虚拟现实在神经病学中应用现状及进展

唐铭阳， 张亚男， 王 栋， 王 颖综述， 王 赞， 王玉平审校

虚拟现实(virtual reality，VR)技术是一种以计算机技术为核心，并融合了人工智能技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、行为学等多方面知识，以交互性、沉浸性、想象性为特征的环境仿真技术。其通过相应的辅助设备可以实现有效的人机交互，从视觉、听觉、触觉等方面创造逼真的虚拟情境，让患者体验身临其境的效果[1，2]。随着计算机算法、显示设备等的不断进步，VR技术正日趋成熟，并已经与多个学科形成了交叉，在很多领域发挥着自己的作用。在神经内科领域，VR技术在睡眠调节、神经心理、神经康复等方面发挥作用，并且随着“互联网+”及远程医疗模式的兴起，可以预见VR未来将发挥更大作用。本文对VR在神经内科学中的应用现状及进展进行总结和展望。

1 VR的特点、作用机制及优势

1.1 VR的特点 VR以多感知性、交互性、沉浸性、想象性、自主性为主要特点[1，3，4]。

多感知性指的是VR具有多种感知，包括视觉感知、听觉感知、力学感知、触觉感知、运动感知等，甚至目前的技术正努力实现嗅觉感知及本体内脏感知等，理论上理想的虚拟现实技术应该具有一切人在现实世界中所具有的感知功能。

交互性指的是VR通过计算机硬件和软件创建的交互式界面，为用户提供参与及影响虚拟环境的机会，并且这些环境的外观和感觉类似于真实世界中的物体和事件。受试者在虚拟环境中的行动可以得到实时的感官反馈。沉浸性是指用户感知到他们在虚拟环境中而不是在现实世界中的程度，是通过虚拟环境创造的“在场”的错觉，并且与软件和硬件的设计有关。可以根据沉浸的程度将VR分为非沉浸式、半沉浸式和全沉浸式。非沉浸式指的是受试者通过键盘和鼠标等在3D环境中进行操作，半沉浸式则是受试者处于平台等，通过周围显示器或投影显示虚拟环境，同时可以通过手势或位置感应等进行交互。全沉浸式则大多是通过头戴显示器，虚拟环境充满整个视野，并通过多种感应器实现对受试者行动的实时感应。

想象性是指VR是人想象出来的，VR所提供的虚拟环境及其底层的代码逻辑等都依赖于人的设计，依靠人的想象和创造，并且可以超脱现实世界中客观规律及受试者本身条件的限制，同时这种想象体现出设计者相应的思想，因而可以用来实现一定的目标。

自主性是指通过运算，虚拟环境中的物体在受到外力干预后能够根据预设好的物理定律等进行运动。例如，当受到力的作用时，环境中的物体会按照受力的方向发生移动。

1.2 VR的作用机制 VR与大脑拥有相近的基本机制：分层预测模型。根据神经科学，大脑为了有效地调节和控制躯体，根据既往的经验创建了一个包含了本体感觉、内脏感觉、以及视觉、听觉等感官感觉的对真实世界的预测模型，用于表示和预测行动、概念和情绪，并且这一模型的构建使人们产生了一种确切的、拥有身体的感知，也就是所谓的“具体化”，这与自我意识的构建相关。面对真实世界的传入刺激，大脑中的高层处理中枢既往的经验作为先验，预测出个体可能因此产生的感觉和处理相应感觉的最佳行动，并提前产生相应的效应信号，将刺激转换为意识中的感知，使人产生对应的听觉、视觉等感觉，同时根据下层处理中枢反馈的现实情况中与预测不同的部分进行效应信号的调整，并对模型进行校正，从而减少处理外界刺激过程中的能源消耗并提高处理效率[5，6]。虚拟现实工作方式与之类似：VR试图预测个人在虚拟环境中的行动将获得的感官体验，并向他/她提供与现实世界中相一致的场景反馈。因此VR通过与大脑类似的运作模式，通过视觉、听觉等多种感官感觉以及虚拟世界对受试者行动的实时反馈，使受试者自觉身临其境，达到“沉浸”的效果。当受试者以第一人称视角体验虚拟化身的同步动作时，其对身体所有权的认知发生了改变，会对虚拟化身产生一种主体感觉和“存在”[7，8]，将与自己特质相同或不同的虚拟化身同样视为自己的一部分，由虚拟化身执行的行动在主观上认为是自己产生的，并且在真实身体中产生与虚拟化身行为相对应的运动、生理和认知反应。研究已经证实观看虚拟化身进行运动可以引起受试者发生心率的增快，将爱因斯坦的形象作为虚拟化身的受试者在认知任务中表现得更好，并且受试者在VR中进行的操作也引起了大脑对应皮质区域的激活并可以引起神经重塑[9～15]。以上受试者都证实了虚拟世界中的行为和事件将引起现实世界中真实的反馈，这是VR应用于医学领域可行性的基础。因此沉浸性是VR的核心概念，受试者在虚拟世界中的沉浸程度决定了VR的效果。

1.3 VR的优势 首先，VR能够为患者提供安全、标准化、可重复和可控制的训练环境，并且可以通过计算机技术，对患者的训练任务进行可视化和量化，还可以利用人工环境为患者提供增强的刺激，使患者得到实时的成果或错误反馈，增强其训练动机并强化学习。医生也可以跟踪患者达成的训练指标，从而协助建立个性化的治疗计划。甚至现有技术可以根据患者的能力水平自动调整任务的难度及参数，自动形成个体化的神经康复计划[16，17]，这或许将减轻康复医生的压力，使更多人能获得康复治疗。其次，对大多数人来说，VR比传统康复或心理治疗更加轻松和有趣，并且VR能使患者全方位投入虚拟现实，脱离现实世界，达到沉浸式体验，从而忽略现实生活中的失能及心理上的低效能，有助于患者坚持和主动参与治疗计划，从而取得改善睡眠和心理障碍的治疗效果[18，19]。

再次，VR的环境可以人为设定，患者既可以处于虚幻的不存在的瑰丽世界，获得非现实的经验，改变自己的认知及心理状态[20]，也可以沉浸在真实的生活场景中，使他们能够以一种现实的方式对虚拟刺激做出反应，从而可以将虚拟环境中习得的技能和训练成果完全在现实生活中复刻[21，22]。最后，VR为远程治疗和康复带来了技术支持和新的希望。通过技术平台，治疗者和患者可以出现在同一虚拟环境里，即使彼此远隔数千里，同时VR可以通过程序和治疗师的设定来达成自动或半自动化的治疗，使患者在家中也能拥有治疗资源，有助于提供大规模和更长时间的治疗[23]。

2 VR在睡眠和神经心理治疗中的作用

2.1 VR在睡眠中的作用 睡眠占据了人一生中三分之一的时间，是人重要的生理过程，睡眠质量直接影响着人的情绪、日间功能以及身体健康。随着社会压力的增大，睡眠问题的发生率逐年上升，已经成为了一大公共问题，其中尤以失眠为著。失眠患者在睡眠质量、启动或维持睡眠方面存在困难，同时可伴有严重的痛苦和日间功能障碍。目前睡眠的认知行为疗法已被公认为是治疗失眠障碍的首选方法[24]，同时，正念冥想、白噪音[25]、光学疗法[26]等也被证实可以辅助改善失眠患者的睡眠质量。白噪音可以调节患者的血压、呼吸以及心率，并可以掩蔽外界声音的干扰[25]，从而帮助患者入睡。而研究证实，如果在最低体温点后出现后使受试者接受早晨光线的照射，会导致下一个睡觉周期的时间前移，而在最低体温点前接受夜晚光线的照射，将导致睡眠时相的后移。光疗法正是利用这一原理，通过人工模拟不同时间段的自然光线，来刺激视交叉上核，影响褪黑素的生成，从而人为调整受试者的昼夜节律，帮助其在适当的时间进入睡眠[26]。而研究者目前正在将VR与上述辅助原理相结合，通过沉浸式的体验联合人为构建的声、光环境，来辅助改善患者的睡眠质量。随机对照研究已经证实，重症监护室的患者利用VR进行冥想后可以改善其睡眠质量[27]。多导睡眠监测研究显示[28]，在睡前体验30 min VR营造的沉浸式助眠环境，睡眠潜伏期缩短，觉醒指数下降，达到与药物治疗相近的治疗效果，有效改善脑卒中患者睡眠质量。特殊设计的VR程序联合生物反馈疗法，可以有效改善高血压伴失眠的患者的睡眠质量、日间功能以及焦虑抑郁情绪，并对他们的血压控制起到积极的影响[29]。将VR硬件设备与特殊设计的助眠软件程序相结合来创造便携式的促眠设备也是目前的一个新思路。目前已产生了一个将VR、催眠、正念冥想、白噪音、光学疗法以及睡眠脑电相结合的助眠系统，包括：特殊设计的适用于睡眠期佩戴的VR眼镜、结合催眠、正念等治疗方法的VR环境、视频及音效，以及可以通过深度学习形成睡眠分期的特殊程序等，利用声、光环境调节患者睡眠质量的同时，通过睡眠分期结果来对VR程序的设定进行个体化的调整。在实验中给予受试者海滩日落的场景、长波长的红色光照射以及放松的背景音乐，实验结果显示这一系统在促进睡眠方面有确切效果。这为未来的失眠治疗提供了确实可行的新选择以及新的探索方向。老年人是失眠的高发人群，并且随着社会老龄化，改善老年人的情绪及生活质量已成为人们关注的热点之一。台湾的一项对照研究显示，VR与芳香疗法相结合，可以显著改善老年人的睡眠质量及抑郁[30]。规律运动也可以改善睡眠质量及减少老年人群的心理压力，Chang等利用VR的独特机制，巧妙地通过在虚拟世界中进行模拟锻炼，改善了残疾老年人的睡眠质量，为改善失能老年人群的睡眠质量提供了新的方法[31]。

2.2 VR在神经心理疾病治疗方面的作用 虚拟现实是一种“具体化”的技术[6]，在VR中可以通过程序的编写创造出有针对性的虚拟环境[6]，并且也可以通过人为设计，使受试者接受与自身并不相同的虚拟化身，并与之通感[7，8]，从而有可能促使患者改变认知模型，并改善其情绪[32]。利用上述原理，VR技术也被广泛应用于神经心理疾病的治疗。VR被广泛应用于行为健康治疗中。有研究者利用VR营造的逼真、与患者恐惧充分匹配，同时可控、安全的虚拟环境来进行暴露疗法，使患者能循序渐进地面对恐惧，尽可能减少回避，以治疗患者的恐惧症，如恐高症[33]、牙医恐惧症[34]、飞行恐惧症[35]。也有研究利用VR模拟虚拟观众，以通过锻炼缓解自闭症谱系患者在公共场合下演讲时所面临的压力[36]。VR在治疗创伤后应激障碍方面也有显著的效果[37，38]。VR用于心理压力的控制，其效果优于传统的认知行为疗法[39]，为心理压力管理提供了新的可能的方向。VR技术也被应用于疼痛管理中，通过利用沉浸式的体验分散患者的注意力使其对疼痛的敏感性下调[40]，以及将患者带入其虚拟化身来改变患者的疼痛感知等原理[41]，VR，尤其是沉浸性交互式VR，已被证实在急、慢性以及医源性有创性操作造成的疼痛的缓解中都可以发挥作用[42]，并且可以起到与阿片类药物相近的效果，改善睡眠和心理障碍。

3 VR在神经康复中的作用

早在20多年前，就已经有人开始尝试将VR应用于康复领域，经探索和尝试，VR已经被证实在躯体以及高级神经功能康复方面有着确切的疗效。研究显示，VR在脑卒中的康复中可以起到与传统康复相同的效果[43]。早期的VR康复可以改善急性脑卒中患者的肢体力量以及日常生活能力[19]，而对于陈旧性脑卒中的患者[44]，VR也可以改善其功能状态。VR也可以改善脑卒中患者的步行和平衡能力，有些研究发现其治疗甚至效果优于传统康复[45，46]。2017年一项纳入了72项临床研究，2470例参与者的Cochrane数据库系统综述也证实，将VR作为传统康复的补充手段可以进一步改善脑卒中患者的上肢功能恢复[47]。VR也被证实有助于减少脑卒中患者的失能并改善其日常生活能力，A. Giachero等利用VR营造的虚拟日常环境作为脑卒中后患者语言康复的辅助手段，使患者可以在类日常生活的背景下进行对应主题的语言训练[22]，以更好应对日常生活。Dehn等[48]通过VR在模拟日常场景中对脑卒中后视野缺损患者进行训练，使患者的视觉扫描策略逐步适应其受限的视野，从而达到有效补偿其视野损失的目的。VR也被用于脑卒中后失语患者的远程语言康复，并取得了明确的临床效果[49]。帕金森病患者也可以从VR治疗中获益，有研究者利用VR联合跑步机训练，改善了帕金森病患者的姿势稳定性，并减少了伴有“冻结”现象患者的跌倒发生[50，51]，系统综述也证实VR在帕金森病患者步态及平衡康复方面有着明确的效果[52]。Abou和Araújo等[53，54]进行系统综述和meta分析后证实VR可以改善脊髓损伤患者平衡、步态及运动能力。研究者[55，56]尝试将VR用于改善多发性硬化患者的步行能力[57]、平衡以及上肢力量，改善多发性硬化患者的认知能力，尤其体现在执行和视觉空间能力、语言、注意力以及记忆等方面。研究证实，VR对多发性硬化患者的康复有效[58，59]。研究证实VR应用于脑性瘫痪儿童的康复，其疗效优于传统康复[60，61]。

随着VR设备的普及以及科技的进步，VR已在睡眠、神经心理疾病治疗、康复等多个领域发挥着自己的作用，并且有望成为新的辅助手段及替代疗法。同时VR也有助于推进远程医疗，解放和替代部分治疗师资源，降低患者就医成本，减轻人力不足，使更多患者获得更充足的医疗资源和更佳的治疗体验[18]。目前也有人尝试将VR与经颅磁刺激、经颅直流电[62]、功能磁共振[63]、脑电图[64]等技术相结合，进一步研究某些疾病的机制，改善其治疗效果。目前的最新技术已经由单纯的VR升级到了包括VR、AR(增强现实，Augmented Reality)、MR(混合现实，Mediated Reality)在内的XR(扩展现实，Extended Reality)，即将虚拟的数字信息叠加到真实的物理世界中，或将整个物理世界都纳入虚拟环境中，彻底打破虚拟和真实的界限，从而允许使用者采取更多的人机交互方式。XR已经被尝试用于医疗教育以及介入手术，相信未来XR将在医疗中有更丰富多彩的的应用[65]。

能否将传统治疗方式有效地转变为VR程序是VR治疗效果的关键，而这也对程序工程师以及治疗医师的适应和接受能力提出了考验，大部分VR还停留在现实环境的适度模拟，如何充分利用VR的想象性来创造出全新的依托于VR的治疗体系，仍是目前的一大难题。并且VR仪器本身存在一定操作难度，这对患者的认知能力和文化水平提出了一定要求，VR的操作过程中也可能会发生恶心、头晕、头痛等不良反应[66]，甚至有部分人会产生状态解离，影响其对现实世界的感知[67]，在一定程度上限制了VR的使用。并且目前仍需要大样本的临床试验来获得关于VR有效性的高等级循证证据。但总体来说，VR预示了一种新的医疗模式的出现，值得我们去进一步的探索及利用。