沉浸式VR技术在认知障碍康复中的应用

李文惠 黄凯轩 赵立功 孙增鑫 白素萍

(1邢台医学高等专科学校康复教研室，河北 邢台 054000；2河北工程技术学院体育工作部；3石家庄学院体育学院；4河北省人民医院康复科；5河北师范大学附属民族学院公体部)

据统计，我国认知障碍患者每年约增加30万例〔1〕。认知是人在认识客观事物的过程中，对感觉信息的获取、编码、操作、提取和使用。认知过程包括感觉、注意、思维、记忆、言语和执行，其中的任何环节出现问题都会导致认知障碍。认知障碍包括认知觉障碍和知觉障碍，常见的认知觉障碍有记忆力障碍、思维及推理能力障碍等，患者表现为难以集中注意力、记忆力差、智力低下等；常见的知觉障碍有失用症、失认症、躯体构图障碍、空间关系障碍等，患者表现为不能通过视觉、触觉和听觉等识别患病前熟悉的颜色、形状、物体、面容、声音等，不认识自己的身体部位，不能识别方位和地形、不能分辨距离和深度，平衡协调不良，运动控制差等，不会穿衣或吃饭、不会使用洗漱用具等，生活质量很差〔1〕。

造成认知障碍的因素很多，包括脑损伤或老化、发育因素、遗传因素、疾病、环境、酒精、药物、放射线因素及有毒物质等。多种疾病会伴有认知功能障碍，如阿尔茨海默病、脑卒中、颅脑外伤、脑部肿瘤、脑部感染、糖尿病、心脏病等，也包括精神疾患如神经衰弱、抑郁症、躁狂症、更年期综合征等〔2,3〕。

认知康复训练对患者功能障碍的改善和生活质量的提高有重要的临床意义。认知干预包括训练具体的实践技能和采用补偿策略。许多认知障碍患者由于不能充分理解训练要领，缺乏训练动力，难以很好地执行训练方案，更重要的是，目前的认知训练及其改善对日常生活功能预后的转移效应缺乏一致性证据。近年来，随着科技的日益发展，认知障碍康复领域出现了多种辅助手段，如虚拟现实(VR)技术、经颅磁刺激、计算机辅助训练等〔4〕。其中，沉浸式VR康复训练更易与日常生活活动相结合，促使认知训练获得更大的转移效应。

1 沉浸式VR康复技术

1.1VR技术 VR技术产生于20世纪60年代，是数字多媒体、计算机图形、模拟仿真技术、网络、传感及人工智能等多种技术相融合而发展起来的计算机新技术，也被称为人工环境和灵境技术。该技术应用计算机生成特殊的虚拟环境，用户应用各种装置将自己投射到该环境中，并对该环境进行操作和控制〔5〕。

近年来，随着计算机技术的快速发展，VR技术已被广泛应用于医学、娱乐、艺术、教育、建筑、军事、商业等领域，极大地促进了社会的发展〔6〕。在医疗领域内，VR技术被用于医学教育、康复训练、手术模拟等方面。VR医学奠基人凯斯认为，医学已进入虚拟现实、人工智能、精准医疗时代〔7〕。

1.2VR技术的主要特征——沉浸性 VR是一种可创造、交互和体验的技术，它注重媒体的丰富度、用户的感官体验、环境的存在感和自我开放度〔8〕，具有沉浸性、交互性、构想性、多感知性和自主性的特征〔5〕。VR技术最主要的特征是沉浸性，计算机软件在虚拟三维空间里仿真建立一种虚拟场景，通过人与VR环境的交互，使用户全身心地投入VR环境中，用户感觉自己就是计算机所创造的VR环境的一部分，如同真实世界一样造成心理沉浸，产生思想共鸣。VR技术的沉浸性取决于计算机软硬件技术和用户的感知系统，用户感知系统包含运动觉、振动觉、视觉、触觉、嗅觉和味觉等〔9〕。沉浸性客观、可测、可控，是VR技术层面的重要目标，影响用户在VR环境中的体验和存在感〔10〕。

VR技术可分为非沉浸式、半沉浸式和全沉浸式三类，用户对VR的沉浸程度分为参与、专注及完全沉浸三类。参与是指用户投入时间、精力和注意力，掌握VR操控技术；专注指用户受VR环境的影响，淡化了自我意识和对外界的感知；完全沉浸则是用户全身心地投入VR环境，完全切断了对外界的感知〔10〕。

用户在VR环境中的存在感包括三个方面：其一为临场感，即身临其境的感觉，是VR技术最基本的感受；其二为共存感，为心理上的一种交互现象，指用户能够感知他人和他人对自己的感知；第三为社会存在感，指互动中他人参与和人际关系的显著度，交互环境越真实、越丰富，社会存在感越强〔8〕。用户沉浸在VR环境中，通过与周围物体互动，获取新知识，提高其感知觉和理性认识，拓宽自己的认知范围，产生新想象〔8〕。

交互性是指用户与VR环境中的各种对象之间的互动性，是评定VR用户存在感的指标。用户能操作VR环境中的物体，并能得到反馈，例如用户对VR环境中的物体主动发力，物体就会移动、翻倒或者发生形变〔8〕；用户去触碰VR环境中的物体，手能够感受到。VR的软硬件技术决定了其可操作程度和环境反馈的自然程度〔11〕。

1.3分类 根据呈现模式不同，VR可分为桌面式、完全沉浸式、分布式和增强式〔12〕。

1.3.1桌面式VR系统 个人计算机或低级工作站运行，显示屏是VR世界的窗口，用户通过鼠标、键盘、摇杆或力矩球等与VR系统交互。因该技术成本较低，所以目前应用较为普及，常用于建筑设计、桌面游戏、康复治疗、计算机辅助设计和辅助制造等。但其功能简单，且用户易受到外界环境干扰，难以完全投入〔13〕。

1.3.2完全沉浸式VR技术 完全沉浸式VR技术效果最好，用于教育培训、娱乐、康复治疗等，它包括头戴式、洞穴式等类型。头戴式VR是用户借助头盔显示器、数据手套、位置跟踪器等设备，确保其身体运动与环境反馈精确匹配，在图形加速器和高性能工作站运转下有效地屏蔽外界干扰，沉浸于VR环境中，并与其交互，受到视觉、听觉、触觉等多感官刺激。目前头戴式VR技术类型较多，沉浸性、功能和成本等也有较大差距。洞穴式VR是在一个封闭房间内利用投影设备将虚拟场景投射到周围墙屏，从而避免外界干扰，用户利用操纵手柄和立体快门眼镜交互，具有高度沉浸性〔14〕。

1.3.3分布式VR技术 由多台计算机组成一个大型网络，其中的每台设备同时加入一个虚拟空间，多个用户利用远程网络交互，共同完成更复杂多变的任务。该技术是沉浸式VR技术的进一步发展，目前被广泛应用于娱乐、军事、医学中。在康复临床，借助人机互动，医生和治疗师能通过计算机反馈采集更准确、更贴近患者实情的评定结果，从而制定出个性化康复治疗方案〔15〕。

1.3.4增强式VR技术 增强式VR技术又称增强现实(AR)或混合现实系统，AR不仅可利用VR技术模拟现实世界，还可在真实场景中叠加计算机生成的VR物体或系统提示信息，对现实起到“增强”效果，从而建立用户、VR环境和现实世界三者之间的交互反馈信息回路，增强用户体验真实感〔16〕。

2 沉浸式VR康复技术在认知障碍康复中的应用

认知功能障碍的康复是康复医学界的重要课题，近年来，众多学者开始关注沉浸式VR技术对认知的影响〔17～19〕。沉浸式VR技术可给患者提供安全有趣的训练环境，并能及时反馈。研究发现沉浸式VR技术在改善患者的注意障碍、记忆障碍和视空间关系障碍方面效果显著。有研究将60例轻度认知障碍者随机分为单纯针灸疗法组和针灸疗法结合沉浸式VR人机交互日常生活活动(ADL)训练组，结果发现沉浸式VR组的蒙特利尔认知评估量表(MoCA)和简明智力状态检查量表(MMSE)评分明显提高。对急性创伤性脑损伤患者在沉浸式VR环境中进行注意力训练的研究也发现患者康复训练的兴趣高，注意力更持久〔17，18〕。

完全沉浸式VR技术使用户被虚拟环境所包围，有效地与物理现实相隔绝，并诱发存在感，增加用户的参与度。它可以使认知训练更容易与日常生活功能相结合，促进训练的转移效应。

2.1多感官刺激的认知训练 认知受损患者沉浸在电脑生成的VR环境中，接受多感官的刺激(包括视觉、听觉、触觉、运动觉、振动觉等)，并与VR环境互动，从而获得认知能力的提升。理想的VR技术应具备人类所有的感知觉功能，这需要计算机技术高度发展〔20〕。

为提高患者的认知能力，VR给予患者广泛的体验，包括多感官的感觉刺激、全方位的刺激环境、非物理环境的外部刺激、生动丰富的感觉信息、用户移动与系统信息匹配等。VR技术通过提升图像帧的速率、画面的真实度、触觉的反馈程度、声音的环绕度、身体的参与度等提高患者的存在感。VR辅助技术有动作捕捉仪、平衡训练设备、数据衣、数据手套、远程康复系统、3D眼镜、传感器、康复机器人、可穿戴设备及步态训练系统等〔21〕。

当前，多数VR技术的感知功能仅限听觉、视觉、触觉和运动觉〔22～24〕。最近，研究者开发了振动式体感诱发电位刺激系统，通过特定的脉冲驱动信号使体验者产生类似真实的多种形式振动，从而达到有效的体感刺激〔15〕，研究者实时检测虚拟控制点的位置，调整控件尺寸、透明度、旋转角、用户头部移动位置与交互平面中线之夹角，使用户能更舒适地查看信息，增强体验感〔15〕。根据用户的认知习惯和使用场景，VR系统可自行视觉校正，从而使用户可以从合理的视觉位置开始体验VR，减少操作，优化体验〔15〕。研究者通过测量心率、皮肤电流等生理指标及问卷调查发现，用户的沉浸程度与该用户的性格特征具有相关性〔25〕，但是在康复医学领域内，有关VR沉浸感与患者行为能力之间相关性的研究较少。

2.2较传统认知训练的优势 传统意义上，治疗师常采用图卡、词卡、实物、纸和笔等进行认知训练，训练形式单调，趣味性差，患者依从性差，训练效果也不明显。沉浸式VR康复技术能够刺激并增强患者的感知觉，使患者乐于训练，提高对训练任务的参与度和享受度。系统可根据训练目的、病人的爱好及病情特点设计出多种有效的训练方式，并能模拟患者的ADL环境生成各种患者熟悉的VR环境，训练过程中还伴有及时反馈和激励措施，使认知训练更加个性化，更具吸引力〔26〕。研究发现，与传统的纸笔训练相比，沉浸式VR技术给予认知障碍者更多安全感，患者的焦虑和疲劳感较少，依从性较好，能够有效改善患者的注意力、记忆力、空间知觉等，减轻患者的认知觉障碍和感知觉障碍，提高患者的生活质量〔25〕。

2.3认知功能评估 康复评估是康复医学必不可少的部分，是进行康复治疗和疗效判断的主要依据，VR技术可将功能评估与康复训练融为一体。VR评估具有自主性，可贯穿康复治疗全程，能够及时发现训练中的问题，纠正错误的训练方法，指出训练时的注意事项。VR评估可全面评价患者的身体状况，从而指导康复临床，并可随时留存数据，为临床研究提供科学依据〔27，28〕。

VR系统可根据对用户的分析(包括微表情)，自动选择适用量表进行评估。VR认知评估系统还可将MoCA量表与体感传感器的手势识别、语音识别、骨骼追踪、视线追踪等技术相结合〔19〕。研究发现脑电波技术与沉浸式VR技术相结合可有效地改善用户的认知和心理，用户无需进行肢体运动，直接通过脑电波信号控制VR环境，系统通过分析用户的脑电波信号，获得其情感认知信息，使VR环境主动与患者互动〔17〕。有研究使用VR系统评估脑损伤后患者的认知功能，研究者设计了一个虚拟厨房和30项任务，分别测评患者的反应速度、逻辑顺序和解决问题能力等，对照研究后得出结论，VR可作为传统评估方法的有效补充〔18〕。通过VR系统可为思维障碍患者提供多种形式的刺激，根据患者的反应，评估其整合信息的能力。研究指出，VR系统可作为轻度认知障碍的筛选工具〔21〕。

2.4认知障碍康复训练 VR可有效改善患者的空间感觉和视空间认知障碍，促进其空间能力的发展。研究者对12例有偏侧忽略的患者进行沉浸式VR训练，VR环境为典型的城市街道，经过一段时间的训练，患者像健康人一样顺利穿过街道，且可自由走动〔29〕。经过VR系统训练的注意障碍患者的注意力容易集中，学习能力提高，在现实世界的行为能力也随之提高〔30〕。对脑卒中患者预期记忆缺失的研究发现，VR训练对患者的时间、行为和事件的预期记忆评估和恢复均有效果〔31〕。对ADL技能缺失的患者，VR系统可提供丰富而安全的环境和训练计划，如使用VR厨房、VR卧室等〔32〕。也有研究发现，VR训练可有效调节老年痴呆患者的情绪和情感〔33〕。

VR用于康复训练主要通过影响训练动机、反馈和重复3个环节，从而使患者习得新技能，提高功能水平。它能够适应不同的康复需求，现已广泛用于老年痴呆、脑瘫、脑卒中、严重烧伤、格林-巴利综合征、多发性硬化症、自闭症等疾病的康复训练(包括危重症早期的康复训练)中，还可用于平衡训练、注意力缺陷、记忆障碍及其他功能障碍的康复治疗中〔30〕。认知障碍康复训练注重的是VR系统能否促进患者习得知识和技能，并将所学知识和技能较好地迁移和泛化〔34〕。

VR用于认知障碍康复训练具有很多优势：①使患者自然地与虚拟对象进行交互；②可根据患者的实际情况，为其提供不同的治疗场景和刺激，从而有针对性地进行康复训练，且该训练可反复观看，重复进行〔35〕；③比治疗师更有一致性，允许用户根据患者情况进行个性化设置，将功能评定、康复训练与心理治疗有机结合；④可提供多形式的反馈信息，使枯燥的康复训练更容易、更轻松和更有趣〔36〕；⑤能够迅速得到康复训练的反馈信息并存储，利于医师掌握病情变化及康复训练效果；⑥能够减少或避免在真实环境中因错误操作导致的危险；⑦利于远程医疗，为异地患者提供方便；⑧与现实世界高度一致，于VR环境习得的技能可更好地迁移至现实世界〔27〕。⑨减少患者治疗费用〔17〕。

3 总结与展望

沉浸式VR技术的发展和应用，正在扩展人类对“现实”的认识，它是另一个世界的神奇窗口。21世纪将是VR技术高速发展的时代，其发展将为临床康复治疗打开新视野，目前在认知康复领域沉浸式VR技术研究虽取得了一些成果，但是仍有许多问题亟待康复专家和工程技术专家解决。

3.1期待自主研发适合我国国情的VR康复系统 目前我国部分VR康复软硬件直接从国外引进，成本较高，又不符合我国国情，不适合我国患者的具体情况，大大限制了其临床应用。另一部分软硬件则直接由游戏软件转化而来，虽然成本低，但难以契合康复临床需要。部分系统操作过于复杂，亦限制了其大范围推广。因而VR技术的发展需要计算机和康复领域的综合性人才，需要计算机专家和康复专家通力合作，自主研发适合我国国情和康复患者的VR康复系统。

3.2完全沉浸式VR技术期待更多更深入的康复应用研究 目前大多数VR设备仅提供半沉浸式服务，完全沉浸式VR技术的应用研究较少。VR设备成本较高，受试样本量较少，患者应用VR技术的效果存在差异性，因而康复训练条件不明确，临床应用的有效性还期待更多高质量的研究。此外，虚拟角色智慧程度不高，交互效果有限，因而不能满足复杂的康复训练需求。

因沉浸式VR技术通过大型投影屏幕或头戴式显示器生成VR环境，软硬件技术还不够成熟，所以可能会发生视觉诱导的晕动症，患者表现为头痛、出汗、恶心、呕吐、疲劳及方向障碍等。这是由于视觉与身体所感知的运动不一致所造成的，可能会引发安全问题和其他的健康问题。晕动症是当前沉浸式VR技术需要克服的主要障碍〔37～39〕。

目前多数传感器的灵敏度无法满足患者的康复需要，头盔显示器、数据手套等设备有待更新，期待研究者尽快研发出能够给予用户全身体验的触觉、听觉、嗅觉、味觉的全方位体感数据服。康复训练也期待能够针对患者的运动、言语、情感、社交等方面的需求，集主动性、反应性、自主性、社会性、移动性、理性、情绪性和适应性等为一体的虚拟体，能够编写虚拟剧情，自动建立相应的VR场景。尽量减少穿戴设备，降低用户的不适感，并增加用户的情感体验，调节用户的情绪，使虚拟环境与现实环境实现无缝连接。智能VR诊疗系统、远程康复设备和多患者使用的VR康复网络有待开发。

目前的图像显示及三维图形技术有待提高，软硬件设备不能产生逼真的VR场景，用户与VR场景交互的真实度欠缺，因屏幕分辨率低，图形跟随用户活动生成的速度过慢，使用户感觉到跳跃的、不连续的画面，且易产生晕动症。要想达到模拟现实水平，屏幕分辨率至少4 000(4 096×2 160像素)，图形刷新率至少1 000 Hz，而目前大部分屏幕的分辨率仅为1 080(1 920×1 080像素)，图形刷新率也仅为75 Hz左右〔19〕。

3.3过分沉浸的烦恼 长时间处于完全沉浸式VR环境会造成彼时知觉与幻觉并置，现实与幻觉间的分界线模糊，使用者乐衷于虚拟的环境和人际交往，过分依赖VR伴侣，或者其神经与VR世界相连接，从而迷失自我，忽略真实世界的问题和人际关系，甚至精神意识模糊，产生精神障碍，这使得VR无异于电子毒品。所以训练时要合理安排训练时间，并注意训练内容。

总之，尽管沉浸式VR技术为认知障碍康复打开了新视野，但是针对我国国情，使其更加有效地服务于临床，还有很长的路要走。随着多学科专家的通力合作，沉浸式VR技术必将在康复事业发展中发挥越来越重要的作用，极大地推动我国康复事业的发展。