虚拟现实技术在脑卒中病人认知康复中的应用研究进展

窦丽君，丁小容，秦美容

1.长江大学医学部，湖北 434000；2.北京大学深圳医院

《中国脑卒中防治报告2020》提出，脑卒中是严重危害我国居民健康的慢性非传染性疾病之一，具有发病率高、致残率高、死亡率高、复发率高、经济负担重五大特点，对病人的生活及社会功能产生极大影响[1⁃2]。随着信息技术的快速发展，虚拟现实（virtual reality，VR）技术作为一种新技术也逐渐受到重视和研究，并应 用 于 医 学 领 域。在 癌 症 治 疗[3⁃5]、疼 痛 管 理[6⁃7]、教学[8⁃9]等方面都发挥了很大的作用，改善了病人的情绪、认知和疼痛，提高了护生操作的熟练程度和教学效果。脑卒中后的认知康复对病人整体康复的进度起到了非常重要的作用，且现阶段应用虚拟现实技术结合认知训练方法的治疗效果更显著[10]。

1 概念

1.1 认知康复 脑卒中后认知障碍（post⁃stroke cognitive impairment,PSCI）特指脑卒中之后出现的并持续6 个月依然存在的认知功能损害，是血管性认知障碍（vascular cognitive impairment,VCI）的一个重要亚型，PSCI 不仅会对病人的日常生活能力和社会功能产生严重影响，甚至还可能增加病人的致残率、病死率[11⁃12]。因此，多国脑卒中康复指南建议对PSCI 病人进行认知康复[13⁃15]，认知状态也是脑卒中后恢复成功的重要决定因素。林强等[16]研究表明，脑卒中后的认知障碍会直接影响病人的康复治疗效果和日常生活等各个方面。因此，对于病人来说，认知康复训练对其认知功能本身、生活能力的恢复等具有重要意义。

1.2 虚拟现实技术 虚拟现实技术是一种利用计算机生成模拟环境的、多个来源信息整合的、交互式的三维动态景象和实体行为的系统仿真[17⁃18]，是用户通过视觉、听觉、触觉对感受到的创建的虚拟环境的反馈，并可以使用户沉浸在该环境中[19]。虚拟现实技术可分为完全沉浸式、半沉浸式、非沉浸式[20]，完全沉浸式通常是头戴显示器，并使用户在虚拟环境中沉浸的一种系统；而半沉浸式则被认为是具有单屏投影或桌面显示器的系统[21]；非沉浸式在工作生活中最常见，如电脑、智能手机、电视机或其他电子设备等，此时病人并没有存在于虚拟世界中的感觉[22]。为了实现这一目标，虚拟现实系统与大脑一样，维护着身体及其周围空间的模拟[19]。

2 虚拟现实技术在脑卒中病人认知康复中的应用方法

2.1 单独应用 病人发生脑卒中后，大脑的记忆、感觉、思维等认知功能会受到不同程度的影响，通过应用虚拟现实会有一定程度的改善。Chatterjee 等[23]一项研究中，40 名参与者以3∶1 的比例随机分配，观察组根据病人蒙特利尔认知评估量表（MoCA）评分分为严重认知障碍组（MoCA 评分<15 分）和轻中度认知障碍组（MoCA 评分15～24 分）；对照组常规护理由物理治疗师、职业治疗师以及专门从事神经康复的语言治疗师提供一系列个性化的干预措施，且接受与观察组类似的虚拟现实会话；观察组通过一个应用程序制定不同虚拟场景的游戏，如病人戴着头戴式显示器并沉浸在厨房制作吐司，模拟这些日常任务的练习来促进脑卒中病人的认知康复，而且游戏也会随着时间的推移难度增加，沉浸式虚拟现实治疗每周提供5 d，最长可达2 周；结果显示，3 组病人的MoCA 评分在持续改善，对照组和严重认知障碍组之间MoCA 评分变化的箱形图存在显著差异，说明基于虚拟现实的认知康复是有效的，是治疗脑卒中病人的一种安全且可被接受的治疗形式，并且缩短了住院时间，减少了住院费用。有研究安排1 例58 岁的出血性脑卒中的女性病人分别接受两种不同的康复训练，一种是在临床中常规使用的与治疗师面对面的放松技巧，另一种是在半沉浸式虚拟环境中，通过使用BTs⁃Nirvana（BTsN）的多感官刺激帮助病人放松和呼吸，主要应用了带有海洋景观的虚拟场景以及视频音频和运动反馈，对比病人认知和心理状况来评估病人的康复治疗效果，两种训练方案间隔2 周，以更好地评估训练的不同效果，每个康复计划每节课至少持续40 min，每周3 次，为期2 个月，由1名并不知晓研究情况的神经心理学家客观评估病人的认知和心理状态；在常规训练结束时，病人MoCA 评分、汉密尔顿焦虑评定量表（HRS⁃A）评分及血压和心率等并无显著差异，在虚拟环境中的呼吸训练结束时，病人MoCA 评分显著上升，HRS⁃A 评分显著下降，其他指标也存在显著差异[24]。说明基于虚拟现实的放松呼吸训练可以缓解病人的焦虑、抑郁症状，提高病人的认知能力，集中病人的注意力，改善应对策略。另一项研究同样用BTsN 进行虚拟现实训练，分析病人在注意力、记忆、空间认知、眼睛与肢体协调、执行功能和建设性实践等动作，从而创造互动，且系统连接着投影仪或大屏幕，可以重现互动练习，在每个阶段结束之后，可以导出练习的完整版以及练习的得分来查看认知功能恢复情况；与干预前相比，观察组病人MoCA 的视觉空间域和注意力域有所改善，与对照组治疗后相比，观察组病人的运动功能也明显改善[25]。

2.2 联合应用 张红利等[26]应用头针治疗、虚拟现实治疗、联合治疗和常规治疗4 种方法进行比较，常规组按照脑卒中二级康复治疗和护理，头针治疗组在常规组的基础上选取头针的平衡区进针治疗，虚拟现实组在常规组的基础上应用虚拟情景互动训练，根据病人的需求及训练要求选择不同的情景互动模式，联合治疗组同时采用头针治疗和虚拟现实训练；结果表明，干预4 周、8 周后单独应用的两个组与联合治疗组、常规组简易智力状态检查量表（MMSE）评分比较差异有统计学意义(P<0.05)，干预12 周后,各组间MMSE 评分均有差异(P<0.05)，且联合治疗组评分>头针治疗组评分>虚拟现实治疗组评分>常规组评分。单独应用时头针治疗的效果更好的原因可能与头针直接作用于脑部神经，对认知障碍的治疗有直接效果有关。杨恒[27]采用灯盏花素注射液联合虚拟现实游戏任务方式进行研究，灯盏花素注射液具有扩张脑血管、改善微循环、增加脑血流量等功效，病人虚拟现实康复训练的项目包括视觉反馈和任务导向两个方面，通过丰富的色彩和画面对视觉神经系统进行有效刺激提高病人治疗的注意力，从而改善病人认知能力；两组病人干预后MMSE 评分比干预前均有所提高，且联合应用提高的效果更好，说明两者联合比单独应用灯盏花素注射液对脑卒中病人认知功能的效果更显著。Oh 等[28]研究中两组病人每天在专业治疗师监督下训练30 min，每周3 d，持续6 周，对照组进行常规治疗，联合组在虚拟现实环境中接受了真实的仪器训练，仪器上的三维机械手由监视器、常规计算机和各种具有3 档自由度的真实仪器组成，病人可以通过上肢控制进行锻炼，如门把手、按钮、方向盘等，结果显示，虚拟现实环境中进行真实仪器训练的脑卒中病人比进行常规治疗的病人改善效果更明显。

3 虚拟现实技术在脑卒中病人认知康复中的应用效果

3.1 改善认知功能 Rogers 等[29]研究由心理学家进行每周3 次、共4 周的虚拟现实会议，由资深的专业人员提供30～40 min 的一对一课程，使用并发增强反馈、有形的交互设计和类似游戏的功能，增强用户参与度，以促进上肢技能和认知⁃运动耦合的重新获取；结果表明，与对照组相比，观察组在一般智力状态方面有了更大的改善，腕关节伸展、肘关节屈曲等肢体活动也都有了明显改善，随访1 个月观察组认知评分及肘关节屈曲得分显著高于对照组。可见，虚拟现实对脑卒中后认知障碍病人有明显且持续的改善作用，促进了脑卒中后认知功能的恢复。薛慧[30]以基于虚拟现实的游戏形式开展训练，通过与虚拟对手20 min“打网球”或“切水果”等游戏，增添了治疗的乐趣，提高了病人积极性，提升了病人的执行能力；训练后，两组MMSE 评分均有升高，观察组升高程度较对照组更为显著（P<0.05），虚拟现实游戏形式增强了病人的认知功能。娄安华[31]在安静环境下应用BioMaster 虚拟现实训练系统开展训练，根据Cubic 模型建立的曲线变化，在不同阶段采取不同的措施，曲线上升阶段鼓励病人独立完成虚拟现实情景的康复训练，曲线下降阶段增加家属的支持陪伴，由病人和家属共同完成训练；曲线平稳阶段鼓励病人养成训练的习惯；结果显示，干预后两组病人上肢肌力、Fugl⁃Meyer 上肢运动功能评定量表（FMA⁃UE）评分和MoCA 评分均明显升高，且观察组MoCA 评分明显高于对照组（P<0.05）。虚拟现实技术的应用有助于病人充分发挥其主观能动性，增强了病人的执行能力，能够有效提升脑卒中偏瘫病人的认知能力和肌力水平。但也有研究表明，基于虚拟现实的康复对脑卒中病人的运动功能、平衡能力、步态和日常功能等有持续的积极影响，但对认知功能的改善效果并不确定[32]，还需今后进一步研究。因此，未来还需要做更多高质量的研究证明虚拟现实在脑卒中康复认知中的效果。

3.2 减少负性情绪 脑卒中后病人因疾病导致生活发生改变，易出现负性情绪。因此，除了功能的恢复以外，还要注重病人的心理健康状况。Maier 等[33]研究中观察组脑卒中病人接受了为期6 周、每周5 次、每次30 min 的适应性结合认知训练（ACCT），ACCT 是一种新开发的基于虚拟现实实现的多认知领域的认知能力训练方法，可以从病人做任务和游戏化的训练中获得病人表现参数，并根据病人表现自动调整任务的难度系数，从而达到个性化治疗；结果显示，与干预前相比，两组干预均有效，且观察组抑郁水平比对照组显著降低，注意力和记忆力领域的改善与抑郁症改善呈正相关（P<0.05）。张晓晓等[34]研究通过电脑屏幕模拟滑雪赛事游戏、劲速滑板等多种运动场景进行互动训练,每周5 次，每次60 min，共训练6 周，结束训练后根据功能性步行能力量表（FAC）、医院焦虑抑郁情绪测定量表（HAD）、改良Barthel 指数（MBI）判断病人的功能性活动、心理情绪状态及日常生活活动能力的情况，结果显示，训练6 周后两组病人FAC、MBI 及HAD 评分均优于训练前。表明虚拟现实可以提高病人的步行功能，改善抑郁等不良情绪，减轻病人沉重的心理负担，增强其活动独立性，提高生活质量。Dehn 等[35]在为期14 d 的康复计划中，要求病人必须向虚拟环境中的各个方向看，才能从之前提交的购物清单中找到并购买相关产品，以此在虚拟现实超市中完成类似现实生活的购物任务，并判断病人抑郁症状的严重程度；结果显示，训练后两组病人抑郁严重程度均低于训练前，贝克抑郁程度自评量表（BDI⁃Ⅱ）评分比较差异有统计学意义。虚拟现实训练可以提高训练任务的积极表现，还可以提高神经心理功能，随着病人在应用虚拟现实训练之后认知功能的改善，病人的负性情绪也会发生好转。因此，虚拟现实在想象空间中缓解压力、抑郁和焦虑等方面具有很大的潜力。

3.3 提高日常生活能力 Faria 等[36]应用训练日常生活活动（ADL）的虚拟现实系统Reh@City 针对病人多个认知领域，如记忆、注意力、执行功能和视觉空间能力，进行了综合的认知虚拟训练，两组都进行了12 次干预，每次20 min，间隔4～6 周，病人在职业治疗师的监督下进行训练，虚拟场景与现实世界的场景相似，是病人日常生活经常经过或到达的地方，包括超市、邮局、银行和药房等，帮助病人实现向现实世界的过渡，病人可以根据导航或提示完成相应规定的任务，并且有时间要求，病人完成任务可积分，执行错误减分，根据病人的执行情况难度逐渐升级；与干预前相比，观察组病人脑卒中影响量表（SIS 3.0）评分明显改善（P<0.05），在力量和活动能力、记忆力、情感、社会参与和整体恢复等领域均有显著改善，执行功能有所提高。Faria 等[37]另一项研究采用Reh@City v2.0 实现个性化日常任务虚拟现实模拟进行自适应认知训练，与Reh@City 不同的是，此项研究增加了语言结局指标，针对注意力、记忆、语言和执行功能等多个认知领域为每例病人量身定制康复计划，通过改善病人在虚拟城市中做任务时视觉上的真实感提高有效性，并使用了适配病人的手柄进行交互，且增加了认知训练任务和地点，如杂志信息亭、家庭、公园和时装店等，研究结果与之前结果[36]一致。除此之外，也有研究结果也显示，病人在接受虚拟现实康复训练后认知功能及日常生活能力明显提高[38⁃39]。可以看出，相较于传统的康复方式，病人在进行虚拟现实训练之后，认知能力大多会改善，日常生活活动也有很大的进步，同时也可以减少病人的负性情绪，从而提高其生活质量。

4 不足与展望

目前，虚拟现实的使用地点大部分还是在医院内，随着科学技术的发展，虚拟现实技术的应用将是一种趋势。但虚拟现实技术并非绝对安全，也会发生不良情况[40]，如出现眼神难以聚焦、头晕等不适症状。所以，行虚拟现实治疗前医务人员应提前告知病人可能出现的不良反应，并在不适之初及时终止治疗；如若已出现不适，病人应及时反馈，并通过看向现实的事物缓解眼部不适。另外，仍有一些问题值得未来关注和研究：①由于技术与成本方面的限制，目前虚拟现实在我国还尚未普及，后续需要技术人员对设备进行创新，降低成本，使虚拟现实技术惠及更多人，并且考虑到慢性病病人越来越多，未来还应设计轻巧便携、可穿戴的虚拟现实设备供病人居家护理使用；②该领域的大多数研究以综述为主，未来还需更多大样本、高质量的研究辅证虚拟现实技术在更多科室及病种方面的应用效果；③虚拟现实技术与其他方法联合应用要比单独应用对认知康复的效果更显著，为减少对病人的侵入性操作，未来可考虑联合应用扩脑血管药物等，虚拟现实技术也可与中医治疗相结合，如针灸、中药等；④后续需要对虚拟现实技术的管理制定统一规范，对护士进行虚拟现实设备使用统一培训并考核，各科室之间应加强联系，多学科合作，推动虚拟现实技术在医学领域中的广泛应用。