虚拟现实技术在卒中后认知功能障碍患者康复中的应用现状及可能机制

王丽坤，杨力凝，白定群

脑卒中是全球第一大致残原因，也是第三大死因，预计2050年卒中的发病率将翻倍[1]。卒中后认知功能障碍(post-stroke cognitive impairment, PSCI)是卒中后一种常见并发症，72%的脑卒中患者并发认知功能障碍[2]，严重影响患者的生活质量[3]。因此，促进PSCI的康复至关重要。传统的认知功能康复训练方式较为单一，对患者感官刺激过少，影响其在PSCI患者认知康复中的效果。虚拟现实技术(virtual reality，VR)是近年迅速发展的一种康复技术，具有沉浸性、构想性及交互性等特点[4]，已逐渐应用于PSCI患者的康复治疗[5-6]。

1 PSCI形成原因及康复路径

1.1 PSCI形成原因 PSCI的发病机制十分复杂，主要包括脑血管损伤、脑神经退行性变、炎症以及氧自由基损伤等机制[7]。卒中后，脑血管损伤导致脑实质受损是PSCI的主要发病机制[7]，急性脑血管损伤通过使神经元坏死导致认知功能障碍，慢性脑血管损伤还可以通过损害神经网络的连接导致认知功能障碍[8]。另外，脑卒中加快或诱发微管相关蛋白神经退行性病变[9]、脑缺血所致炎症反应使脑细胞水肿甚至死亡[10]以及脑梗后缺血再灌注致大量自由基的产生[11]均可能与PSCI的发病机制有关。

1.2 PSCI康复路径 PSCI的康复主要依赖于受损神经细胞的修复和大脑皮质的重建[12]，康复训练通过重复的感官刺激、功能锻炼和一定的训练强度推动以上康复机制，增加大脑的可塑性，从而改善患者认知功能[13]。目前认知功能训练主要依靠治疗师，具有训练周期长、成本高、效果差等缺点。VR训练一方面可以减少人力、物力的成本，另一方面可以通过重复的多感官刺激提高残存神经元的兴奋性，促进受损大脑的功能重建以及形成新的神经网络来改善患者的认知功能，在PSCI的康复中展现出巨大潜力[14-15]。

2 VR技术的特点及用于PSCI的优势

2.1 VR技术的特点 VR是一种利用“用户-计算机”界面的交互技术，可以生成模拟真实事物的虚拟环境，用户通过传感设备与虚拟环境进行自然交互[16]。VR具有“3I”特征，即沉浸性、交互性和构想性[17]，让患者处在视、听、触一体化的虚拟环境中，从而拥有身临其境的感觉。另外，治疗师可以对应用程序进行精准控制，从而进行个性化调整[18]。VR训练还可以得到病人的及时反馈，治疗师可以及时调整训练难度及强度[19]，并且VR训练更有吸引力，能提高患者的康复满意度[19-20]。VR技术模式主要分为沉浸式和非沉浸式。沉浸式VR利用头戴式眼镜，定位器及手柄等对患者进行多感官刺激，让患者产生置身于真实环境的错觉[21]；非沉浸式VR利用电子屏幕、鼠标及键盘等设备，使患者与电子屏幕的环境进行交互从而完成训练任务[22]。目前还出现增强式虚拟现实技术与分布式虚拟现实技术，前者将真实世界与虚拟现实相结合；后者是指多个用户体验同一虚拟环境，他们可以对同一虚拟环境进行操作[23]。

2.2 VR用于PSCI康复的优势 VR用于PSCI的优势可以归纳以下几点：①VR通过视、听、触等多种感官的反馈以及多变的场景提高患者的积极性，增强患者主动康复意愿及康复满意度[24-25]。②可以对患者设计个性化训练方案，并且患者可以通过观看自己的训练视频，进行反思及再学习[26]。③VR可以呈现与现实高度相似的环境，患者可以将训练中学到的技能更好的迁移到真实世界。④VR更利于远程康复，可延长患者康复治疗时间，为患者提供更多康复可能性。⑤VR可与近红外光谱成像技术(Funtional near-infrared spectroscopy,fNIRS)、功能磁共振(functional magnetic resonance imaging, fMRI)、脑电图等技术结合，利于研究患者认知功能改善的机制。

3 VR用于PSCI康复的现状

3.1 VR用于卒中后记忆功能障碍的康复 记忆功能障碍是卒中后认知功能障碍的核心症状，对卒中后记忆功能障碍进行评估和康复训练尤为重要。Brooks等[27]设计了一间虚拟房间，让患者依次移除房间内的家具，随后通过回忆完成的任务来评估患者的记忆功能，研究结果表明相比于传统的记忆量表评估，VR灵敏度更高。

VR也用于记忆功能的训练。Wallet等[28]设计了类似于现实城市布局的VR系统,让患者记忆导航路线，结果提示VR训练后患者的记忆功能得到显著提高。另外，温鸿源等[29]在一项随机对照试验中纳入80例PSCI患者，随机分为对照组和研究组，对照组接受传统的认知训练，研究组在对照组的基础上加上VR训练。VR训练内容包括行走、赛车等项目，患者在治疗师的指导下进行不同场景的体验，随后自由回忆训练中发生的细节。结果表明，训练后研究组在图片再认、即时回忆、延时回忆的功能改善均高于对照组。

根据目前的研究来看，VR对PSCI的记忆训练主要以情景记忆训练为主，让患者可以更好的将获得的记忆能力运用于生活中。记忆功能主要分为前瞻性记忆与回顾性记忆，当前的研究主要集中于后者，但前瞻性记忆对日常生活的作用也至关重要。有研究利用补偿措施改善前瞻性记忆，但效果较差[30]，因此需要能与现实相容，具有生态效度的办法，VR便可以达到上述要求，但相关VR系统仍较少，因此将来需要更多改善前瞻性记忆、整合前瞻性和回顾性记忆的VR系统。3.2 VR用于卒中后执行功能障碍的康复 执行功能是指高级认知功能对低级认知功能的调节和控制，卒中患者经常伴有执行功能障碍。Ana Lúcia Faria等人[31]设计了一款名为“Reh@City”的VR系统，将18名卒中患者分别分配到VR组和传统组。VR组的病人在类似城市的VR环境中完成购物、买药、取快递及在银行完成交易等日常生活能力训练；传统组通过纸、笔完成拼图、形状分类等常规的认知功能训练，结果表明VR组的病人在执行功能方面表现的更好。后来Faria等人[32]将上述软件改进，设计了“Reh@City2.0”版本，该版本增加了在服装店买衣服、在公园游玩、在报亭阅读报纸及在家完成摆放家具等任务。并且在虚拟场景里，患者是通过自己的手臂来完成这些任务，进一步提高了训练的生态有效性。该研究将36名卒中患者分别分配到VR组和传统组，VR组进行“Reh@City2.0”的VR康复训练，传统组利用全球通用的任务生成器(the task generator, TG)为参与者生成个性化的纸-笔认知康复训练计划，结果表明两组患者执行功能均改善，但组间比较提示VR组改善更明显。

目前国内外关于VR用于卒中后执行功能障碍相关研究偏少。已有研究表明VR可以用于颅脑损伤患者执行功能的评估[33]，但VR用于卒中后执行功能评估的系统还有待进一步发展。另外，目前用于执行功能康复的VR训练系统场景较为单一，需要多场景、多模块的VR康复训练系统去改善患者的执行功能。

3.3 VR用于卒中后注意功能障碍的康复 注意功能障碍是卒中后患者常见并发症，包括分散注意障碍、持续空间障碍及空间忽视等，对患者生活及工作造成严重影响[34]，因此对注意功能的评估与康复训练非常重要。Ogourtsova等[35]设计了一款超市购物的VR场景，通过记录、观察患者购物时行走的路径与理想路径的偏差以及购物时长对患者进行评估，结果表明，相比于传统的纸笔测试，VR对卒中后空间忽视的评估更为敏感。随后，Villarreal等[36]开发了“Ball Rain” 系统来测试卒中后患者空间忽视，再次证明VR相比于传统纸笔试验，可以更有效的评估患者的空间忽视。

VR也被广泛用于卒中后注意力障碍的康复训练。Morse等[37]设计了一套远程VR康复系统对空间忽视患者进行训练，结果提示VR可以提高患者对康复的自信和生活独立性，也证明这种远程的VR康复形式是能被接受的。随后，Martina等[38]在一项随机对照研究中纳入30名PSCI患者，随机分为VR组和传统组，结果发现VR组患者注意力得到明显改善，并且这种改善在随访中仍然存在，意味着患者通过VR训练不仅可以改善注意力，还可以将他们在VR训练中学到的知识融入到他们以后的日常活动中。Wåhlin等[39]在一项小样本研究中，利用特征性注意力网络机制为卒中患者专门设计了一款VR系统，对13名卒中后空间忽视的患者进行为期5周的训练后，利用fMRI对患者双侧大脑间的功能连接进行检测，结果显示患者双侧大脑半球间静息状态注意网络功能连接在训练后增强，证实了VR可以通过促进大脑重塑从而改善卒中后空间忽视。

通过上述研究中可以看出VR对注意力的训练已进入高速发展阶段，并且通过与fMRI等影像学技术结合，使VR的训练效果得到更客观的评估。但目前对注意力的训练还主要集中在对空间忽视的改善，很多卒中后患者也存在其他注意障碍，因此需要更多针对不同类型注意力障碍的VR系统。

3.4 VR用于卒中后总体认知功能障碍的康复 卒中患者脑区往往会广泛受损，认知功能的损伤也是多方面的，不仅仅局限于某一种认知功能减退。Spreij等[40]在一项研究中让卒中患者在虚拟超市购物，在货架上找到指定的商品并且付款，随后对参与者的完成度以及参与感进行问卷调查，结果表明利用VR对患者进行认知功能评估是可行的。VR也用于总体认知功能训练。任应国等[41]在传统的认知康复训练基础上进行VR训练，在每天1次，连续4周的训练后，评估患者的认知功能，结局表明VR训练能有效改善PSCI患者的认知功能。VR也常与其他康复训练方式联合。张红利[42]等将头针与VR联合改善PSCI患者认知功能，结果提示头针联合VR能有效提高PSCI患者认知功能及日常生活能力。Torrisi等[43]纳入48名卒中患者，分别进行传统认知训练和上肢机器人联合VR训练，在每周5次，共8周的训练后，机器人联合VR训练组在注意力、执行力及视觉空间能力方面得到更好的改善。在另一项更大的实验中，Manuli等[21]纳入90名卒中患者，随机分配到下肢机器人联合VR认知训练组，单纯VR训练组以及传统认知训练组。在VR训练任务中，患者需要避开或者收集在虚拟环境中移动的物体，结果提示下肢机器人联合VR认知训练组的患者在认知灵活性、选择注意能力及视觉注意能力方面的改善优于其他两组。柏玲等[44]将VR与低频重复经颅磁刺激(repetitive transcranial magneticstimulation,rTMS)联合来改善卒中后认知功能障碍，结果表明相比于单纯的rTMS，VR联合rTMS对患者认知功能改善更明显。

上述研究表明，目前已初步探索VR用于认知功能的评估，但相关VR系统情景较为单一，将来需要开发具有多模块的VR系统对总体认知功能进行评估。在对认知功能康复训练的报道中，多数是利用VR联合运动功能进行认知功能训练，通过运动和感知觉的多种刺激促进大脑的神经重塑，相比于传统认知康复具有更好的效果。但单独的VR训练对认知功能的改善是否优于传统训练还存在争议，部分研究报道[17, 45]VR对卒中后认知功能障碍有积极作用，但与传统的治疗相比，结果没有统计学意义。因此需要更多的实验来验证VR对卒中后认知功能障碍的作用。

4 VR用于PSCI的可能机制

卒中后认知功能恢复主要依赖于神经可塑性，而VR提供的安全性、个性化及多感官刺激的环境可以形成有效的康复环境[46]，从而提供神经可塑性的必要因素(及时反馈、多次重复、高强度和特定任务的训练)，这些因素可以加强与加速神经可塑性[47]。Salmin等[48]对大鼠进行多次VR训练后，发现大鼠海马体中干细胞和祖细胞神经球的成形能力得到显著提升，证明VR训练可以通过促进神经元的再生和树突的增加改善小鼠的空间学习和记忆能力。温鸿源等[29]发现VR训练可以促进PSCI患者海马区脑组织代谢，提示VR训练可以通过促进组织代谢提高神经元的修复。VR的作用不仅在细胞分子水平被证实，在大脑结构水平也被证实。Effect等[49]的研究中，对接受了VR训练的卒中患者进行fMRI扫描，结果发现大脑间功能连接较训练前增多。另外，VR还可以通过激活镜像神经系统从而促进神经功能恢复[50]。目前关于VR改善认知功能的机制研究仍偏少，未来需要更多的研究探讨VR改善认知的机制，从而进一步理解VR的作用机制，以便更好的利用和推广VR.

5 未来展望

虚拟现实作为一种新技术，对记忆力、注意力、执行力等方面的效果优于传统认知康复，可以提高患者的积极性，增加患者的参与度，并且便于个性化方案的实施，在卒中后认知功能康复上具有较大潜力。但VR用于卒中后认知功能训练仍存在很多局限。

首先，目前针对PSCI的康复系统较少。目前用于康复的VR软件分为商业VR系统和特制VR系统，前者使用更多，但其在设计上难以符合临床需要，特制康复VR系统在我国较为缺乏，多数为国外引进，并不符合我国患者情况。因此将来需要研发更多针对卒中后认知功能障碍病人且符合我国患者特征的VR康复系统。其次，部分患者不能耐受VR训练。治疗中部分患者会出现晕动症、疲劳感、眼部不适等不良反应，这种现象在沉浸式虚拟现实训练中更为显著，一方面这与患者的视觉与本体感觉存在差异有关，另一方面也与目前VR系统的灵敏度较低有关，这些不良反应可能给患者带来更多的健康问题。另外，目前沉浸式虚拟现实训练多为头盔显示器，这会加重患者训练时的负担，缩短患者可以耐受的VR训练时长。因此，将来还需要在硬件上减少穿戴设备，软件上提高传感灵敏度和画面分辨率从而减少患者不良反应。最后，目前关于VR用于PSCI的研究存在质量参差不齐，对机制研究不足等局限性。将来需要更多大样本、多中心、双盲及随机对照的临床数据，提高研究结果的准确性与可信度。将来的研究不仅应关注患者的临床结果，还应进一步探究患者脑部神经细胞，神经网络的变化，还可以通过动物试验更进一步探究患者大脑病理结构的改变，从而深层次探究VR对PSCI改善的机制，利于优化VR系统及提高患者康复效果。