nervové soustavě (CNS), které vykazují aktivitu nejen během provádění konkrétního pohybu, ale také v průběhu sledování jak tento pohyb provádí někdo jiný. Původně byly zrcadlové neurony objeveny u opic (3), pozdější výzkumy pak potvrdily hojné zapojení neuronové sítě při pozorování pohybu také u člověka (12).

Primární účel zrcadlových neuronů není jasně znám, avšak předpokládá se, že mají svůj podíl nejen na napodobování pohybů, ale také na anticipaci pohybů a chování druhého jedince, učení se novým dovednostem, empatickém cítění, zpracování řeči, porozumění záměru exekutora pohybu a podobně (23).

Pro objektivizaci zapojení zrcadlových neuronů se v dnešní době používá široké množství moderních zobrazovacích metod. Různé studie využívaly ke studiu CNS například elektroencephalografie (EEG), magnetoencephalografie (MEG), transkraniální magnetické stimulace (TMS), pozitronové emisní tomografie (PET), magnetické rezonance (MRI), funkční magnetické rezonance (fMRI), LORETA a sLORETA a dalších. Pomocí těchto metod bylo zjištěno, že lidské tělo při pozorování pohybu aktivuje nejen samotný zrcadlový neuronový systém, ale dojde také k zapojení vlastního motorického, somatosenzorického a nociceptivního systému, a tyto další oblasti pak můžeme dohromady nazvat „rozšířeným“ zrcadlovým neuronovým systémem (9).

Díky výzkumům, při kterých bylo využito transkraniální magnetické stimulace (TMS) ke stimulaci CNS a následného snímání motorických evokovaných potenciálů (MEP) na horní končetině, kdy tyto byly dále porovnávány s MEP vznikajících při sledování činnosti, můžeme jednoznačně říci, že při pozorování motorické aktivity dochází k nárůstu aktivity ve svalech k této činnosti potřebných (14).

Krátce po objevu zrcadlových neuronů prokázaly další studie zabývající se touto problematikou pozitivní výsledky při měření aktivity motorické kůry člověka pomocí EEG či EMG zobrazovacích metod také při naprosto klidném pozorování exekuce pohybu. Můžeme tedy tvrdit, že k aktivaci zrcadlových neuronů dochází i při naprosté absenci vlastních pohybů (7).

Virtuální realita a její využití ve fyzioterapii

Pod pojmem virtuální realita se v současnosti rozumí počítačově generovaný nereálný prostor (prostředí), který je člověku nabízen prostřednictvím senzorických orgánů. Systém pro vytvoření virtuální reality se zpravidla skládá ze samotného počítače, který ono prostředí vytváří, výstupního zařízení, které zprostředkovává člověku senzorické informace, a případně vstupního zařízení, které zaznamenává ovládací povely a umožňuje tak člověku toto prostředí měnit. Kvalita především výstupních informací systému v největší míře určuje stupeň přesvědčivosti vygenerovaného prostředí, a tím i jeho vlivu na člověka (6, 17). Podle šíře možností, kterými jsme schopni virtuální realitu ovládat, rozlišujeme její tři základní stupně. Za nejjednodušší považujeme realitu pasivní, ve které není člověk schopen se volně pohybovat ani ji jakkoli měnit a můžeme ji tedy přirovnat k trojrozměrnému filmu. Vyspělejším stupněm nereálného prostředí je VR aktivní, ve které se již člověk může pomocí vstupního zařízení určitým způsobem pohybovat, avšak ne ji měnit. Nejdokonalejší variantou je pak VR interaktivní, ve které vedle možnosti volného pohybu přibývá také možnost toto prostředí měnit, manipulovat s ním, interagovat s ním (11, 2, 25). Pro účely této studie bylo použito prostředí pasivní bez jakéhokoliv ovládacího vstupního zařízení.

Podíváme-li se, v jakých případech již bylo v minulosti využito VR v oboru fyzioterapie, můžeme nalézt relativně velké množství studií. Většinou se však jedná o pilotní studie s malým množstvím probandů. Výjimkou je využití VR v terapii pacientů po CMP, kde se této techniky již několik let relativně běžně využívá (4, 10, 13). Dále se VR využívá například k ovlivnění fantomových bolestí (19), zlepšení stability (22), či například k vyšetření i terapii pacientů trpících neglect syndromem (20). Dále se můžeme setkat také s využitím virtuálního prostředí pro nácvik určitých činností či lékařských zákroků (16).

METODOLOGIE

Výzkumný soubor

Výzkumu se zúčastnilo 10 probandů (7 mužů a 3 ženy) mezi 41-74 lety (průměrný věk 58±10 let) z řad klientů Rehabilitačního ústavu Kladruby. Probandi byli náhodně rozděleni do dvou skupin po 5, jedné výzkumné a druhé kontrolní. S cílem i průběhem výzkumu byli informováni prostřednictvím rozhovoru s hlavním řešitelem výzkumu a informovaného souhlasu, který byl schválen etickou komisí Fakulty tělesné výchovy a sportu Univerzity Karlovy a etickou komisí Rehabilitačního ústavu Kladruby. Probandi v obou skupinách absolvovali standardní rehabilitační program dle terapeutického plánu ústavu, probandům ve výzkumné skupině bylo k tomu navíc denně promítáno terapeutické video pomocí zařízení pro virtuální realitu v celkovém počtu 30 zhlédnutí.

Zařízení pro virtuální realitu

Jak již bylo výše uvedeno, pro účely této práce bylo využito virtuální reality pasivní. Proto i zařízení pro její generování nemuselo zdaleka splňovat tolik technických požadavků. Například je v tomto případě zcela postradatelné jakékoliv vstupní zařízení, které by umožňovalo sledujícímu virtuální prostředí měnit nebo se v něm pohybovat. Celý přístroj (obr. 1) pro VR v této studii se tedy skládal pouze z Head mounted display (HMD) a sluchátek. HMD pak bylo složeno z mobilního telefonu vkládatelného do jednoduchých brýlí s odjímatelnou přední částí.

Nejdůležitější částí tohoto zařízení pro VR je pochopitelně právě mobilní telefon, na jehož grafických vlastnostech z velké části záleží celkový dojem reality. V této studii byl využit telefon Xiaomi Redmi Note 2 16GB (obr. 2) s rozlišením displeje 1920x1080 o úhlopříčce 5,5 palců a osmijádrovým 64bitovým procesorem. Samotné video bylo v mobilním telefonu přehráváno pomocí aplikace VR Video Player od firmy After Breakdown Games, která jej převáděla ze standardního 2D záznamu do zobrazení ve virtuální realitě. Mobilní telefon byl vsunut do přední odjímatelné části brýlí pro virtuální realitu ColorCross VR Box (obr. 3) a byla k němu připojena sluchátka Koss UR/20 (obr. 4) pro kvalitní audio výstup.

Terapeutické video

Terapeutické video použité pro účely tohoto výzkumu je asi dvě minuty a padesát sekund dlouhé a bylo natočeno přímo v prostorách kladrubského ústavu. Video bylo natáčeno z pohledu první osoby (Point Of View – POV) kamerou Go Pro čtvrté generace umístěnou na hlavě kameramana a nastavenou pohledem mírně dolů tak, aby byly neustále v záběru všechny čtyři končetiny aktéra snímku.

Terapeutické video můžeme rozdělit do tří hlavních částí. Jelikož bylo video určeno k přehrávání probandům vsedě na vozíku, také děj videa začíná a končí sedem na něm, aby bylo dosaženo co možná nejvyšší realističnosti. Na začátku se hlavní aktér videa ocitá v jedné z kladrubských cvičeben sedíc na vozíku, krátce se rozhlédne po místnosti, provede základní pohyby horními a následně dolními končetinami, pomalu vstává z vozíku a odchází otevřenými dveřmi na chodbu ústavu. Po přiznaném střihu se hlavní postava ocitá před probandům dobře známým vchodem do budovy a vydává se na krátkou procházku po areálu RÚ Kladruby. Při pohybu v exteriéru hlavní postava sice především chodí a běhá, ovšem tyto činnosti jsou protkány momenty jako sednutí na lavičku, odhrnutí větviček stromu, zakopnutí a následné vstávání, zdolání nízké zídky, zdolání několika desítek schodů a podobně. Ve třetí a poslední části videa se proband po opět přiznaném střihu ocitá znovu na chodbě před cvičebnou, ze které na začátku vyšel a vrací se zpět do sedu na invalidním vozíku, kde také video končí.

Při natáčení videa byl kladen důraz na co možná největší realističnost výsledného produktu, proto byla například zvuková stopa nahrávána zvlášť a později synchronizována, byly zachovány zvuky v pozadí (video bylo natáčeno za standardního provozu zařízení), pohyby kamery při rozhlížení byly poměrně rychlé, podobně jako při pohybech hlavou a tak dále. V průběhu celého videa je hlavní aktér bosý.

Hodnotící nástroj

K hodnocení klinického stavu probandů ve smyslu úrovně a rozsahu míšní léze bylo využito standardizovaného měření ASIA Impairment Scale (AIS), které je běžnou součástí komplexního vstupního i výstupního vyšetření klinického stavu lékařem při započetí, respektive ukončení pobytu klienta v Rehabilitačním ústavu Kladruby. AIS stanovuje úroveň a míru senzitivního deficitu pomocí osmadvaceti párů takzvaných klíčových bodů na těle člověka (každý pár náleží jednomu míšnímu segmentu pro pravou, respektive levou stranu). V těchto klíčových bodech jsou vyšetřovány všechny druhy čití rozdělené do dvou modalit (první – lehký dotyk a diskriminační čití; druhá – tlak, teplo a chlad, polohocit a pohybocit) s kvantitativním ohodnocením 0-žádné čití, 1-změněné čití, nebo 2-normální čití. Úroveň a rozsah motorického deficitu stanovuje AIS opět pomocí tentokrát takzvaných klíčových svalů, a to pěti párů pro horní končetiny (odpovídajících segmentům C₅-Th₁) a pěti párů pro dolní končetiny (odpovídajících segmentům L₂-S₁). Kvantitativně je pak síla těchto svalů stanovována podobně jako v Jandově svalovém testu v konkrétních jasně definovaných polohách, kdy je jednotlivým svalům přiřazen konkrétní stupeň na škále 0 až 5, kde 5 je normální sval a 0 úplně denervovaný. Pro každou končetinu je tedy možnost získat 5krát 5 bodů, čili dohromady 50 pro horní končetiny a 50 pro dolní končetiny. Podle míry a úrovně neurologického deficitu pak AIS rozděluje pacienty trpící míšním poraněním do 5 skupin A-E, kdy A je léze kompletní, B-D léze nekompletní a E zdravý člověk.

Jelikož se terapeutické video soustředilo především na facilitaci lokomoční funkce probanda, byl pro potřeby výzkumu stanoven jako hodnotící parametr součet bodů síly svalů dolních končetin (s celkovým maximem 50 bodů). Hodnocení klinického stavu probandů pomocí AIS bylo, jak již bylo výše řečeno, prováděno v rámci běžného vstupního a výstupního vyšetření lékaři kladrubského ústavu, kteří nevěděli o příslušnosti jednotlivých probandů v konkrétní skupině.

Analýza dat

Z celého standardizovaného formuláře pro zaznamenání ASIA impairment scale byla jako sledovaná proměnná stanovena pouze hodnota součtu bodů svalové síly pěti párů klíčových svalů dolních končetin s maximem 50 bodů. Byla porovnána změna síly těchto svalů při vstupním a výstupním vyšetření a stanovena celková relativní změna vůči stavu počátečnímu. Tato hodnota pak byla podělena délkou pobytu (čili celkovou délkou terapie) v měsících (jeden měsíc je dlouhý 30 dnů). Tím byla získána hodnota relativní změny stavu síly dolních končetin za jeden měsíc pobytu. Byla stanovena průměrná relativní změna stavu svalové síly za jeden měsíc pobytu pro každou skupinu probandů, jejich směrodatné odchylky a jejich variační koeficienty.

VÝSLEDKY

V první tabulce (tab. 1) jsou zanesena naměřená data probandů z kontrolní skupiny a v tabulce druhé (tab. 2) probandů ze skupiny výzkumné. Každý z probandů byl označen písmenem (podle příslušnosti do konkrétní skupiny, kdy K je kontrolní a V je výzkumná) a číslicí. Celkové hodnoty svalové síly DKK nalézáme ve sloupcích A (vstupní) a B (výstupní) a jejich porovnání můžeme mimo sloupce Zr přehledně vidět v grafu 1 (pro kontrolní skupinu) a grafu 2 (pro výzkumnou skupinu). Z celkové délky terapie ve dnech (sloupec T1) byl stanoven počet měsíců (T2), kdy 1 měsíc je roven 30 dnům), a tím podělena relativní změna stavu Zr. Ve sloupcích Zr/T2 tedy nalézáme hodnoty relativního zlepšení stavu na jeden měsíc terapie probanda. Aritmetický průměr těchto hodnot probandů v kontrolní skupině vyšel na 13,47 %, přičemž směrodatná odchylka je rovna 5,00 % a variační koeficient je tedy 0,37. Pro výzkumnou skupinu pak aritmetický průměr hodnot ve sloupci Zr/T2 vychází 43,93 %, směrodatná odchylka 34,71 a variační koeficient je tedy 0,79. Probandi neudávali žádné subjektivně nepříjemné pocity ani stavy v průběhu terapie či po ní, ovšem zpravidla po desáté aplikaci a později udávali mírnou znuděnost ze stále stejného děje videa.

DISKUSE

Výsledky relativního zlepšení za jeden měsíc terapie probanda vychází pro výzkumnou skupinu více než trojnásobně lépe oproti skupině kontrolní. Výrazný rozdíl ve variačních koeficientech těchto dvou skupin však naznačuje, že ve skupině kontrolní došlo u všech probandů k vzájemně výrazně podobnějšímu zlepšení (více než dvojnásobně) než u probandů ze skupiny výzkumné. Z těchto informací můžeme usuzovat, že účinnost terapeutického videa promítaného ve virtuální realitě je značná, ovšem značně nehomogenní.

Nehomogennost výsledků výzkumné skupiny může naznačovat, že se na efektu terapie, a tím i na celkovém relativním zlepšení, značně podílí také nějaký další faktor. Lze předpokládat, že například každodenní důsledné soustředění při sledování neobměňovaného terapeutického videa bude významným činitelem v celkovém efektu terapie. Facilitační účinky terapeutického videa může do značné míry ovlivňovat také celková motivace probandů k terapii, realističnost a technické zpracování videa (s přihlédnutím k různé kvalitě zraku probandů a podobně), dále psychické nastavení probandů a mnoho dalších faktorů. Jelikož byli probandi vybírání náhodně a všechny proměnné typu věk, časový úsek od vzniku míšní léze, výše míšní léze, klasifikace dle AIS a podobně byly v celé množině probandů zastoupeny velmi rovnoměrně, nemůžeme jim přisuzovat jednoznačnou souvislost s celkovým efektem terapie.

Při statistické analýze dat použité v této studii bylo počítáno s relativním zlepšením stavu vůči stavu výchozímu a ne s absolutní hodnotou zlepšení. Tato kalkulace ve výsledku znamená, že probandi, kteří začínali terapii na nižší absolutní hodnotě součtu svalové síly DKK než probandi se startovní hodnotou vyšší, se relativně zlepšili více při stejném absolutním nárůstu síly. Tento fakt by mohl celkové výsledky zkreslit, ovšem pouze za předpokladu, že je každý bod svalové síly stejně klinicky důležitý. Podle mého názoru je klinicky výrazně důležitější změna svalové síly z 0 na 1 bod (čili alespoň částečné zapojení na začátku úplně denervovaného svalu) než ze 4 na 5 bodů (čili „pouze“ posílení již na začátku funkčního svalu). Absolutní hodnota nárůstu svalové síly však zůstává stejná, tedy 1. Myslím si, že nelze všem bodům této škály přisuzovat stejnou klinickou váhu a z toho důvodu jsem k výpočtu změny stavu v analýze dat nepoužíval pouze absolutní hodnotu změny stavu, avšak její relativní hodnotu ve vztahu ke stavu původnímu.

ZÁVĚR

Z výsledků námi předložené studie vyplývá, že terapeutické video promítané v podobě virtuální reality, které má za cíl působit na zrcadlové neurony v CNS člověka, a tím facilitovat regenerační a reinervační procesy v těle pacienta po míšní lézi, má v kombinaci s konvenční terapií až třikrát lepší vliv na výslednou změnu klinického stavu pacienta než u samotné konvenční terapie. Sledovaný soubor probandů je však značně malý (pouze 5 klientů v každé skupině), a proto nemůžeme výsledky považovat za stoprocentně směrodatné. A tak nejen z důvodu značné nehomogennosti výsledků by bylo vhodné výzkum rozšířit o více probandů i sledovaných proměnných a pokusit se tak určit případné další závislosti výsledků terapie na jiných faktorech. Také lepší technické vybavení by mohlo terapeutické virtuální prostředí učinit více realistickým, a tím znásobit výsledný účinek. Berme proto tento výzkum jako slibné vykročení v léčbě nekompletních míšních lézí novým směrem, který nám nabízejí moderní technologie. Po ověření výsledků a případném rozšíření výzkumu by se však mohlo zdát, že terapie virtuální realitou by mohla být vhodným doplňkem standardního terapeutického plánu rehabilitačních ústavů.

Tato studie vznikla v rámci Programu rozvoje vědních oblastí na Univerzitě Karlově č. P 38 Biologické aspekty zkoumání lidského pohybu

Adresa ke korespondenci:

MUDr. David Pánek, Ph.D.

Katedra fyzioterapie FTVS UK

J. Martího 31

162 52 Praha 6

e-mail: panek@ftvs.cuni.cz