梁思捷 王衛(wèi)寧 朱玉連

摘 要 本文概要介紹虛擬現(xiàn)實(shí)在輔助腦部疾病患者認(rèn)知功能障礙康復(fù)治療中的應(yīng)用，并分析其在我國(guó)推廣的困難及其前景。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實(shí) 腦部疾病 認(rèn)知功能障礙 康復(fù)治療

中圖分類(lèi)號(hào)：R493； R749.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-1533（2019）09-0007-04

Application of virtual reality in cognitive impairment rehabilitation therapy

LIANG Sijie1， WANG Weining1， ZHU Yulian1， 2*（1. School of Kinesiology， Shanghai University of Sport， Shanghai 200438， China； 2. Department of Rehabilitation， Huashan Hospital， Fudan University， Shanghai 200040， China）

ABSTRACT The application of virtual reality in the rehabilitation of cognitive impairment in patients with brain diseases such as stroke， traumatic brain injury and so on is reviewed and the difficulties and prospects for its promotion in China is analyzed.

KEY WORDS virtual reality； brain disease； cognitive impairment； rehabilitation

近年來(lái)，隨著人口老齡化加劇以及人們生活習(xí)慣、環(huán)境變化等因素的影響，腦部疾病患病率逐年升高，其中腦卒中、腦外傷、帕金森病和腦癱等疾病造成的腦損傷均可使患者出現(xiàn)諸多功能障礙，最常見(jiàn)的有運(yùn)動(dòng)功能障礙、認(rèn)知功能障礙、感覺(jué)功能障礙、精神障礙和言語(yǔ)功能障礙等，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致患者殘疾，如肢體殘疾、智力殘疾、視力殘疾、聽(tīng)力殘疾、精神殘疾和言語(yǔ)殘疾等[1]。認(rèn)知功能障礙包括執(zhí)行功能障礙、記憶障礙、空間能力障礙、注意力缺陷和單側(cè)視覺(jué)忽略等。

康復(fù)治療是一個(gè)患者主動(dòng)參與學(xué)習(xí)和鍛煉的過(guò)程，患者存在認(rèn)知功能障礙會(huì)嚴(yán)重影響康復(fù)治療的效果和進(jìn)程，導(dǎo)致康復(fù)治療效果不佳，甚至無(wú)法進(jìn)行康復(fù)治療[2]。提高患者的日常生活能力，最大限度地改善患者的殘存功能，并盡可能地使患者回歸社會(huì)和家庭，這是康復(fù)治療的根本目的。為了達(dá)到該目的，對(duì)患者進(jìn)行認(rèn)知功能障礙的康復(fù)治療至關(guān)重要。此外，當(dāng)患者在接近真實(shí)生活的環(huán)境中進(jìn)行康復(fù)治療時(shí)，其更可能將康復(fù)治療時(shí)再學(xué)習(xí)獲得的技能運(yùn)用到實(shí)際生活中[3]。因此，一個(gè)與真實(shí)生活相近的治療環(huán)境是康復(fù)治療成功的重要外部條件。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在傳統(tǒng)康復(fù)治療的基礎(chǔ)上逐漸衍生出娛樂(lè)康復(fù)治療，其中以計(jì)算機(jī)技術(shù)為支撐的治療技術(shù)如虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)已在腦損傷疾病患者的康復(fù)治療中顯示有一定的效果[4]。本文概要介紹近年來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)在認(rèn)知功能障礙康復(fù)治療中的應(yīng)用情況，并就此種應(yīng)用的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)作一展望，以供相關(guān)的臨床和科研方面的同仁參考。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)及其技術(shù)

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)及其特征

虛擬現(xiàn)實(shí)以計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，其潛力和優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯，并已被用于某些疾病的康復(fù)治療[5-6]。虛擬現(xiàn)實(shí)具有交互性、沉浸性、構(gòu)想性和現(xiàn)場(chǎng)感等特征，也被稱(chēng)為虛擬環(huán)境、人工環(huán)境等，其中交互性是指虛擬場(chǎng)景中的物體的可操作性以及使用者可通過(guò)交互操作從虛擬場(chǎng)景中獲得反饋信息；沉浸性是指使用者可在逼真的虛擬場(chǎng)景中多維度地感知信息，結(jié)果如同身處現(xiàn)實(shí)世界一般，難以分辨或覺(jué)察出正處于虛擬場(chǎng)景中；構(gòu)想性是指使用者可依靠自身的認(rèn)知和感知能力，從虛擬場(chǎng)景中獲得知識(shí)或探索解決問(wèn)題的方法。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)用于康復(fù)治療的優(yōu)勢(shì)

研究表明，與傳統(tǒng)的康復(fù)治療相比，虛擬現(xiàn)實(shí)用于康復(fù)治療具有一定的優(yōu)勢(shì)[7-9]，不僅可提供穩(wěn)定、安全的訓(xùn)練環(huán)境，且可靈活調(diào)整任務(wù)的復(fù)雜程度、感覺(jué)準(zhǔn)備、反應(yīng)需要、反饋性質(zhì)及其方式等，患者還可在家里接受訓(xùn)練，治療過(guò)程簡(jiǎn)單、便捷，應(yīng)用前景非常廣闊。

1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)用于康復(fù)治療有效的作用機(jī)制

虛擬現(xiàn)實(shí)用于康復(fù)治療有效主要與虛擬現(xiàn)實(shí)的特征有關(guān)，其中虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性、交互性和構(gòu)想性等造就的重復(fù)性、反饋機(jī)制和獲得感等因素對(duì)治療效果的獲得起到了主要作用。虛擬現(xiàn)實(shí)可幫助進(jìn)行大量的重復(fù)性練習(xí)，此有利于患者的記憶輸入。在重復(fù)的練習(xí)過(guò)程中，通過(guò)聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、嗅覺(jué)和本體感覺(jué)等多感知域的持續(xù)反饋，患者的正確行為逐漸得到固化，進(jìn)而產(chǎn)生愉快的獲得感，積極性提高，使之能夠堅(jiān)持練習(xí)直至達(dá)到治療目的[10]。

虛擬現(xiàn)實(shí)用于康復(fù)治療有效的結(jié)果與大腦可塑性理論相吻合，但在虛擬現(xiàn)實(shí)中訓(xùn)練可促進(jìn)大腦功能恢復(fù)的機(jī)制現(xiàn)還不明晰。Maier等[11]認(rèn)為，虛擬現(xiàn)實(shí)中的動(dòng)作觀察范式是基于神經(jīng)學(xué)原理進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，它可激活目標(biāo)腦區(qū)并促使其進(jìn)行功能重組。有研究指出，在虛擬現(xiàn)實(shí)中訓(xùn)練時(shí)，使用功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging， fMRI）檢查可識(shí)別患者在完成交互式任務(wù)中的大腦激活網(wǎng)絡(luò)，并直接顯示腦損傷后大腦恢復(fù)時(shí)腦部神經(jīng)元的變化情況[12]。虛擬現(xiàn)實(shí)能通過(guò)使用運(yùn)動(dòng)編碼來(lái)喚醒大腦中保留的程序記憶，促進(jìn)記憶障礙患者的學(xué)習(xí)。大腦激活網(wǎng)絡(luò)與分配中心記憶和自我中心記憶任務(wù)的空間處理相關(guān)，但雙側(cè)海馬后區(qū)激活僅在分配中心記憶任務(wù)中出現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)和fMRI檢查的聯(lián)合使用有助于提高我們對(duì)記憶任務(wù)與大腦關(guān)系的了解。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)在認(rèn)知功能障礙康復(fù)治療中的應(yīng)用

2.1 用于腦卒中后認(rèn)知功能障礙的康復(fù)治療

國(guó)外開(kāi)始開(kāi)展虛擬現(xiàn)實(shí)用于腦卒中后康復(fù)治療研究的時(shí)間較早。Ogourtsova等[13]利用沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，在三維虛擬環(huán)境中，通過(guò)采用有針對(duì)性的、循序漸進(jìn)的訓(xùn)練方案，在目標(biāo)改變、記憶引導(dǎo)和移位等條件下，讓腦卒中后患者執(zhí)行一項(xiàng)由操縱桿驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)航任務(wù)并檢測(cè)其用時(shí)。通過(guò)廣泛訓(xùn)練患者的空間知覺(jué)能力，患者的訓(xùn)練積極性和專(zhuān)注力均有效提高，與人工作業(yè)認(rèn)知功能訓(xùn)練等傳統(tǒng)治療方法相比，利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)訓(xùn)練可更明顯地改善患者的注意力、單側(cè)忽略和空間知覺(jué)能力。Aminov等[14]通過(guò)對(duì)23項(xiàng)研究進(jìn)行薈萃分析后認(rèn)為，與傳統(tǒng)的康復(fù)治療方法相比，利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)訓(xùn)練可即刻改善腦卒中后患者的認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)活動(dòng)表現(xiàn)，并對(duì)患者認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)功能的長(zhǎng)期提高有益。

Maier等[11]利用一種康復(fù)治療游戲系統(tǒng)（虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)）對(duì)腦卒中后患者進(jìn)行了一項(xiàng)臨床隨機(jī)、對(duì)照試驗(yàn)，通過(guò)讓患者在屏幕上完成一些游戲中的動(dòng)作并結(jié)合認(rèn)知功能訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)患者的記憶力、空間想象能力和本體感覺(jué)等均獲提高。此外，有研究認(rèn)為，在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)模擬出的行走、賽車(chē)、賽艇、滑雪等不同場(chǎng)景中進(jìn)行訓(xùn)練，能有效改善腦卒中后患者的記憶功能障礙，其機(jī)制可能與調(diào)節(jié)了大腦海馬區(qū)中某些代謝物的代謝有關(guān)[15]。

最近，國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了將虛擬現(xiàn)實(shí)用于腦卒中后康復(fù)治療的研究。王輝等[16]利用電腦反饋界面構(gòu)建的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行了一項(xiàng)臨床對(duì)照試驗(yàn)。試驗(yàn)將40例存在認(rèn)知功能障礙的腦卒中后偏癱患者隨機(jī)分成2組，其中試驗(yàn)組患者除接受基本的康復(fù)治療外，還在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中進(jìn)行訓(xùn)練。結(jié)果顯示，利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)訓(xùn)練能有效提高患者的認(rèn)知功能和日常生活能力。柏敏等[17]進(jìn)行的研究也得到了類(lèi)似的結(jié)論。

2.2 用于腦外傷后認(rèn)知功能障礙的康復(fù)治療

虛擬現(xiàn)實(shí)用于腦外傷后認(rèn)知功能障礙的康復(fù)治療還處于探索階段。一項(xiàng)研究通過(guò)分析腦外傷后患者和健康對(duì)照者在進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)游戲時(shí)8個(gè)認(rèn)知域上的表現(xiàn)差異，研究了認(rèn)知功能與運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)游戲時(shí)，患者不同認(rèn)知域的神經(jīng)心理學(xué)測(cè)試評(píng)分以及完成游戲時(shí)的學(xué)習(xí)速度均趨降低，而整體認(rèn)知能力對(duì)兩組個(gè)體運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)早期的學(xué)習(xí)率均有顯著的預(yù)測(cè)作用，提示認(rèn)知功能與運(yùn)動(dòng)功能有關(guān)[18]。

Pietrzak等[19]通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)分析后發(fā)現(xiàn)，在一些包含三維場(chǎng)景的非沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，腦外傷后患者經(jīng)接受完成賽車(chē)游戲、滑雪游戲或在鄉(xiāng)鎮(zhèn)中漫步等活動(dòng)的訓(xùn)練后，他們的空間記憶、語(yǔ)言記憶、注意力和前瞻性記憶等的恢復(fù)效果良好。不過(guò)，腦外傷后的年輕患者在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中訓(xùn)練的康復(fù)治療效果不如腦卒中后老年患者那般顯著。但一些個(gè)例報(bào)告顯示，利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，腦外傷后患者的注意力、空間記憶和工作記憶均顯著提高[20]。

Gamito等[21]讓腦外傷后患者利用一種在線(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程康復(fù)治療，通過(guò)完成日常生活能力、工作記憶、空間定向和選擇性記憶等10個(gè)階段的訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)患者的工作記憶和注意力水平均顯著提高，表明他們的認(rèn)知功能有所改善。另有研究顯示，互動(dòng)式運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目能提高人的學(xué)習(xí)能力，對(duì)腦外傷后患者的海馬體功能可能有改善作用，如在三維場(chǎng)景中進(jìn)行持續(xù)性踏車(chē)等訓(xùn)練可提高患者的空間學(xué)習(xí)記憶水平[22]。

2.3 用于阿爾茨海默?。ˋlzheimers disease， AD）認(rèn)知功能障礙的康復(fù)治療

AD是老年人群的一種常見(jiàn)疾病，初時(shí)以記憶力減退為主要特征，以后會(huì)逐漸演變并出現(xiàn)定向障礙、情緒和行為改變等癥狀，并伴言語(yǔ)、書(shū)寫(xiě)和步行困難[23]。有研究顯示，利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)的認(rèn)知功能訓(xùn)練可有效改善AD患者的輕度認(rèn)知功能障礙[24]。

Weniger等[25]以29例AD患者和29名健康受試者為對(duì)象進(jìn)行了一項(xiàng)對(duì)照研究，結(jié)果顯示在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中訓(xùn)練，AD患者的空間記憶等均獲顯著改善，且輕度認(rèn)知功能障礙進(jìn)一步加重的趨勢(shì)亦得到有效控制。Plancher等[26]進(jìn)行的類(lèi)似研究也發(fā)現(xiàn)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)訓(xùn)練能有效改善AD患者的認(rèn)知功能障礙。這些研究利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對(duì)AD患者進(jìn)行康復(fù)治療并結(jié)合fMRI檢查等影像學(xué)手段進(jìn)行治療效果評(píng)估，結(jié)果均進(jìn)一步證實(shí)了環(huán)境對(duì)大腦結(jié)構(gòu)的影響和虛擬現(xiàn)實(shí)用于認(rèn)知功能訓(xùn)練的有效性[24-26]。

2.4 用于精神分裂癥認(rèn)知功能障礙的康復(fù)治療

精神分裂癥患者常伴有注意力和記憶力下降、決定困難等認(rèn)知功能障礙，這些癥狀會(huì)嚴(yán)重影響精神分裂癥患者的執(zhí)行功能[27]。認(rèn)知靈活性是執(zhí)行功能的特殊表現(xiàn)，是個(gè)體行為的重要組成部分。Han等[28]讓精神分裂癥患者在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中為去參加會(huì)議選擇乘車(chē)路線(xiàn)并進(jìn)行相關(guān)評(píng)估，結(jié)果顯示精神分裂癥患者的認(rèn)知靈活性顯著差于健康受試者，但經(jīng)康復(fù)治療后能得到一定程度的提高。Tsang等[29]認(rèn)為，認(rèn)知功能障礙還會(huì)嚴(yán)重影響精神分裂癥患者回歸工作，而利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，精神分裂癥患者的認(rèn)知功能可獲一定改善。

2.5 用于其他腦損傷疾病認(rèn)知功能障礙的康復(fù)治療

腦癱是一種非進(jìn)行性的腦損傷疾病，其患者的運(yùn)動(dòng)功能和認(rèn)知功能均受到嚴(yán)重?fù)p害[30]。有研究顯示，利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練可增加任務(wù)的趣味性，提高患者治療的積極性，最終達(dá)到改善患者認(rèn)知功能的目的[31-32]。

此外，有研究指出，虛擬現(xiàn)實(shí)可為自閉癥評(píng)估及其治療提供一種新的思路與方法[33]。Didehbani等[34]利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)訓(xùn)練自閉癥患者，發(fā)現(xiàn)能提高患者的社會(huì)技巧等認(rèn)知功能水平。

Yang等[35]對(duì)存在認(rèn)知功能障礙的腦腫瘤患者進(jìn)行了一項(xiàng)臨床對(duì)照試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中訓(xùn)練4周，患者的認(rèn)知功能得到有效提高。

另有研究顯示，虛擬現(xiàn)實(shí)用于帕金森病患者康復(fù)治療，除能有效提高患者的運(yùn)動(dòng)功能外，對(duì)患者的認(rèn)知功能改善也有一定的效果[36]。

3 小結(jié)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)的特征，將虛擬現(xiàn)實(shí)用于康復(fù)治療，由此產(chǎn)生了一種全新的、智能化的、信息化的康復(fù)治療方法。虛擬現(xiàn)實(shí)能為患者的感覺(jué)、注意力和運(yùn)動(dòng)能力等訓(xùn)練量身定制，為患者提供精準(zhǔn)的疾病評(píng)估和康復(fù)治療手段，有利于患者重新學(xué)習(xí)相關(guān)技能，促進(jìn)腦損傷患者的康復(fù)。虛擬現(xiàn)實(shí)在康復(fù)醫(yī)學(xué)、尤其是在認(rèn)知功能障礙的康復(fù)治療中具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，由于生產(chǎn)成本較高，且現(xiàn)還無(wú)大樣本量的臨床對(duì)照試驗(yàn)數(shù)據(jù)，虛擬現(xiàn)實(shí)用于認(rèn)知功能障礙康復(fù)治療的有效性尚未得到充分證實(shí)。今后應(yīng)進(jìn)行更大規(guī)模的研究，同時(shí)結(jié)合fMRI檢查等，以更好地評(píng)估康復(fù)治療效果。

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