李文惠 黃凱軒 趙立功 孫增鑫 白素萍

(1邢臺醫(yī)學高等專科學校康復教研室，河北 邢臺 054000；2河北工程技術學院體育工作部；3石家莊學院體育學院；4河北省人民醫(yī)院康復科；5河北師范大學附屬民族學院公體部)

據(jù)統(tǒng)計，我國認知障礙患者每年約增加30萬例〔1〕。認知是人在認識客觀事物的過程中，對感覺信息的獲取、編碼、操作、提取和使用。認知過程包括感覺、注意、思維、記憶、言語和執(zhí)行，其中的任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會導致認知障礙。認知障礙包括認知覺障礙和知覺障礙，常見的認知覺障礙有記憶力障礙、思維及推理能力障礙等，患者表現(xiàn)為難以集中注意力、記憶力差、智力低下等；常見的知覺障礙有失用癥、失認癥、軀體構圖障礙、空間關系障礙等，患者表現(xiàn)為不能通過視覺、觸覺和聽覺等識別患病前熟悉的顏色、形狀、物體、面容、聲音等，不認識自己的身體部位，不能識別方位和地形、不能分辨距離和深度，平衡協(xié)調(diào)不良，運動控制差等，不會穿衣或吃飯、不會使用洗漱用具等，生活質(zhì)量很差〔1〕。

造成認知障礙的因素很多，包括腦損傷或老化、發(fā)育因素、遺傳因素、疾病、環(huán)境、酒精、藥物、放射線因素及有毒物質(zhì)等。多種疾病會伴有認知功能障礙，如阿爾茨海默病、腦卒中、顱腦外傷、腦部腫瘤、腦部感染、糖尿病、心臟病等，也包括精神疾患如神經(jīng)衰弱、抑郁癥、躁狂癥、更年期綜合征等〔2,3〕。

認知康復訓練對患者功能障礙的改善和生活質(zhì)量的提高有重要的臨床意義。認知干預包括訓練具體的實踐技能和采用補償策略。許多認知障礙患者由于不能充分理解訓練要領，缺乏訓練動力，難以很好地執(zhí)行訓練方案，更重要的是，目前的認知訓練及其改善對日常生活功能預后的轉(zhuǎn)移效應缺乏一致性證據(jù)。近年來，隨著科技的日益發(fā)展，認知障礙康復領域出現(xiàn)了多種輔助手段，如虛擬現(xiàn)實(VR)技術、經(jīng)顱磁刺激、計算機輔助訓練等〔4〕。其中，沉浸式VR康復訓練更易與日常生活活動相結合，促使認知訓練獲得更大的轉(zhuǎn)移效應。

1 沉浸式VR康復技術

1.1VR技術 VR技術產(chǎn)生于20世紀60年代，是數(shù)字多媒體、計算機圖形、模擬仿真技術、網(wǎng)絡、傳感及人工智能等多種技術相融合而發(fā)展起來的計算機新技術，也被稱為人工環(huán)境和靈境技術。該技術應用計算機生成特殊的虛擬環(huán)境，用戶應用各種裝置將自己投射到該環(huán)境中，并對該環(huán)境進行操作和控制〔5〕。

近年來，隨著計算機技術的快速發(fā)展，VR技術已被廣泛應用于醫(yī)學、娛樂、藝術、教育、建筑、軍事、商業(yè)等領域，極大地促進了社會的發(fā)展〔6〕。在醫(yī)療領域內(nèi)，VR技術被用于醫(yī)學教育、康復訓練、手術模擬等方面。VR醫(yī)學奠基人凱斯認為，醫(yī)學已進入虛擬現(xiàn)實、人工智能、精準醫(yī)療時代〔7〕。

1.2VR技術的主要特征——沉浸性 VR是一種可創(chuàng)造、交互和體驗的技術，它注重媒體的豐富度、用戶的感官體驗、環(huán)境的存在感和自我開放度〔8〕，具有沉浸性、交互性、構想性、多感知性和自主性的特征〔5〕。VR技術最主要的特征是沉浸性，計算機軟件在虛擬三維空間里仿真建立一種虛擬場景，通過人與VR環(huán)境的交互，使用戶全身心地投入VR環(huán)境中，用戶感覺自己就是計算機所創(chuàng)造的VR環(huán)境的一部分，如同真實世界一樣造成心理沉浸，產(chǎn)生思想共鳴。VR技術的沉浸性取決于計算機軟硬件技術和用戶的感知系統(tǒng)，用戶感知系統(tǒng)包含運動覺、振動覺、視覺、觸覺、嗅覺和味覺等〔9〕。沉浸性客觀、可測、可控，是VR技術層面的重要目標，影響用戶在VR環(huán)境中的體驗和存在感〔10〕。

VR技術可分為非沉浸式、半沉浸式和全沉浸式三類，用戶對VR的沉浸程度分為參與、專注及完全沉浸三類。參與是指用戶投入時間、精力和注意力，掌握VR操控技術；專注指用戶受VR環(huán)境的影響，淡化了自我意識和對外界的感知；完全沉浸則是用戶全身心地投入VR環(huán)境，完全切斷了對外界的感知〔10〕。

用戶在VR環(huán)境中的存在感包括三個方面：其一為臨場感，即身臨其境的感覺，是VR技術最基本的感受；其二為共存感，為心理上的一種交互現(xiàn)象，指用戶能夠感知他人和他人對自己的感知；第三為社會存在感，指互動中他人參與和人際關系的顯著度，交互環(huán)境越真實、越豐富，社會存在感越強〔8〕。用戶沉浸在VR環(huán)境中，通過與周圍物體互動，獲取新知識，提高其感知覺和理性認識，拓寬自己的認知范圍，產(chǎn)生新想象〔8〕。

交互性是指用戶與VR環(huán)境中的各種對象之間的互動性，是評定VR用戶存在感的指標。用戶能操作VR環(huán)境中的物體，并能得到反饋，例如用戶對VR環(huán)境中的物體主動發(fā)力，物體就會移動、翻倒或者發(fā)生形變〔8〕；用戶去觸碰VR環(huán)境中的物體，手能夠感受到。VR的軟硬件技術決定了其可操作程度和環(huán)境反饋的自然程度〔11〕。

1.3分類 根據(jù)呈現(xiàn)模式不同，VR可分為桌面式、完全沉浸式、分布式和增強式〔12〕。

1.3.1桌面式VR系統(tǒng) 個人計算機或低級工作站運行，顯示屏是VR世界的窗口，用戶通過鼠標、鍵盤、搖桿或力矩球等與VR系統(tǒng)交互。因該技術成本較低，所以目前應用較為普及，常用于建筑設計、桌面游戲、康復治療、計算機輔助設計和輔助制造等。但其功能簡單，且用戶易受到外界環(huán)境干擾，難以完全投入〔13〕。

1.3.2完全沉浸式VR技術 完全沉浸式VR技術效果最好，用于教育培訓、娛樂、康復治療等，它包括頭戴式、洞穴式等類型。頭戴式VR是用戶借助頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器等設備，確保其身體運動與環(huán)境反饋精確匹配，在圖形加速器和高性能工作站運轉(zhuǎn)下有效地屏蔽外界干擾，沉浸于VR環(huán)境中，并與其交互，受到視覺、聽覺、觸覺等多感官刺激。目前頭戴式VR技術類型較多，沉浸性、功能和成本等也有較大差距。洞穴式VR是在一個封閉房間內(nèi)利用投影設備將虛擬場景投射到周圍墻屏，從而避免外界干擾，用戶利用操縱手柄和立體快門眼鏡交互，具有高度沉浸性〔14〕。

1.3.3分布式VR技術 由多臺計算機組成一個大型網(wǎng)絡，其中的每臺設備同時加入一個虛擬空間，多個用戶利用遠程網(wǎng)絡交互，共同完成更復雜多變的任務。該技術是沉浸式VR技術的進一步發(fā)展，目前被廣泛應用于娛樂、軍事、醫(yī)學中。在康復臨床，借助人機互動，醫(yī)生和治療師能通過計算機反饋采集更準確、更貼近患者實情的評定結果，從而制定出個性化康復治療方案〔15〕。

1.3.4增強式VR技術 增強式VR技術又稱增強現(xiàn)實(AR)或混合現(xiàn)實系統(tǒng)，AR不僅可利用VR技術模擬現(xiàn)實世界，還可在真實場景中疊加計算機生成的VR物體或系統(tǒng)提示信息，對現(xiàn)實起到“增強”效果，從而建立用戶、VR環(huán)境和現(xiàn)實世界三者之間的交互反饋信息回路，增強用戶體驗真實感〔16〕。

2 沉浸式VR康復技術在認知障礙康復中的應用

認知功能障礙的康復是康復醫(yī)學界的重要課題，近年來，眾多學者開始關注沉浸式VR技術對認知的影響〔17～19〕。沉浸式VR技術可給患者提供安全有趣的訓練環(huán)境，并能及時反饋。研究發(fā)現(xiàn)沉浸式VR技術在改善患者的注意障礙、記憶障礙和視空間關系障礙方面效果顯著。有研究將60例輕度認知障礙者隨機分為單純針灸療法組和針灸療法結合沉浸式VR人機交互日常生活活動(ADL)訓練組，結果發(fā)現(xiàn)沉浸式VR組的蒙特利爾認知評估量表(MoCA)和簡明智力狀態(tài)檢查量表(MMSE)評分明顯提高。對急性創(chuàng)傷性腦損傷患者在沉浸式VR環(huán)境中進行注意力訓練的研究也發(fā)現(xiàn)患者康復訓練的興趣高，注意力更持久〔17，18〕。

完全沉浸式VR技術使用戶被虛擬環(huán)境所包圍，有效地與物理現(xiàn)實相隔絕，并誘發(fā)存在感，增加用戶的參與度。它可以使認知訓練更容易與日常生活功能相結合，促進訓練的轉(zhuǎn)移效應。

2.1多感官刺激的認知訓練 認知受損患者沉浸在電腦生成的VR環(huán)境中，接受多感官的刺激(包括視覺、聽覺、觸覺、運動覺、振動覺等)，并與VR環(huán)境互動，從而獲得認知能力的提升。理想的VR技術應具備人類所有的感知覺功能，這需要計算機技術高度發(fā)展〔20〕。

為提高患者的認知能力，VR給予患者廣泛的體驗，包括多感官的感覺刺激、全方位的刺激環(huán)境、非物理環(huán)境的外部刺激、生動豐富的感覺信息、用戶移動與系統(tǒng)信息匹配等。VR技術通過提升圖像幀的速率、畫面的真實度、觸覺的反饋程度、聲音的環(huán)繞度、身體的參與度等提高患者的存在感。VR輔助技術有動作捕捉儀、平衡訓練設備、數(shù)據(jù)衣、數(shù)據(jù)手套、遠程康復系統(tǒng)、3D眼鏡、傳感器、康復機器人、可穿戴設備及步態(tài)訓練系統(tǒng)等〔21〕。

當前，多數(shù)VR技術的感知功能僅限聽覺、視覺、觸覺和運動覺〔22～24〕。最近，研究者開發(fā)了振動式體感誘發(fā)電位刺激系統(tǒng)，通過特定的脈沖驅(qū)動信號使體驗者產(chǎn)生類似真實的多種形式振動，從而達到有效的體感刺激〔15〕，研究者實時檢測虛擬控制點的位置，調(diào)整控件尺寸、透明度、旋轉(zhuǎn)角、用戶頭部移動位置與交互平面中線之夾角，使用戶能更舒適地查看信息，增強體驗感〔15〕。根據(jù)用戶的認知習慣和使用場景，VR系統(tǒng)可自行視覺校正，從而使用戶可以從合理的視覺位置開始體驗VR，減少操作，優(yōu)化體驗〔15〕。研究者通過測量心率、皮膚電流等生理指標及問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，用戶的沉浸程度與該用戶的性格特征具有相關性〔25〕，但是在康復醫(yī)學領域內(nèi)，有關VR沉浸感與患者行為能力之間相關性的研究較少。

2.2較傳統(tǒng)認知訓練的優(yōu)勢 傳統(tǒng)意義上，治療師常采用圖卡、詞卡、實物、紙和筆等進行認知訓練，訓練形式單調(diào)，趣味性差，患者依從性差，訓練效果也不明顯。沉浸式VR康復技術能夠刺激并增強患者的感知覺，使患者樂于訓練，提高對訓練任務的參與度和享受度。系統(tǒng)可根據(jù)訓練目的、病人的愛好及病情特點設計出多種有效的訓練方式，并能模擬患者的ADL環(huán)境生成各種患者熟悉的VR環(huán)境，訓練過程中還伴有及時反饋和激勵措施，使認知訓練更加個性化，更具吸引力〔26〕。研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的紙筆訓練相比，沉浸式VR技術給予認知障礙者更多安全感，患者的焦慮和疲勞感較少，依從性較好，能夠有效改善患者的注意力、記憶力、空間知覺等，減輕患者的認知覺障礙和感知覺障礙，提高患者的生活質(zhì)量〔25〕。

2.3認知功能評估 康復評估是康復醫(yī)學必不可少的部分，是進行康復治療和療效判斷的主要依據(jù)，VR技術可將功能評估與康復訓練融為一體。VR評估具有自主性，可貫穿康復治療全程，能夠及時發(fā)現(xiàn)訓練中的問題，糾正錯誤的訓練方法，指出訓練時的注意事項。VR評估可全面評價患者的身體狀況，從而指導康復臨床，并可隨時留存數(shù)據(jù)，為臨床研究提供科學依據(jù)〔27，28〕。

VR系統(tǒng)可根據(jù)對用戶的分析(包括微表情)，自動選擇適用量表進行評估。VR認知評估系統(tǒng)還可將MoCA量表與體感傳感器的手勢識別、語音識別、骨骼追蹤、視線追蹤等技術相結合〔19〕。研究發(fā)現(xiàn)腦電波技術與沉浸式VR技術相結合可有效地改善用戶的認知和心理，用戶無需進行肢體運動，直接通過腦電波信號控制VR環(huán)境，系統(tǒng)通過分析用戶的腦電波信號，獲得其情感認知信息，使VR環(huán)境主動與患者互動〔17〕。有研究使用VR系統(tǒng)評估腦損傷后患者的認知功能，研究者設計了一個虛擬廚房和30項任務，分別測評患者的反應速度、邏輯順序和解決問題能力等，對照研究后得出結論，VR可作為傳統(tǒng)評估方法的有效補充〔18〕。通過VR系統(tǒng)可為思維障礙患者提供多種形式的刺激，根據(jù)患者的反應，評估其整合信息的能力。研究指出，VR系統(tǒng)可作為輕度認知障礙的篩選工具〔21〕。

2.4認知障礙康復訓練 VR可有效改善患者的空間感覺和視空間認知障礙，促進其空間能力的發(fā)展。研究者對12例有偏側(cè)忽略的患者進行沉浸式VR訓練，VR環(huán)境為典型的城市街道，經(jīng)過一段時間的訓練，患者像健康人一樣順利穿過街道，且可自由走動〔29〕。經(jīng)過VR系統(tǒng)訓練的注意障礙患者的注意力容易集中，學習能力提高，在現(xiàn)實世界的行為能力也隨之提高〔30〕。對腦卒中患者預期記憶缺失的研究發(fā)現(xiàn)，VR訓練對患者的時間、行為和事件的預期記憶評估和恢復均有效果〔31〕。對ADL技能缺失的患者，VR系統(tǒng)可提供豐富而安全的環(huán)境和訓練計劃，如使用VR廚房、VR臥室等〔32〕。也有研究發(fā)現(xiàn)，VR訓練可有效調(diào)節(jié)老年癡呆患者的情緒和情感〔33〕。

VR用于康復訓練主要通過影響訓練動機、反饋和重復3個環(huán)節(jié)，從而使患者習得新技能，提高功能水平。它能夠適應不同的康復需求，現(xiàn)已廣泛用于老年癡呆、腦癱、腦卒中、嚴重燒傷、格林-巴利綜合征、多發(fā)性硬化癥、自閉癥等疾病的康復訓練(包括危重癥早期的康復訓練)中，還可用于平衡訓練、注意力缺陷、記憶障礙及其他功能障礙的康復治療中〔30〕。認知障礙康復訓練注重的是VR系統(tǒng)能否促進患者習得知識和技能，并將所學知識和技能較好地遷移和泛化〔34〕。

VR用于認知障礙康復訓練具有很多優(yōu)勢：①使患者自然地與虛擬對象進行交互；②可根據(jù)患者的實際情況，為其提供不同的治療場景和刺激，從而有針對性地進行康復訓練，且該訓練可反復觀看，重復進行〔35〕；③比治療師更有一致性，允許用戶根據(jù)患者情況進行個性化設置，將功能評定、康復訓練與心理治療有機結合；④可提供多形式的反饋信息，使枯燥的康復訓練更容易、更輕松和更有趣〔36〕；⑤能夠迅速得到康復訓練的反饋信息并存儲，利于醫(yī)師掌握病情變化及康復訓練效果；⑥能夠減少或避免在真實環(huán)境中因錯誤操作導致的危險；⑦利于遠程醫(yī)療，為異地患者提供方便；⑧與現(xiàn)實世界高度一致，于VR環(huán)境習得的技能可更好地遷移至現(xiàn)實世界〔27〕。⑨減少患者治療費用〔17〕。

3 總結與展望

沉浸式VR技術的發(fā)展和應用，正在擴展人類對“現(xiàn)實”的認識，它是另一個世界的神奇窗口。21世紀將是VR技術高速發(fā)展的時代，其發(fā)展將為臨床康復治療打開新視野，目前在認知康復領域沉浸式VR技術研究雖取得了一些成果，但是仍有許多問題亟待康復專家和工程技術專家解決。

3.1期待自主研發(fā)適合我國國情的VR康復系統(tǒng) 目前我國部分VR康復軟硬件直接從國外引進，成本較高，又不符合我國國情，不適合我國患者的具體情況，大大限制了其臨床應用。另一部分軟硬件則直接由游戲軟件轉(zhuǎn)化而來，雖然成本低，但難以契合康復臨床需要。部分系統(tǒng)操作過于復雜，亦限制了其大范圍推廣。因而VR技術的發(fā)展需要計算機和康復領域的綜合性人才，需要計算機專家和康復專家通力合作，自主研發(fā)適合我國國情和康復患者的VR康復系統(tǒng)。

3.2完全沉浸式VR技術期待更多更深入的康復應用研究 目前大多數(shù)VR設備僅提供半沉浸式服務，完全沉浸式VR技術的應用研究較少。VR設備成本較高，受試樣本量較少，患者應用VR技術的效果存在差異性，因而康復訓練條件不明確，臨床應用的有效性還期待更多高質(zhì)量的研究。此外，虛擬角色智慧程度不高，交互效果有限，因而不能滿足復雜的康復訓練需求。

因沉浸式VR技術通過大型投影屏幕或頭戴式顯示器生成VR環(huán)境，軟硬件技術還不夠成熟，所以可能會發(fā)生視覺誘導的暈動癥，患者表現(xiàn)為頭痛、出汗、惡心、嘔吐、疲勞及方向障礙等。這是由于視覺與身體所感知的運動不一致所造成的，可能會引發(fā)安全問題和其他的健康問題。暈動癥是當前沉浸式VR技術需要克服的主要障礙〔37～39〕。

目前多數(shù)傳感器的靈敏度無法滿足患者的康復需要，頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等設備有待更新，期待研究者盡快研發(fā)出能夠給予用戶全身體驗的觸覺、聽覺、嗅覺、味覺的全方位體感數(shù)據(jù)服?？祻陀柧氁财诖軌蜥槍颊叩倪\動、言語、情感、社交等方面的需求，集主動性、反應性、自主性、社會性、移動性、理性、情緒性和適應性等為一體的虛擬體，能夠編寫虛擬劇情，自動建立相應的VR場景。盡量減少穿戴設備，降低用戶的不適感，并增加用戶的情感體驗，調(diào)節(jié)用戶的情緒，使虛擬環(huán)境與現(xiàn)實環(huán)境實現(xiàn)無縫連接。智能VR診療系統(tǒng)、遠程康復設備和多患者使用的VR康復網(wǎng)絡有待開發(fā)。

目前的圖像顯示及三維圖形技術有待提高，軟硬件設備不能產(chǎn)生逼真的VR場景，用戶與VR場景交互的真實度欠缺，因屏幕分辨率低，圖形跟隨用戶活動生成的速度過慢，使用戶感覺到跳躍的、不連續(xù)的畫面，且易產(chǎn)生暈動癥。要想達到模擬現(xiàn)實水平，屏幕分辨率至少4 000(4 096×2 160像素)，圖形刷新率至少1 000 Hz，而目前大部分屏幕的分辨率僅為1 080(1 920×1 080像素)，圖形刷新率也僅為75 Hz左右〔19〕。

3.3過分沉浸的煩惱 長時間處于完全沉浸式VR環(huán)境會造成彼時知覺與幻覺并置，現(xiàn)實與幻覺間的分界線模糊，使用者樂衷于虛擬的環(huán)境和人際交往，過分依賴VR伴侶，或者其神經(jīng)與VR世界相連接，從而迷失自我，忽略真實世界的問題和人際關系，甚至精神意識模糊，產(chǎn)生精神障礙，這使得VR無異于電子毒品。所以訓練時要合理安排訓練時間，并注意訓練內(nèi)容。

總之，盡管沉浸式VR技術為認知障礙康復打開了新視野，但是針對我國國情，使其更加有效地服務于臨床，還有很長的路要走。隨著多學科專家的通力合作，沉浸式VR技術必將在康復事業(yè)發(fā)展中發(fā)揮越來越重要的作用，極大地推動我國康復事業(yè)的發(fā)展。