虚拟现实技术缓解急性疼痛的作用机制及应用进展

张 扬，林燕珊，安春燕，林洁慧，邓华好

疼痛是临床上常见的疾病症状之一，根据持续时间的长短将疼痛分为急性疼痛和慢性疼痛，相较于慢性疼痛，急性疼痛在日常生活中更为常见。急性疼痛是指因物理、化学、创伤和感染等引起的急剧、短暂性疼痛，一般持续时间≤6周[1]。相关文献指出，临床上84%的病人因为急性疼痛寻求医疗帮助[2]。目前，临床上病人疼痛管理的首选方案是采用镇静类药物，然而药物治疗存在较多副作用，如药物依赖性、耐药性、过度镇静、恶心呕吐，甚至侵入性镇痛方式存在感染和呼吸抑制的风险[1]。因此，美国疼痛协会和麻醉师协会建议尽快找到能缓解急性疼痛的替代方式[3]。虚拟现实技术(virtual reality,VR)是一项新兴技术，用户可以通过沉浸于虚拟环境中的方式起到分散注意力的作用[1]。该项技术最早于20世纪90年代被国外学者用于烧伤病人疼痛管理，并有效缓解了病人的疼痛感[4]。然而，该项技术在我国还处于临床应用起步阶段。现从VR技术简介、缓解急性疼痛的作用机制、急性疼痛评估工具以及应用现状方面进行综述，以期为VR技术在病人急性疼痛管理中的推广和应用提供理论参考和依据。

1 VR技术简介

1.1 VR技术相关概念 VR技术是一种模拟真实世界创造出3D虚拟环境的计算机仿真系统[5]。将该系统与硬件设备结合，如头盔式和眼镜类显示器，体验用户可以通过输出设备沉浸于模拟环境中，让用户真真切切地感受到虚拟环境中物体，仿佛身临其境[5]。VR应用涉及多个学科，应用领域不同，其相应的作用功能也不同。根据沉浸式体验角度分为交互式体验和非交互式体验，两者区别在于非交互式体验的所有内容均为提前规划好，体验用户不能通过任何操作去改变环境，也就是不能与模拟环境进行交互和互动；而交互式体验系统用户可以在体验中通过游戏手柄、数据手套、模拟战斗机等去感受环境的变化，沉浸感更强烈[6]。VR根据系统功能角度分类，包括规划设计、展示娱乐、训练演练等，规划设计可用于新产品的实施，减少实验支出；展示娱乐适用于观赏体验，如灾难现场体验、3D游戏；训练演练包括情景教学、术前访视、手术训练等，用户可以根据自身需要进行功能选择[7]。

1.2 VR技术发展史 VR最早始于20世纪60年代。1957年，Morton Heilig首次提出可以多感官体验的全影电影，标志着沉浸式体验技术的开始[7]。1961年，菲尔特公司推出了一款头戴式显示器，用于军事训练中的监视与跟踪项目[7]。1965年Ivan Sutherland开发了第一台与电脑相连的头盔式显示器，率先实现用户可以与仿真环境进行交互[7]。1989年VR概念由Jaron Lanier首次提出，并创造了“虚拟现实”一词。随后逐渐被国内外学者应用于军事、娱乐、医学、航空和教育等多个领域，并取得了良好的成效[8]。

2 VR技术缓解急性疼痛的作用机制

VR技术在病人疼痛管理中的有效性虽然已经得到大部分学者的认同，但其作用机制尚不明确[9]。以往较多学者认为VR技术在缓解疼痛方面发挥的作用主要归结于沉浸式体验较传统的注意力分散方法，具有更强的注意力分散作用[10]。目前，国内外学者共提出了2种作用机制，包括认知加工机制和情绪加工机制，认知和情绪是调节疼痛知觉的重要因素[11-12]。认知加工机制的理论基础是认知资源有限理论，即当疼痛与其他刺激或任务同时出现时，多种刺激相互竞争，疼痛所占据的注意力资源就会被削弱，痛感也会因此减弱[11]。伴随着急性疼痛的病人，一般存在紧张和焦虑情绪，而消极的情绪又会加重痛感[12]。VR技术沉浸式和交互式体验特点可以让病人通过感受仿真的轻松美好环境去改善不良情绪，从而达到缓解疼痛的目的[13]。

脑神经层面也支持了两种调节机制，研究显示专注于疼痛感的病人较注意力被削弱的病人其脑成像显示疼痛相关脑区(前扣带回、初级躯体感觉皮层及脑岛)活动更强[14]。神经影像学结果显示，情绪的改变会影响疼痛相关脑区皮层活动[15]。有研究显示，当病人在体验消极模拟环境时，病人的疼痛脑区皮层活动更明显，痛感也随之加强。这一原理也解释了市场上的虚拟现实环境大多都是温暖美好的。也有研究者提出一个有趣的机制，认为VR技术能有效缓解疼痛，是因为佩戴的VR设备一定程度上阻止了疼痛的刺激[16]。

3 VR技术对急性疼痛治疗的应用现状

3.1 急性疼痛评估工具 准确评估是控制疼痛的第一步。疼痛的评估常常受到评估时机、外界环境、主观性偏差、个体差异等因素影响，且急性疼痛因反应剧烈、持续时间短等特点加大了评估难度。因此，掌握急性疼痛各类评估工具特点和适用范围对于临床病人的疼痛管理尤其重要。查阅近10年国内外文献显示，VR技术对急性疼痛治疗的效果研究中常用的急性疼痛评估工具主要分为3类，包括生理指标评估，如心率、血压、血氧饱和度；阿片类药物使用总量以及疼痛评估量表，其中包括面部表情量表，如Wong-Baker量表、面部表情疼痛量表(Faces Pain Scale，FPS)、面部情感尺度(Facial Affective Scale，FAS)，视觉模拟量表(Visual Analog Scale，VAS)、色彩模拟量表(Color Analog Scale，CAS)、数字评定量表(Number Rating Scale,NRS)、儿童疼痛评估量表(Children′s Eastern Ontario Hospital Pain Scale,CHEO)、行为评估量表(Face,Legs,Activity,Cry,Consolability Behavioral Scale,FLACC)[1]。

面部表情评估量表是由评估对象选择能代表疼痛强度的面部表情进行疼痛评分，此类量表由于形象生动、简单易懂及评估时间短等特点，最初用于儿童病人的疼痛评估[17]。后由Backer等修改后用于老年病人的评估[18]。NRS量表是在VAS量表基础上发展而来，两者均广泛应用于成人病人[1]。VAS量表需要病人具有较好的抽象思维，需要病人用笔做标记，不适合感知觉能力及运动协调能力差的病人，需要随身携带笔和尺子，而NRS只需要病人说出或写下数字即可，较VAS更加方便，但不足之处是该量表难以捕获具有复杂性和特异性疼痛感受。CAS量表即在VAS基础上加入了色彩成分，使得量表展示形式更加鲜明。CHEO量表是国外一种儿童疼痛评估专用量表，CAS和CHEO两种量表目前尚未在国内相关研究中查到。FLACC量表是一种简单有效的评估工具，适合于不能进行主观评估或行为受限的危重症病人，量表内容包括面部表情、腿部、活动、哭及安慰维度。建议将此量表纳入全麻病人术后疼痛强度的常用量表[19]。

3.2 VR技术在手术病人中的应用 手术病人由于医源性操作在术中或术后会经历一段时间的急性疼痛。部分门诊小手术病人因各种原因常常会选择局部麻醉，甚至不使用镇痛药物[20]。术后的伤口痛以及手术过程中的操作痛是病人术前恐惧焦虑，术后一段时间生活质量下降的重要因素。因此，找到有效的非药物镇痛方式非常必要。多项研究证明VR技术可作为有效缓解手术相关疼痛与焦虑的辅助工具[14]，尤其在局部麻醉手术和骨科手术术后的镇痛效果突出[14]。Jahanishoorab等[21]将VR技术应用在会阴切开术的初产妇中，结果显示术中和术后干预组疼痛程度低于对照组，且具有统计学差异。Chan等[22]的一项类实验研究中将选择局部麻醉方式的骨科手术病人采取非随机的方式分为VR组和常规组，VR组在手术开始前5 min戴上VR设备，病人在术中通过设备可以听到舒缓的古典音乐，看到唯美的“冰雪世界”画面。结果显示，手术结束后干预组使用镇静药物总量远远少于常规组。另一项研究将VR作为成年男性病人全膝关节置换术前置入导管时的镇痛方式，也取得了良好的效果[23]。

此外，VR在减轻术后疼痛方面也取得了不错的疗效[24]。有研究发现，VR在心脏手术术后伤口疼痛管理方面疗效突出，术后待病人病情稳定后予头戴式VR显示器，里面包括梦想城堡、魔法森林、冰雪世界以及开车、步行、骑自行车等虚拟现实画面，结果显示VR有效缓解了术后疼痛和焦虑，且生命体征也较未佩戴VR设备的病人稳定[24]。VR不仅在成人手术病人疼痛管理中发挥了重要作用，在儿童病人中也取得了不错的成效[25]。国外一项个案研究报道，为一名16岁脑瘫儿童进行物理治疗时，佩戴VR设备时儿童的情绪和依从性更好[25]。以上说明VR可作为手术病人疼痛管理的有效辅助工具。但寻找方便手术病人佩戴的VR设备及合适的虚拟场景仍有待研究。

3.3 VR技术在牙科病人中的应用 尽管近年来牙科技术得到了较快发展，但仍然有部分病人由于畏惧治疗中的疼痛而延迟就医，甚至是拒绝治疗。治疗拖延会增加牙齿问题，导致所需侵入性操作更多，畏惧就医感更强[26]。牙科治疗常用的止痛方法是采用局部给予镇痛药，但据相关研究显示镇痛药对于牙痛的效果并不明显[27]。VR可以从视觉和听觉上隔离病人对于疼痛感的注意力，在儿童和成人牙科治疗方面均起到了良好效果[28]。Tanja-Dijkstra等[29]邀请69例研究对象参与一个模拟的牙科体验，随机分为主动组、被动组以及对照组，主动组佩戴VR眼镜，被动组观看大屏幕电影，对照组予常规的牙科操作，实验结束后1周对69例病人进行调查，结果显示主动组表示是一次愉快的体验，对于牙科手术并不排斥。被动组表示有轻微的畏惧牙科治疗中的疼痛，对照组表示拒绝牙科操作。一项随机对照研究中，试验组采用VR辅助4～6岁儿童进行牙科操作，对照组采用常规的心理指导和情感支持，结果显示试验组的儿童术中疼痛程度和术后恐惧感远远低于对照组[28]。

VR作为一种分散注意力工具，可以缓解牙科手术中的疼痛和焦虑。但也有研究指出，部分儿童在佩戴VR眼镜和头罩时感到恐惧、孤独，原因可能是视觉和听觉与外界隔离导致儿童缺乏安全感[30]。未来的研究可以从以下两点进行探讨：①不同种类VR对儿童情感支持的影响；②VR是否可以降低因畏惧疼痛而选择延迟治疗的病人比例。

3.4 VR技术在烧伤病人中的应用 为预防感染及促进伤口愈合，严重烧伤病人需日常进行伤口的护理，包括去除绷带、伤口清洁/清创(即死亡组织和异物清除)、消毒伤口及绑绷带[10]。日常伤口护理之余，为防止皮肤挛缩及关节活动减退，需定期进行物理康复治疗[10]。阿片类镇痛药是烧伤病人疼痛的主要治疗方法，但药物止痛存在较多副作用，如便秘、恶心、呕吐、嗜睡、头晕和瘙痒等，由于病人个体化差异，很难保证止痛药的镇痛效果[1]。儿童病人常常由于不能忍受疼痛拒绝治疗，导致发生感染、伤口难愈合等问题。Hoffman等[31]于1998年首次将VR应用在3例儿童烧伤病人疼痛管理中，研究结果显示VR不仅可以减少烧伤引起的纤维肌肉痛，还能缓解伤口换药的剧烈痛。随后多项研究也证实了该观点[14]。另有研究显示，VR不仅能缓解烧伤病人的疼痛，还能减轻焦虑和改善积极情绪[32]。在物理治疗过程中，使用VR不仅能缓解疼痛，还能帮助病人进行肢体运动康复[32]。

尽管VR在烧伤病人的疼痛和康复管理中益处多多，但也存在着局限和不足。例如现有的VR设备均不适合头部烧伤病人，需设计一种头部烧伤病人专用设备。大多数关于烧伤病人的研究中采用的都是传统的VR系统，尚未开发专门用于烧伤病人的VR场景。烧伤病人应采用“冰雪世界”等模拟冰冷环境，这样可以与烧伤事故场景记忆形成对比，从而缓解烧伤疼痛。另外，还可以设计适合儿童体验的3D游戏，例如“迪士尼小鸡”“速度需求”等，根据不同的年龄和智力设计不同的场景[14]。以上将是未来研究的方向。

3.5 VR技术在注射镇痛中的应用 皮下注射、肌肉注射、静脉穿刺以及抽血等注射痛是诊疗过程中常见的急性操作性疼痛。因疾病原因需长期注射治疗的病人不仅承受着生理上创伤，心理上也会产生应激性恐惧，甚至治疗结束后较长一段时间仍然存在疼痛记忆。由于注射痛具有急性、作用时间短等特点，并未引起医护人员的重视。近年来，随着VR技术的发展与推广，国外陆续有学者尝试将其应用在注射病人中。Gold等[33]将VR应用在儿童中心静脉导管置入术中，20名儿童被随机分到两组，试验组为VR+局部麻醉，对照组仅局部麻醉，在穿刺前和穿刺后对两组进行疼痛评估，结果显示，试验组穿刺后的疼痛评分较穿刺前无明显变化，但对照组穿刺后疼痛评分较穿刺前增加了4倍。在一项早期的研究中，发现VR干预并没有显著减少儿童病人在常规抽血期间的疼痛和焦虑[34]，但是在近期的一项随机对照试验中发现VR技术在儿童和成人抽血病人均起到了显著的镇痛效果[35]。分析原因可能是早期研究中选用的VR场景比较单一，不足以吸引病人的注意力，而近期研究中VR场景更丰富，交互性更强，病人沉浸式体验更好。另外，也有研究分析了VR镇痛效果与年龄、性别和注射次数的相关性，结果显示无显著性差异[14]。说明VR技术在注射痛中的应用具有一定的普适性，但是需要选择适合有效的虚拟场景，目前并未查到关于注射痛中虚拟场景设计相关文献，这将是下一步研究方向。

4 不足与建议

VR技术在病人疼痛管理方面的作用虽然已被多项研究证实，但作为一项新兴技术仍存在很多不足。首先，VR技术在急性疼痛方面的作用机制尚存很多争议[9]，现有的神经影像学研究较少，未来还需要大样本量研究来证实脑神经机制。现有的评估工具主要以疼痛评估量表为主，主观性太强，评估结果容易受到评估时间、评估方式和环境因素影响，缺乏客观指标的评估。未来研究可以尝试使用情绪识别系统、生物反馈系统等识别病人的生理和情绪变化，客观地反映病人的疼痛程度。由于VR干预的特殊性，试验研究几乎难以实现双盲，未来需要单盲、完全随机对照试验研究，并对病人进行重复干预，以评估VR的长期效果。另外，还需要进一步研究来确定VR干预效果的预测因素，帮助选择可能获益最大的病人人群VR硬件供给及资源选择也存在较多问题。

目前最普遍的VR显示器是头戴式显示器，尽管头戴式显示器大小可调节，但不适合所有病人人群，例如头部受损病人。另外，头戴式显示器在医疗机构使用中也会增加医源性感染发生概率。如增加VR设备数量，又会增加医疗成本。因此，VR设备的创新与成本控制是未来研究首先需要解决的问题。随着VR技术的发展，VR资源越来越丰富，但虚拟场景未根据不同病人需求进行专门研发。不同场景对病人的有效性可能存在偏差，建议未来资源开发研究将病人需求及年龄、性别、文化和喜好风格纳入考虑因素。