Virtual Reality Distraction Induces Hypoalgesia in Patients with Chronic Nonspecific Low Back Pain
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摘要:
目的 探讨一种沉浸式虚拟现实游戏是否减少慢性非特异性腰背痛并帮助患者恢复健康。 方法 在这项随机对照试验中，实验组（n = 40）的慢性非特异性腰背痛患者在沉浸式虚拟现实游戏中进行一段时间锻炼，对照组（n = 40）在非虚拟现实游戏的情况下进行了相同的锻炼。探讨虚拟现实分散注意力在锻炼期间和之后是否具有镇痛作用，进一步研究疼痛恐惧、灾难性疼痛和初始疼痛强度是否削弱虚拟现实的镇痛效果。 结果 重复测量方差分析结果表明，实验组组间疼痛强度为主效应，时间和疼痛强度有交互作用，在练习中思考疼痛的时间明显少于对照组[实验组(32.26±12.32)；对照组(51.21±17.18)；t80 = 5.80，P < 0.001]，在运动期间（Cohen’s d = 0.86）和运动后（Cohen’s d = 0.46）均有镇痛作用。方差分析结果显示疼痛恐惧，灾难性疼痛和初始疼痛强度均存在主效应，但对思考时间没有交互作用（所有P < 0.05），认为不影响虚拟现实分散注意力的镇痛效果。 结论 虚拟现实分散注意力诱导痛觉减退有成效。表明沉浸式虚拟现实游戏可以用于慢性非特异性腰痛患者在锻炼过程中的疼痛缓解，帮助患者恢复健康。 Abstract:Purpose To investigate whether a virtual reality game can reduce the chronic nonspecific low back pain and help patients recover. Methods In this randomized controlled trial, the patients with the chronic nonspecific low back pain were taken as the experimental group （n = 40） and underwent a period of exercise in an immersive virtual reality game, while those performed the same exercises without VR games were taken as the control group （n = 40） so as to investigate whether VR distraction had a hypoalgesia effect during and immediately after the exercises, and whether it reduced the time spent thinking of pain during the exercises. Thereafter, we further explored whether pain-related fear, pain catastrophizing and baseline pain intensity moderated the effects of VR distraction. Results The results of repeated measures analysis of variance showed that the pain intensity among the patients of the experimental group was the main effect, and time and pain intensity had an interactive effect. The time to think about pain during the exercise was significantly less than that of the control group （Experimental group M = 32.26, SD = 12.32; Control group M = 51.21, SD = 17.18; t80 = 5.80, P < 0.0001）, both had an analgesic effect during the exercise （Cohen’s d = 0.86） and after the exercise （Cohen’s d = 0.46）. The results of analysis of variance showed that fear of pain, catastrophic pain, and initial pain intensity all have the main effects, but there was no interaction on thinking time （all p values > 0.05）, and it was believed that it did not affect the distracting analgesic effect of virtual reality. Conclusion Virtual reality is effective in distracting attention and inducing pain reduction and it indicates that immersive virtual reality games can be used to relieve the pain of patients with chronic non-specific low back pain during the exercise and help them recover their health. -
Key words:
- Virtual reality /
- Distraction /
- Nonspecific low back pain /
- Immersive
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分散注意力是指将患者注意力从疼痛这件事上转移开，是疼痛治疗中常用的方法[1-2]。分散注意力的镇痛效果研究目前主要集中在对健康人群进行实验诱导引起的疼痛或在急性操作引起的疼痛（例如针刺疼痛）。尽管这些研究未能充分证明分散注意力的镇痛效果[3-4]，但大多数研究表明：分散注意力确实可以不同程度地减轻病患的疼痛[5-6]。但也研究表明人为的分散注意力对长期慢病引起的慢性疼痛患者不具有镇痛作用[2]。
有学者提出了各种假设来解释分散注意力对慢性疼痛患者缺乏镇痛作用。比较普遍的观点是程度更高的疼痛常产生的恐惧的情绪[7-8]。然而，分散注意力对慢性疼痛患者的疼痛认知及疼痛时的情绪调节作用是尚不明确[9-13]。此外，越来越多的证据表明应该从动机的角度来解释分散注意力作用的机制[5，14]。通常认为外在性刺激应该足够强才能使注意力从疼痛中转移[15]。有研究证实沉浸式虚拟现实（virtual reality，VR）游戏可能是一种有前景的工具[16-17]，通过激励特性使得患者分散注意力。动机和目标追求被认为是影响疼痛注意的重要因素。
本研究主要是让慢性非特异性腰背痛（chronic low back pain，CLBP）患者在VR干预过程中进行腰背部锻炼。CLBP是指病程持续12周以上，病因不明的、除脊柱特异性疾病及神经根性疼痛以外原因所引起的肋缘以下、臀横纹以上及两侧腋中线之间区域内的疼痛与不适，伴或不伴大腿牵涉痛[18]。研究在沉浸式VR环境中进行练习是否对疼痛强度和疼痛的缓解时间有影响。与实验组相比，对照组进行了相同的练习，但没有VR干预。最后，评估疼痛强度、疼痛恐惧和灾难性疼痛对VR分散注意力的有效性是否有影响。
1. 资料与方法
1.1 一般资料
纳入慢性非特异性腰背痛（ > 3个月，≥3 d/周）患者80名患者，纳入标准[19]：为18岁至55岁，在VSA评分为3～8之间，经过积极治疗无效，具有站立姿势下进行骨盆倾斜练习的能力。排除标准：（1）曾进行过脊柱手术，有神经根受累的体征或症状；（2）有潜在的严重病理神经性疾病（例如多发性硬化症），（3）纤维肌痛；（4）确诊或怀疑怀孕；（5）具有VR康复经验，则被排除在外。所有参与者需签订书面知情同意书后才纳入研究。研究获得了解放军联勤保障部队第九二〇医院伦理委员会批准。
1.2 招募和随机
招募于2016年2月至2019年11月在解放军联勤保障部队第九二〇医院进行治疗的门诊患者。所有受试者都参加了CLBP的门诊康复计划。初步评估后，参与者被随机分为虚拟现实组（VR）或对照组。为了进行随机化，一名没有进一步参与这项研究的助理使用计算机生成的序列系统，对参与者进行随机双盲法分组实验。
1.3 干预方法
虚拟现实组使用Pico Neo 2 Lite 交互游戏机（北京小鸟看看科技有限公司），笔者选择PICO设备是因为它在商业上广泛使用。建议参与者每天使用3次，每次使用15 min。为了降低患上晕屏的风险，采用了单阶段干预措施，其中包括在矢状面进行的骨盆运动。骨盆运动练习常用于CLBP患者的康复中，其目的是重新获得对腰椎和骨盆的运动控制[20]。参与者根据VR游戏进行骨盆和腰椎的运动控制练习，见图1。告知参与者在演习结束后，须回答几个有关练习体验的问题。对照组与实验组在相同条件下进行。对照组在没有VR进行常规骨盆和腰椎的运动控制练习，每天3组，每组15 min。
1.4 评估和结果衡量
要求受试者提供年龄、体重、身高、性别和腰痛持续时间等信息。评估主要结果基线疼痛强度与运动过程中体验到的疼痛强度之间的差异是主要结果。次要结果：（1）基线疼痛强度与干预后立即感受到的疼痛强度的差异；（2）在练习中思考疼痛的时间。运动后的疼痛差值由基线疼痛强度减去运动后的疼痛强度得到。正值表示改善。基准评估采用数值疼痛评定量表（numeric rating scale，NPRS）[21]。NPRS已被广泛用于测量CLBP人群的疼痛强度，并已被推荐用于临床试验[22]。罗兰·莫里斯残疾问卷（roland and morris disability questionnaire，RMDQ）[23]包含24个关于CLBP对日常活动影响的问题。RMDQ已被证明在CLBP种群中是有效和可靠的[23]。灾难性疼痛量表（pain catastrophizing scale，PCS） [24]包含13条有关患者在疼痛过程中的消极想法和感受的陈述。PCS在CLBP种群[25]中是有效和可靠的。恐动症（TSK）评分表[26]是一份包含17个项目的问卷，用于评估由于体育活动而害怕运动/再受伤的主观评分。TSK对CLBP患者是有效可靠的。
1.5 统计学处理
所有数据统计分析均使用IBM SPSS Statistics 版本25。数据满足了进行参数统计分析的所有假设。为了研究VR游戏分散注意力对疼痛强度的影响，对组间因素（VR组与对照组）和组内因素（运动期间的疼痛差异与运动后的疼痛差异）进行重复测量方差分析。通过独立样本的t测试来评估VR游戏对思考疼痛的时间的影响。
基线资料正态分布数据以均数±标准差（
$\bar x \pm s $ ）表示，两样本均数的比较应用配对样本 t 检验，两样本率的比较应用χ2检验。重复测量方差分析中，将组间（VR组与对照组）和初始测量值（即与疼痛恐惧，灾难性疼痛，疼痛程度或疼痛强度）为主要效应。具有统计学意义的α水平设置为P < 0.05。2. 结果
2.1 受试者特性
共有401例接受了资格筛查，其中包括80名参与者。由于锻炼方法正确，所有参与者均被纳入。列出了参与者的特征。组间基准测量差异均无统计学意义（P > 0.05），见表1。
表 1 参与者人口学特征（$\bar x \pm s $ ）Table 1. Characteristics of participants in each group （$\bar x \pm s $ ）项目 对照组（n = 40） VR组（n = 40） t P 性别（男/女） 30/10 28/12 年龄（年） 34 ± 12.1 32 ± 14.4 0.36 0.62 BMI（kg/m2） 24.9 ± 4.0 25.3 ± 4.6 0.74 0.55 病史（月） 6.3 ± 2.1 7 ± 1.2 0.89 0.53 初始疼痛值 5.5 ± 2 5.0 ± 1 0.44 0.51 RMDQ（0-24） 15 ± 1 16 ± 2 0.67 0.80 TSK（0-44） 31 ± 11 30 ± 10 0.28 0.15 PCS（0-52） 24 ± 18 28 ± 17 1.03 0.08 分类变量用数字表示，连续变量用均值（SD）表示。 2.2 VR游戏分散注意力的有效性
重复测量方差分析显示对组间疼痛强度（NPRS值）[F（1，40）= 47.5，P < 0.0001，ηp2 = 0.55]，时间[F（1，40）= 124.1，P < 0.0001，ηp2 = 0.87]为主效应；时间和疼痛强度有交互作用[F（1，40）= 52.8，P < 0.000，ηp2 = 0.32]。与对照组比较，VR组在练习过程中，疼痛强度降低显著（VR组2.32±0.89; 对照组4.25±0.61；差异 = 2.56，P < 0.0001，d = 2.56 （95% CI = 2.23～2.89）。VR组练习后，疼痛强度也出现显著降低[VR组（2.5±0.11）；对照组（3.4±0.16）；差异 = 1.8， P < 0.001，d = 0.65 （95% CI = 3.07～3.72）]。疼痛强度与初始差异的原始值，见表2、图2。
表 2 初始疼痛值与练习期间/后疼痛强度值的差异变化Table 2. Raw values for pain intensity and for the differences with baseline分组 初始疼痛值 练习期间疼痛值 练习后疼痛值 M SD M SD 与初始值的差异 M SD 与初始值的差异 对照组 4.73 0.93 4.13 0.12 0.47 0.46～0.51 3.4 0.16 1.32 1.3～1.4 VR组 4.76 0.94 3.15 0.89 2.28 2.21～2.3 2.5 0.11 1.9 2.0～2.1 初始值的差异计算：初始疼痛强度-练习期间/后的疼痛强度。因此，一个正值表明，相对于初始强度，练习期间/后疼痛强度降低。95%CI = 95%置信区间，M = 均值，SD = 标准差，VR = 虚拟现实。 2.3 VR分散注意力对疼痛思考时间的影响
与对照组比较，VR组参与者在练习中思考疼痛的时间明显减少，VR组（32.26±12.32） s；对照组（51.21±17.18） s；差异 = 18.95，t82 = 5.80，P < 0.0001，d = 18.95（95%CI = 12.46-25.44）。
2.4 疼痛恐惧
对于疼痛相关的恐惧重复测量方差分析显示2组间[F（2，78）= 110.97，P < 0.001，ηp2 = 0.73]和TSK值[F（1，39）= 122.02，P < 0.001，ηp2 = 0.74]为主效应，但在运动期间、运动后的疼痛差异和疼痛思考时间没有交互作用（χ2 = 2.55，P < 0.05）。与TSK高分值组的患者比较，低分值组的患者在锻炼期间和之后的疼痛强度有较大改善，他们认为运动过程中的思考疼痛时间更少[VR组（12.86±5.61）s；对照组（27.57±4.82）s；差异 = 10.36，P < 0.001，d = 12.77（95%CI = 8.46～12.25）]（图3）。
2.5 灾难性疼痛
灾难性疼痛也得到了类似的结果，组间[F（2，78） = 32.02，P < 0.001，ηp2 = 0.44]和PCS值[F（1，39） = 89.55，P < 0.001，ηp2 = 0.69]存在主效应，但对所有结果均无交互作用（χ2 = 6.18，P < 0.05）。与PCS高分值组患者相比，低分组患者在运动期间和运动后疼痛强度有更大的改善，并且他们在运动时对疼痛的思考时间较少[VR组(13.71±5.56)s；对照组(24.79±5.51)s；差异 = 7.21，P < 0.001，d = 18.95（95%CI = 5.67～8.74）]（图4）。
2.6 初始疼痛强度
初始疼痛强度的主效应仅在疼痛思考时间，所有结果对组间均为主效应[F（1，39） = 124.1，P < 0.001，ηp2 = 0.72]。所有结果均未出现交互效应（χ2 = 7.03，P < 0.05）。与初始疼痛强度较高的患者相比，初始疼痛强度较低的患者对疼痛的思考较少，两者间有统计学差异（P < 0.05）。
3. 讨论
本研究结果显示沉浸式VR游戏环境能减轻CLBP疼痛强度。最近的一项Meta分析显示，分散注意力对慢性疼痛患者没有镇痛作用，这与笔者的研究相反。然而，Meta分析中研究没有使用虚拟现实作为分散注意力的手段[2]。因此，VR游戏可能比其他方法类型的镇痛效果更明显，这一结论在急性疼痛研究上得到支持[16]。研究表明，当一个人被激励去完成一项正在进行的任务或去实现一个与疼痛无关的特定目标时，疼痛会产生较少的干扰效应[5, 27]。基于此，值得进一步探讨动机在慢性疼痛患者注意力分散中的作用。
慢性疼痛患者对疼痛有注意力偏向，与健康人群的这种差异较小，可能果与测量疼痛的方法有关[7-8]。疼痛恐惧对疼痛的关注以及难以摆脱疼痛的原因可能与患者对疼痛认知和情绪有关[28-29]。因此，人们推测这些因素可能会影响注意力分散对痛觉减退的作用，这结果得到一些研究的支持[2, 13, 30-31]，但并非所有的研究支持这一观点[11-12]。Verhoe等[5]的研究表明，非VR游戏组也能有效减少低度疼痛的功能，但对高强度疼痛无效。相比之下，灾难性疼痛的程度并不影响注意力分散的镇痛效果。另一种解释可能是在当前的研究中，参与者认为锻炼是无害的。只有认为疼痛有威胁性时才会引起人们的注意。除了威胁外，疼痛的强度也会影响其分散注意力的效果[32]。即注意力分散对经历更严重疼痛的患者效果可能更差[2]。慢性腰背疼痛群体的调查研究不多，且没有一个明确的结果[2, 9]。在本研究中，初始疼痛强度并不影响沉浸式VR游戏分散注意力的效果。但大多数参与者为轻度至中度的初始疼痛强度，而初始疼痛强度高的患者中，仅30%NPRS 评分为剧烈疼痛（VAS≥5），这可能制约了检测沉浸式VR游戏分心调节作用的能力。除了上述可能解释沉浸式VR游戏缺乏调节的原因外，本研究难于以检测到VR游戏的轻微调节效应（即 ηp2 < 0.01）。因此，对这些结果应谨慎解读。为了能够检测轻微的调节效应，有必要进行大样本的研究。
临床上，CLBP治疗目的是让患者实现他们有价值的生活目标[33]。尽管存在不同的治疗策略来实现这一目标，加入一个积极有效的因素并贯彻到认知行为中是目前的共识[34]。这种治疗方法存在一个主要的问题是治疗中参与者的依从性差，导致治疗效果欠佳[35]。在这方面，CLBP患者依从性差的一个重要原因是活动或锻炼过程中疼痛感或疼痛加剧[36]。虽然目前研究中的参与者只需要进行15 min的低负荷运动，但这已经导致了对照组疼痛的增加。一些患者不愿意忍受这种暂时的疼痛体验。进行痛苦的活动可能导致情绪上的痛苦增加，从而干扰他们日常生活[37]。通过沉浸式VR游戏减少锻炼过程中疼痛强度，从而进行积极的治疗，因此将沉浸式VR游戏整合到家庭锻炼中也很有意义。本研究结果证实沉浸式VR游戏确实可以做到这一点，但是否具有治愈效应，还有待于进一步研究和远期随访。
这项研究的几个局限性：（1）参与者在干预后立即进行评估疼痛，无法确定是否具有持续的痛觉减退效应或者这种疗效是否存在反弹效应；（2）本研究中的大多数参与者的初始疼痛强度为轻度至中度。这可能限制了该款游戏诱导疼痛减退效应的全面评估；（3）由于这项研究的效力不足以检测参与者轻微疼痛变化差异，在未来的实验中需要更大的样本量和更直接的疼痛注意力测量方法。第四，研究使用的产品为目前市场上成熟的一款沉浸式骨盆运动VR游戏，而非专业性CLBP腰腹肌群功能锻炼产品，需要开发更专业、更具有针对性的VR游戏，提升其有效治疗CLBP的能力；（4）本文未对沉浸式VR游戏在视觉、神经系统、消化系统的负面影响进行研究。
综上所述，本研究为沉浸式VR游戏分散患者注意力降低CLBP患者运动时疼痛强度的有效性提供了证据，表明沉浸式VR游戏可以用于缓解慢性非特异性腰痛患者在锻炼过程中产生的疼痛。疼痛恐惧、灾难性疼痛和初始疼痛强度并没有影响VR镇痛效果。该款VR游戏镇痛效果持续多长时间或者是否会反弹还需要进一步随访研究。相信更专业腰腹肌群功能锻炼与沉浸式VR游戏相结合将会产生积极临床效应。
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表 1 参与者人口学特征（
$\bar x \pm s $ ）Table 1. Characteristics of participants in each group （
$\bar x \pm s $ ）项目 对照组（n = 40） VR组（n = 40） t P 性别（男/女） 30/10 28/12 年龄（年） 34 ± 12.1 32 ± 14.4 0.36 0.62 BMI（kg/m2） 24.9 ± 4.0 25.3 ± 4.6 0.74 0.55 病史（月） 6.3 ± 2.1 7 ± 1.2 0.89 0.53 初始疼痛值 5.5 ± 2 5.0 ± 1 0.44 0.51 RMDQ（0-24） 15 ± 1 16 ± 2 0.67 0.80 TSK（0-44） 31 ± 11 30 ± 10 0.28 0.15 PCS（0-52） 24 ± 18 28 ± 17 1.03 0.08 分类变量用数字表示，连续变量用均值（SD）表示。 
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表 2 初始疼痛值与练习期间/后疼痛强度值的差异变化
Table 2. Raw values for pain intensity and for the differences with baseline
分组 初始疼痛值 练习期间疼痛值 练习后疼痛值 M SD M SD 与初始值的差异 M SD 与初始值的差异 对照组 4.73 0.93 4.13 0.12 0.47 0.46～0.51 3.4 0.16 1.32 1.3～1.4 VR组 4.76 0.94 3.15 0.89 2.28 2.21～2.3 2.5 0.11 1.9 2.0～2.1 初始值的差异计算：初始疼痛强度-练习期间/后的疼痛强度。因此，一个正值表明，相对于初始强度，练习期间/后疼痛强度降低。95%CI = 95%置信区间，M = 均值，SD = 标准差，VR = 虚拟现实。
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