虛擬現實技術在腦卒中病人認知康復中的應用研究進展

竇麗君，丁小容，秦美容

1.長江大學醫學部，湖北 434000；2.北京大學深圳醫院

《中國腦卒中防治報告2020》提出，腦卒中是嚴重危害我國居民健康的慢性非傳染性疾病之一，具有發病率高、致殘率高、死亡率高、復發率高、經濟負擔重五大特點，對病人的生活及社會功能產生極大影響[1?2]。隨著信息技術的快速發展，虛擬現實（virtual reality，VR）技術作為一種新技術也逐漸受到重視和研究，并應 用 于 醫 學 領 域。在 癌 癥 治 療[3?5]、疼 痛 管 理[6?7]、教學[8?9]等方面都發揮了很大的作用，改善了病人的情緒、認知和疼痛，提高了護生操作的熟練程度和教學效果。腦卒中后的認知康復對病人整體康復的進度起到了非常重要的作用，且現階段應用虛擬現實技術結合認知訓練方法的治療效果更顯著[10]。

1 概念

1.1 認知康復 腦卒中后認知障礙（post?stroke cognitive impairment,PSCI）特指腦卒中之后出現的并持續6 個月依然存在的認知功能損害，是血管性認知障礙（vascular cognitive impairment,VCI）的一個重要亞型，PSCI 不僅會對病人的日常生活能力和社會功能產生嚴重影響，甚至還可能增加病人的致殘率、病死率[11?12]。因此，多國腦卒中康復指南建議對PSCI 病人進行認知康復[13?15]，認知狀態也是腦卒中后恢復成功的重要決定因素。林強等[16]研究表明，腦卒中后的認知障礙會直接影響病人的康復治療效果和日常生活等各個方面。因此，對于病人來說，認知康復訓練對其認知功能本身、生活能力的恢復等具有重要意義。

1.2 虛擬現實技術 虛擬現實技術是一種利用計算機生成模擬環境的、多個來源信息整合的、交互式的三維動態景象和實體行為的系統仿真[17?18]，是用戶通過視覺、聽覺、觸覺對感受到的創建的虛擬環境的反饋，并可以使用戶沉浸在該環境中[19]。虛擬現實技術可分為完全沉浸式、半沉浸式、非沉浸式[20]，完全沉浸式通常是頭戴顯示器，并使用戶在虛擬環境中沉浸的一種系統；而半沉浸式則被認為是具有單屏投影或桌面顯示器的系統[21]；非沉浸式在工作生活中最常見，如電腦、智能手機、電視機或其他電子設備等，此時病人并沒有存在于虛擬世界中的感覺[22]。為了實現這一目標，虛擬現實系統與大腦一樣，維護著身體及其周圍空間的模擬[19]。

2 虛擬現實技術在腦卒中病人認知康復中的應用方法

2.1 單獨應用 病人發生腦卒中后，大腦的記憶、感覺、思維等認知功能會受到不同程度的影響，通過應用虛擬現實會有一定程度的改善。Chatterjee 等[23]一項研究中，40 名參與者以3∶1 的比例隨機分配，觀察組根據病人蒙特利爾認知評估量表（MoCA）評分分為嚴重認知障礙組（MoCA 評分<15 分）和輕中度認知障礙組（MoCA 評分15～24 分）；對照組常規護理由物理治療師、職業治療師以及專門從事神經康復的語言治療師提供一系列個性化的干預措施，且接受與觀察組類似的虛擬現實會話；觀察組通過一個應用程序制定不同虛擬場景的游戲，如病人戴著頭戴式顯示器并沉浸在廚房制作吐司，模擬這些日常任務的練習來促進腦卒中病人的認知康復，而且游戲也會隨著時間的推移難度增加，沉浸式虛擬現實治療每周提供5 d，最長可達2 周；結果顯示，3 組病人的MoCA 評分在持續改善，對照組和嚴重認知障礙組之間MoCA 評分變化的箱形圖存在顯著差異，說明基于虛擬現實的認知康復是有效的，是治療腦卒中病人的一種安全且可被接受的治療形式，并且縮短了住院時間，減少了住院費用。有研究安排1 例58 歲的出血性腦卒中的女性病人分別接受兩種不同的康復訓練，一種是在臨床中常規使用的與治療師面對面的放松技巧，另一種是在半沉浸式虛擬環境中，通過使用BTs?Nirvana（BTsN）的多感官刺激幫助病人放松和呼吸，主要應用了帶有海洋景觀的虛擬場景以及視頻音頻和運動反饋，對比病人認知和心理狀況來評估病人的康復治療效果，兩種訓練方案間隔2 周，以更好地評估訓練的不同效果，每個康復計劃每節課至少持續40 min，每周3 次，為期2 個月，由1名并不知曉研究情況的神經心理學家客觀評估病人的認知和心理狀態；在常規訓練結束時，病人MoCA 評分、漢密爾頓焦慮評定量表（HRS?A）評分及血壓和心率等并無顯著差異，在虛擬環境中的呼吸訓練結束時，病人MoCA 評分顯著上升，HRS?A 評分顯著下降，其他指標也存在顯著差異[24]。說明基于虛擬現實的放松呼吸訓練可以緩解病人的焦慮、抑郁癥狀，提高病人的認知能力，集中病人的注意力，改善應對策略。另一項研究同樣用BTsN 進行虛擬現實訓練，分析病人在注意力、記憶、空間認知、眼睛與肢體協調、執行功能和建設性實踐等動作，從而創造互動，且系統連接著投影儀或大屏幕，可以重現互動練習，在每個階段結束之后，可以導出練習的完整版以及練習的得分來查看認知功能恢復情況；與干預前相比，觀察組病人MoCA 的視覺空間域和注意力域有所改善，與對照組治療后相比，觀察組病人的運動功能也明顯改善[25]。

2.2 聯合應用 張紅利等[26]應用頭針治療、虛擬現實治療、聯合治療和常規治療4 種方法進行比較，常規組按照腦卒中二級康復治療和護理，頭針治療組在常規組的基礎上選取頭針的平衡區進針治療，虛擬現實組在常規組的基礎上應用虛擬情景互動訓練，根據病人的需求及訓練要求選擇不同的情景互動模式，聯合治療組同時采用頭針治療和虛擬現實訓練；結果表明，干預4 周、8 周后單獨應用的兩個組與聯合治療組、常規組簡易智力狀態檢查量表（MMSE）評分比較差異有統計學意義(P<0.05)，干預12 周后,各組間MMSE 評分均有差異(P<0.05)，且聯合治療組評分>頭針治療組評分>虛擬現實治療組評分>常規組評分。單獨應用時頭針治療的效果更好的原因可能與頭針直接作用于腦部神經，對認知障礙的治療有直接效果有關。楊恒[27]采用燈盞花素注射液聯合虛擬現實游戲任務方式進行研究，燈盞花素注射液具有擴張腦血管、改善微循環、增加腦血流量等功效，病人虛擬現實康復訓練的項目包括視覺反饋和任務導向兩個方面，通過豐富的色彩和畫面對視覺神經系統進行有效刺激提高病人治療的注意力，從而改善病人認知能力；兩組病人干預后MMSE 評分比干預前均有所提高，且聯合應用提高的效果更好，說明兩者聯合比單獨應用燈盞花素注射液對腦卒中病人認知功能的效果更顯著。Oh 等[28]研究中兩組病人每天在專業治療師監督下訓練30 min，每周3 d，持續6 周，對照組進行常規治療，聯合組在虛擬現實環境中接受了真實的儀器訓練，儀器上的三維機械手由監視器、常規計算機和各種具有3 檔自由度的真實儀器組成，病人可以通過上肢控制進行鍛煉，如門把手、按鈕、方向盤等，結果顯示，虛擬現實環境中進行真實儀器訓練的腦卒中病人比進行常規治療的病人改善效果更明顯。

3 虛擬現實技術在腦卒中病人認知康復中的應用效果

3.1 改善認知功能 Rogers 等[29]研究由心理學家進行每周3 次、共4 周的虛擬現實會議，由資深的專業人員提供30～40 min 的一對一課程，使用并發增強反饋、有形的交互設計和類似游戲的功能，增強用戶參與度，以促進上肢技能和認知?運動耦合的重新獲取；結果表明，與對照組相比，觀察組在一般智力狀態方面有了更大的改善，腕關節伸展、肘關節屈曲等肢體活動也都有了明顯改善，隨訪1 個月觀察組認知評分及肘關節屈曲得分顯著高于對照組。可見，虛擬現實對腦卒中后認知障礙病人有明顯且持續的改善作用，促進了腦卒中后認知功能的恢復。薛慧[30]以基于虛擬現實的游戲形式開展訓練，通過與虛擬對手20 min“打網球”或“切水果”等游戲，增添了治療的樂趣，提高了病人積極性，提升了病人的執行能力；訓練后，兩組MMSE 評分均有升高，觀察組升高程度較對照組更為顯著（P<0.05），虛擬現實游戲形式增強了病人的認知功能。婁安華[31]在安靜環境下應用BioMaster 虛擬現實訓練系統開展訓練，根據Cubic 模型建立的曲線變化，在不同階段采取不同的措施，曲線上升階段鼓勵病人獨立完成虛擬現實情景的康復訓練，曲線下降階段增加家屬的支持陪伴，由病人和家屬共同完成訓練；曲線平穩階段鼓勵病人養成訓練的習慣；結果顯示，干預后兩組病人上肢肌力、Fugl?Meyer 上肢運動功能評定量表（FMA?UE）評分和MoCA 評分均明顯升高，且觀察組MoCA 評分明顯高于對照組（P<0.05）。虛擬現實技術的應用有助于病人充分發揮其主觀能動性，增強了病人的執行能力，能夠有效提升腦卒中偏癱病人的認知能力和肌力水平。但也有研究表明，基于虛擬現實的康復對腦卒中病人的運動功能、平衡能力、步態和日常功能等有持續的積極影響，但對認知功能的改善效果并不確定[32]，還需今后進一步研究。因此，未來還需要做更多高質量的研究證明虛擬現實在腦卒中康復認知中的效果。

3.2 減少負性情緒 腦卒中后病人因疾病導致生活發生改變，易出現負性情緒。因此，除了功能的恢復以外，還要注重病人的心理健康狀況。Maier 等[33]研究中觀察組腦卒中病人接受了為期6 周、每周5 次、每次30 min 的適應性結合認知訓練（ACCT），ACCT 是一種新開發的基于虛擬現實實現的多認知領域的認知能力訓練方法，可以從病人做任務和游戲化的訓練中獲得病人表現參數，并根據病人表現自動調整任務的難度系數，從而達到個性化治療；結果顯示，與干預前相比，兩組干預均有效，且觀察組抑郁水平比對照組顯著降低，注意力和記憶力領域的改善與抑郁癥改善呈正相關（P<0.05）。張曉曉等[34]研究通過電腦屏幕模擬滑雪賽事游戲、勁速滑板等多種運動場景進行互動訓練,每周5 次，每次60 min，共訓練6 周，結束訓練后根據功能性步行能力量表（FAC）、醫院焦慮抑郁情緒測定量表（HAD）、改良Barthel 指數（MBI）判斷病人的功能性活動、心理情緒狀態及日常生活活動能力的情況，結果顯示，訓練6 周后兩組病人FAC、MBI 及HAD 評分均優于訓練前。表明虛擬現實可以提高病人的步行功能，改善抑郁等不良情緒，減輕病人沉重的心理負擔，增強其活動獨立性，提高生活質量。Dehn 等[35]在為期14 d 的康復計劃中，要求病人必須向虛擬環境中的各個方向看，才能從之前提交的購物清單中找到并購買相關產品，以此在虛擬現實超市中完成類似現實生活的購物任務，并判斷病人抑郁癥狀的嚴重程度；結果顯示，訓練后兩組病人抑郁嚴重程度均低于訓練前，貝克抑郁程度自評量表（BDI?Ⅱ）評分比較差異有統計學意義。虛擬現實訓練可以提高訓練任務的積極表現，還可以提高神經心理功能，隨著病人在應用虛擬現實訓練之后認知功能的改善，病人的負性情緒也會發生好轉。因此，虛擬現實在想象空間中緩解壓力、抑郁和焦慮等方面具有很大的潛力。

3.3 提高日常生活能力 Faria 等[36]應用訓練日常生活活動（ADL）的虛擬現實系統Reh@City 針對病人多個認知領域，如記憶、注意力、執行功能和視覺空間能力，進行了綜合的認知虛擬訓練，兩組都進行了12 次干預，每次20 min，間隔4～6 周，病人在職業治療師的監督下進行訓練，虛擬場景與現實世界的場景相似，是病人日常生活經常經過或到達的地方，包括超市、郵局、銀行和藥房等，幫助病人實現向現實世界的過渡，病人可以根據導航或提示完成相應規定的任務，并且有時間要求，病人完成任務可積分，執行錯誤減分，根據病人的執行情況難度逐漸升級；與干預前相比，觀察組病人腦卒中影響量表（SIS 3.0）評分明顯改善（P<0.05），在力量和活動能力、記憶力、情感、社會參與和整體恢復等領域均有顯著改善，執行功能有所提高。Faria 等[37]另一項研究采用Reh@City v2.0 實現個性化日常任務虛擬現實模擬進行自適應認知訓練，與Reh@City 不同的是，此項研究增加了語言結局指標，針對注意力、記憶、語言和執行功能等多個認知領域為每例病人量身定制康復計劃，通過改善病人在虛擬城市中做任務時視覺上的真實感提高有效性，并使用了適配病人的手柄進行交互，且增加了認知訓練任務和地點，如雜志信息亭、家庭、公園和時裝店等，研究結果與之前結果[36]一致。除此之外，也有研究結果也顯示，病人在接受虛擬現實康復訓練后認知功能及日常生活能力明顯提高[38?39]。可以看出，相較于傳統的康復方式，病人在進行虛擬現實訓練之后，認知能力大多會改善，日常生活活動也有很大的進步，同時也可以減少病人的負性情緒，從而提高其生活質量。

4 不足與展望

目前，虛擬現實的使用地點大部分還是在醫院內，隨著科學技術的發展，虛擬現實技術的應用將是一種趨勢。但虛擬現實技術并非絕對安全，也會發生不良情況[40]，如出現眼神難以聚焦、頭暈等不適癥狀。所以，行虛擬現實治療前醫務人員應提前告知病人可能出現的不良反應，并在不適之初及時終止治療；如若已出現不適，病人應及時反饋，并通過看向現實的事物緩解眼部不適。另外，仍有一些問題值得未來關注和研究：①由于技術與成本方面的限制，目前虛擬現實在我國還尚未普及，后續需要技術人員對設備進行創新，降低成本，使虛擬現實技術惠及更多人，并且考慮到慢性病病人越來越多，未來還應設計輕巧便攜、可穿戴的虛擬現實設備供病人居家護理使用；②該領域的大多數研究以綜述為主，未來還需更多大樣本、高質量的研究輔證虛擬現實技術在更多科室及病種方面的應用效果；③虛擬現實技術與其他方法聯合應用要比單獨應用對認知康復的效果更顯著，為減少對病人的侵入性操作，未來可考慮聯合應用擴腦血管藥物等，虛擬現實技術也可與中醫治療相結合，如針灸、中藥等；④后續需要對虛擬現實技術的管理制定統一規范，對護士進行虛擬現實設備使用統一培訓并考核，各科室之間應加強聯系，多學科合作，推動虛擬現實技術在醫學領域中的廣泛應用。